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Technisches Umfeld
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein längliches persönliches
Kommunikationsgerät, zum
Beispiel ein stiftförmiges
schnurloses Telefon mit einer Antennen-Diversity-Anordnung.
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Hintergrund
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Fortschritte
in der Miniaturisierung von elektronischen Komponenten haben die
Herstellung einer Vielzahl von kompakten Kommunikationsvorrichtungen
möglich
gemacht. Ein Beispiel für
eine derartige Vorrichtung ist ein stiftförmiges schnurloses Telefon,
wie es in dem Dokument US-A-4.969.180 beschrieben wird. Ein wesentlicher
Schwerpunkt bei dem Entwurf eines derartigen Geräts liegt in der Schaffung einer
wirksamen Antennenanordnung, die eine gute Leistung in den Umgebungen
bietet, in denen das Gerät üblicherweise
benutzt wird.
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In
dem Dokument US-A-5.905.467 wird ein schnurloses Kommunikationsendgerät mit einer
Antennen-Diversity-Anordnung beschrieben. In einer Ausführungsform
hat das Endgerät
ein Schalengehäuse
bestehend aus zwei Hälften,
die mit einem Gelenk verbunden sind. Jede der beiden Hälften hat eine
seitlich verlaufende Antenne. In einer zweiten Ausführungsform
umfasst das Gehäuse
zwei Hälften,
wobei eine Hälfte
in Längsrichtung
relativ zu der anderen ausziehbar ist. Jede der Gehäusehälften enthält eine
Antenne. Eine wesentliche Anforderung der beschriebenen Erfindung
ist, dass die Antennen beim Öffnen
oder Herausziehen der Gehäusehälften einen
Abstand von mindestens einer halben Wellenlänge zueinander haben müssen, damit
die empfangenen Signale unkorreliert sind. Ein Abstand von weniger
als einer halben Wellenlänge
würde zu
einer größeren Korrelation
führen,
was nicht wünschenswert
wäre. Weiterhin
wird der Stand der Technik in den Dokumenten
JP 07143213 und
JP 06061911 beschrieben.
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Beschreibung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte
Antennenanordnung für
ein längliches
persönliches
Kommunikationsgerät zu
schaffen.
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Erfindungsgemäß wird ein
persönliches Kommunikationsgerät geschaffen, das
ein längliches Gehäuse mit
Transceiver-Schaltungen einschließlich einer Diversity-Einheit darin umfasst,
und erste und zweite räumlich
getrennte Antennen, wobei jede der beiden Antennen eine physikalisch
gekürzte
elektrische Antenne enthält,
wobei die erste und die zweite Antenne sich an jeweils gegenüberliegenden
Enden des länglichen
Gehäuses
befinden und durch mindestens 0,2 einer Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz
voneinander getrennt sind, und es sind ein Mikrofon und ein Lautsprecher
vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Antenne zwischen die
Transceiver-Schaltung und das Mikrofon gekoppelt ist, dass die zweite
Antenne zwischen die Transceiver-Schaltung und den Lautsprecher
gekoppelt ist, dass mindestens entweder die erste oder die zweite
Antenne aus hohlem Draht gebildet ist, dass eine erste elektrische
Verbindung zwischen dem Mikrofon oder Lautsprecher und der Transceiver-Schaltung
durch den hohlen Draht vorgesehen ist und dass eine zweite elektrische
Verbindung zwischen dem Mikrofon oder dem Lautsprecher und Masse
durch einen Leiter vorgesehen ist, der von dem hohlen Draht umschlossen
ist.
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Weitere
Vorteile erhält
man, wenn ein Mikrofon an der ersten Antenne angebracht wird und
ein Lautsprecher an der zweiten Antenne, wobei die Antennen für die elektrische
Konnektivität
zwischen dem Mikrofon und dem Lautsprecher und der Transceiver-Schaltung
sorgen. Diese Anordnung macht es einfacher, den optimalen Abstand
zwischen Mikrofon und Lautsprecher zu erhalten. Wenn außerdem bei dem
Entwurf der Antennen die elektrische Wirkung von Mikrofon und Lautsprecher
berücksichtigt
wird, ist eine kompaktere Form möglich.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnung
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Beispielen unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild eines persönlichen Kommunikationsgeräts;
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2 eine
Ansicht eines erfindungsgemäß hergestellten
persönlichen
Kommunikationsgeräts;
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3 eine
Kurve, die darstellt, wie die Autokorrelationsfunktion für die Größe des elektrischen Feldes
an zwei Punkten, |ρ|2, mit dem Abstand in Wellenlängen, χ/λ der Punkte,
variiert; und
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4 ein
Diagramm einer spiralförmigen Antenne
mit einem integrierten Mikrofon.
