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Die
Erfindung betrifft eine rauscharme GPS-Verstärkereinheit mit integriertem
Filter, eine aktive Duplex-Filter-Einheit für ein kombiniertes GPS-Mobilfunkempfänger-Eingangssystem
sowie einen kombinierten GPS-Mobilfunkhandapparat.
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Stand der Technik
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Handapparate,
die ein Mobilfunktelefon mit einem GPS-Empfänger
kombinieren, sind bereits seit einiger Zeit bekannt. Eine derartige
Vorrichtung ist in der
US-A-5
963 180 beschrieben. Sie umfasst eine Antenne, die an einer
Diplexereinheit montiert ist, welche die Antenne über ein
Duplexfilter mit einem Mobilfunktelefon und einem GPS-Empfänger verbindet.
Die Antenne dient als eine Mobilfunk-Übertragungs-
und Empfangsantenne sowie als eine GPS-Antenne. Der GPS-Teil ist von dem Hochleistungs-Übertragungsignal nur durch
das Duplexfilter abgeschirmt.
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Die
HF-Eingangssysteme solcher Handapparate unterliegen ganz besonders
strengen Anforderungen. Der Hauptgrund dafür liegt im gleichzeitigen Betrieb
des Mobilfunksenders und des eng integrierten GPS-Empfängers. Als
Folge muss das schwache GPS-Signal bei Vorliegen eines viel stärkeren Mobilfunk-Übertragungssignals erfasst
werden. Unter Berücksichtigung
der Schwäche
des GPS-Signals muss dieses zur selben Zeit mit minimaler Verschlechterung
des Signal-Rausch-Abstandes verarbeitet werden.
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Die
Anforderungen können
im Prinzip durch Erhöhen
der Strompegel der Einrichtung oder zusätzliche HF-Filterung zwischen
der Antenne und dem rauscharmen GPS-Verstärker erfüllt werden. Ersteres impliziert
offensichtlich einen höheren Stromverbrauch,
wogegen letzteres zu einem höheren
Systemrauschfaktor führt
und zusätzliche
Komponenten erfordert. Erhöhter
Stromverbrauch und zusätzliche
Komponenten sind in einer Schaltung für einen Handapparat jedoch
extrem unerwünscht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung ist im unabhängigen
Anspruch 1 definiert.
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Die
Erfindung schafft eine rauscharme GPS-Verstärkereinheit mit hohem Verstärkungs-
und niedrigem Rauschfaktor an der GPS-Frequenz, welche gleichzeitig
als ein Filter mit starker Unterdrückung insbesondere von Mobilfunkübertragungsfrequenzen
wirkt, was den Handapparat weitgehend immun gegen starke bandexterne
Störungen
macht, insbesondere gegen das Mobilfunk-Sender-Übersprechsignal. Bandinternes
GPS-Rauschen, das aus der Intermodulationsverzerrung herrührt, sowie
die Desensibilisierung des GPS-Empfängers werden ebenfalls verringert.
Schliesslich ist die Anzahl an externen Komponenten des rauscharmen
GPS-Verstärkers
sowie der Duplex-Filter-Einheit gemäss der Erfindung klein, wie
dies in einer Schaltung für
Handapparate erwünscht
ist.
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Die
Erfindung schafft auch eine aktive Duplex-Filter-Einheit mit geringem
Rauschen und hoher Verstärkung
im GPS-Frequenzband
und starker Unterdrückung
der Frequenzen, die von dem Mobilfunksystem verwendet werden, und
umgekehrt.
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Gleichzeitig
ist der Stromverbrauch des GPS-Mobilfunk-Handapparats gemäss der Erfindung gering, da
das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers direkt in die Übertragungsantenne
eingespeist werden kann, ohne durch Filtern gedämpft zu werden. Auf Grund der
geringen Verluste in dem Übertragungspfad
ist an dem Leistungsverstärker weniger Ausgangsleistung
erforderlich. Auch sind die Anforderungen bezüglich des Intercept-Punkts
zweiter Ordnung des Mobilfunkempfängers auf Grund der beträchtlichen
Dämpfung
des Sender-Übersprechsignals,
die durch die Trennung der Übertragungsantenne
und der Empfangsantenne erreicht wird, verringert.
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Die
Erfindung schafft einen GPS-Mobilfunk-Handapparat, der sogar unter
schwierigen Bedingungen gut arbeitet und gleichzeitig leicht und kompakt
ist sowie einen niedrigen Stromverbrauch aufweist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Zeichnungen, welche
sich auf eine Ausführungsform
der Erfindung beziehen, genauer beschrieben. Dabei ist
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1 ein
Diagramm, das einen Handapparat gemäss der Erfindung darstellt,
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2 ein
Diagramm, das die Duplex-Filter-Einheit gemäss der Erfindung in grösserem Detail zeigt.
