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Die Mobilkommunikation breitet sich
in einem sehr raschen Tempo aus und die Verwendung von Mobiltelefon-Handgeräten für viele
Formen von Kommunikationssystemen, wie z. B. Zellular-, Drahtlos-
und Satellitensystemen findet große öffentliche Akzeptanz.
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Das Betriebsverhalten der Antenne
eines Mobiltelefon-Handgerätes
hat einen großen
Einfluss auf die Qualität
der HF-Verbindung und Batterielebensdauer. Je größer der Gewinn einer Antenne
in einer gegebenen Richtung ist, desto besser ist das Signal/Rausch-Verhältnis an
dem Empfänger,
was zu einer zuverlässigeren
HF-Verbindung führt.
Dieses bedeutet auch, dass ein Handgerät mit einem besseren Antennengewinn
bei Abständen
von der Basisstation verwendet werden kann, welche größer als die
bei einem mit einem geringeren Antennengewinn sind, wenn alle anderen
Betriebsverhaltensparameter dieselben sind. In Randbereichen, in
welchen die Signalpegel niedrig sind, verhält sich das Handgerät mit größerem Gewinn
im Hinblick auf die Aufrechterhaltung der Verbindung besser.
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Ein weiterer wichtiger Parameter,
der in den letzten Jahren sorgfältiger
untersucht wird, ist die Auswirkung der elektromagnetischen Wellen,
die von einem mobilen Handgerät
ausgesendet werden, wenn es in sehr geringer Nähe zu dem menschlichen Kopf
eingesetzt wird. Bei einer unmittelbar am Kopf eingesetzten Rundstrahlantenne
wird ein großer
Anteil ihrer Leistung im Kopf absorbiert. Dieses ist aus zwei Gründen eine
unerwünschte
Situation: Erstens besteht eine Idealforderung darin, dass keine
Energie in der Antenne oder in irgendeinem Objekt in dessen unmittelbarer
Nähe verbraucht
werden sollte. Wenn viel Leistung durch den Kopf absorbiert wird, steht
dann weniger Leistung zur Abstrahlung zur Verfügung, was zu einem verringerten
Kommunikationsbereich führt.
Es ist allgemein üblich,
dass, wenn ein Handgerät
unmittelbar am Kopf positioniert ist, der Gewinn bis zu 10 dB in
bestimmten Richtungen reduziert werden kann, was leicht mehr als
die Hälfte
des Entfernungsbereiches sein könnte,
welcher anderenfalls erreichbar wäre. Zweitens ist die Auswirkung elektromagnetischer
Strahlung aus mobilen Handendgeräten
auf die menschliche Gesundheit ein Thema, welcher immer noch sehr
sorgfältig
untersucht wird. Daher ist es um so besser, je weniger Leistung
in den menschlichen Körper
eingestrahlt wird.
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Das Dokument EP-A-713 262 beschreibt
einen tragbaren Kommunikations-Sende/Empfänger welcher eine Kombination
von zwei Monopol- oder Dipolantennen, einen Schalter und eine Phasenschieber
zum Erzielen einer Richtstrahlungscharakteristik umfasst, um die
Antennencharakteristik adaptiv auf eine Basisstation hin auszurichten.
Eine alternative Antennencharakteristik konnte gewählt werden,
in welcher eine Nullzone auf den Benutzer des Sender/Empfängers hin
gerichtet ist.
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Das Dokument US-A-5 541 609 offenbart eine
Antenne für
eine persönliche
Kommunikationsvorrichtung, welche eine ko-geradlinige Anordnung von
Dipolantennenelementen umfasst. Die vollständige Anordnung ist für den Empfang
aktiv. Ein Näherungsdetektor
erfasst die Nähe
des menschlichen Körpers
und verringert die HF-Ausstrahlungsleistung für diejenigen Antennenelemente
in der Anordnung, die dem Kopf des Benutzers am nächsten liegen.
