DE60218725T2 - Mit gps ausgestattetes mobiles telefon mit spdt mems schalter und einer einzigen gemeinsamen antenne - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • GEBIET DER ERFINDUNG:
  • Diese Erfindung betrifft Antennen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Antennen, welche zur mobilen Kommunikation und Global Positioning System Anwendungen verwendet werden.
  • BESCHREIBUNG DES RELEVANTEN HINTERGRUNDS:
  • Derzeit gibt es einen aktuellen Bedarf, zusätzliche Merkmale zu mobilen Telefonen hinzuzufügen, welche mit Transceivern in hohem und niedrigen Band ausgerüstet sind, zum Beispiel U.S. Zellular, Japanisch Zellular, Koreanisch PCS, U.S. PCS, NMT, IMT2000 etc. Ein Merkmal, welches derzeit unter Betrachtung steht, betrifft Positionslokalisierung. Das bedeutet, dass die zellulare Telefonindustrie derzeit als Antwort auf Auflagen der Regierung der Vereinigten Staaten betreffend der Bereitstellung von Notdiensten auf eine Vielzahl von Systemen und Techniken zum Bestimmen der Position eines Benutzers eines zellularen Telefons sieht. Tatsächlich betrachten zellulare und PCS Dienstanbieter überall auf der Welt Positionslokalisierungstechnologie als eine zukünftige Verbesserung. Ein viel versprechender Ansatz beinhaltet eine Verwendung des Global Positioning Systems (GPS).
  • Das GPS System besteht aus einer Konstellation von Satelliten in niedrigen Erdorbitalen, welche Signale gemäß einer hochgradig genauen Uhr an Bord senden. Signale, welche von vier Satelliten durch einen Empfänger empfangen werden, welcher auf oder in der Nähe der Oberfläche der Erde ist, werden triangularisiert, um ein Fixum auf dem Ort des Empfängers zu liefern.
  • Während derzeitige Vorschläge eine Integration des GPS Empfängers in den elektronischen Schaltkreis eines zellularen Telefons beinhalten, erfordern derzeitige Designs die Verwendung von separaten Antennen für die zellularen Kommunikationen und GPS Positionslokalisierungssubsysteme davon.
  • Aus mehreren Gründen, zum Beispiel Größe, Kosten, Gewicht und Benutzeranklang, gibt es einen Bedarf für ein System oder ein Verfahren zum Verwenden einer einzigen Antenne, um Kommunikation zu und von zwei oder mehr separaten Sendern oder Empfängern in einem mobilen Telefon oder anderem System mit einem kleinen Formfaktor zu erreichen.
  • EP 0872953 von Matsushita Electrical Industrial Co., Ltd, offenbart ein System zum Verwenden einer einzigen Antenne, um Kommunikation zu und von zwei oder mehr separaten Sendern oder Empfängern in einem mobilen Telefon zu erreichen, wobei das System einen ersten Diplexer, einen zweiten Diplexer und einen SPDT Schalter aufweist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Der Bedarf im Stand der Technik wird durch das Antennenteilungssystem bzw. System zum gemeinsamen Nutzen einer Antenne gemäß den angefügten Ansprüchen erfüllt. In dem illustrativen Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße System zur Verwendung mit einer Antenne angepasst und beinhaltet ein erstes Anpassnetzwerk, welches mit dem ersten Schaltkreis verbunden ist, und ein zweites Anpassnetzwerk, welches mit einem zweiten Schaltkreis verbunden ist.
  • In der spezifischen Implementierung ist der erste Schaltkreis ein mobiles Subsystem und der zweite Schaltkreis ist ein Global Positioning System Subsystem.
  • In der illustrativen Implementierung sieht das erste Netzwerk eine Impedanzanpassung für den Schalter und die Antenne mit Bezug auf den ersten Schaltkreis vor. Das zweite Netzwerk liefert eine Impedanzanpassung für den Schalter und die Antenne mit Bezug auf den zweiten Schaltkreis. Das erste Netzwerk beinhaltet eine erste Induktivität (L1), welche zwischen dem ersten Schaltkreis und der Erde verbunden ist, eine zweite Induktivität (L2), welche zwischen der ersten Schaltstellung und Masse verbunden ist und einen Kondensator (C1) welcher zwischen der ersten Schaltstellung und dem ersten Schaltkreis verbunden ist. Das zweite Netzwerk beinhaltet eine erste Induktivität (L3), welche zwischen der zweiten Schaltstellungen und Masse verbunden ist, und eine zweite Induktivität (L4), welche zwischen der zweiten Schaltstellung und dem zweiten Schaltkreis verbunden ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Blockdiagramm, welches ein Antennenteilungssystem zeigt,
  • 2 ist ein Blockdiagramm, welches ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Antennenteilungssystems bzw. eines Systems zum gemeinsamen Nutzen einer Antenne zeigt, welches gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung implementiert ist.