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In
der Zeichnung wurden für übereinstimmende
Merkmale die gleichen Bezugszeichen benutzt.
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Arten zur Ausführung der
Erfindung
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In 1 ist
ein Blockschaltbild eines persönlichen
Kommunikationsgeräts 100 mit
einer Antennen-Diversity-Anordnung dargestellt. Dieses besondere
Beispiel basiert auf einem GSM-Zellulartelefon (Global System für Mobile
communications), jedoch gelten ähnliche
Prinzipien für
andere Zellulartelefoniestandards und andere persönliche Kommunikationsgeräte, zum
Beispiel Zweiwegefunk.
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Betrachtet
wird zuerst der Empfangsteil der Schaltung für einen Sprachtelefonanruf.
Zwei räumlich
getrennte Antennen 102A, 102B empfangen Signale
von einer entfernten Basisstation, wobei die Signale durch eine
Diversity-Einheit 104 verarbeitet werden, um ein einzelnes
Hochfrequenzsignal (HF) zu erzeugen. In ihrer einfachsten Form wählt die
Einheit 104 das stärkere
der beiden Signale, jedoch sind andere Kombinationsverfahren bekannt
und können stattdessen
angewandt werden. Das HF-Signal wird dann an einen HF-Transceiverblock 108 weitergeleitet,
der das HF-Signal auf eine niedrigere Zwischenfrequenz (ZF) herunterwandelt.
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Die
ZF-Signale werden an einen Zwischenfrequenzblock (ZF) 110 weitergeleitet,
der das ZF-Signal zu einem Basisbandsignal herunterwandelt. Dieses
Signal wird dann an einen Basisband-Verarbeitungsblock (BB) 112 weitergeleitet.
Dieser Block führt
eine Vielfalt von Aufgaben aus, darunter Sprachdecodierung, Kanaldecodierung
und Entschachtelung. Empfangene Audiosignale werden zurück in Analogsignale
umgewandelt, um über
einen Lautsprecher 116 oder eine andere geeignete Ausgabevorrichtung
wiedergegeben zu werden.
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Betrachten
wir nun die Sendeseite der Schaltung. Sprachsignale werden von einem
Mikrofon 114 oder einer anderen geeigneten Eingabevorrichtung empfangen
und an den Basisband-Verarbeitungsblock 112 weitergeleitet,
wo sie in digitale Form umgewandelt werden. Der Basisband-Verarbeitungsblock 112 codiert
dann die Sprache und führt
eine Kanalcodierung und Verschachtelung durch, um die empfangene
Bitfehlerrate zu reduzieren. Das resultierende Signal für die Übertragung
wird moduliert und an den ZF-Block 110 weitergeleitet.
Hier werden die Basisbandsignale auf eine ZF-Frequenz angehoben.
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Das
ZF-Signal wird an den HF-Transceiverblock 108 weitergeleitet,
wo es zu der HF-Sendefrequenz gemischt und durch einen Leistungsverstärker (PA) 106 auf
die erforderliche Leistung verstärkt
wird. Danach wird es an die Diversity-Einheit 104 zur Übertragung
durch eine oder beide Antennen 102 weitergeleitet.
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Eine
kompakte Form eines persönlichen Kommunikationsgeräts umfasst
ein längliches,
zum Beispiel stiftförmiges,
Gehäuse. 2 zeigt
eine Ansicht einer Ausführungsform
eines derartigen Geräts, das
ein schnurloses Telefon sein könnte.
Das Gerät 200 umfasst
ein längliches
Gehäuse 202 mit
einem Clip 204, der verwendet werden kann, um das Gerät 200 an
einer Jacke oder einem anderen Kleidungsstück zu befestigen, wenn es nicht
benutzt wird. Die erste und die zweite Antenne 102A, 102B sind
an gegenüberliegenden
Enden des Gehäuses
angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden spiralförmige Antennen 102 verwendet.