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Die Eigenschaft der Rundumwirkung
für Antennen
ist ein wichtiges Erfordernis für
ein mobiles Handgerät,
da weder der Benutzer noch das Handgerät irgendwelche Kenntnis über die
Richtung der Basisstation hat, mit welcher das mobile Handgerät kommunizieren
soll. Unabhängig
von der Ausrichtung des Handgerätes
empfängt
es identische Leistungspegel von der Basisstation in allen Richtungen und
umgekehrt empfängt
die Basisstation identische Leistungspegel von dem mobilen Handgerät unabhängig von
dessen Orientierung. Dieses Erfordernis wird leicht durch die Verwendung
einer Rundstrahlantenne in dem Handgerät erzielt, wenn das Handgerät frei steht.
Jedoch verliert dasselbe Handgerät
seine Rundstrahlcharakteristik, wenn es unmittelbar am Kopf angeordnet
ist. Der Kopf und die das Handgerät haltende Hand absorbieren
einen Großteil
der von der Antenne ausgestrahlten Leistung, was die Strahlungscharakteristik
der Antenne deutlich wie in 1 dargestellt
stört.
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Da jede in den Kopf eingestrahlte
Leistung deutlich durch den Kopf absorbiert wird, wäre es vorteilhaft,
während
des Handgerätebetriebs
eine Antenne mit einer Strahlungscharakteristik zu verwenden, welche
die Strahlung aus der Antenne in die Richtung des Kopfes minimiert.
Durch Konzentrieren der Leistung in die Richtung vom Kopf des Be nutzers weg,
wird es dann möglich,
den Gewinn der Antenne in dieser Richtung zu vergrößern. Daher
wird die Leistung effektiver in die Richtung von dem Kopf weg abgestrahlt,
statt in dem Kopf vernichtet zu werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein Telefon mit zwei oder mehr Antennen, jede zum Empfangen und/oder
Senden von elektromagnetischen Signalen und mit einer Schalteinrichtung
bereit, welche in der Lage ist, eine Antenne oder Antennenkombination auszuwählen, um
ein gerichtetes Senden bereitzustellen, um die Einstrahlung in den
Kopf des Benutzers, wie in den Ansprüchen 1 und 2 ausgeführt, zu reduzieren.
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Somit ist ein Telefon gemäss der Erfindung
in der Lage in einer gerichteten Betriebsart während eines Handbetriebs zu
arbeiten und in einer rundstrahlend Betriebsart während eines
handlosen Betriebs. In der gerichteten Betriebsart wird die Strahlung
direkt von dem Kopf des Benutzers weg, d. h. von dem Telefonlautsprecher
oder Mikrofon nach außen
gerichtet ausgestrahlt.
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Eine Mikrostreifenleitungsantenne
mit ihrer charakteristischen D-förmigen
Strahlungscharakteristik kann als eine Richtantenne verwendet werden. Ein
Telefon gemäss
der Erfindung kann auch eine Rundstrahlantenne enthalten oder alternativ
kann die Rundstrahlcharakteristik auch durch eine Anordnung von
Richtungsantennen wie z. B. von Rücken an Rücken angeordneten "D-Form"-Antennen bereitgestellt
werden.
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Die Schalteinrichtung kann von Hand
betätigbar
sein. Beispielsweise kann ein Telefon gemäss der Erfindung einen Handschalter
für die
Auswahl der geeigneten Antenne oder Antennen enthalten. Als ein
weiteres Beispiel könnte
die Auswahl der geeigneten Antenne oder Antennen als Reaktion darauf ausgeführt werden,
dass die Bedienungsperson eine Taste oder einen anderen manuellen
Schalter auf dem Telefon drückt,
um einen Telefonruf zu starten oder einen Ruf zu empfangen.
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Anstelle einer manuellen Betätigung kann die
Schalteinrichtung automatisch betreibbar sein. Beispielsweise kann
ein Näherungssensor
vorgesehen sein, um die Nähe
eines menschlichen Kopfes zu erfassen. Die geeignete Antenne bzw.
