-
Stand der
Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Regeln des in den Körper
eines Benutzers eines Mobiltelefons abgesendeten Strahlungsmusters
und ein Mobiltelefon mit einem ersten und zweiten Antennenelement.
Es ist bereits bekannt, Antennendiversity durch Anlegen von Signalen
an verschiedene Antennen zu benutzen.
-
Vorteil der
Erfindung
-
Das Verfahren und das Mobiltelefon
gemäß der Erfindung
besitzen den Vorteil, daß durch
Verwenden von zwei Antennen mit unterschiedlichen Strahlungsmustern
im Nahfeld, die Konzentration der Strahlung im Körper des Benutzers eines Mobiltelefons
beeinflußt
wird. Dadurch kann vermieden werden, einzelne „Hotspots" im Körper des Benutzers zu bekommen,
wo ein beträchtlicher
Betrag an Energie des Sendesignals verloren geht. Es wird daher
ein mögliches
Gesundheitsrisiko für
einen Benutzer des Mobiltelefons verringert.
-
Zeichnungen
-
Die Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt und ausführlicher
in der nachfolgenden Beschreibung beschrieben. In den Zeichnungen
zeigt 1 den Kopf des
Benutzers mit einem Mobiltelefon, 2,
wie das Signal an den ersten und zweiten Antennenelementen verändert wird, 3 und 4 eine Antennenanordnung mit zwei Antennenelementen
und 5 und 6 das Umschalten von Signalen für die Antennenanordnung
für 3 und 4.
-
Beschreiung
-
1 zeigt
einen Kopf 104 eines Benutzers eines Mobiltelefons. Das
Mobiltelefon besitzt die Bezugsziffer 101 und ist in einer
gewöhnlichen
Betriebslage dargestellt. Normalerweise wird das Telefon in der
Nähe des
Kopfes des Benutzers 104 gehalten und das Mobiltelefon 101 gegen
das Ohr des Benutzers gedrückt.
In dieser Betriebslage wird ein Teil des vom Mobiltelefon 101 zu
einer Basisstation des Mobilfunksystems gesendete Funksignal in
den Kopf des Benutzers 104 eingestrahlt. Es besteht der
Verdacht, daß diese
in den Kopf des Benutzers gesendeten Funksignale die Gesundheit
des Benutzers negativ beeinflussen. Es ist daher wünschenswert,
den Gesamtbetrag der in den Körper
des Benutzers abgegebenen Strahlung zu verringern. „Hotspots", das heißt Bereiche
in denen die Energie pro Volumen sehr hoch ist, sind zu vermeiden.
Diese Energie pro Volumen wird oft „Spitzen-SAR" genannt (Specific Absorption
Rate), die als Energie pro Volumeneinheit definiert ist. Die SAR
wird in verschiedenen Standards verschiedener nationaler oder multinationaler Standardisierungskörperschaften
weltweit benutzt. Die Definition der SAR ändert sich bei den verschiedenen
Standards, wird aber im allgemeinen als absorbierte Energie pro
Volumen definiert. In großer Nähe von Antennen
im sogenannten Nahfeld können sehr
hohe SAR-Werte auftreten,
die in sehr kleinen Bereichen lokalisiert sind. Dies ist in der 1 dargestellt, wo das Mobiltelefon 101 zwei
Antennen 5 aufweist. Jeder dieser Antennen 5 ist
im Kopf des Benutzers 104 ein Hotspot 103 zugeordnet.
Wenn das Mobiltelefon 101 nur eine Antenne 5 aufweist,
gibt es typischerweise nur einen „Hotspot" 103, der sich immer im selben
Gebiet im Kopf 104 befindet.
-
Messungen des Benutzerverhaltens
haben gezeigt, daß die
Lage des Mobiltelefons während
eines Telefongesprächs im
großen
und ganzen sich nicht verändert
und daß ein
bestimmter Benutzer dazu neigt, das Mobiltelefon stets auf die selbe
Weise zu halten. Wenn das Mobiltelefon 101 nur eine Antenne 5 aufweist,
ist es daher sehr wahrscheinlich, daß jedesmal, wenn das Telefon
im Betrieb ist, nur kleine Gebiete des Kopfes des Benutzers 104 einer größeren Strahlungsmenge
unterworfen sind. Es wird angenommen, daß sich der biologische Schaden
mit dem Gesamtbetrag von in das Gewebe gesendeter Strahlung ansammelt.
