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Die
Erfindung betrifft ein Antennenumschalter zum Betreiben mehrerer
Antenneneinheiten eines Magnetresonanzgeräts über einen HF-Kanal. Die Erfindung
bezieht sich auch Verfahren zum Umschalten zwischen mindestens zwei
Antenneneinheiten Die Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik unter
anderem zum Gewinnen von Bildern eines Körperinneren eines Untersuchungsobjekts.
Dabei werden in einem Magnetresonanzgerät (MR-Gerät) einem statischen Grundmagnetfeld
B0, das von einem Grundfeldmagneten erzeugt wird, schnell geschaltete
magnetische Gradientenfelder überlagert.
Zum Auslösen
von MR-Signalen umfasst das MR-Gerät ferner beispielsweise eine
Ganzkörper-Hochfrequenzantenne
(HF-Antenne), die HF-Signale, das so genannte B1-Feld, in das Untersuchungsobjekt
einstrahlt. Mithilfe dieser Antenne oder weiterer Lokalantennen
können
die ausgelösten
Magnetresonanzsignale aufgenommen werden und zu einem Magnetresonanzbild
verarbeitet werden.
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In
der MR-Tomographie werden üblicherweise
Antennen-Arrays verwendet. Ein Antennen-Array weist dabei mehrere
einzelne Spulenelemente auf. Bei neueren Bildgebungsverfahren, beispielsweise bei
der parallelen Bildgebung, werden die Rohdaten mehrerer Spulenelemente
zu MR-Bildern verarbeitet. Bei derartigen Verfahren werden die Rohdaten
von jedem Spulenelement separat aus dem Antennen-Array in einen
Stecker des Antennen-Arrays geleitet und über diesen den Empfangskanälen zugeführt.
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Ein
Beispiel für
ein Antennen-Array ist eine Wirbelsäulenoberflächeneinheit, auch Spine-Array genannt.
Bei einem derartigen Antennen-Array mit beispielsweise 24 Spulenelemente
decken beispielsweise 12 Spulenelemente das maximale Aufnah mevolumen
(Field of View, FOV) ab. Enstprechend bedarf es beispielsweise mindestens
zwölf Kanäle am Stecker,
die mit zwölf
Empfangskanälen
zu verbinden sind.
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Werden
Spulenelemente nicht benötigt,
werden sie mithilfe von Verstimmschaltungen in ihrer Resonanzfrequenz
verstimmt. Die Ansteuerung einer derartigen Verstimmschaltung für ein Spulenelement belegt üblicherweise
eine Steuersignalleitung im Stecker der Antenneneinheit. Bei konventionellen
Verstimmschaltungen wird üblicherweise
vom MR-Gerät im
verstimmten Zustand (inaktiver Zustand) ein gewisser Durchlassstrom
durch eine PIN-Diode zur Verfügung
gestellt. Im aktiven Fall, d.h. ohne Verstimmung, wird eine gewisse
Sperrspannung an der PIN-Diode
angelegt.
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Mithilfe
der Verstimmschaltungen werden nicht benötigte Antennen inaktiv geschaltet.
Beispielsweise werden Empfangsantennen während des Sendevorgangs und
Sendeantennen während des
Empfangsvorgangs inaktiv geschaltet. Neben dem Senden mithilfe der
oben erwähnten
Ganzkörperantenne
kann auch mithilfe eines lokalen Antennen-Arrays ein B1-Magnetfeld
räumlich
gut lokalisiert eingestrahlt werden.