  • 3 ist ein Blockdiagramm des Ausführungsbeispiels des schaltbaren Anpassschaltkreises eines Antennenteilungssystems, welches gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung für CDMA cellulare (oder PCS) Subsysteme implementiert ist.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Während die vorliegende Erfindung hierin mit Bezug auf illustrative Ausführungsbeispiele für bestimmte Anwendungen beschrieben ist, soll es verstanden werden, dass die Erfindung nicht darauf eingeschränkt ist. Der Durchschnittsfachmann, welcher Zugriff auf die hierin gelieferten Lehren hat, wird zusätzliche Modifikationen, Anwendungen, und Ausführungsbeispiele innerhalb des Umfangs darum erkennen, und zusätzliche Felder, in welchen die vorliegende Erfindung von signifikanter Nützlichkeit sein wird.
  • 1 ist ein Blockdiagramm, welches ein Antennenteilungssystem für allgemeine zellulare (oder PCS) Subsysteme zeigt. Wie in 1 gezeigt ist, beinhaltet das System 10 eine Peitschen bzw. Whip- oder eine Helikalanten ne 12, welche angepasst ist, um in den Frequenzen, welche von Interesse sind, betrieben zu werden. Die Antenne 12 ist ausgebildet, um innerhalb von Spezifikationen von sowohl GPS wie auch zellularen oder PCS (Personal Communication System) Frequenzen betrieben zu werden. Wie vom Durchschnittsfachmann verstanden werden wird, wird optimale Performance bei jedem Satz von Frequenzen ein geeignetes Anpassnetzwerk und typischerweise eine separate Antenne erfordern. Gemäß dem vorliegenden Beispiel wird eine einzige Antenne für beide Sätze von Frequenzen verwendet.
  • Der vorteilhafte Betrieb wird durch Verbinden der Antenne 12 zu einem geeigneten Anpassnetzwerk über einen Schalter 14 ermöglicht. Der Schalter 14 ist ein elektronischer Schalter, zum Beispiel mikroelektromechanischer (MEM = micro electro mechanical) Schalter, Feldeffekttransistor (FET = field effect transistor), PIN Diode, etc. Jedoch können andere Schaltertechnologien verwendet werden. Der Einsatzverlust (so gering wie möglich) und Schnittpunkt (IIP3 ~ 60 dBm) muß optimiert werden, um die Performance für eine bestimmte Anwendung zu erfüllen. Einige Technologien können Vorteile in Bezug auf Performance in diesen Gebieten (GaAs, FETs oder MEMs) bieten. In jedem Fall wird der Fachmann erkennen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die verwendete Schalttechnologie eingeschränkt ist.
  • Der Schalter ist ein Schalter mit einem einzelnen Pol und zwei Schaltstellungen (SPDT = single pole double throw). Wie in 1 gezeigt ist, ist der Pol des Schalters 14 mit der Antenne 12 verbunden und die erste Schaltstellung davon ist mit einem mobilen Subsystem 20 über ein erstes Anpassnetzwerk 16 verbunden. Die zweite Schaltstellung des Schalters ist mit einem GPS Subsystem 22 über ein zweites Anpassnetzwerk 18 verbunden.
  • Das erste Netzwerk 16 ist ein LC Netzwerk und beinhaltet eine erste Induktivität L1, welche zwischen dem mobilen Subsystem 20 und Masse verbunden ist, eine zweite Induktivität L2, welche zwischen der ersten Schaltstellung des Schalters 14 und Masse verbunden ist, und einen Kondensator C1, welcher zwischen den ersten und zweiten Induktivitäten L1 und L2 verbunden ist.
  • Das zweite Netzwerk 18 beinhaltet eine dritte Induktivität L3, welche zwischen der zweiten Schaltstellung des Schalters 14 und Masse verbunden ist, und eine vierte Induktivität L4, welche zwischen dem GPS System und der zweiten Schaltstellung des Schalters 14 verbunden ist.