Diese Konzentration kann durch Verwendung von zwei Antennen wie
in der 1 gezeigt oder
noch mehr Antennen (3, 4, ...) bedeutend verringert
werden. Nach der Darstellung in der 1 kann
jede Antenne 5 einen getrennten „Hotspot" 103 aufweisen. Die Antennen 5 sind
so ausgelegt, daß sie
ausgeprägte
Strahlungsmuster im Nahfeld, das heißt in der engen Nachbarschaft
der Antennen 5 aufweisen.
-
Durch Verwendung von zwei oder mehr
Antennen mit einem unterschiedlichen Strahlungsmuster im Nahfeld
(in der Nähe
der Antenne) kann das Strahlungsmuster im Körper des Benutzers bedeutend
dadurch beeinflußt
werden, daß einfach
nur eine der zwei Antennen 5 zur gleichen Zeit benutzt
wird und die Antennen umgeschaltet werden, sodaß sie nur die Hälfte der
Zeit in Betrieb sind. Bei einem TDMA-System wie GSM, wo die Signale
bündelweise gesendet
werden, besteht eine einfache Weise, dies zu erreichen, darin, jede
der Antennen 5 nur mit jedem zweiten Burst zu betreiben.
Dadurch kann das Strahlungsmuster im Kopf des Benutzers 104 gesteuert
und die Strahlungsbelastung für
ein bestimmtes Volumen verringert werden. Wenn zwei Antennen bestehen,
kann die SAR um bis zu 50% verringert werden, bei drei Antennen
bis zu 67% usw. Es können
daher mehrere Antennen zur Verringerung der Spitzen-SAR im Körper eines
Benutzers benutzt werden.
-
Weiterhin können mehrere Antennen zur Verbesserung
der Güte
der Verbindung zwischen dem Mobiltelefon und der Basisstation durch
Steuern des in den Körper
des Benutzers abgesendeten Strahlungsmusters benutzt werden. Wie
schon beschrieben ist das Verhalten von Benutzern von Mobiltelefonen
untersucht worden. Die Ergebnisse zeigen, daß Benutzer dazu neigen, ihre
einzelne Position zum Halten des Mobiltelefons sehr wenig zu ändern. So
ist die Position zum Halten des Telefons während einer Telefonkommunikation
sehr stabil. Weiterhin zeigte die Untersuchung des Benutzerverhaltens, daß es bedeutende
Unterschiede zwischen verschiedenen Benutzern gibt, die je nach
dem einzelnen Benutzer einzelne Unterschiede von bis zu 10 dB im Empfangs-
oder Sendestrahlungssignal ergeben. Es gibt Benutzer, die bis zu
10 dB mehr der Funksignale als andere absorbieren. So kann sich
die Streckengüte
in Abhängigkeit
davon, welcher Benutzer das Telefon benutzt und wie das Telefon
bei diesem bestimmten Telefongespräch gehalten wird, um bis zu 10
dB ändern.
Je nach dem einzelnen Muster, wie der Benutzer das Telefon hält, geht
ein größerer oder geringerer
Betrag an Strahlung im Körper
des Benutzers verloren. Weitere Messungen zeigten, daß dieser
Strahlungsverlust im Körper
des Benutzers der gleiche für
Senden und Empfang ist, sodaß Benutzer, die
eine sehr starke Dämpfung
für den
Empfang zeigten, auch starke Dämpfung
für das
Senden von Funksignalen zeigten. Mehrere Antennen können hier zum
Verringern des Gesamtbetrages von vom Körper des Benutzers absorbierter
Strahlung benutzt werden. Da es einen starken Zusammenhang zwischen
dem Sende- und Empfangsverlust gibt, können die Empfangssignale daher
benutzt werden, zu entscheiden, welche der mehreren Antennen den besten
Empfang der Signale für
den bestimmten Benutzer aufweist. Diese Antenne wird dann auch zum Senden
von Signalen benutzt. Dann wird der Strahlungsverlust im Körper des
Benutzers verringert, da die Verwendung dieser Antenne auch die
Strahlungsbelastung des Benutzers verringert. In Systemen, wo die
Energie des Sendesignals des Mobiltelefons 101 geregelt
werden kann, wie es der Fall bei GSM ist, wird nicht nur die in
den Körper
des Benutzers abgegebene Strahlung verringert, sondern auch der Stromverbrauch
des Mobiltelefons, da das Mobiltelefon einen niedrigeren Energiepegel
zum Senden benutzen kann. Dies ist auch der Fall, wenn nicht nur eine
der mehreren Antennen zum Senden selektiv ist, sondern wenn es ein
festes Muster oder eine feste Folge gibt, in der die mehreren Antennen
zum Senden von Signalen benutzt werden. Jedesmal, wenn die Antenne
mit den niedrigen Verlusteigenschaften benutzt wird, wird die Strahlungsmenge
im Körper des
Benutzers verringert.
