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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Senden und Empfangen,
die eine Verstärkungseinrichtung
mit einem Ausgang zum Senden von Signalen, einem Eingang zum Empfang
von Signalen, und einer Versorgungsleitung und einer Antenne zum
Senden und Empfangen von Signalen aufweist, wobei die Antenne mit
dem Ausgang der Verstärkungseinrichtung
verbunden ist.
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Auf
einem Chip integrierte Schaltungen, die über einen getrennten Sende-
und Empfangspfad von Funksignalen verfügen, werden Transceiver genannt.
Transceiver lassen sich je nach Anwendungsbereich in zwei unterschiedliche
Klassen unterteilen. Transceiver, die in der Lage sind, Funksignale
zu senden und gleichzeitig Funksignale von einem zweiten Sender
zu empfangen, werden „Full-Duplex" Transceiver genannt.
Die andere Klasse unterstützt keinen
Full-Duplex-Betriebsmodus, sondern kann entweder nur senden oder
empfangen.
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Ein
Beispiel eines solchen Transceivers ist in 9 gezeigt.
Dabei enthält
der Bereich E einen Teil des Empfangspfads, der Bereich S einen
Teil des Sendepfads. Beim Senden von Daten schaltet eine Oszillatoreinrichtung
VCO (Voltage Controlled Oscillator) auf eine Frequenz fTX.
Ein Leistungsverstärker PA
verstärkt
das modulierte Signal und sendet es über eine Antenne ANT des Sendepfads
aus. Sollen Daten empfangen werden, so schaltet die Oszillatoreinrichtung
VCO auf eine andere zweite Frequenz fRX und
speist dieses Signal als LO-Eingang in eine Einrichtung zur Frequenzumsetzung
MIXER des Empfangspfads. Die Mischeinrichtung MIXER des Empfangspfads
E setzt ein empfangenes und von einem Verstärker LNA verstärktes Signal
auf eine Zwischenfrequenz FIF um. Das umgesetzte
Signal wird gefiltert und zur weiteren Verarbeitung einem IQ-Demodulator
zugeführt.
Durch die Notwendigkeit, die Oszillatoreinrichtung VCO zum Senden
oder Empfangen von Daten auf verschiedene Frequenzen umschalten
zu müssen,
ist es nicht möglich,
gleichzeitig zu senden und empfangen.
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Druckschrift
DE 42 38 282 beschreibt
ein erweitertes Konzept, bei dem ein gleichzeitiges Senden und Empfangen
gegeben ist. Dazu sind Zirkulatoren vorgesehen, die zwischen Antenne
und Sende-, bzw. Empfangspfad geschaltet sind. Dadurch ist eine
Entkopplung für
den gleichzeitigen Betrieb gewährleistet.
Viele Anwendungen stellen aber nur geringe Anforderungen an die
Signalqualität
und sollen vor allem kosten- und platzsparend realisierbar sein. Daher
kann die beschriebene Lösung
mit den verwendeten Zirkulatoren zu teuer sein.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Anordnung zum gleichzeitigen Senden und
Empfangen von Funksignalen und ein Verfahren vorzusehen, das mit
einfachen Mitteln platzsparend und kostengünstig zu implementieren ist.
Ferner soll eine Verwendung für
die Anordnung angegeben werden.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1,9 und 12 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die eine Verstärkungseinrichtung
und eine Antenne aufweist, wobei die Antenne mit dem Ausgang der
Verstärkungseinrichtung
verbunden ist. Die Verstärkungseinrichtung weist
eine Versorgungsleitung zur Zuführung
einer Versorgungsspannung oder eines Versorgungsstroms auf. Sie
ist ausgebildet, in einem Betrieb in ihrem überkritischen Bereich ein über die
Antenne empfangenes und an dem Ausgang anliegendes Signal auf den
Versorgungsstrom für
eine weitere Auswertung modulierend aufzuprägen.
