-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Sende-/Empfangseinrichtung mit einer
Filteranordnung zum selektiven Filtern von Radiofrequenzsignalen, die von einer
gemeinsamen Antenne empfangen und zu dieser übertragen werden.
-
Der Sender und der Empfänger einer Sende-/Empfangseinrichtung arbeiten im
allgemeinen bei jeweils unterschiedlicher Frequenz. Häufig wird eine
Antennenweiche bzw. ein Duplexgerät verwendet, um den Sender und den Empfänger mit
der gemeinsamen Antenne zu koppeln. Im wesentlichen enthält eine
Sende/Empfangs-Weiche für eine Antenne zwei unterschiedliche Filter in den jeweiligen
Empfangs- und Sendeschaltungen. Das Filter in der Sendeschaltung ist so
ausgelegt, daß es Frequenzen in einem Sperrbereich dämpft, welche auch die
Betriebsfrequenz des Empfängers einschließt, während das Filter der
Empfängerschaltung Frequenzen in einem Sperrbereich dämpft, in welchem die Betriebsfrequenz
des Senders liegt.
-
Die US-PS 4,462,098 offenbart bereits ein Antennen-Duplexgerät mit
Empfangs- und Sendefiltern, die jeweils eine Kaskadenanordnung von diskreten
keramischen Einpol-Bandstopp-/Bandpaß-Filtern enthalten, die untereinander durch
Viertelwellen-Übertragungsleitungen verbunden sind. Aus der US-PS 4,431,977
ist ein Antennen-Duplexgerät bekannt, bei welchem die Empfangs- und
Sendefilter durch monolithische Keramikblöcke gebildet sind, die mehrere integrale
Resonatoren enthalten. Die Empfangs- und Sendefilter können aus separaten Blöcken
bestehen oder zu einem einzelnen Block integriert sein. Eine ältere US-PS
3,728,731 offenbart ein Antennen-Duplexgerät mit Empfangs- und Sendefiltern
aus einem Array von helischen Resonatorfiltern in einem gemeinsamen Gehäuse.
-
Es ist allgemein bekannt, daß sich die elektrischen Eigenschaften eines Filters
mit kaskadenförmiger Anordnung einzelner Resonatoren dadurch verändern
lassen, daß die Anzahl der Resonatoren und/oder die elektrischen Eigenschaften der
einzelnen Resonatoren (oder Pole) des Filters und/oder die Art der Kopplung
zwischen benachbarten Resonatoren verändere wird.
-
NEC RESEARCH & DEVELOPMENT, Oktober 1987 offenbart eine
Sende-/Empfangseinrichtung mit Bandpaßfiltern im Empfänger.
-
Die JP-A-61 214 625 beschreibt eine Antennenkopplungsschaltung, bei der eine
Isolation zwischen Senden und Empfangen dadurch erhalten wird, daß zwischen
einer Empfangsschaltung und einer Empfangsfilterschaltung eine
Sendeschaltungsfalle vorgesehen ist.
-
Bei cellularen Funksprechsystemen bzw. Radio-Telefonsystemen ist der Abstand
zwischen benachbarten Kanten von Empfangs- und Sendebändern relativ klein.
Beispielsweise erstreckt sich beim cellularen System ETACS in Großbritannien
die Sendebandbreite von 872 bis 905 MHz und die Empfangsbandbreite von 917
bis 950 MHz. In diesem Fall beträgt der Abstand zwischen benachbarten Kanten
des Empfangs- und Sendebands 12 MHz.
-
Das Problem beim Cellularfunk besteht darin, ein Duplexfilter zu verwenden,
welches in der Empfangsschaltung die Sendefrequenz dämpft, und zwar ohne
wesentliche Dämpfung des gewünschten Empfangssignals, und welches ebenso in
der Sendeschaltung die Empfangsfrequenz dämpft, und zwar ohne wesentliche
Dämpfung des Sendesignals. Dieses Filterproblem verstärkt sich noch, wenn der
Sender in Richtung zum oberen Ende des Sendebands betrieben wird, also bei
einer Frequenz nahe des Empfangsbands, da das Empfangsfilter nach wie vor in der
Lage sein muß, die gewünschte Empfangsfrequenz zu diskriminieren und
durchzulassen, jedoch die ungewünschte Frequenz in wesentlichem Umfang zu
dämpfen. Um bessere Filtereigenschaften zu erhalten, wird das Duplexfilter
üblicherweise mit mehreren Polen ausgestattet und weist daher einen komplexen
mechanischen und elektrischen Aufbau auf. Duplexfilter mit gutem Filterverhalten sind
daher sowohl relativ groß als auch teuer in der Herstellung. Die hohen Kosten
stellen einen offensichtlichen Nachteil dar. Dagegen bedeutet die Hohe Baugröße,
daß Filter mit gutem Filterbetriebsverhalten praktisch nicht kompatibel sind mit
tragbaren Sende-/Empfangseinrichtungen, bei denen das Thema
Miniaturisierung im Vordergrund steht.