-
Die Korrelation des Körperverlusts
des Benutzers für
den Empfang und des Senden von Signalen wurde auch festgestellt,
wenn das Senden und Empfangen der Signale im Frequenzbereich getrennt ist.
Wenn sich die Benutzer mit dem Mobiltelefon bewegen, gibt es große Schwankungen
des Empfangssignals. Zu jedem Zeitpunkt ist das Empfangssignal von
der benutzten Frequenz und den eigentlichen geometrischen Daten
des Sendekanals zwischen der Basisstation und der Mobilstation abhängig. Wenn mehrere
nachfolgende Messungen betätigt
werden, ist es daher klar, daß es
starke Schwankungen der Messungen gibt. Das einzige, was über alle
Messungen gleich bleibt, ist das einzelne Verhalten des Benutzers
oder die benutzerabhängige
Dämpfung
der Empfangssignale. Obwohl es eine starke Schwankung des Signals
gibt, geben mehrere aufeinanderfolgende Messungen eine gute Idee
darüber,
welche der mehreren Antennen bezüglich
des bestimmten Benutzers eine gute Antenne mit dem geringsten Körperverlust
im Körper
des Benutzers ist. Diese Antenne ist auch die Antenne, die den mindesten
Sendeverlust aufweist. Das trifft sogar für ein System wie GSM und beinahe
alle anderen Mobilsysteme zu, wo die Sende- und Empfangssignale
eine unterschiedliche Frequenz aufweisen. Die Messung der Empfangssignale
muß über mehrere
Bursts verglichen werden, um sicherzustellen, daß die Benutzereinflüsse auf
das Signal gemessen werden und nicht irgendeine kurzzeitige Schwankung
aufgrund der sich verändernden
geographischen Einflüsse.
-
2 zeigt
ein Beispiel, wie ein erstes und zweites Antennenelement 5 gemäß der Erfindung betrieben
werden. Bezugsziffer 1 zeigt eine Basisbandsteuerung an,
die die Daten liefert, die mit dem Funksignal zu senden sind. Weiterhin
liefert die Basisbandsteuerung 1 Steuerinformationen, die
zur Steuerung aller Elemente in der Mobilstation benutzt werden.
Die Basisbandsteuerung 1 sendet und empfängt Informationen
vom Sender-Empfänger 2.
Der Sender-Empfänger 2 hat
die Aufgabe, die Funkfrequenzsignale mit den von der Basisbandsteuerung gelieferten
Daten zu modulieren, um diese Informationen über die Funkschnittstelle zu
senden. Weiterhin weist der Sender-Empfänger eine Funktion zum Empfangen
von über
die Funkschnittstelle gesendeten Daten und zum Umformen dieser Daten
in der Basisbandsteuerung 1 zugeführte Basisbanddaten auf. Der
Sender-Empfänger
wird daher zum Modulieren oder Demodulieren der Daten auf der Funkfrequenz
benutzt. Der Ausgang und Eingang des Sender-Empfängers 2 sind mit einem
Schalter 4 verbunden. Der Schalter 4 kann eine
Verbindung zwischen dem Sender-Empfänger 2 und einer der
zwei Antennen 5 herstellen. Wenn die Antenne 4 zur
oberen Antenne 5 der 2 geschaltet
ist, dann ist eine Verbindung zwischen dieser oberen Antenne 5 und
dem Sender-Empfänger 2 hergestellt.
Dann kann der Sender-Empfänger 2 Funksignale
zu oder von der oberen Antenne 5 nach der Darstellung in 2 senden bzw. empfangen.
In der 2 ist dies durch
einen Pfeil zwischen dem Schalter 4 und der oberen Antenne 5 angedeutet.
Der Schalter 4 wird durch eine Steuerlogik 3 gesteuert.
Die Steuerlogik 3 wird durch ein Signal von der Basisbandsteuerung 1 gesteuert.