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Ein
Problem bei der Verwendung von Rohdaten mehrerer Spulenelemente
ist die begrenzte Anzahl von verfügbaren Kanälen und Steuersignalleitungen
im Stecker einer Array-Antenne, die die Anzahl der Empfangskanäle und die
Anzahl von Steuersignalleitungen begrenzt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten
Umschalter bzw. ein Verfahren zum Umschalten zwischen mindestens
zwei Antenneneinheiten anzugeben, wobei möglichst wenig Steuersignalleitungen
zur Ansteuerung der Antenneneinheiten benötigt werden.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Antennenumschalter
zum Betreiben mehrerer Antennenein heiten eines Magnetresonanzgeräts über einen
HF-Kanal mit mindestens zwei Antennenanschlüssen zum Verbinden mit je einer
Antenneneinheit, wobei mindestens eine erste der Antenneneinheiten über ein
erstes Steuersignal in ihrer Resonanzfrequenz einstellbar ist, mit
einem HF-Kanalanschluss zum Verbinden mit einer Hochfrequenzeinheit
des Magnetresonanzgeräts und
mit einer Schalteinheit zum Erzeugen einer Hochfrequenzverbindung
zwischen einem der Antennenanschlüsse und dem HF-Kanalanschluss,
wobei die Schalteinheit mithilfe des ersten Steuersignals angesteuert
wird.
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Der
erfindungsgemäße Antennenumschalter hat
z.B. den Vorteil, dass kein zusätzliches
Steuersignal und damit keine zusätzlicher
Steuersignalleitung zur Ansteuerung des Antennenumschalters benötigt wird,
da das Steuersignal der Verstimmschaltung auch für die Ansteuerung der Schalteinheit
verwendet wird. Dies ist möglich,
da das Verstimmen einer Antenneneinheit und das Auswählen einer
Antenneneinheit für
einen HF-Kanalanschluss voneinander abhängen.
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Üblicherweise
erfolgt die Stimmung oder Verstimmung der Resonanzfrequenz der Antenneneinheit
mithilfe einer Verstimmschaltung. Das Steuersignal kann einerseits
einen ersten Verstimmzustand aufnehmen, in dem die Resonanzfrequenz
der ersten Antenneneinheit auf Empfang oder Senden gestimmt ist,
oder sie kann andererseits einen zweiten Verstimmzustand aufweisen,
in dem die Resonanzfrequenz der ersten Antenneneinheit verstimmt
ist.
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Die
zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch
ein Verfahren zum Umschalten zwischen mindestens zwei Antenneneinheiten,
wobei mindestens eine erste der Antenneneinheiten über ein
erstes Steuersignal in ihrer Resonanzfrequenz einstellbar ist, mit
einem derartigen Antennenumschalter, wobei der Antennenumschalter
mithilfe des ersten Steuersignals angesteuert wird.
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Der
Begriff Antenneneinheit umfasst sowohl eine Einzelantenne, d.h.
eine Antenne mit einem Spulenelement, als auch ein Antennen-Array
mit mehreren Spulenelementen.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Antennenumschalters
ist die Schalteinheit im Fall, dass das erste Steuersignal in einem ersten
Verstimmzustand ist, in einem ersten Schaltzustand, in dem eine
Hochfrequenzverbindung zwischen dem mit der ersten Antenneneinheit
zu verbindenden Antennenanschluss und dem HF-Kanalanschluss besteht.
Ist das Steuersignal dagegen in einem zweiten Verstimmzustand, ist
die Schalteinheit in einem zweiten Schaltzustand, in dem eine Hochfrequenzverbindung
zwischen dem mit der zweiten Antenneneinheit zu verbindenden Antennenanschluss
und dem HF-Kanalanschluss besteht.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Antennenumschalters weist die Schalteinheit einen ersten Schalter
auf, der eine Verbindung zum ersten Steuersignal aufweist, der zwischen
dem mit der ersten oder der zweiten Antenneneinheit zu verbindenden
Antennenanschluss und dem HF-Kanalanschluss angeordnet ist und der
diese im ersten Schaltzustand hochfrequenzmäßig verbindet und im zweiten
Schaltzustand hochfrequenzmäßig trennt.
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Die überkreuzte
Ansteuerung des ersten Schalters und der zweiten Antenneneinheit
hat den Vorteil, dass gerade bei Paaren von anzusteuernden Antenneneinheiten,
die immer alternierend aktiv sind, einfache Schaltungen möglich sind.
