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Die
Erfindung bezieht sich auf den Bereich des gleichzeitigen Empfangens
und Übertragens
von Signalen in einem Übertragungssystem
mit einem Sender und einem Empfänger.
Insbesondere bezieht sie sich auf eine Vorrichtung zum Empfangen
und Senden von Signalen in einem Übertragungssystem, in dem ein
Endgerät,
welches die erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst, mit einer Satelliten- oder
einer terrestrischen Basisstation verbunden ist.
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Heutzutage
werden im Bereich von bidirektionalen Satellitenübertragungen gewöhnlich,
wenn auch nicht ausschließlich,
Fernübertragungssysteme verwendet,
bei denen das als bidirektionales Frequenzduplexverfahren („Frequency
Division Duplex" oder „FDD") bekannte Verfahren
eingesetzt wird.
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Da Übertragung
und Empfang gleichzeitig stattfinden und da der Pegel des Übertragungssignals
in einer solchen Empfangs-Übertragungs-Vorrichtung
hoch ist, wird der Empfangspfad durch ein Störsignal gestört, das
aufgrund der erheblichen Leistung am Ausgang des Senderverstärkers durch die
Kopplung eines auf dem Übertragungspfad übertragenen Übertragungssignals
entsteht. Dieses Störsignal
könnte
die Eingangsstufe des Empfangspfads (die häufig aus einem Transistor mit
niedrigem Drainstrom und niedriger Vorspannung besteht) sättigen und
somit ihren ordnungsgemäßen Betrieb
stören. Im
Falle einer Übertragung,
bei der Digitalmodulationen mit nicht-konstanter Hülle, die
erhebliche momentane Spitzenamplituden aufweist, beispielsweise vom
Typ „CDMA" (Codemultiplexverfahren),
eingesetzt werden, wird dieses Problem noch verstärkt. 1 zeigt
in grafischer Darstellung die Eingangs- Ausgangs-Architektur einer an eine Antenne 1 gekoppelte
Empfangs-Übertragungs-Vorrichtung. Das
von der Antenne empfangene Signal wird an eine durch einen rauscharmen
Verstärker 2 („LNA", „Low-Noise
Amplifier") dargestellte
Eingangsstufe übertragen,
während
die Ausgangsstufe durch einen Halbleiterleistungsverstärker 3 („SSPA", „Solid-State Power
Amplifier") dargestellt
ist, der das zu übertragende
Signal an die Antenne liefert. Der gestrichelte Pfeil zeigt grafisch
die Störkopplung
zwischen den beiden Pfaden, die durch das Übertragungssignal auf dem Empfangssignal
erzeugt wird.
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Um
dieses Problem der Störkopplung
zu lösen,
besteht eine übliche
Methode darin, das Übertragungssignal
sehr effektiv zu filtern, um so die Kopplung des letzteren in dem
Empfangspfad zu beseitigen. Herkömmlicherweise
ermöglicht
eine sehr selektive Bandpassfilter umfassende Frequenzweiche diplexer
eine Isolierung der Übertragungsbeziehungsweise
Empfangsfrequenzbänder.
Diese Lösung
ist vorteilhaft, weil sie die beiden Frequenzbänder wirkungsvoll trennt. In
der Schrift D1 (
US 5 963 854 )
ist eine derartige Vorrichtung offenbart. Darüber hinaus offenbart die Schrift
D1 Schmalband-Bandsperrfilter zur Verbesserung der Linearität der Vorrichtung.
Jedoch entstehen am Eingang des rauscharmen Verstärkers zusätzliche
Reihenverluste, was zu einer Minderung des Rauschfaktors des Empfangspfads
führt.
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Die
Erfindung vermeidet nach dem Stand der Technik auftretende Probleme
und soll die Leistung der Eingangsstufe einer SignalEmpfangs-Übertragungs-Vorrichtung, wie
sie oben beschrieben ist, optimieren.