-
Die Schaltanordnung nach der Darstellung
in 2 arbeitet wie folgt
mit der Erfindung. Zum Verringern der SAR im Benutzer liefert die
Basisbandsteuerung 1 ein Schaltsignal an die Steuerlogik 3,
die den Schalter 4 betätigt.
Im GSM-System werden die Nachrichten in Bursts gesendet. Mit jedem
Burst wird die Position des Schalters 4 geändert, wodurch
ein Burst zur oberen Antenne 5 und der nächste Burst zur
unteren Antenne 5 gesendet wird. Durch dieses Schalten
der Bursts wird eine Verringerung der SAR erreicht, da die Stromkonzentration,
die in den „Hotspots" 103 sehr
hoch ist, verringert wird, indem Energie in den zwei „Hotspots" nach der Darstellung
in 1 einfach nur jeden
zweiten Burst gesendet wird.
-
Weiterhin wird die gesamte absorbierte
Leistung im Körper
des Benutzers im Vergleich zur schlechtesten der zwei Antennen 5 verringert.
Natürlich
ist bei diesem Verfahren der gesamte Leistungsverlust im Körper des
Benutzers nicht so gut im Vergleich mit der Situation, wo die beste
der zwei Antennen 5 ausgewählt wird. Eine weitere Verringerung des
Körperverlustes
kann daher durch Auswählen der
Antenne 5, die die beste Antenne zum Senden von Signalen
ist, erreicht werden. Wie schon beschrieben ändert sich die Situation sehr
schnell, wenn die Mobilstation bewegt wird. Der verbleibende beständige Einfluß ist der
Einfluß des
Benutzers, der für
die verschiedenen Antennen 5 unterschiedlich ist. Durch
Verwendung einer Langzeitmessung (Langzeit bedeutet einige Sekunden)
kann der Einfluß des
bestimmten Benutzers des Mobiltelefons bestimmt werden und die eine
Antenne, die vom Benutzer weniger beeinflußt wird, kann zum Senden von
Funksignalen ausgewählt
werden. Dann kann für
die Vorrichtung nach der Darstellung in 2 zu jedem Zeitpunkt nur eine der zwei
Antennen 5 mit dem Sender-Empfänger 2 verbunden sein.
-
Die nachfolgenden 3, 4, 5 und 6 zeigen eine bestimmte Antennenanordnung
zur Realisierung von zwei Antennen für die Erfindung.
-
3 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Antennenelements. 4 zeigt eine Ansicht entlang der Linie
VI-VI der 3. Das Antennenelement
der 3 und 4 umfaßt eine leitende Platte 11,
die sich über
und im wesentlichen parallel zu einer Erdplatte 10 befindet.
Die Erdplatte 10 ist beispielsweise die Rückseite
eines Mobiltelefons. Elektrisch mit der leitenden Platte 11 verbunden
ist ein erster Zuführstift 14 und
ein zweiter Zuführstift 15 und
ein erster Erdstift 12 und ein zweiter Erdstift 13.
-
Die Erdplatte 10 ist im
allgemeinen die Rückseite
eines Mobiltelefons und ist mit einem Erdpotential verbunden. Ein
Beispiel für
die Erdplatte 10 und die leitende Platte 11 ist,
daß die
Erdplatte 10 die Rückseite
eines Metallgehäuses
eines Mobiltelefons und die leitende Platte 11 eine Metallplatte
ist. Diese Metallplatte wird dann mit Hilfe der ersten und zweiten
Zuführstifte
und des ersten und zweiten Erdstifts über der Erdplatte 10 gehalten.
Ein weiteres Beispiel für
die Erdplatte 10 und die leitende Platte 11 ist
die Verwendung von Isolierkörpern,
beispielsweise Kunststoff- oder Keramikmaterialien mit Metallbeschichtung.