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3 zeigt
ein Schema einer ersten Filtereinheit der rauscharmen GPS-Verstärkereinheit
gemäss
der Erfindung.
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4 ist
ein Diagramm, das die Verstärkungs-
und Rauschfaktoren des rauscharmen GPS-Verstärkers gemäss der Erfindung als eine Funktion
der Frequenz zeigt,
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5 ist
ein Diagramm, das die 3 dB-Verstärkung-Desensibilisierung-Blocking-Signalleistung der
rauscharmen GPS-Verstärkereinheit
gemäss
der Erfindung als eine Funktion der Frequenz eines CW-Blocking-Signals
zeigt, und
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6 ist
ein Diagramm, das die Verstärkung der
rauscharmen GPS-Verstärkereinheit
gemäss
der Erfindung sowie die Leistung der bandinternen Intermodulationsprodukte
dritter Ordnung von zwei gleichen CW-Tönen als eine Funktion von deren
Leistung zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Der
erfindungsgemäße GPS-Mobilfunk-Handapparat
umfasst (
1) eine Mobilfunkeinheit
1 mit
einem Übertragungsausgang
2,
welcher über
einen selektiven Leistungsverstärker
3 an eine Übertragungsantenne
4 angeschlossen
ist. Ein Empfangseingang
5 der Mobilfunkeinheit
1 und
der Eingang einer GPS-Einheit
6 sind an eine aktive Duplex-Filter-Einheit
7 angeschlossen,
d. h. an einen Mobilfunkausgang
8 bzw. einen GPS-Ausgang
9 derselben.
Ein Eingang
10 der Duplex-Filter-Einheit
7 ist an
eine Empfangsantenne
11 mit zwei Resonanzfrequenzen angeschlossen,
d. h., eine Vierfach-Helixantenne, wie sie etwa aus der
US-A-5 963 180 bekannt
ist, oder eine kreisförmige
Mikrostrip-Antenne, wie sie in Jui-Han Lu: 'Novel Dual-Frequency Design of Circular
Mikrostrip Antenna with Compact Operation' beschrieben ist.
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Die
Duplex-Filter-Einheit 7 enthält eine rauscharme Mobilfunk-Verstärkereinheit 12 und
eine rauscharme GPS-Verstärkereinheit 13.
Die Eingänge der
beiden sind an den Eingang 10 der Duplex-Filter-Einheit 7 angeschlossen,
und ihre Ausgänge
an den Mobilfunk-Ausgang 8 bzw. den GPS-Ausgang 9 derselben. Die Mobilfunkeinheit 1 umfasst
herkömmliche
Komponenten eines Mobilfunk-Empfängers
und -Senders, während
die GPS-Einheit 6 ebenfalls herkömmliche Komponenten eines GPS-Empfängers umfasst.
Die Duplex-Filter-Einheit 7 dient
als ein kombiniertes GPS-Mobilfunkempfänger-Eingangssystem. Weitere Komponenten
des Handapparats, wie Mikrofon, Lautsprecher und Anzeige, sind in 1 nicht
dargestellt.
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Die
Trennung von Übertragungsantenne 4 und
Empfangsantenne 11 dämpft
das Übersprechen des Übertragungssignals
in die Duplex-Filter-Einheit 7 stark ab. Im Vergleich mit
Einrichtungen nach dem Stand der Technik sind die Anforderungen
an diese, insbesondere die Nichtlinearitätsbeschränkungen für die rauscharme Mobilfunk-Verstärkereinheit 12,
dadurch geringer. Da der Leistungsverstärker 3 direkt an die Übertragungsantenne 4 angeschlossen
werden kann, wird dessen Ausgangssignal nicht durch ein Duplexfilter
gedämpft.
In der Folge ist ein geringerer Ausgangspegel ausreichend, und der
Stromverbrauch des Verstärkers
wird beträchtlich
verringert.