-
Ein weiterer Nachteil von Duplexfiltern mit gutem Filterbetriebsverhalten besteht
in dem damit verbundenen Einfügungsverlust. Wird also der Anteil der Filterung
des ungewünschten Signals größer, so vergrößert sich auch der Verlust im
Hinblick auf das gewünschte Signal.
-
Bei Duplex-Funksende-Empfängern besteht die größte Schwierigkeit beim Filtern
darin, daß die relativ große Sendeleistung von den kleinen Signalschaltungen des
Empfängers ferngehalten werden muß. Ein größerer Pegel an Sendeleistung läßt
sich dadurch beseitigen, daß die Empfangsfilterleistung vergrößert wird. Je
größer allerdings der Filteranteil ist, desto größer ist der Verlust des gewünschten
Signals, wie bereits oben erwähnt. Im Hinblick auf die Aufrechterhaltung einer
nutzbaren Empfangsempfindlichkeit gibt es allerdings eine endliche Grenze
bezüglich der Größe des Verlusts, die in der Empfangsschaltung noch toleriert
werden kann, und zwar vor der Verstärkung. Bei herkömmlichen
Sende-/Empfangseinrichtungen mußte daher ein Kompromiß bei der Empfangsschaltung gewählt
werden, und zwar zwischen der Anforderung einerseits, Sendefrequenzen
abzuweisen, und einem akzeptablen Pegel des Einfügungsverlusts andererseits.
-
Die US-PS 3,656,162 offenbart einen Diplexer zur Funkkommunikation, bei dem
ein Antennenduplexfilter ein Bandpaßfilter in der Empfangsschaltung enthält
und in der Sendeschaltung ein Tiefpaßfilter in Kombination mit einem Sperrfilter,
das so abgestimmt ist, daß Signale bei der Empfangsftequenz abgewiesen werden.
Der Nachteil dieser Schaltung besteht darin, daß die Aufnahme des Sperrfilters in
die Sendeschaltung notwendigerweise den Einfügungsverlust der
Sendeschaltung vergrößert.
-
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung enthält eine
Sende/Empfangseinrichtung einen Funkempfänger und einen Funksender, die jeweils
bei unterschiedlicher Frequenz arbeiten, sowie eine Duplex-Filtereinrichtung zur
Kopplung des Empfängers und des Senders auf eine gemeinsame Antenne, wobei
der Empfänger Verstärkungsmittel mit Eingangsmitteln und Ausgangsmitteln
aufweist und wobei ferner die Eingangsmittel der Verstärkungsmittel mit der
Duplex-Filtereinrichtung gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß weitere
Filtermittel mit den Ausgangsmitteln der Empfänger-Verstärkungsmittel gekoppelt
sind und daß die weiteren Filtermittel auf ein Steuersignal ansprechen, um
Signale innerhalb eines schmalen und durch das Steuersignal spezifizierten
Frequenzbereichs zu dämpfen, wobei der spezifizierte schmale Frequenzbereich eine
Frequenz einschließt, die im wesentlichen gleich der Betriebsfrequenz des Senders
ist.
-
Vorzugsweise befinden sich die weiteren Filtermittel am Ausgang (und erst in
zweiter Linie am Eingang) der ersten Verstärkungsstufe des Empfängers, so daß
der Einfügungsverlust weniger kritisch wird. Die Verwendung der weiteren
Filtermittel führen zu geringeren Anforderungen an das Sperrverhalten der
Antennenduplexfilter, die somit räumlich und elektrisch weniger komplex ausgelegt und
daher kleiner hergestellt werden können. Da jetzt das Antennenduplexfilter
miniaturisiert werden kann, läßt sich in Übereinstimmung mit der Erfindung ein
Funksende-Empfänger herstellen der im Vergleich zum Stand der Technik
kleiner ist.