Die parallele Ausführungsform
dagegen, bei der der erste Schalter zusammen mit der ersten Antenneneinheit
vom ersten Steuersignal angesteuert wird, hat den Vorteil, dass
sie leichter modular erweitert werden kann.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Antennenumschalters
ist das erste Steuersignal ein Gleichstrom-/Gleichspannungssteuersignal und die
Schalteinheit weist eine erste Diode auf, die einerseits hochfrequenzmäßig mit
einem der Antennenanschlüsse
und mit dem HF-Kanalanschluss und die andererseits gleichstrommäßig mit dem
Gleichstrom-/Gleichspannungssteuersignal
verbunden ist.
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Die
Verwendung einer Diode hat den Vorteil, dass, falls auch in der
Verstimmschaltung der Antenneneinheit eine derartige PIN-Diode verwendet
wird, es besonders einfach ist, das Steuersignal für beide Funktionen
zu verwenden. Im Fall der PIN-Diode
ist die Gleichstrom-Gleichspannungsquelle für das Gleichstrom-Gleichspannungssteuersignal
mit einer oder mit beiden Anschlussseiten der PIN-Diode verbunden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Verfahrens wird das erste Steuersignal, falls es die Resonanzfrequenz
der ersten Antenneneinheit auf Empfang stimmt, eine Schalteinheit
des Antennenumschalters derartig ansteuern, dass eine Hochfrequenzverbindung
zwischen dem mit der ersten Antenneneinheit zu verbindenden Antennenanschluss und
dem HF-Kanalanschluss erzeugt wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
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Es
folgt Erläuterung
von mehreren Ausführungsbeispielen
der Erfindung anhand der 1 bis 5. Es zeigen
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1 schematisch
den Aufbau und die Verwendung eines Antennenumschalters nach der
Erfindung,
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2 ein
Beispiel für
eine skalierbare Schalteinheit, wie sie in einem Antennenumschalter nach
der Erfindung Verwendung finden kann,
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3 eine
Weiterbildung des Antennenumschalters aus 1 für zwei verstimmbare
Antenneneinheiten,
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4 eine
alternative Ausführungsform
der Ansteuerung nach 3 und
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5 ein
Blockschaltbild eines Antennenumschalters entsprechend 4.
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Allgemein
erreicht man eine Reduktion der benötigten HF-Kanäle eines
Steckers eines Antennen-Arrays beispielsweise dadurch, dass mehrerer Spulenelemente,
von denen bei jeder relevanten Array-Kombination immer nur eine
aktiv ist, einem gemeinsamen Empfangskanal zugeführt werden. Erfindungsgemäß erfolgt
die Auswahl, welches der Spulenelemente ausgelesen werden soll,
mithilfe eines Steuersignals, welches auch den Betriebszustand eines
der Spulenelemente ansteuert.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau und die Verwendung eines Antennenumschalters 1 nach
der Erfindung. Er ermöglicht
das Umschalten zwischen zwei Antenneneinheiten 3A, 3B,
so dass jeweils nur das Signal eines dieser Antenneneinheiten 3A, 3B zu einer
Hochfrequenzeinheit 5 geleitet wird. Alternativ ermöglicht der
Antennenumschalter, dass während des
Sendens ein Hochfrequenzsignal der HF-Einheit 5 nur an
eine der Antenneneinheiten 3A, 3B übermittelt
wird. Aufgrund der Unabhängigkeit
des Antennenumschalters 1 bezüglich seiner Verwendung beim Senden
oder Empfangen wird im Folgenden beispielhaft der Empfangsfall beschrieben.
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Die
Antenneneinheit 3A umfasst nur ein Spulenelement, wogegen
die Antenneneinheit 3B ein Antennen-Array ist, deren drei
Spulenelemente beispielsweise nur einen gemeinsamen Ausgang aufweisen
und die gemeinsam verstimmt werden können.
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Die
Antenneneinheiten 3A, 3B sind mit jeweils einem
Antennenanschluss 7A, 7B verbunden. Die Hochfrequenzeinheit 5 ist
mit dem HF-Kanalanschluss 9A verbunden. Die hochfrequenzmäßige Verbindung
der Antennenanschlüsse 7A, 7B mit
dem HF-Kanalanschluss 9A erfolgt über eine Schalteinheit 11,
die über
ein Steuersignal 13 einer Signalquelle 15 angesteuert
wird, wobei das Steuersignal 13 auch die Antenneneinheit 3A stimmt
bzw. verstimmt (aktiver und inaktiver Betriebszustand).