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Zu
diesem Zweck stellt die Erfindung eine Vorrichtung für das gleichzeitige
Empfangen und Übertragen
von Signalen in einem Übertragungssystem
mit einem Sender und einem Empfänger
bereit, wobei die Vorrichtung einen Empfangspfad für den Empfang
eines ein Empfangsfrequenzband belegenden Empfangssignals und einen Übertragungspfad für die Übertragung
eines ein Übertragungsfrequenzband
belegenden Übertragungssignals
umfasst, wobei die Empfangs- und Übertragungsbänder getrennt sind,
der Empfangspfad eine Mittel zur Verstärkung des Empfangssignals aufweisende
rauscharme Verstärkungsstufe
umfasst, die Betriebskennlinie dieser Mittel für einen Amplitudenbereich des
Eingangssignals linear ist und ab einer Amplitude eines gegebenen
Eingangssignals Sättigung
aufweist, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass
für ein lineares
Verhalten der Verstärkungsmittel
ein optimaler Lastwiderstand definiert wird,
Mittel am Ausgang
dieser Verstärkungsmittel
angeordnet sind, die zu diesem Ausgang einerseits eine offene Schaltung
in dem Empfangsfrequenzband und andererseits einen dem optimalen
Lastwiderstand entsprechenden Widerstand in dem Übertragungsfrequenzband zurückführen.
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Somit
ermöglicht
die Erfindung, dass die Minderung, die durch das von dem Übertragungspfad
bei der Übertragungsfrequenz
stammende und eine relativ starke Leistung aufweisende Störsignal entsteht,
auf ein Minimum reduziert werden kann. Die die Filterung der Störsignale
in dem Übertragungsband
betreffenden Einschränkungen
können
dann vor der Empfangskette weniger streng sein. Solange die Trennung
zwischen den Übertragungs-
und Empfangspfaden ausreichend ist, ist am Eingang der rauscharmen
Verstärkungsstufe
die Durchführung
einer Filterung nicht mehr nötig.
In jedem Fall werden die ohmschen Verluste des Eingangsfilters aufgrund der
für diesen
Filter geltenden weniger strengen Einschränkungen reduziert, was eine
Verbesserung des Gesamtrauschfaktors der Empfangskette ermöglicht.
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Gemäß einer
Ausgestaltung sind auf dem Empfangspfad erste Filtermittel angeordnet,
die geeignet sind, eine offene Schaltung in dem Übertragungsfrequenzband und
einen dem Widerstand des Übertragungspfads
in dem Empfangsfrequenzband entsprechenden Widerstand zu dem Ausgang
der Verstärkungsmittel
zurückzuführen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung umfassen die ersten Filtermittel einen auf die Empfangsfrequenz zentrierten
Bandpassfilter, dessen Bandbreite die des Empfangsfrequenzbandes
ist.
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Gemäß einer
Ausgestaltung umfassen die ersten Filtermittel einen Bandsperrfilter,
der das Übertragungsfrequenzband
sperrt.
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Gemäß einer
Ausgestaltung sind zweite Filtermittel, wie beispielsweise ein Bandsperrfilter,
am Eingang der Verstärkungsmittel
angeordnet, um das Übertragungsfrequenzband
zu sperren.
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Die
Erfindung betrifft überdies
ein Endgerät für die Kommunikation
mit wenigstens einem Satelliten oder wenigstens einer terrestrischen
Basisstation der Art, die eine Antenne umfasst, das dadurch gekennzeichnet
ist, dass es die erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand von nicht-einschränkenden
Beispielen und unter Bezugnahme auf die im Anhang beigefügten Zeichnungen. Es
zeigen:
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Die
bereits beschriebene 1 zeigt in grafischer Darstellung
die Eingangs-Ausgangs-Architektur einer an eine Antenne gekoppelte
Empfangs-Übertragungs-Vorrichtung.
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2 zeigt
die Veränderungen
des Rauschfaktors eines Feldeffekttransistors („FET") in Abhängigkeit von dem statischen
Vorspannungspunkt.
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3 zeigt
eine grafische Darstellung eines FET-Transistors.
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4 zeigt
die optimale Lastlinie eines FET-Transistors.
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5 zeigt
die erfindungsgemäße Vorrichtung
in einer Ausgestaltung.
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Um
die Beschreibung einfacher zu gestalten, werden für die Bezeichnung
von Elementen, die identische Funktionen erfüllen, die gleichen Bezugszeichen
verwendet.