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Die
rauscharme GPS-Verstärkereinheit
13 umfasst
einen Verstärker
14,
eine rauscharme Halbleitereinrichtung, an welche sein Eingang über eine erste
Filtereinheit angeschlossen ist, ein Resonator, der in Parallelschaltung
eine Kapazität
15 und
eine Induktivität
16 enthält. Dessen
Ausgang ist an den Ausgang des Verstärkers
14 und, über eine
zweite Filtereinheit, an Masse angeschlossen. Die zweite Filtereinheit
umfasst, in Reihe, eine Induktivität
17 und eine Kapazität
18 mit
einer Abgriffstelle
19 zwischen diesen, an welcher eine
Vorspannung +V anliegt. Der Eingang der rauscharmen GPS-Verstärkereinheit
13 ist über einen Nebenschluss
20,
der entweder eine Induktivität
oder eine Kapazität
ist, an Masse angeschlossen. Die Impedanz der Leitung, welche die
rauscharme GPS-Verstärkereinheit
13 mit der
Empfangsantenne
11 verbindet, ist als Leitungsimpedanz
21 dargestellt.
Die Komponenten des rauscharmen GPS-Verstärkers
13 können die
folgenden Werte haben:
| Kapazität 15: | 3,4 | pF |
| Induktivität 16: | 1,5 | nH |
| Induktivität 17: | 6,8 | nH |
| Kapazität 18: | 1,2 | nF |
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Der
Nebenschluss 20 kann eine Induktivität mit einem Wert von 39 nH
sein. Was die Leitungsimpedanz 21 betrifft, so ist die
elektrische Länge
der Leitung so abgestimmt, dass sie eine hohe Impedanz der rauscharmen
GPS-Verstärkereinheit 13 für Signale
in dem Mobilfunkfrequenzbereich an dem Eingang schafft.
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Die
erste Filtereinheit der rauscharmen GPS-Verstärkereinheit 13, die
dem Verstärker 14 vorausgeht,
umfasst einen organischen Träger
aus FR4-Laminat mit Leiterbahnstreifen, die auf dessen Oberfläche angebracht
sind (3). Ein Antennenanschluss 22, der dazu
dient, die erste Filtereinheit an den Eingang 10 der Duplex-Filter-Einheit 7 anzuschliessen,
ist über
einen Nebenschluss 20, der entweder ein gedruckter Spiralinduktor
oder, wie in 3 abgebildet, ein externer,
oberflächenmontierter
Bauteil sein kann, an eine Masseplatte 23 angeschlossen.
Auch die Kapazität 15 ist
ein oberflächenmontiertes
Bauelement, vorzugsweise ein Hochfrequenz-Keramikkondensator, da
ein hoher Q-Faktor des Resonators erforderlich ist. Die Induktivität 16 ist direkt
auf dem Substrat als eine Hochimpedanz-Übertragungsleitung aufgebaut.
Der Q-Faktor des Resonators kann verbessert werden, indem das kostengünstige Substrat
wo erforderlich durch ein Substrat mit besseren elektrischen Eigenschaften
ersetzt wird. Induktivität 17 und
Kapazität 18 sind
diskrete Komponenten.
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Die
rauscharme Mobilfunk-Verstärkereinheit 12 hat
vorzugsweise denselben Aufbau wie die rauscharme GPS-Verstärkereinheit 13,
mit den Komponenten 14'–20' und der Leitungsimpedanz 21'. Ihre Werte
können,
abgesehen von den erforderlichen unterschiedlichen Filterkennwerten, ähnlich sein.
Die erste Filtereinheit der rauscharmen Mobilfunk-Verstärkereinheit 12 kann
im Wesentlichen auf dieselbe Art wie die erste Filtereinheit der
rauscharmen GPS-Verstärkereinheit 13 ausgeführt sein.
Was die Leitungsimpedanz 21' betrifft,
so ist die elektrische Länge
der Leitung so abgestimmt, dass sie eine hohe Impedanz des rauscharmen
Mobilfunk-Verstärkers 12 für Signale
in dem GPS-Frequenzband
an dem Eingang schafft.
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In
der Folge belastet die rauscharme Mobilfunk-Verstärkereinheit 12 nicht
die Empfangsantenne 11 im GPS-Frequenzband, weil sie eine hohe Impedanz
darstellt. In ähnlicher
Weise wird die Belastung der rauscharmen GPS-Verstärkereinheit 13 bei
Frequenzen, die von den Mobilfunksystemen verwendet wird, auf niedrigem
Niveau gehalten. Auf Grund der weniger strengen Rauschanforderungen
des Mobilfunkempfängers
werden die Anforderungen vergleichsweise jedoch gelockert. Auch
sind die Selektivitätsanforderungen
der rauscharmen Mobilfunk-Verstärkereinheit 12 auf
Grund der Schwäche
des GPS-Signals, das unter dem Pegel des thermischen Rauschens liegt,
nicht strikt. Da das Sende-Übersprechsignal
durch die Trennung der Empfangsantenne 11 von der Übertragungsantenne 4 beträchtlich gedämpft ist,
sind die Anforderungen bezüglich
des Intercept-Punkts zweiter Ordnung gelockert.