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Zum
gleichzeitigen Senden und Empfangen von Funksignalen wird die Verstärkungseinrichtung demnach
in einem überkritischen Bereich
betrieben. Am Eingang der Verstärkungseinrichtung
wird das zu sendende Signal mit nicht verschwindender Amplitude
angelegt. Ein zweites gleichzeitig empfangenes Signal gelangt über die
Antenne an den Ausgang der Verstärkungseinrichtung
und wird durch den überkritischen
Betrieb der Verstärkungseinrichtung
auf den Versorgungsstrom umgesetzt. Dadurch wird der Versorgungsstrom
mit dem empfangenen Signal moduliert und kann zur weiteren Auswertung
verarbeitet werden. Vorteilhaft ist es, die Umsetzung als Modulation
eines Spannungsabfalls auf einem Teilabschnitt der Versorgungsleitung
auszubilden.
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Vorteilhaft
ermöglicht
die Erfindung ferner einen Verzicht auf eine Empfangsantenne, eine
zweite Verstärkungseinrichtung
und Mischeinrichtung. Durch Abschalten der modulierten Sendedaten
läßt sich
die erfindungsgemäße Ausgestaltung
in einer Schaltung verwenden, die digital modulierte Daten zu einem
Zeitpunkt empfängt
und zu einer anderen Zeit sendet und dabei weiterhin einen Verzicht
auf Teile des Empfangspfads ermöglicht.
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Besonders
vorteilhaft für
die Empfangsqualität
ist es, wenn das gesendete und empfangene Funksignal aus FSK-modulierten
Daten besteht. Eine weitere Anwendung der Erfindung ist die Aussendung
eines Signals über
die Antenne an ein zweites Objekt und die Messung eines reflektierten
Teils des gesendeten Signals. Dies ermöglicht der erfindungsgemäßen Gestaltung
eine zeitliche Veränderung
des zweiten Objekts zu detektieren. Vorteilhaft läßt sich damit
eine Bewegung innerhalb des von der Antenne erfaßten Gebiets registrieren.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand konkreter Ausführungs- und Anwendungsbeispiele unter
Zuhilfenahme der Zeichnung im Detail erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild der Erfindung,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3, 4 Erläuterungen
zur Funktionsweise der Frequenzumsetzung in der Erfindung,
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5 eine
Ausgestaltung eines sich zeitlich verändernden Meßobjekts,
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6 ein
Messergebnis eines Empfangssignals an einem Ausführungsbeispiel
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7, 8 Meßergebnisse
verschiedener Anwendungen an der in 2 gezeigten
Ausgestaltung.
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9 eine
bekannte Anordnung eines Transceivers,
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1 zeigt
einen schematischen Aufbau der Erfindung. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
besteht aus einem Sendepfad TX und einem Empfangspfad RX. Die zu
sendenden Signale werden über
eine Anordnung PLL auf den Eingang einer Verstärkungseinrichtung PA gelegt.
Die Verstärkungseinrichtung
ist im vorliegenden Fall als überkritischer
C/E-Leistungsverstärker ausgebildet,
der die zu sendenden Signale verstärkt und über die Antenne A aussendet.
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Der
Empfangspfad RX, an dessen Ende die empfangenen Daten weiterverarbeitet
werden, weist eine Filtereinrichtung F, eine Begrenzungseinrichtung
L und eine Demodulationseinrichtung D zur Demodulation der empfangenen
Signale auf. Der Eingang der Filtereinrichtung F ist mit einer Gleichstromversorgungsleitung
DC der Verstärkungseinrichtung verbunden.
Die Versorgungsleitung DC weist eine Spannung VCC zur Versorgung
der Verstärkungseinrichtung
während
des Betriebs auf.
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Ein über die
Antenne A empfangenes Signal wird an den Ausgang der Verstärkungseinrichtung PA-OUT
gelegt. Aufgrund einer Nichtlinearität der Verstärkungseinrichtung in einem überkritischen
Betriebsmodus ist der Stromverbrauch abhängig von der Ausgangsleistung
der Verstärkungseinrichtung PA.
Ein über
die Antenne A in den Ausgang der Verstärkungseinrichtung laufendes
Signal interferiert mit einem aus dem Verstärker kommenden Signal. Die Ausgangsleistung
des Verstärkers ändert sich
dadurch. Dieser Vorgang ist beispielhaft in 4 erläutert.
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In 4A ist
ein von der Verstärkungseinrichtung
kommendes sinusförmiges
Signal gezeichnet. Die Pfeilrichtung gibt die Ausbreitungsrichtung des
Signals an. 4B zeigt ein empfangenes in
die Verstärkungseinrichtung
hineinlaufendes Signal, dargestellt durch eine sinusförmige Welle,
das gegenüber
dem vorlaufenden Signal einen Phasenversatz von 180° aufweist.