  • In vielen ausgeführten SPDT Schaltern kann der aktive Schaltkreis Störung in dem mobilen Modus einfügen. Dies ist insbesondere wahr für CDMA Transceiver, in welchen das Sendesignal jegliche Störsignale in dem Empfangsband modulieren kann. Diese Störung wird oft als eine Kreuzmodulation bezeichnet und kann mit dem gemessenen Schnittpunkt des Geräts in Beziehung gebracht werden. Mit einem höheren Schnittpunkt wird ein niedrigerer Pegel von Störung erreicht. Um Kreuzmodulation zu vermeiden, ist es klug, die Verwendung von elektrischen Schaltern in Serie mit dem Signalpfad zu vermeiden. Als eine alternative Lösung kann der SPDT Schalter in einer Prozesstechnologie implementiert sein, welche einen inhärent hohen Schnittpunkt hat.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet das System ein erstes Diplexernetzwerk, welches mit einem ersten Schaltkreis verbunden ist; ein zweites Diplexernetzwerk, welches mit einem zweiten Schaltkreis verbunden ist; und eine Antennenanpassung, welche einen kurzschließbaren SPST Schalter beinhaltet, um die Anpassfrequenz zwischen den zellularen (oder PCS) und GPS Bändern zu verschieben. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist in 2 illustriert.
  • 2 ist ein Blockdiagramm, welches ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Antennenteilungssystems zeigt, welches gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung für CDMA zellulare (oder PCS) Subsysteme implementiert ist. Wie in 2 gezeigt ist beinhaltet das System 10 eine Peitschen- oder Helikalantenne 12, welche angepasst ist, um bei den Frequenzen, welche von Interesse sind, betrieben zu werden. In dem illustrativen Ausführungsbeispiel ist die Antenne 12 ausgebildet, um innerhalb von Spezifikatio nen von sowohl GPS wie auch zellular oder PCS (personal communication system) Frequenzen betrieben zu werden. Wie vom Durchschnittsfachmann verstanden werden wird, wird optimale Performance bei jedem Satz von Frequenzen ein geeignetes Anpassnetzwerk und typischerweise eine separate Antenne erfordern. Gemäß den vorliegenden Lehren wird jedoch eine einzige Antenne für beide Sätze von Frequenzen verwendet.
  • In der spezifischen Implementierung, welche in 2 gezeigt ist, ist der erste Schaltkreis ein mobiles Subsystem und der zweite Schaltkreis ist ein Global Positioning System Subsystem. Das System beinhaltet ferner ein Steuerelement zum selektiven Betätigen des Schalters innerhalb des Antennenanpassschaltkreises, welcher mit der Antenne verbunden ist, wobei der Schalter bevorzugterweise in dem ausgeschalteten Zustand ist, wenn das mobile Subsystem aktiv ist, und in dem angeschalteten Zustand, wenn das GPS Subsystem aktiv ist.
  • Es gibt zwei primäre Kriterien für das Design des Schaltungsschaltkreises und der Antennenanpasselemente. Das erste Kriterium ist, dass die Antennenanpassung optimiert sein soll, um die Abstrahlungsperformanceanforderungen für zellularen (oder PCS) und GPS Betrieb zu erfüllen. Das zweite Kriterium ist, dass die Antennenanpassung in den Signalpfad in einem zellularen (oder PCS) Modus wenig oder keine Störungen einfügen muss (hoher Schnittpunkt). Das zweite Kriterium berücksichtigt den Effekt von Kreuzmodulation in einem CDMA Transceiver. Im GPS Modus gibt es keinen aktiven Sender, somit kann der Schalter den Intercept-Punkt verringern, wie bei dem Antennenanschluss gemessen wird.
  • Wie in den 2 und 3 gezeigt ist wird vorteilhafter Betrieb durch Verbinden der Antenne 12 mit einem schaltbaren Anpassnetzwerk 15 erreicht. Wie unten vollständiger beschrieben ist, ist das schaltbare Anpassnetzwerk 15 auch mit einem Diplexer verbunden, welcher die GPS und zellularen Betriebsfrequenzen kombiniert. In dem besten Modus ist der Schalter, welcher in dem Netzwerk 15 in 3 verwendet wird, ein elektronischer Schalter, zum Beispiel ein mikro-elektro-mechanischer (MEM) Schalter, ein Feldeffekttransistor (FET), eine PIN Diode, etc. Jedoch können andere Schalttechnologien verwendet werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen.
  • In der illustrativen Implementierung, welche in 2 gezeigt ist, sieht das erste Netzwerk 17 Isolation zwischen dem ersten Schaltkreis 20 und dem Antennenanpassnetzwerk 15 bei GPS Frequenzen vor. In dem illustrativen Ausführungsbeispiel ist das erste Netzwerk 17 ein LC Netzwerk und beinhaltet einen ersten Kondensator C1a, welcher zwischen dem mobilen Subsystem 20 und Masse und einer ersten Induktivität L1a, welche zwischen dem Antennenanpassnetzwerk 15 und dem mobilen Subsystem verbunden ist.