-
Die ersten und zweiten Zuführstifte 14, 15 und
die ersten und zweiten Erdstifte 12, 13 bestehen aus
einem leitfähigen
Material, allgemein einem Metall, und sind elektrisch mit der leitenden
Platte 11 verbunden. Die Stifte 12, 13, 14, 15 sind
elektrisch nicht direkt mit der Erdplatte 10 verbunden,
sondern mit Schaltern 21, 22 verbunden, die in 5 und 6 dargestellt sind. 5 und 6 zeigen
einen ersten Schalter 21, der zwei Ausgangsverbindungen
aufweist, die mit dem ersten und zweiten Zuführstift 14, 15 verbunden
sind. Weiterhin umfaßt
der Schalter 21 zwei Eingangsverbindungen, eine erste Eingangsverbindung 23 für ein Antennensignal 23 und
eine zweite Eingangsverbindung 24 für ein Steuersignal. Das Antennensignal 23 ist
das Funksignal, das über die
Antennenanordnung zu senden ist. In Abhängigkeit von dem Steuersignal 24 leitet
der Schalter 21 das Antennensignal 23 entweder
zum ersten Zuführstift 14 oder
verbindet das Antennensignal 23 mit dem zweiten Zuführstift 15.
Die Verbindung des Zuführstifts 14 ist
in 5 dargestellt und
die Verbindung des Zuführstifts 15 ist
in 6 dargestellt. Weiterhin
zeigen die 5 und 6 einen zweiten Schalter 22.
Der zweite Schalter 22 umfaßt eine Ausgangsverbindung,
die mit dem ersten Erdstift 12 verbunden ist und eine zweite
Ausgangsverbindung ist mit dem zweiten Erdstift 13 verbunden.
Weiterhin umfaßt
der zweite Schalter 22 einen Eingang 25, der mit
einem Erdpotential 25 verbunden ist, das dasselbe Erdpotential
ist, wie an die Erdplatte 10 angelegt wird. Weiterhin umfaßt der zweite
Schalter 22 einen Eingang für das Steuersignal 24.
In Abhängigkeit
von dem Steuersignal verbindet der zweite Schalter 22 das Erdpotential 25 entweder
mit dem ersten Erdstift 12 oder dem zweiten Erdstift 13.
Die Verbindung des Erdpotentials 25 mit dem ersten Erdstift 12 ist
in der 5 dargestellt.
Die Verbindung des Erdpotentials 25 mit dem zweiten Erdstift 13 ist
in der 6 dargestellt.
Durch Betätigen
des zweiten Schalters 22 ist es möglich, den ersten oder den
zweiten Erdstift 12, 13 selektiv mit der Erdplatte 10 zu
verbinden.
-
Nach der Darstellung in 5 und 6 werden der erste Schalter 21 und
der zweite Schalter 22 gleichzeitig durch das Steuersignal
betätigt.
Wenn der erste Zuführstift 14 mit
dem Antennensignal 23 verbunden ist, ist der erste Erdstift 12 mit
dem Erdpotential 25 verbunden (5). Wenn der zweite Zuführstift 15 mit
dem Antennensignal 23 verbunden ist, dann ist der zweite
Erdstift 13 mit dem Erdpotential 25 verbunden
(6).
-
Durch Verwendung dieser Art von Antennenanordnung
mit dieser Art von Schaltern ist es möglich, zwei verschiedene Antennen
mit verschiedenen Strahlungsmustern im Nahfeld durch Verwendung nur
einer leitenden Platte 11 und einer Erdplatte 10 zu
realisieren. Je nachdem, welcher Zuführstift 14, 15 mit
dem Antennensignal 23 und welcher Erdstift 12, 13 elektrisch
mit der Erdplatte 10 verbunden ist, wird eine andere Antenne
realisiert. So weist eine Mobilstation mit der Art von Antennenelement
nach der Beschreibung in 3 bis 6 zwei Antennen mit unterschiedlichen
Strahlungsmustern auf.
-
Weiterhin kann das Konzept für die Ausführung verschiedener
Antennen nach der Beschreibung in 3 bis 6 auch auf 3, 4, 5 Antennen
erweitert werden, indem mehr als zwei Zuführstifte und mehr als zwei
Erdstifte benutzt werden.
-
Obwohl es in Abhängigkeit von der Betätigung der
Schalter nur einer Antennenanordnung gibt, besteht ein bedeutender
Unterschied bei den von der Antennenanordnung abgegebenen Strahlungsmuster.
Es ist daher möglich,
Antennendiversity mit nur einer Antennenanordnung zu haben. Bei
Antennendiversity kann das Mobiltelefon Funksignale mit einem unterschiedlichen
Strahlungsmuster senden und empfangen. Die Antennenanordnung der 3 bis 6 kann daher zur Verringerung der SAR
und des Gesamt-Leistungsverlustes im Körper eines Benutzers wie im
Bezug auf 1 und 2 beschrieben benutzt werden.