Es ergibt sich somit eine in 4C gezeigte
destruktive Interferenz, bei der die Amplitude der resultierenden
Welle geringer ist als die Amplitude des ursprünglichen Ausgangssignals der 4A.
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Dadurch
wird der Stromverbrauch der Verstärkungseinrichtung dem empfangenen
Signal entsprechend moduliert. Bei sinkender Ausgangsleistung der
Verstärkungseinrichtung
steigt der Versorgungsstrom, bei steigender Ausgangsleistung sinkt der
Versorgungsstrom.
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Der
Vorgang einer Übertragung
der Auswirkung einer Interferenz auf den Versorgungsstrom wird als
Frequenzumsetzung auf den Versorgungsstrom bezeichnet. Handelt es
sich bei dem empfangenen Signal um ein moduliertes Signal, so wird
die Modulation durch die Verstärkungseinrichtung
PA auf den Versorgungsstrom umgesetzt. Ein solches Beispiel mit
konkreten Frequenzwerten ist in der spektralen Darstellung der 3A zu
sehen. Das dort beschriebene empfangene Signal RX1 hat auf der Abszisse
eine Mittenfrequenz von 434,02 MHz und ist mit einer Frequenzabweichung
von +/-50 kHz so moduliert, daß die
möglichen
binären
Zustände
um 50 kHz in positiver oder negativer Richtung von der Mittenfrequenz
abweichen.
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Das
von der Verstärkungseinrichtung
zu sendende Signal ist ein monofrequentes Signal CW und besitzt
eine Mittenfrequenz von 433,92 MHz. Dadurch wird das empfangene
Signal RXl auf den Versorgungsstrom mit einer Mittenfrequenz von
100 kHz umgesetzt. Der Versorgungsstrom besitzt neben dem Gleichstromanteil
einen Wechselstromanteil RX2, der je nach Dateninhalt entweder mit
50 kHz oder 150 kHz moduliert. Der Gleichstromanteil des Versorgungsstroms
liegt auf der mit P gekennzeichneten Ordinate. Die Modulation auf
der Stromversorgung wird von der Filtereinrichtung herausgefiltert und
von den nachfolgenden Einrichtungen weiterverarbeitet.
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Werden
anstatt kontinuierlicher Signale CW modulierte Signale FSK von der
Verstärkungseinrichtung
verstärkt,
so erfolgt eine Umsetzung empfangener Signale auf die Stromversorgung
der Verstärkungseinrichtung
gemäß des Spektrums
der 3B. Das zu verstärkende Sendesignal besteht
hier aus einem FSK-modulierten
Datensignal bei der Sendefrequenz 433,92 MHz und einer Frequenzabweichung von
+/- 5 kHz. Das von der Antenne empfangene, an den Ausgang der Verstärkungseinrichtung
angelegte Signal RX1 weist die gleichen spektralen Eigenschaften
zu dem in der 3A empfangenen Signal auf. Neben
der aus 3A bekannten Umsetzung enthält das Spektrum
der 3B drei weitere Bereiche, die ihren Ursprung in
der Umsetzung des modulierten Sendesignals FSK auf den Versorgungsstrom
haben.
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Auf
den das Empfangssignal repräsentierenden
Wechselstromanteil RX2 des Versorgungsstroms von 50 bzw. 150 kHz
ist jeweils ein weiterer Wechselstrom RX3 moduliert, der die Frequenz
des empfangenen Signals jeweils nach Dateninhalt des zu sendenden
Signals um plus oder minus 5 kHz verändert. Zusätzlich enthält der auf der Ordinate liegende
Gleichstromanteil einen Wechselstromanteil, der mit +5kHz moduliert
und den Dateninhalt der gesendeten Daten FSK aufweist.
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Der
große
Unterschied in der Frequenzabweichung und zwischen dem zu sendenden
FSK und dem empfangenen Signal RX1 ermöglicht eine problemlose Demodulation
und Rekonstruktion der gesendeten Daten. Dadurch ist es möglich, gleichzeitig Senden
und Empfangen zu können.