  • In dem illustrativen Ausführungsbeispiel, wie in 2 gezeigt ist, sieht das zweite Netzwerk 19 Isolation zwischen dem zweiten Schaltkreis 22 und dem Antennenanpassnetzwerk 15 bei zellularen (oder PCS) Frequenzen vor. In dem illustrativen Ausführungsbeispiel ist das zweite Netzwerk 19 ein LC Netzwerk und beinhaltet einen zweiten Kondensator C2a, welcher zwischen dem GPS Subsystem 22 und dem Antennenanpassnetzwerk 15 verbunden ist, und eine zweite Induktivität L2a, welche zwischen dem GPS Subsystem 22 und Masse verbunden ist. Jedes dieser Netzwerke wird normalerweise als Diplexer oder Duplexer bezeichnet. Die Funktion eines Diplexers ist es, mehrere Betriebsbänder in einen einzigen Signalpfad zu verbinden.
  • In dem besten Modus sind die ersten und zweiten Netzwerke 17 und 19 in einer Komponente kombiniert, welche die Induktivitäten und Kondensatoren beinhaltet, welche benötigt werden, um die zellularen und GPS Subsysteme mit einer gemeinsamen Antennenanpassung zu verbinden.
  • Die wesentlichen Vorteile des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels sind, dass Störung, wenn das mobile Subsystem verwendet wird, minimiert wird, und Einfügeverlust von beiden Subsystemen geringer ist als in 1.
  • 3 ist ein Blockdiagramm, welches eine illustrative Implementierung des Antennenanpassnetzwerks zeigt. In dem illustrativen Ausführungsbeispiel von 3 ist das Antennenanpassnetzwerk 15 ein LC Netzwerk, welches mit einem SPST Schalter 13 kombiniert ist. Das Antennenanpassnetzwerk dient dazu, die Antennenanpassfrequenz zwischen zellularen und GPS Subsystemen zu verschieben. Das Antennenanpassnetzwerk 15 beinhaltet ein reaktives Element 1 (entweder L oder C abhängig von den Anpassanforderungen), welches in Serie mit dem SPST Schalter 13 mit Masse verbunden ist, und die Diplexer 17 und 19. Das Antennenanpassnetzwerk 15 beinhaltet auch ein serielles reaktives Element 2, welches zwischen den Diplexern 17 und 19 und der Antenne 12 verbunden ist. Das Antennenanpassnetzwerk 15 beinhaltet optional ein drittes reaktives Element 3. Diese Komponente ist im Kurzschluss mit der Antenne zu Masse verbunden.
  • In 3 wird das kurzschließbare reaktive Anpasselement und/oder drei im mobilen Modus getrennt; wodurch keine Störung in den Signalpfad eingefügt wird. Der Schalter 13a oder 13b wird im GPS Modus geschlossen, um die Antennenanpassung auf die geeignete Frequenz von dem zellularen (oder PCS) Band zu verschieben. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Schalter ein Einzelpol-Einzelschaltungsstellungsschalter (SPST = single pole, single throw switch).
  • Die Anpassnetzwerke, welche in 15, 17 und 19 verwendet werden, können von jedem Design sein, wie es für eine bestimmte Anwendung benötigt wird, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen.
  • Die Schalter 13a oder 13b (2) oder 14 (1) werden durch einen konventionellen Schalttreiber 24 ansprechend auf ein Signal von einer zentralen Verarbeitungseinheit oder einem Steuerungselement 26 betätigt. Der Schalttreiber 24 ist angepasst, um elektrische Signale zu liefern, welche geeignet sind für den Schalter 13a, 13b oder 14. Die zentrale Verarbeitungseinheit 26 sieht ein Telefon/GPS Modussteuerungssignal für den Schalter 13a, 13b oder 14 über den Treiber 24 vor. Die zentrale Verarbeitungseinheit empfängt auch Eingabe von und liefert Ausgabe zu einem Benutzerinterface 28 und kommuniziert mit einem Speicher 30 und einem Display 32.
  • Die vorliegende Erfindung zieht einen Vorteil aus der Tatsache, dass der Telefonbetrieb und GPS Empfang nicht gleichzeitig auftreten. Somit wird es erwartet, dass zu jeder beliebigen Zeit die Antenne mit dem GPS Subsystem oder dem mobilen Subsystem verbunden sein wird. Das Telefon wird die meiste Zeit derart verbringen, dass die Antenne 12 mit dem mobilen Subsystem 20 verbunden ist. Wenn eine Positionsfixierung benötigt wird wird das Telefon auf das GPS Subsystem 22 für ungefähr eine Sekunde oder weniger (typischerweise) geschalten werden, wodurch mobiler Betrieb für diese Zeit unterbrachen wird.