Antennen würden
dann gemäss
einem Signal aus dem Näherungsschalter
ausgewählt
werden.
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Alternativ kann ein Telefon gemäss der Erfindung
mit einer Einrichtung ausgerüstet
sein, um zu erfassen, wann es Sprachnachrichten (im Gegensatz zu
regelmäßigen Aktualisierungsmeldungen)
sendet, wobei die Schalteinrichtung auf die Erfassungseinrichtung
reagiert. Somit könnte
eine gerichtete Flächenversorgung
eingeschaltet werden, wenn Sprachnachrichten gesendet werden. Natürlich wäre dies
nicht für
ein Handgerät
geeignet, welches für das
Senden von Sprachnachrichten in einem "handlosen" Betrieb ausgelegt ist.
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Alternativ kann ein Telefon gemäss der Erfindung
in einen gerichteten Betrieb entweder als Reaktion auf den Aufbau
eines Rufes (Zwei-Wege-Kommunikation) oder als Reaktion auf die
Verbindungswunsch eines Benutzers (Wählen einer Nummer) durch den
Benutzer umschalten.
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Es ist möglich, die gerichtete Strahlungscharakteristik
nur zu bestimmten Zeiten auszuwählen, während sich
das Telefon in einer Konversationsbetriebsart befindet. Während einer
Verbindung empfängt
und sendet ein mobiles Telefonhandgerät Signale in einer raschen
Folge aufeinander folgender Empfangs- und Sendefenster, wobei Empfang
und Senden nicht gleichzeitig auftreten. Es kann erwünscht sein,
die Richtstrahlcharakteristik nur während der Sendefenster und
die Rundstrahlcharakteristik während
der Empfangsfenster auszuwählen. Der
sich ergebende Vorteil besteht darin, dass die Rundumreaktion während des
Empfangsfensters den Empfang des Signals verbessert ohne unzulässig den
Strahlungspegel in der Richtung des Kopfes des Benutzers zu erhöhen, da
die empfangenen Signale in der Leistung schwächer als die gesendeten Signale
sind, welche in dem Handgerät
selbst entstehen.
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Aus dem Vorstehenden folgt, dass
ein Telefon gemäss
der Erfindung so eingerichtet sein kann, dass es in der Richtstrahlungsbetriebsart
arbeitet, sobald ein Signal irgendeiner Art gesendet wird.
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Der Ausdruck "Richtantenne" soll jede Antenne mit einer Nullzone
in ihrer Strahlungscharakteristik umfassen.
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Um Vorstehendes zusammenzufassen,
kann die Verwendung von Antennen mit einer Nullzone in ihrer Strahlungscharakteristik
konstruktiv für
den zweifachen Zweck der Mi nimierung der Strahlung in den Kopf und
auch zur Maximierung der Strahlung in andere Richtungen genutzt
werden.
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Obwohl sie in einen konstruktiven
Nutzen für die
Gesprächsposition
umgewandelt wird, ist der Verlust der Rundstrahlcharakteristik nicht
erwünscht, wenn
das Handgerät
frei steht. Die Anforderung für die
Handgerätantenne,
wenn sie sich in einer freistehenden Position befindet, ist eine
möglichst
hohe Rundstrahlcharakteristik. Diese Anforderung kann erfüllt werden,
indem man über
einen Bereich umschaltbarer Antennen verfügt. Eine Antenne oder eine
Antennenkombination mit Richtstrahlcharakteristik würde verwendet
werden, wenn sich das Handgerät
in einer Sprachposition befindet, und die Antenne oder eine Kombination
von Antennen würde
mit Rundstrahlcharakteristik würde
verwendet werden, wenn das Handgerät frei steht. Das Umschalten
zwischen den Antennen kann wie vorstehend erwähnt mittels eines Näherungsschalters
erfolgen, welcher erfassen kann, wenn das Handgerät am Kopf
plaziert wird. Der Schalter würde
die Rundstrahlantenne in Betrieb nehmen, wenn das Handgerät von dem
Kopf weg bewegt wird.