Der größte Teil der
Schaltungen für
das persönliche
Kommunikationsgerät
ist innerhalb des Gehäuses 202 angeordnet,
einschließlich
einer Diversity-Einheit 104, die mit der ersten und der
zweiten Antenne 102 gekoppelt ist. Das Mikrofon 114 und
der Lautsprecher 116 befinden sich hinter Öffnungen
in dem Gehäuse 202. Ebenfalls
vorgesehen sind eine Anzeige 206 und Mittel 208 zur
Steuerung des Geräts 200,
zum Beispiel eine Vielzahl von Bedientasten 210.
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Eine
Bedingung zum Herbeiführen
einer wirksamen Leistungsverbesserung aus einer Diversity-Anordnung
mit zwei Antennen besteht darin, dass die von jeder Antenne empfangenen
Feldstärken
im Wesentlichen unkorreliert sind. Wenn Mehrwegestörungen dazu
führen,
dass sich die erste Antenne 102A in einer Null befindet,
ist somit die zweite Antenne 102B wahrscheinlich in der
Lage, ein gutes Signal zu empfangen, und umgekehrt.
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Die
räumliche
Korrelation der Felder in einer Mobilfunkumgebung wurde in „A Statistical
Theory of Mobile-Radio Reception" von
R. J. Clarke, Bell Systems Technical Journal, Band 47, Nr. 6, Seite
957 bis 1000, untersucht. Bei normaler Verwendung, wenn das Gerät 200 im
Wesentlichen vertikal gehalten wird, empfangen die erste und die
zweite spiralförmige
Antenne 102A, 102B die vertikale Komponente des
elektrischen Feldes. In 3 ist eine Kurve dargestellt,
die die Veränderung
von |ρ|2, die Autokorrelation der Größe des elektrischen
Feldes mit dem Abstand χ der
beiden Antennen, gemessen in Wellenlängen (λ), zeigt.
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Allgemein
gilt, dass ein guter Diversity-Betrieb erreicht wird, wenn |ρ|2 unter 0,5 liegt. Aus 3 ist
ersichtlich, dass der Abstand zwischen den Antennen hierfür mindestens
0,2λ betragen
muss. Dies entspricht einem Abstand von 6,5 cm bei der GSM-Mittenfrequenz von
925 MHz und von 3,0 cm bei der UMTS-Mittenfrequenz (Universal Mobile
Telecommunication System) von ca. 2050 MHz. Ein derartiger Abstand
kann in einem stiftförmigen
oder anderen länglichen
Gerät wie
dem in 2 abgebildeten leicht erreicht werden, wodurch
sichergestellt wird, dass die Korrelation zwischen der ersten und der
zweiten Antenne 102A, 102B gering und die Diversity-Leistung
gut ist. Ein derartiges Gerät
ist somit für
eine Diversity-Anordnung wie die dargestellte besonders geeignet.
Außerdem
ist es wahrscheinlich, dass ein längliches Gerät 200 auf
eine derartige Weise gehalten wird, dass die Antennen durch die
Hand des Benutzers nicht wesentlich blockiert werden. Dadurch wird
sichergestellt, dass die mittlere Verstärkung der ersten und der zweiten
Antenne 102A, 102B ähnlich ist, was ebenfalls eine
Voraussetzung für
eine gute Diversity-Leistung
ist.
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Eine
praktische Abwandlung des länglichen Geräts 200 aus 2 besteht
darin, das Mikrofon 114 an dem Ende der ersten Antenne 102A anzubringen,
das dem mit der Transceiver-Schaltung verbundenen Ende gegenüberliegt,
wie in 4 dargestellt. Die spiralförmige Antenne 102A kann
aus Koaxialkabel gebildet sein, wobei ein Verbindungsdraht 402 das
Mikrofon 114 mit einem Ende des Kabelinnenleiters verbindet
und das andere Ende des Innenleiters mit Masse verbunden ist. Ein
zweiter Verbindungsdraht 404 vom Mikrofon 114 ist
mit dem Kabel oben an der Antenne 102A verbunden. Alternativ
kann die Antenne 102A aus einem hohlen Draht gebildet sein, durch
den der erste Verbindungsdraht geführt wird, um das Mikrofon mit
Masse zu verbinden.