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Die
in 1 dargestellte Schalteinheit 11 lässt sich
auf eine beliebige Anzahl von Antenneneinheiten erweitern. Dies
ist beispielsweise schematisch in 2 anhand
der Schalteinheit 11A dargestellt, die jeweils einen der
Antennenanschlüsse 7C,...7G mit
dem HF-Kanalanschluss 9B hochfrequenzmäßig verbindet. Vorzugsweise
bedient sich dabei die Schalteinheit 11A nur vorhandener
Steuersignale und eventuell vorhandener Betriebsspannung, z.B. des
Vorverstärkers,
so dass auch hier die Anzahl von Steuersignalleitungen minimiert
bleibt.
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Das
besondere des Antennenumschalters nach der Erfindung liegt darin,
dass man für
die Antennenumschaltung, beispielsweise für die Ansteuerung der, wie
in 5 dargestellten, PIN-Dioden, keine zusätzlichen
Steuersignalleitungen oder Steuersignale benötigt. Vielmehr werden hierfür die Stimm- bzw. Verstimmsteuersignale
der Antenneneinheiten verwendet, die dann sowohl zur Antennenumschaltung
als auch zum Verstimmen der Antenneneinheiten im Sendefall bzw.
Stimmen im Empfangsfall dienen.
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3 zeigt
einen weitergebildeten Antennenumschalter 1B mit einem
symmetrischen Aufbau mit zwei Schaltern 21A, 21B,
die nun entweder eine hochfrequenzmäßige Verbindung zu den Antennen 3C bzw. 3D herstellen,
bzw. diese trennen. Jeder der Antenneneinheiten 3C, 3D wird
mithilfe eines Steuersignals 13C bzw. 13D gestimmt
bzw. verstimmt. Neben der Verstimmung der Antenneneinheiten bewirken
die Steuersignale 13C, 13D auch ein Öffnen bzw. Schließen der
Schalter 21A, 21B, d.h. ein Herstellen der Hochfrequenzverbindung.
Die Verbindungen des Antennenumschalters 1B zur HF-Einheit 5B bzw.
zu den Antenneneinheiten 3C, 3D erfolgt vorzugsweise über schematisch
dargestellte Koaxialkabel. Die Steuersignale 13C, 13D werden
wiederum von einer Verstimmeinheit 15B generiert.
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4 zeigt
ein alternatives Ausführungsbeispiel
zur 3, wobei die Steuersignale 13E, 13F überkreuzt
einerseits eine der Antenneneinheiten 3E und 3F verstimmen
und andererseits die hochfrequenzmäßige Verbindung eines HF-Kanalanschlusses 9D zur
jeweils anderen Antenne 3F bzw. 3E über die
Schalter 21E, 21F schließen bzw. trennen. Dies hat
den Vorteil, dass z.B. gleichzeitig eine PIN-Dioden zur hochfrequenzmäßigen Verbindungsherstellung
des HF-Kanalanschlusses 9D mit eine der Antennen 3E,3F und
eine weitere PIN-Diode zur Bildung eines Sperrresonanzkreises zur
Verstimmung der anderen der Antennen 3F, 3E mit
dem gleichen Steuersignal 13f, 13E angesteuert
werden können, indem
sie bestromt werden, d.h. leitend geschaltet werden.
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Die
erfindungsgemäßen Antennenumschalter
sind, wie oben beschrieben, sowohl beim Senden als auch beim Empfangen
verwendbar. Im Folgenden soll nun ein Beispiel für einen Antennenumschalter
gemäß 4 ausführlich dargestellt
werden, welcher beispielsweise bei der eingangs erwähnten Wirbelsäulenspuleneinheit
mehrfach zum Einsatz kommen kann. Dadurch wird die benötigte Anzahl
von Empfangskanalleitungen halbiert, ohne dass zusätzliche
Signalleitungen eingeführt
werden.