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Man wird erkennen, dass der Ausdruck "Telefonhandgerät" wie er hierin verwendet
wird, jede Kommunikationsvorrichtung umfasst, welche in der Hand
gehalten werden soll.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun
lediglich im Rahmen eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
Darstellung ist, welche Antennenstrahlungscharakteristiken eines
Handgerätes
im freien Raum und in Gesprächspositionen
vergleicht;
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2 eine
Blockdarstellung einer schaltbaren Antennenanordnung ist, welche
für die
Verwendung in einem Telefonhandgerät gemäss der Erfindung geeignet ist;
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3a und 3b eine Leiterplatte, welche
für die
Verwendung in einem Telefonhandgerät gemäss der Erfindung geeignet ist,
in einer Draufsicht bzw. Seitenaufrißansicht veranschaulichen;
und
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4 ist
eine Blockdarstellung einer alternativen schaltbaren Antennenanordnung
ist, welche zur Verwendung in einem Telefonhandgerät gemäss der Erfindung
geeignet ist.
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1 wurde
bereits vorstehend kurz beschrieben. Die gepunktete Linie zeigt
die rund gerichtete Strahlung an, welche typisch ist, wenn sich
ein Telefon 1 in einem freien Raum befindet und die durchgezogene
Linie zeigt die gestörte
Strahlungscharakteristik an, welche auftritt wenn das Telefon unmittelbar
an den Kopf gehalten wird.
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2 stellt
ein Telefonhandgerät 1 mit
einer Rundstrahlantenne 2 und einer Richtstrahl- oder Nicht-Rundstrahlantenne 3 dar.
Die Rundstrahlantenne kann eine ausziehbare Antenne auf der Außenseite
des Handgerätgehäuses, oder
wie durch gestrichelte Linien dargestellt, eine Innenantenne innerhalb
des Gehäuses
sein. Ebenfalls innerhalb des Gehäuses des Handgerätes 1 befindet
sich wie die übliche
Elektronikschaltung ein Näherungssensor 4, welcher
ein Steuersignal entlang der Leitung 5 an einen Schalter 6 sendet.
Die Betriebsweise des Sensors 4 und des Schalters 6 ist
so, dass, wenn ein benachbartes Objekt (z. B. ein Kopf) durch den
Sensor detektiert wird, die Antenne 3 in Betrieb ist, und
wenn kein benachbartes Objekt von dem Sensor 4 detektiert
wird, die Antenne 2 in Betrieb ist.
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Der Sensor 4 erzeugt praktisch
ein Steuersignal, welches anzeigt, ob sich das Handgerät unmittelbar
an dem Kopf befindet oder frei steht. Dieses Steuersignal wird verwendet,
um eine geeignete Antenne mittels des Schalters 6 auszuwählen; die Rundstrahlantenne
für die
freistehende Position und die Richtantenne für die Gesprächsposition. Der Schalter 6 ist
ein HF-Schalter mit geringen Verlusten.
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Die Rundstrahlantenne kann eine von
den im allgemeinen Gebrauch befindlichen Standardrundantennen sein.
Einziehbare Stabantennen und feste Wendelantennen sind zwei von
den am häufigsten verwendeten
Antennen.
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Die Richtantenne kann als eine Mikrostreifenleitungsantenne
ausgelegt sein. Diese Antennen sind ebenfalls im Handel in für die Verwendung
in kleinen Mobilhandgeräten
geeigneten Größen verfügbar. Da
sie eine D-förmige
Strahlungscharakteristik besitzen, kann der Antennengewinn größer sein als
der von einer standardmäßigen Dipolantenne.
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Die Mikrostreifenleitungsantennen
können ziemlich
klein sein, so dass in das Handgerät passen. Es ist auch möglich zwei
oder drei von diesen Antennen zu kombinieren, um eine Rundstrahlcharakteristik
zu erzeugen. Der Vorteil einer derartigen Konfiguration wäre ein vergrößerter Gewinn
gegenüber
einer Dipolantenne und eine kleine Größe.