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Unten
an der Antenne 102A können
die Audiosignale von dem Mikrofon 114 und die von der Antenne 102A empfangenen
oder gesendeten HF-Signale leicht getrennt werden. Unten an der
Antenne wird eine gemeinsame Verbindung 406 zum Äußeren des
Koaxialkabels (oder des hohlen Antennendrahts) hergestellt. Von
dieser Verbindung werden Audiosignale von dem Mikrofon über einen
Tiefpassfilter (hier als einzelne Spule 408 dargestellt)
an einen Audioausgang 410 geleitet, während die HF-Signale über einen
Hochpassfilter (als einzelner Kondensator 412 dargestellt)
an einen HF-Ausgang 412 geleitet werden.
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Für die Verbindungen
könnten
andere Möglichkeiten
in Erwägung
gezogen werden. Es könnten zum
Beispiel zwei Verbindungsdrähte
von dem Mikrofon 114 durch einen hohlen Antennendraht geführt werden
und somit einen Filter überflüssig machen.
Alternativ könnten
Verbindungsdrähte
durch die Mitte der spiralförmigen
Antenne 102A geführt werden,
wodurch die Antenne aus Volldraht gebildet werden kann.
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Ein
besonderer Vorteil der Platzierung des Mikrofons 114 oben
auf der An tenne 102A besteht darin, dass das Mikrofonpaket
für Spitzenbelastung sorgt
(Erhöhen
des Strahlungswiderstands und Verringern der kapazitiven Reaktanz),
wodurch eine kürzere
Antenne 102A verwendet werden kann. In einer Ausführungsform,
bei der die Antenne 102A aus Koaxialkabel gebildet ist,
sorgt das Mikrofon 114, wenn es auch eine geringe HF-Impedanz
darstellt, für
einen Kurzschluss oben an der spiralförmigen Antenne. Die Übertragungsleitung
innerhalb der Spirale ist dann eine kurzgeschlossene Stichleitung,
die eine induktive Impedanz schafft und dadurch die kapazitive Reaktanz
der Antenne 102A reduziert und die Verwendung einer noch
kürzeren
Antenne 102A ermöglicht.
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Alternativ
oder in Kombination mit der obigen Abwandlung kann der Lautsprecher 116 auch
an dem Ende der zweiten Antenne 102B angebracht werden, das
dem mit der Transceiver-Schaltung verbundenen Ende gegenüberliegt.
Für diese
Abwandlung gelten die gleichen Überlegungen
wie für
die Kombination des Mikrofons 114 und der ersten Antenne 102A.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung nutzen eine spiralförmige Antenne. Es könnten stattdessen
jedoch andere Arten von physikalisch gekürzten elektrischen Antennen
verwendet werden. Derartige Antennen sind monopol- oder dipolartige
Antennen, die physikalisch kleiner sind als ihre elektrische Länge, und
vorwiegend das elektrische Feld empfangen. Ein Beispiel für eine derartige
alternative Antenne ist eine mäanderförmige Antenne.
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Aus
der Lektüre
der vorliegenden Beschreibung werden für den Fachkundigen weitere
Abwandlungen offensichtlich sein. Derartige Abwandlungen können weitere
Merkmale umfassen, die bereits aus dem Entwurf, der Herstellung
und der Verwendung von persönlichen
Kommunikationsgeräten
und Komponenten davon bekannt sind und die an Stelle von oder zusätzlich zu
den bereits hier beschriebenen Merkmalen verwendet werden können.
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In
der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen schließt die Verwendung des Wortes "ein" oder "eine" (Englisch: "a" or "an") vor einem Element
das Vorhandensein einer Vielzahl (mehrerer) derartiger Elemente
nicht aus. Außerdem
schließt
die Verwendung des Wortes "umfassen" (Englisch: "comprising") das Vorhandensein
von anderen als den erwähnten
Elementen oder Schritten nicht aus.
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Anwendbarkeit
in der Industrie
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Die
vorliegende Erfindung ist auf Geräte zur Verwendung in einer
Reihe von Funkkommunikationssystemen, zum Beispiel GSM, anwendbar.