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Da
zwölf ausgelesene
Spulenelemente das maximale Field of View (FOV) abdecken, benötigt ein Stecker
der Wirbelsäulenspuleneinheit
mindestens 12 Empfangskanäle.
Aufgrund der Größe des FOV gibt
es bei jeder relevanten Kombination von Spulenelementen immer zwölf Paare
von Einzelspulen, von denen eine aktiv und eine inaktiv ist. Mithilfe
von zwölf
Antennenumschaltern gemäß 5 ist
es nun möglich,
durch geeignete Kombination der Spulenelemente diese paarweise über die
zwölf Empfangskanäle auszulesen.
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Die
Funktionsweise der einzelnen Antennenumschalter entspricht somit
einer Art Empfangsweiche. Einmal werden die Signale von dem einen
Spulenelement des Paares und einmal die Signale des anderen Spulenelements
zum Empfangskanal geführt.
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Die
Ansteuerung der Umschalter erfolgt erfindungsgemäß über die schon vorhandenen Steuersignale
zur Verstimmung der Spulenelemente.
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5 zeigt
ein Blockschaltbild eines Antennenumschalters 1D zum Betreiben
zweier Spulenelemente 3G, 3H eines Magnetresonanzgeräts mit einem
HF-Kanal 31 einer HF-Einheit 5D. Da von den Spulenelementen 3G, 3H immer
nur eines im möglichen
FOV des Magnetresonanzgeräts
liegt, sollen die Spulenelemente 3G, 3H mit dem
HF-Kanalanschluss 31 wechselnd einstellbar hochfrequenzmäßig verbunden
werden können.
Die Verbindungen erfolgen im Wesentlichen über Koaxialkabel 37A, 37B, 37C,
wobei der Antennenumschalter 1D zwischen den Innenleitern
der Koaxialkabel 37A, 37B umschaltet. Als Schalter
werden hierzu je eine PIN-Dioden 35A, 35B verwendet,
die in die HF-Verbindungen zu den Spulenelementen 3G,3H integriert
sind und seriell jeweils den Innenleiter der Empfangskoaxialkabel 37A, 37B auftrennen
bzw. schließen.
Die PIN-Dioden 35A, 35B weisen bei Bestromung
einen für
Hochfrequenzsignale leitenden Zustand und bei einer Sperrgleichspannung
einen für
Hochfrequenzsignale sperrenden Zustand auf.
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Die
Antenneneinheiten 3G, 3H können mithilfe der Verstimmschaltungen 33A, 33B in
der Resonanzfrequenz ihres Antennenschwingkreises gestimmt bzw.
verstimmt werden. Die Verstimmung kann z.B. dadurch erfolgen, dass
z.B. mithilfe einer der PIN-Dioden 35A, 35B ein
Sperrresonanzkreis mit der Resonanzfrequenz der Antenne akitviert
wird, der einen hochohmigen Punkt im Antennenschwingkreis darstellt.
Alternativ kann die Resonanzfrequenz verschoben werden, indem z.B.
mithilfe einer der PIN-Dioden 35A, 35B ein die
Resonanzfrequenz bestimmender Kondensator überbrückt wird.
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Zur
Verstimmung erhält
die Verstimmschaltung z.B. über
einen Gleichstrom-/Gleichspannungspfad Steuersignale 13G, 13H einer
Verstimmsteuereinheit 15D. Die verstimmte Antenneneinheit 3G ist gestrichelt
und die auf Resonanzfrequenz gestimmten Antenneneinheit 3H durchgezogen
als Kreis dargestellt.