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Die
rauscharme Mobilfunk-Verstärkereinheit 12 und
die rauscharme GPS-Verstärkereinheit 13 verstärken die
Signale im Mobilfunk- und GPS-Frequenzbereich und unterdrücken Signale,
die jeweils von den komplementären
Frequenzbereichen stammen, stark. Gleichzeitig schaffen sie einen
Rauschimpedanz-Abgleich in dem Frequenzbereich, der von den Mobilfunksystemen
belegt wird, bzw. in der GPS-Frequenz.
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Wie
aus den gemessenen Ergebnissen bezüglich des Einfügungsverstärkungs-
(rechte Skala) und Rauschfaktors (linke Skala) als eine Funktion
der Frequenz, die in 4 dargestellt sind, ersichtlich
ist, zeigt die rauscharme GPS-Verstärkereinheit 13 gemäss der Erfindung
eine Einfügungsverstärkung von 12,5
dB und einen minimalen Rauschfaktor von 2,3 dB an der GPS-Mittenfrequenz.
Der Einfluss des Resonators zeigt sich an dem Tal in der Frequenzantwort
an der niedrigsten Frequenz (1.710 MHz) des Übertragungsbands des Mobilfunksystems.
Die minimale Selektivität
in dem Frequenzbereich, der durch dieselbe belegt ist, beträgt im Sperrbereichmindestens
10 dB. Auf Grund der Verbesserung der Selektivität nahe den GPS-Frequenz-Blocking-Signalen, werden
insbesondere Mobilfunk-Sender-Übersprechsignale
an der Eingangsstufe beträchtlich
gedämpft.
Daher kann die rauscharme GPS-Verstärkereinheit 13 hohe
Pegel von Blockingsignalen verarbeiten. Insbesondere ist sie im
Wesentlichen immun gegen Sender-Übersprechsignale,
die von der Übertragungsantenne 4 stammen.
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5 zeigt
gemessene Resultate des Leistungspegels eines CW-Blocking-Signals,
das eine 3 dB Verstärkungs-Desensibilisierung
der rauscharmen GPS-Verstärkereinheit 13 verursacht,
als eine Funktion von dessen Frequenz. Zwischen 1.700 MHz und 2.600
MHz ist eine Blocking-Leistung von mehr als 0 dB erforderlich, um
die Verstärkung
der rauscharmen GPS-Verstärkereinheit 13 an
der GPS-Frequenz um 3 dB zu reduzieren. Dies ist in Übereinstimmung
mit den aus 4 ersichtlichen hohen Unterdrückungsraten,
die an diesen Frequenzen erreicht werden.
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6 zeigt
zwei Parameter an dem Ausgang der rauscharmen GPS-Verstärkereinheit 13 an
der GPS-Mittenfrequenz, jeweils als eine Funktion der Eingangsleistung.
Dreiecke stellen die gemessenen Werte der Ausgangsleistung dar,
und illustrieren die Verstärkung
der Einheit. Quadrate stehen für
die gemessenen Werte der Leistung der bandinternen Intermodulationsprodukte
dritter Ordnung (IM3) an dem Ausgang. Die Intermodulationsprodukte
stammten von zwei CW-Tönen gleicher
Leistung, bei Frequenzen von 1.750 MHz und 1.925 MHz. Es ist offensichtlich,
dass die bandinternen IM3-Niveaus
sehr niedrig sind.
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- 1
- Mobilfunkeinheit
- 2
- Übertragungsausgang
- 3
- Leistungsverstärker
- 4
- Übertragungsantenne
- 5
- Empfangseingang
- 6
- GPS-Einheit
- 7
- Duplex-Filter-Einheit
- 8
- Mobilfunk-Ausgang
- 9
- GPS-Ausgang
- 10
- Eingang
- 11
- Empfangsantenne
- 12
- Rauscharme
Mobilfunk-Verstärkereinheit
- 13
- Rauscharme
GPS-Verstärkereinheit
- 14,
14'
- Verstärker
- 15,
15'
- Kapazität
- 16,
16'
- Induktivität
- 17,
17'
- Induktivität
- 18,
18'
- Kapazität
- 19,
19'
- Abgriffstelle
- 20,
20'
- Nebenschluss
- 21,
21'
- Leitungsimpedanz
- 22
- Antennenanschluss
- 23
- Masseplatte