-
Andererseits befinden sich die zusätzlichen Filtermittel innerhalb der
Empfangsschaltung, so daß sich kein zusätzlicher Verlust bezüglich des Sendesignals in der
Sendeschaltung ergibt.
-
Vorzugsweise enthalten die weiteren Filtermittel ein Sperrfilter sowie Mittel, um
die Frequenz zu verändern, bei der das Sperrfilter maximale Dämpfung hat.
-
Nach einem besonderen Ausführungsbeispiel kann der Sender bei
unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, wobei das Sperrfilter automatisch die
Frequenzverändert, bei der maximale Dämpfung auftritt, und zwar in Antwort auf Änderungen
der Betriebsfrequenz des Senders.
-
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Sperrfilter nur wirksam
oberhalb eines Schwellwerts der Sendefrequenz. Unterhalb dieses
Frequenzschwellwerts wird das Sperrfilter so angesteuert, daß es im wesentlichen keine Wirkung
zeigt. Liegt allerdings das Empfangsband unterhalb des Sendebands, so gelten die
umgekehrten Verhältnisse bezüglich der Wirkung des Sperrfilters. In diesem Falle
wäre das Sperrfilter unterhalb des Schwellenwerts wirksam.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
-
Figur 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Sende-/Empfangseinrichtung
nach der Erfindung;
-
Figur 2 die Filtereigenschaften eines Duplexfilters und eines zusätzlichen
Sperrfilters in der Empfangsschaltung der Sende-/Empfangseinrichtung nach der
Erfindung; und
-
Figur 3 ein Schaltungsdiagramm der Empfangsschaltung der
Sende-/Empfangseinrichtung nach Figur 1.
-
Die in Figur 1 schematisch dargestellte Sende-/Empfangseinrichtung enthält
einen Sender 1 und einen Empfänger 2, die mit einer gemeinsamen Antenne 3 über
einen Antennenduplexer 4 (Antennenweiche) gekoppelt sind. Üblicherweise
arbeiten der Sender 1 und der Empfänger 2 bei unterschiedlicher Frequenz. Im Falle
des cellularen Funksystems ETACS in Großbritannien arbeitet der Empfänger in
einem Frequenzbereich von 917 bis 950 MHz, während die Sendefrequenz im
Bereich von 872 bis 905 MHz liegt. Der Frequenzabstand zwischen Sender und
Empfänger ist im Betrieb auf 45 MHz fixiert. Im Vergleich dazu arbeitet in den USA das
cellulare Funksystem AMPS mit einem Sendeband von 824 bis 849 MHz und mit
einem Empfangsband von 869 bis 894 MHz, wobei der Abstand zwischen beiden
Bändern 45 MHz beträgt.
-
Der Antennenduplexer (Antennenweiche) enthält ein Sendebandpaßfilter 5, das
mit dem Sender 1 verbunden ist, und ein Empfangsbandpaßfilter 6 verbunden mit
dent Eingang der ersten Verstärkungsstufe 7 des Empfängers 2. Das Sendefilter 5
schwächt Frequenzen in einem Sperrbereich, in welchem die Betriebsfrequenz
des Empfängers 2 liegt. In ähnlicher Weise schwächt das Empfangsfilter 6
Frequenzen In einem Sperrbereich, in welchem die Betriebsfrequenz des Senders 1
liegt.
-
Antennenduplexfilter selbst (Antennenweichenfilter) sind allgemein bekannt und
es wurden eingangs bereits einige von Ihnen vorgestellt, so daß sie hier nicht
näher beschrieben werden sollen.
-
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung liegt jedoch ein Sperrfilter 8
zwischen dem Ausgang des Verstärkers 7 und dem verbleibenden Teil des
Empfängers 9. Das Sperrfilter 8 ist abgestimmt auf Dämpfungsfrequenzen in einem
schmalen Sperrbereich, der die Sendefrequenz einschließt, wie nachfolgend
genauer erläutert wird.