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Durch
Anlegen eines kontinuierlichen nicht modulierten Signals an den
Eingang der Verstärkungseinrichtung
läßt sich
vorteilhaft eine Anordnung ausbilden, die ein moduliertes Si gnal
empfängt,
dabei jedoch nur ein nicht moduliertes Signal sendet.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
ist nicht auf das Senden oder Empfangen von FSK-Daten beschränkt, sondern
kann für
das Senden und Empfangen beliebig digital modulierter Signale verwendet
werden.
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Eine
konkrete Ausführungsform
der frequenzumsetzenden Verstärkungseinrichtung
ist in 2 gezeigt. Gleiche Elemente besitzen die gleichen
Bezugszeichen. Auf eine erneute Beschreibung ihrer Funktion wird
daher verzichtet.
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Die
Verstärkungseinrichtung
PA ist gemäß einer üblichen
Anordnung ausgebildet, die bei einer Frequenz von 434 MHz verstärkt und
sendet. Mit seinem Kollektorausgang PA-OUT ist er über eine
Spule L1 und einen Kondensator C1 mit einer Antenne A verbunden.
Die Spule L1 und der Kondensator C1 bilden mit zwei weiteren Kondensatoren
C2 ein Anpaßnetzwerk,
um die Impedanz des Kollektorausgangs des Verstärkers PA-OUT an die Impedanz
der Antenne A anzupassen. Der Emitter-Ausgang des Verstärkers GND
ist mit Masse verbunden. Die Stromversorgung VCC ist über einen
Widerstand R1 und eine Spule L2 mit dem Emitter-Ausgang des Verstärkers PA-OUT
verbunden. Zwischen Widerstand R1 und Spule L1 ist eine Auswerteeinrichtung
angeschlossen, die im vorliegenden Fall aus einer Filtereinrichtung
und Verstärker
F sowie einem Oszilloskop O ausgebildet ist.
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Mit
der Versorgungsleitung VCC ist vor und nach dem Widerstand R1 jeweils
ein Kondensator C3 verbunden, deren zweite Anschlüsse mit
Masse verbunden sind. Der Kondensator C3 ist ein Hochpaß für das auf
die Stromversorgung umgesetzte Empfangssignal. Die Spule L1 ist
als Tiefpaß ausgebildet
und verhindert eine Einkopplung der Trägerfrequenz von 434 MHz. Der
Widerstand R1 dient als Strom/Spannungswandler und bildet den Stromverbrauch
der Verstärkungseinrichtung
auf eine Span nung ab, die von der Filtereinrichtung F und dem Oszilloskop
O als Spannungsmodulation detektiert wird. In diesem Zusammenhang
ist eine alternative Ausgestaltung, die Schaltungsanordnung mit
einer Detektionseinrichtung zu versehen, die die Modulation des
Versorgungsstroms registriert. Die dargestellten Werte sind eine
beispielhafte Ausführungsform,
mit der die Erfindung ausführbar
ist. Der Gedanke der Erfindung ist dabei nicht auf die dargestellte
Ausbildung beschränkt,
sondern läßt sich
insbesondere für
weitere Verstärkungseinrichtungen
realisieren.
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Eine
Messung einer Frequenzumsetzung eines empfangenen Signals auf die
Versorgungsspannung mittels des Oszilloskops ist in 7 beispielhaft gezeigt.
Ein zweiter Sender sendet dabei ein FSK-moduliertes rechteckförmiges Signal
mit einer Datenrate von 1 kHz, zu sehen im Kanal 2 des Oszilloskops
der 7. Kanal 1 des Oszilloskops zeigt die Modulation
der Versorgungsspannung der Verstärkungseinrichtung, die dem
Dateninhalt des empfangenen Signals entspricht. Die Modulation der
Spannungsversorgung ist dabei 50 kHz, entsprechend einer Frequenzabweichung
von -50 kHz für
einen digitalen Zustand des ursprünglich empfangenen Datensignals
oder 150 kHz entsprechend +50 kHz Frequenzabweichung für den anderen
Zustand.
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Das
von der Verstärkungseinrichtung
gesendete modulierte Signal mit einer Frequenzabweichung von 5kHz
hat dabei keinen Einfluß auf
die Empfangsqualität.