  • Somit wurde die vorliegende Erfindung hierin mit Bezug auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel für eine bestimmte Anwendung beschrieben. Der Durchschnittsfachmann, welcher Zugriff auf die vorliegenden Lehren hat, wird zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsbeispiele innerhalb des Umfangs davon erkennen. Zum Beispiel ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung mit GPS und zellularen Subsystemen eingeschränkt. Eine Vielzahl von Subsystemen kann selektiv betätigt werden, und zwar gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung.
  • Es ist deshalb beabsichtigt durch die angefügten Ansprüche, jegliche und alle solche Anwendungen, Modifikationen und Ausführungsbeispiele innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung abzudecken.

Claims (14)

  1. Ein Antennenteilungssystem bzw. ein System zum gemeinsamen Nutzen einer Antenne zur Verwendung mit einer Antenne, wobei das System Folgendes aufweist: einen ersten Diplexer (17) gekoppelt zwischen der Antenne und einer ersten Schaltung (20); einen zweiten Diplexer (29) gekoppelt zwischen der Antenne und einer zweiten Schaltung (22), gekennzeichnet durch ein schaltbares Antennenanpassglied bzw. -netzwerk (15) gekoppelt zwischen der Antenne und den ersten und zweiten Diplexern (17, 19), wobei das Antennenanpassglied (15) ein induktives/kapazitives Netzwerk und einen Schalter (13a) aufweist, und zwar angepasst um die Antennenanpass- bzw. Antennen-Match-Frequenz zwischen derjenigen der ersten Schaltung (20) und derjenigen der zweiten Schaltung (22) zu verschieben, wobei die erste Schaltung (20) ein Zell- oder PCS-Untersystem ist und wobei die zweite Schaltung (22) ein Global-Positioning-System bzw. GPS-Untersystem ist.
  2. Antennenteilungsystem nach Anspruch 1, wobei der erste Diplexer (17) ein Zell- oder PCS-Diplexer ist.
  3. Antennenteilungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Diplexer (19) ein GPS-Diplexer ist.
  4. Antennenteilungssystem nach Anspruch 3, wobei das induktive/kapazitive Netzwerk erste und zweite reaktive bzw. steuerbare Schaltungen aufweist.
  5. Antennenteilungssystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei das induktive/kapazitive Netzwerk ein erstes reaktives Element verbunden in Serie mit dem Schalter (13a) zur Erdung und den Diplexern und ein zweites Serienreaktivelement verbunden zwischen den Diplexern und der Antenne aufweist.
  6. Antennenteilungssystem nach Anspruch 5, das weiterhin ein drittes reaktives Element aufweist, das kurzschliessbar bzw. „in shunt" ist mit der Antenne zur Masse.
  7. Antennenteilungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Schalter (13a) ein kurzschliessbarer Einzelpol-Einzelschaltstellungsschalter (shunt single pole single throw switch) ist.
  8. Antennenteilungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 7, das weiterhin Mittel (24, 26) zum Aktivieren des Schalters aufweist.
  9. Antennenteilungssystem nach Anspruch 8, wobei die Mittel zum Betätigen eine zentrale Verarbeitungseinheit (26) aufweist.
  10. Antennenteilungssystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Mittel zum Betätigen weiterhin einen Schalttreiber (24) aufweisen.
  11. Antennenteilungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Diplexer (17) eine Isolation zwischen der ersten Schaltung (20) und dem Antennenanpassglied (15) bei der Frequenz der zweiten Schaltung (22) vorsieht, und der zweite Diplexer (19) eine Isolierung bzw. Trennung zwischen der zweiten Schaltung (22) und dem Antennneanpassglied (15) bei der Frequenz der ersten Schaltung (20) vorsieht.
  12. Antennenteilungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Diplexer (20) einen ersten Kondensator (C1a) aufweist, der verbunden ist mit der ersten Schaltung (20) und einer Erdung, sowie ein erstes induktives Element (L1a) verbunden zwischen dem Antennenanpassglied und der ersten Schaltung (20), und wobei der zweite Diplexer einen zweiten Kondensator (C2a) verbunden zwischen der zweiten Schaltung (22) und dem Antennenanpassglied (15) und ein zweites induktives Element (L2a) verbunden zwischen der zweiten Schaltung (22) und der Masse aufweist.
  13. Antennenteilungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin eine Benutzerschnittstelle (28) aufweist.
  14. Ein mit GPS ausgestattetes zellulares oder PCS-Telefonsystem, das Folgendes aufweist: eine Antenne; und ein Antennenteilungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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