-
Die Wirkung der Bandpaßfilter 5 und 6 sowie des zusätzlichen Sperrfilters 8 sind
in Figur 2 gezeigt, wobei die Signalamplitude entlang der Vertikalachse
aufgetragen ist und die Frequenz entlang der Horizontalachse. Im vorliegenden Fall soll die
Sende-/Empfangseinrichtung so ausgelegt sein, daß sie im Rahmen des ETACS
Systems arbeiten kann. Die Erfindung läßt sich jedoch in gleicher Weise auf
andere cellulare Systeme anwenden und tatsächlich auch auf nicht cellulare
Funksysteme. Die durchgezogene Kurve A in Figur 2 repräsentiert die Charakteristik des
Sendefilters 5 und läßt erkennen, daß die Frequenzen außerhalb des Sendebands
von 872 bis 905 MHz signifikant gedämpft werden im Vergleich zu den Frequenzen
Innerhalb des genannten Bands. Dagegen zeigt die durchgezogene Kurve B die
Eigenschaft des Empfangsfilters 6 und läßt erkennen, daß Frequenzen außerhalb
des Empfangsbands von 917 bis 950 MHz signifikant gedämpft werden, und zwar
im Vergleich zu Frequenzen innerhalb dieses Bands.
-
Aus Figur 2 geht ebenfalls hervor, daß im Frequenzbereich f&sub1;-f&sub2; (z. B. im Bereich
von 895 bis 905 MHz) am oberen Ende des Sendebands die durch das
Empfangsfilter verursachte Schwächung (Kurve B) kleiner als 50 dB ist. Arbeitet daher der
Sender im oberen Bereich des Sendebands f&sub1;-f&sub2;, so ist das Empfangsfilter nicht in
der Lage, diese Frequenzen so wirksam zu dämpfen wie die Frequenzen unterhalb
von f&sub1;. Der Empfänger wird somit einen unerwünscht hohen Pegel von
Störsignalen liefern, die die Sendefrequenz aufweisen.
-
Die gestrichelt eingezeichnete Linie C zeigt die Wirkung des Sperrfilters 8 der
Empfangsschaltung. Das Sperrfilter ist abgestimmt auf eine Frequenz f&sub0;, z. B. auf
900 MHz, und dämpft beträchtlich Frequenzen im schmalen Frequenzbereich f&sub1;-
f&sub2;. Entsprechend der Figur 2 wird die Dämpfung auf mehr als 50 dB für den
gesamten Frequenzbereich f&sub1;-f&sub2; vergrößert. Die Sperrbandbreite des Sperrfilters 8
liegt typischerweise bei 6 bis 10 MHz.
-
Wie die Figur 2 erkennen läßt, tritt das Problem der unzureichenden Dämpfung
(kleiner als 50 dB) durch das Empfangsfilter 8 im wesentlichen nur im oberen Teil
des Sendebands f&sub1;-f&sub2; auf. Bei Frequenzen unterhalb von f&sub1; liefert die zusätzliche
Filterung infolge des Einsatzes des Stoppfilters 8 keinen wesentlichen Beitrag
mehr. Das Sperrfilter 8 braucht daher bei Sendefrequenzen unterhalb des
Schwellwerts f&sub1; im wesentlichen keine Wirkung mehr zu zeigen.
-
Vorteilhafterweise kann das Sperrfilter 8 elektronisch einstellbar sein, um seine
Filtereigenschaften zu verändern. Durch Anlegen einer Steuerspannung Vc an
das Sperrfilter 8 läßt sich der Frequenzgang des Filters verändern. Wird daher ein
erstes Signal V&sub1; an das Sperrfilter 8 angelegt, so werden die Eigenschaften gemäß
Kurve C erhalten. Wird demgegenüber ein zweites und kleineres Signal V&sub2; an das
Sperrfilter 8 angelegt, so ergibt sich ein sehr viel kleinerer Filtereffekt, wie die
gestrichelt eingezeichnete Linie D in Figur 2 erkennen läßt. Die Frequenz, bei der
das Stoppfilter 8 wirksam ist (also das Stoppband), kann sich nunmehr auch
außerhalb des Sendebands befinden, so daß insgesamt das Stoppfilter jetzt
keinen Beitrag mehr zum Gesamtfilterverhalten der Empfangsschaltung liefert. Mit
anderen Worten befindet sich das Sperrfilter 8 jetzt in einem sogenannten
"geparkten Zustand". Nur wenn das Sendesignal in den schmalen Frequenzbereich
f&sub1;-f&sub2; fällt, wird das Steuersignal Vc von V&sub2; auf V&sub1; geändert, so daß die
Filtercharakteristik gemäß Kurve C wirksam wird.