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Üblicherweise
werden Verstimm-PIN-Dioden in den Verstimmschaltungen 33A, 33B im
gestimmten (empfangsbereiten) Zustand eine gewisse Sperrspannung
und im verstimmten Zustand ein gewisser Durchlassstrom von der Verstimmsteuereinheit 15D zur
Verfügung
gestellt. Im dargestellten Fall korrespondiert das Steuersignal 13H der
Spuleneinheit 3G zu diesem Durchlassstrom und das Steuersignal 13G zu
dieser Sperrspannung. Da in dem hier beschriebenen Fall der Wirbelsäulenspuleneinheit
entweder das eine oder das andere Spulenelement 3G,3H aktiv
ist, sind die Zustände
der, dazugehörigen
Verstimmschaltungen 33A, 33B nie identisch, sondern
immer alternierend. Es können
somit folgende zwei Fälle auftreten:
Im
ersten Fall ist Spulenelement 3G verstimmt und Spulenelement 3H auf
Resonanzfrequenz gestimmt. Entsprechend ist die Verstimmschaltung 33A bestromt
und an der Verstimmschaltung 33B liegt Sperrspannung an.
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Im
umgekehrten zweiten Fall ist Spulenelement 3H verstimmt
und Spulenelement 3G auf Resonanzfrequenz gestimmt. Entsprechend
ist die Verstimmschaltung 33B bestromt und an der Verstimmschaltung 33A liegt
Sperrspannung an.
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In
der Ausführungsform
in 5 dienen erfindungsgemäß die von der Steuereinheit 15D angebotene
Sperrspannung bzw. der fließende
Strom nun nicht nur als Steuersignal für die Verstimmschaltungen 33A, 33D,
sondern auch zur Ansteuerungen der PIN-Dioden 35A, 35B über weitere
Gleichstrom-/Gleichspannungspfade.
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Die
PIN-Dioden 35A, 35B werden mithilfe der Gleichstromgleichspannungssignale 13G, 13H entweder
auf durchgehend oder auf sperrend geschaltet. Eine Verdrosselung
und Entkopplung der Gleichstrompfade von den HF-Pfaden erfolgt jeweils mit
zwei Kondensatoren 39A,...39D und zwei Spulen 43A,...43D,
die kathoden- bzw. anodenseitig bezüglich der PIN-Dioden 35A, 35B angeordnet
sind. Die Widerstände 41A, 41B dienen
der Spannungsanpassung.
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Im
Folgenden werden die Funktionsweise des Antennenumschalters 1D in
den beiden oben beschriebenen Fällen
verdeutlicht. Im ersten Fall ist das Spulenelement 3G verstimmt
und das Spulenelement 3H auf Empfang geschaltet. Entsprechend muss
die HF-Verbindung über
die PIN-Diode 35A, die seriell zum Spulenelement 3G angeordnet
ist, unterbrochen sein, also mit Sperrspannung betrieben werden.
Dazu wird in der dargestellten Schaltung die Sperrspannung verwendet,
die in der Verstimmschaltung 33B das Spulenelement 3H auf
Empfang stimmt. Die seriell zur Spule 3H angeordnete PIN-Diode 35B muss
dagegen hochfrequenzmäßig auf durchgängig geschaltet
sein, also bestromt werden. Hierzu wird das Verstimmsignal der Verstimmschaltung 33A des
Spulenelements 3G verwendet.
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Im
zweiten Fall, bei dem das Spulenelement 3G auf Empfang
geschaltet und das Spulenelement 3H verstimmt ist, sind
die Steuersignale Sperrspannung und Bestromung vertauscht, so dass
auch die Schaltzustände
der PIN-Dioden 35A, 35B vertauscht sind.
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Neben
dem hier beschriebenen üblichen
Fall der Ansteuerung der PIN-Dioden zur Verstimmung bzw. Stimmung
der Spulenelemente können
die Spulenelemente auch mit einer Sperrspannung verstimmt und mit
einem Durchlassstrom gestimmt werden. Entsprechend muss die Schaltung
modifiziert werden.
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Zusätzlich werden
in 5 Vorverstärker 46A, 46B der
Spulenelemente 3G, 3H über die Innenleiter der Empfangskoaxialka bel 37A,37D mit Gleichspannung
versorgt. Diese Spannungsversorgung wird mithilfe von geeigneten
Drosselspulen 45A, 45B und den zusätzlich als
Abblockkondensatoren dienenden Kondensatoren 39A,...39D an
den PIN-Dioden 35A, 35B vorbeigeführt.