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3a und 3b stellen eine Leiterplatte 21 zur Verwendung
in dem Telefongerät
dar, in welchem zwei Scheibenantennen 22, 23 Rücken an
Rücken, eine
auf jeder Seite der Leiterplatte, vorgesehen sind. In diesem Falle
besitzt jede Scheibenantenne eine als "D-Form"-Strahlungscharakteristik bekannte Halbkugel,
und somit können
die zwei Antennen in Kombination verwendet werden, um eine Rundstrahlcharakteristik
zu erzielen. Wenn nur eine Antenne ausgewählt wird, wird eine "D-Form"-Halbkugelstrahlungscharakteristik
erzielt. Alternativ können zwei
Mikrostreifenleitungsantennen auf die Leiterplatte gedruckt werden
und in derselben Rücken
an Rücken
Konfiguration verwendet werden.
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In diesem Beispiel sind die Antennen
angrenzend an das nicht dargestellte Telefonmikrofon abgewandt von
der Tastaturmatte 20 angeordnet. Die in der Richtstrahlungs-Betriebsart der Kommunikation
verwendete Antenne ist die auf der dem Lautsprecher und Mikrofon
gegenüberliegenden
Seite der Leiterplatte.
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4 veranschaulicht
eine schaltbare Antennenanordnung welche zur Verwendung mit einer in 3 dargestellten Rücken an
Rücken
Antennenkonfiguration geeignet ist. Jede von den zwei Antennen wird
mittels eines Schalters 24, 25 gewählt. Um ein
Rundstrahlcharakteristik zu erzielen, wenn sich das Telefon beispielsweise
in der Ruhebetriebsart zwischen Verbindungen befindet, können beide Schalter 24, 25 geschlossen
sein.
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Um eine Richtcharakteristik zu erhalten,
wird der Schalter 24, welcher der Antenne 22 entspricht, welche
im Einsatz am nächsten
am Kopf des Benutzers liegt, geöffnet
und der andere Schalter 25 geschlossen. Auf diese Weise
wird nur die Antenne, welche von dem Kopf des Benutzers weg weist,
ausgewählt
und eine D-förmige
Strahlungscharakteristik erzeugt, wodurch die elektromagnetische
Strahlung von dem Kopf weg gerichtet ist.
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Diese Richtstrahlcharakteristik kann
als Reaktion darauf gewählt
werden, dass das Telefon in die Konversationsbetriebsart eintritt
(d. h. wenn ein Ruf aufgebaut oder empfangen wird).
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In dem in 4 dargestellten Beispiel werden die Schalter 24 und 25 als
Reaktion auf Empfangs- und Sendesteuerleitungen 26, 27 gesteuert. Die
Schalter sind über
eine Anpassungsschaltung 28 und einem Duplexer 29 an
den rauscharmen Verstärker 30 und
Sender 31 angeschlossen. Somit wird, wenn der Sender 31 in
Betrieb ist, der Schalter 25 geschlossen und der Schalter 24 ist
offen, wodurch nur die Antenne 23 während des Sendens von Signalen in
Betrieb ist.
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Man wird aus dem Vorstehenden klar
erkennen, dass Nicht-Rundstrahlantennen, entweder einzeln oder in
Kombination verwendet werden, um die SAR (Specific Absorption Rate)
in dem Körper
zu minimieren und auch den Antennenwirkungsgrad zu maximieren, während eine
Rundstrahlversorgung unter Verwendung einer Rundstrahlantenne oder
einer Kombination von Nicht-Rundstrahlantennen im freistehenden
Betrieb den Strahlungsversorgungsbereich des Handgerätes so maximieren
kann, dass es die gleiche Fähigkeit
zur Kommunikation mit jeder von den ungebenden Basisstationen unabhängig von seiner
Orientierung hat.