-
Die Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer spezifischen
Schaltungskonfiguration für den Verstärker 7 und das Sperrfilter 8 in der Empfangsschaltung. Im
vorliegenden Fall enthält das Sperrfilter 8 einen Varactor 10, der in Reihe mit
einem Kondensator 11 liegt, wobei diese Reihenschaltung aus Varactor 10 und
Kondensator 11 parallel zu einer Induktionsspule 12 liegt. Ein Kondensator 13 ist mit
dem gemeinsamen Punkt zwischen Kondensator 11 und Induktionsspule 12
verbunden. Das Sperrfilter 8 ist so ausgelegt, daß es eine Resonanz bei einer
Frequenz im oberen Teil f&sub1;-f&sub2; des Sendebands zeigt. In einem spezifischen
Ausführungsbeispiel des Anmelders weist der Kondensator 11 einen Wert von 12 pF auf,
der Kondensator 13 einen Wert von 2,7 pF und der Induktor 12 einen Wert von
6 nH. Die Kapazität des Varactors 10 ist einstellbar, beispielsweise im Bereich
von 7 bis 13 pF. Die Werte dieser und der verschiedenen anderen Komponenten
der in Figur 3 gezeigten Schaltung lassen sich natürlich je nach gewünschtem
Anwendungsfall durch den Durchschnittsfachmann auch verändern, so daß hierauf
nicht weiter eingegangen wird. Mit den oben angegebenen Werten der jeweiligen
Komponenten wird jedoch eine maximale Dämpfung des Sperrfilters bei etwa 900
MHz erzielt, wenn eine Steuerspannung Vc von 2,7 V an den Varactor 10 angelegt
wird. Dagegen läßt sich durch Änderung der Steuerspannung Vc auf 1V die
Resonanzfrequenz auf einem Wert "parken", der unterhalb des Sendebands liegt, wie
bereits oben erläutert. Das Sperrfilter 8 zeigt jetzt praktisch keine Wirkung mehr.
-
Das Netzwerk der Komponenten 10 bis 13, das das Sperrfilter 8 bildet, ist mit dem
Kollektor des Transistors 7 (über einen Kondensator) verbunden, so daß eine
signifikante zusätzliche Dämpfung des Sendersignals bei minimalem Verlust des
gewünschten Empfangssignals erhalten wird, und zwar ohne Beeinflussung des
Verlusts in der Sendeschaltung.
-
Im Lichte der vorhergehenden Beschreibung ist es für einen
Durchschnittsfachmann möglich, verschiedene Änderungen und Modifikationen vorzusehen, die
innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen. Wie erläutert wurde, wird
das Sperrfilter oberhalb eines Schwellenwerts der Sendefrequenz wirksam.
Alternativ kann das Sperrfilter aber auch dynamisch auf die Sendefrequenz
abgestimmt werden, um ein wirksames Filterverhalten im Bereich des gesamten
Sendebands zu zeigen. Das Sperrfilter selbst braucht darüber hinaus nicht in der
in Figur 3 gezeigten Weise ausgebildet zu sein. Auch können andere Sperrfilter
zum Einsatz kommen. Wichtig ist, daß die Sperrfilterschaltung ein reaktives bzw.
Blindelement in Kombination mit einem Resonator aufweist, der einen hohen Q-
Wert hat. Im Falle eines abstimmbaren Sperrfilters läßt sich das reaktive Element
auf elektronischem Wege einstellen. Wie für einen Durchschnittsfachmann sofort
zu erkennen ist, enthalten geeignete reaktive Elemente eine variierbare
Kapazitätsdiode, eine einstellbare Drossel oder einen Transistorübergang, während
geeignete Resonatoren einen keramischen dielektrischen Resonator, eine
Streifenleitung, eine Mikrostreifenleitung, eine Drossel, einen Kristall oder einen SAW-
Resonator umfassen. Die Sperrbandbreite (Stoppbandbreite) des Sperrfilters
kann in Abhängigkeit der jeweiligen Umstände gewählt werden, kann also ggf.
schmaler oder weiter sein als der oben angegebene Bereich von 6 bis 10 MHz.
Darüber hinaus kann anstelle des Sperrfilters auch ein Hochpaßfilter zum Einsatz
kommen. Schließlich können statt der beschriebenen Bandpaßfilter für die
Sende- und Empfangsfilter der Antennenweiche auch Tiefpaßfilter und Hochpaßfilter
verwendet werden.