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In
einer standardmäßigen an
eine Empfangsantenne gekoppelten Empfangskette müssen die am Eingang eingeleiteten
Verluste, wie beispielsweise die durch die Anschlüsse und
die Filterelemente erzeugten Verluste, sowie der Rauschfaktor der rauscharmen
Verstärkungsstufe
auf ein Minimum reduziert werden. Beispielsweise erhält man im
Fall eines um einen FET-Transistors gebauten rauscharmen Verstärkers das
den statischen Vorspannungspunkt des Transistors definierende Vorstrom-Vorspannungspaar
(I0, V0) für
einen minimalen Rauschfaktor, wie in 2 veranschaulicht.
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3 zeigt
einen FET-Transistor 4, der die Funktion eines rauscharmen
Verstärkers
der Eingangsstufe erfüllt.
Die zu dem Lastwiderstand ZL des Transistors gelieferte Leistung
wird maximiert, indem der Wert des Lastwiderstands ZL so gewählt wird, dass
er im Wesentlichen V0/I0 entspricht (wobei die Sättigungsspannung VDsat des FET-Transistors vernachlässigt wird).
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4 zeigt
die für
den Betrieb des FET-Transistors erhaltene optimale Lastlinie. Für einen
auf einen Wert von V0/I0 festgelegten Lastwiderstand ZL (wie oben
angegeben) erreichen der Ausschlag auf der VDS-Amplitudenachse und
auf der ID-Amplitudenachse sowie die zur Last gelieferte Leistung
maximale Werte.
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Beispielsweise
beträgt
der Vorstrom in dem dem Frequenzband von [12,4 GHz; 18 GHz] entsprechenden
Ku-Band typischerweise einige Milliampere (d.h. beispielsweise 10
mA) für
eine VDS-Spannung (Drain-Source-Spannung) in der Größenordnung
von 2 Volt (was zu einem optimalen Lastwiderstand von 200 Ω führt). Für einen
derartigen Vorspannungspunkt ergibt sich bei Vernachlässigung
der Sättigungsspannung
VDSAT die Höchstleistung Pmax, die der
Transistor bei optimalem Ausgangswiderstand (der dem maximalen Ausschlag
in Bezug auf den Strom und die Spannung um den Vorspannungspunkt
entspricht) liefern kann, aus folgender Gleichung: Pmax
(dBm) = 10log (0,5·2,10·10–3)
= –20
dBW = 10 dBm
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Da
die Leistungspegel des durch die Übertragungsstufe übertragenen
Störsignals,
die an den Eingang des rauscharmen Verstärkers gekoppelt sind, im Allgemeinen
mit diesem letzteren Wert nicht kompatibel sind, wird der Transistor
nicht im Linearzustand arbeiten und so in den Sättigungszustand gezwungen werden.
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5 zeigt
die erfindungsgemäße Vorrichtung 5 in
einer Ausgestaltung, die in einem Kommunikationsendgerät 10 integriert
ist. Dieses Endgerät kann
zur Übertragung
der Signale zu einem geostationären
Satelliten und zum Empfang der Signale von diesem Satelliten oder
von einer Satellitenkonstellation (beispielsweise in einer niedrigen
Umlaufbahn) oder von einer terrestrischen Basisstation benutzt werden.
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Die
Empfangsantenne 1 ist an einem Eingang der Vorrichtung 5 angeschlossen,
deren einer Ausgang mit der Stufe 6 verbunden ist, um Frequenzen
in Zwischenfrequenzen umzuwandeln, die ein Signal an einen Decoder
(ohne Abbildung) liefern.
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Der
Eingang der Vorrichtung 5 ist mit dem Transistor 4 (von
der Art des in 3 gezeigten Transistors) verbunden,
der das von der Antenne empfangene Signal verstärkt. Der Ausgang des Transistors ist
einerseits an einen Lastwiderstand 7 und andererseits an
einen Bandpassfilter 8 angeschlossen, dessen Ausgang der
Ausgang der Vorrichtung 5 ist.