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Neben
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
zum gleichzeitigen Senden und Empfangen digital modulierter Signale
lassen sich weitere Anwendungsmöglichkeiten
finden, die das erfindungsgemäße Merkmal
verwenden, ein von einer Antenne empfangenes und auf den Ausgang
einer Verstärkungseinrichtung
gegebenes Signal durch die Verstärkungseinrichtung
auf einen Versorgungsstrom der Verstärkungseinrichtung umzusetzen.
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Beispielsweise
ist es möglich,
mit der Verstärkungseinrichtung über die
Antenne ein Signal an ein zweites Objekt zu senden. Das Objekt reflektiert einen
Teil des Signals zurück
an die Verstärkungseinrichtung,
wo durch ein unterschiedliches Reflexionsverhalten des Objekts Informationen übertragen
werden. Die rückreflektierte
Welle interferiert am Ausgang des Verstärkers mit dem vorlaufenden
Signal und erzeugt dadurch eine Modulation des Versorgungsstroms.
Als mögliche
Ausgestaltungsformen eines solchen Objekts, das sein Reflektionsverhalten abhängig von
der zu übertragenden
Information ändert,
seien Druck- oder Temperatursensoren genannt.
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Eine
konkrete Ausführungsform
zeigt 5. Dieses Objekt erzeugt ein Rechtecksignal mit
einer Frequenz von 1 kHz durch den Aufbau eines Inverters HCT mit
Schmitt-Trigger Eingangscharakteristik, der zusammen mit dem Widerstand
R2 und dem Kondensator C4 einen RC-Oszillator ausbildet. Das Tastverhältnis des
Rechtecksignals ist kleiner als 50 %. Bei einem „High" am Ausgang des Oszillators fließt über den
Widerstand R3 ein geringer Strom, wodurch sich die Impedanz der
Pin-Diode PD in
niederohmige Richtung verschiebt. Dadurch ändert sich das Reflektionsverhalten
der Diode mit 1 kHz. Es ist möglich,
bei rein passiven Objekten auf einen Betriebsstrom zu verzichten,
sondern die benötigte
Energie aus dem vorhandenen Sendefeld zu entnehmen, oder die Impedanzänderung
durch Änderung anderer
Parameter zu erreichen.
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Denkbar
ist auch mit rein passiven Elementen, eine Reflexionsänderung
zu erreichen, die nur auf äußere Einflüsse wie Änderungen
der Temperatur, des Luftdrucks oder der -Zusammensetzung reagieren.
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Sendet
die in 2 gezeigte erfindungsgemäße Ausgestaltung ein nicht
moduliertes Signal über
die Antenne an das Objekt, so verändert sich aufgrund des Reflektionsverhaltens
die Amplitude und Phase des zurückreflektierten
Signals. Dies führt zu
einer in 6 Kanal 2 gezeigten Modulation
des Versor gungsstroms. Kanal 1 der 6 zeigt
dabei das Rechtecksignal des Objekts.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausbildung
als Sende- und Empfangsstation zur Detektion von Bewegung in einem Raum.
Hierbei wird von der Verstärkungseinrichtung ein
Signal über
die Antenne in einen von der Antenne umfaßten Bereich ausgesendet. Enthält der erfaßte Bereich
keine sich bewegenden Objekte, so stellt sich eine feste Feldverteilung
innerhalb des Bereichs und damit ein fester Versorgungsstrom der
Versorgungseinrichtung ein.
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Durch
Bewegung eines Objekts innerhalb des Bereichs ändert sich aufgrund eines Reflektionsverhaltens
die Feldverteilung, was zu einer Änderung des Versorgungsstroms
der Verstärkungseinrichtung führt.
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Ein
Test einer solchen erfindungsgemäßen Ausgestaltung
ist in 8 durch den zeitlichen Verlauf
des Versorgungsstroms abgebildet. 8A zeigt den
zeitlichen Verlauf des Versorgungsstroms an der Verstärkungseinrichtung,
wobei innerhalb des von der Antenne erfaßten Bereichs keine Bewegung stattfindet.
In 8B wurde im erfaßten Bereich eine Hand leicht
bewegt.
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Der
Kerngedanke ist dabei nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele
eines gleichzeitigen Sendens und Empfangens von Signalen erschöpfend offenbart.
Insbesondere läßt sich
die Erfindung in einer Anordnung verwenden, die für einen nicht
gleichzeitigen Sende- und Empfangsbetrieb ausgebildet ist.