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In
diesem Beispiel ist der Lastwiderstand 7 ein Bandpassfilter,
der auf die über
das Übertragungsband
BTx ermöglichte
mittlere Übertragungsfrequenz
Tx zentriert ist. Dieser Filter ist so ausgelegt, dass er einen
Widerstand nahe einem Kurzschluss in dem Empfangsband BRx und
einen Kennwiderstand von 50 Ω in
dem Übertragungsband
besitzt. Der Widerstand dieses Filters wird durch einen Mikrostreifenleitungsabschnitt
mit einem Kennwiderstand von 100 Ω und einer Länge von λTx/4
an den Ausgang A des Transistors zurückgeführt, wobei λTx der
Wellenlänge
des auf dem Übertragungspfad übertragenen Signals
entspricht. Dieser Leitungsabschnitt ermöglicht eine Umformung des Widerstands
ZLAST des Filters 7 am Punkt A
nach der folgenden Formel: ZA =
Zc2/ZLAST = 1002/50 = 200 Ω
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Somit
führt der
50-Ω-Widerstand 7 einen
Widerstand von 200 Ω an
den Punkt A zurück,
was in dem Übertragungsband
ein optimaler Wert ist (vgl. die obige Berechnung des optimalen
Widerstandes für
den statischen Vorspannungspunkt des Transistors). Auf diese Weise
wird die Funktion des Transistors in seinem linearen Betriebsband
optimiert, wobei der Strom-Spannungs-Ausschlag an dem Ausgang maximal
ist, wodurch die an dem Ausgang des Transistors in dem Übertragungsband
verfügbare
Leistung maximiert wird. Somit wird die von dem Transistor in dem Übertragungsband
des Störsignals
empfangene Energie zu dem Lastwiderstand übertragen. Darüber hinaus
führt der
durch den Widerstand 7 in dem Empfangsband gezeigte Kurzschluss
in dem gleichen Band eine offene Schaltung an Punkt A zurück und verhindert
dadurch eine Übertragung
des Signals in dem Empfangsband zu dem Widerstand 7.
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Der
dem Störübertragungssignal
entsprechende Teil des Signals leitet am Pegel der Eingangsstufe
ein Minimum an Störung
ein. Der Transistor kann ein Signal mit maximaler Amplitude liefern, ohne
dass seine Leistung in Bezug auf den Rauschfaktor gemindert wird.
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Parallel
dazu ist der Bandpassfilter 8 auf die über das Empfangsband Rx ermöglichte
mittlere Übertragungsfrequenz
zentriert. Dieser Filter 8 ist so ausgelegt, dass er einen
Widerstand nahe einem Kurschluss in dem Übertragungsband BTx und
einen Kennwiderstand von 50 Ω in
dem Empfangsband besitzt. Dieser Filter wird durch einen Mikrostreifenleitungsabschnitt
mit einer passenden Länge
von λTx/4 an den Ausgang A des Transistors zurückgeführt, wobei λTx der
Wellenlänge
des auf dem Übertragungspfad übertragenen
Signals entspricht. Der λTx/4-Leitungsabschnitt erfüllt die
Funktion eines Impedanzwandlers. Somit wird der durch den Filter 8 in dem Übertragungsband
gezeigte Kurzschluss in dem gleichen Band an Punkt A zu einer offenen
Schaltung zurückgeführt, wodurch
eine Übertragung
des Signals in dem Übertragungsband
zu dem Bandpassfilter verhindert wird.
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Nach
einer in 5 durch gestrichelte Linien dargestellten
Variante ist zwischen dem Eingang der Vorrichtung 5 und
dem Eingang des Transistors 4 ein Bandsperrfilter 9 angeordnet,
damit das Störsignal
in dem Übertragungsfrequenzband
wenigstens teilweise beseitigt wird.
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Um
den Aufwand für
Bau, Menge und Kosten zu verringern, werden die Filter 7 und 8 sowie
die Leitungsabschnitte nach dem an sich bekannten Mikroleitungsverfahren
gebaut.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausgestaltung beschränkt.
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Hier
wurde ein Transistor als Verstärkungsmittel
eingesetzt. Jede andere Art Verstärkungsmittel, insbesondere
eines mit linearer Betriebskennlinie für einen Amplitudenbereich des
Eingangssignals und eine Sättigung
dieser Kennlinie ab einer Amplitude des Eingangssignals ist ebenfalls
möglich.
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Ebenso
können
die im Rahmen des Übertragungssystems
ausgetauschten Signale sowohl analog als auch digital sein.