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Diese Erfindung bezieht sich auf
eine Antennenanordnung für
den Empfang von Dreiband- und Vierband-HF-Signalen nach dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Die heute meist verwendeten Mobilfunk-Antennenanordnungen
sind planare Antennen oder Peitschenantennen, die beide gut für eine Dualband-Funktionalität geeignet
sind. Jedoch bereitet der Versuch, diese beiden Antennenarten in
eine Dreiband- oder Vierbandantenne umzuwandeln, um die vier GSM-Frequenzen
zu verwenden, ernsthafte Probleme. Erstens unterliegt eine Dreiband-
oder Vierbandantenne aufgrund der benötigten Spektren und Bandbreiten
einem hohen VSWR. Zweitens führt das
hohe VSWR zu einem niedrigen durchschnittlichen Gewinn, wodurch
in der mobilen Einheit zusätzliche
Leistungsbetrachtungen berücksichtigt
werden müssen.
Drittens entstehen große
Baugrößen oder ein
schlechtes Design, wenn zwei planare Antennen oder zwei Peitschenantennen
verwendet werden, um die benötigten
Frequenzbereiche abzudecken.
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Aufgrund der zuvor angegebenen Nachteile sind
die derzeitigen Antennenanordnungen weder für die Produktentwicklung von
drahtlosen PDAs oder Smartphones geeignet, noch können sie
den gemäß des GSM-Standards
verlangten Ausgangsleistungs- und Empfindlichkeitstest bestehen.
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Dieses berücksichtigend zielt diese Erfindung
darauf ab, eine neue Dreiband- und Vierband-Antennenanordnung anzugeben,
die hinsichtlich des Empfangs von schwachen Funksignalen von Zellular-Basisstationen
und der Übertragung
von genügend
Funkleistung zur Kommunikation mit Zellular-Basisstationen verbessert
ist.
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Dies wird von einer mobilen Einheit
zur Verwendung in einem drahtlosen Kommunikationssystem nach Patentanspruch
1 erreicht. Die abhängigen Patentansprüche beziehen
sich auf korrespondierende weitere Entwicklungen und Verbesserungen.
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Wie aus der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung deutlicher erkannt werden kann, bietet die beanspruchte
mobile Einheit verbesserte Betriebsfähigkeiten, während die
praktischen Vorteile im Zusammenhang mit der existierenden Verarbeitung
von planaren Antennen und Peitschenantennen und eine einfache Phasenschieberschaltung
vorteilhaft ausgenutzt werden. Solch eine Anordnung ist für die niedrigpreisige
Massenproduktion und kommerzielle Anwendungen geeignet, hat kein
großes
Gewicht, weist eine einfache Leistungszusammenführung und Aufsplittung auf
und bietet einen hohen Widerstand hinsichtlich wechselseitiger Kopplungstechniken.
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Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft in
Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
einfache Zeichnung einer Antennenanordnung nach dieser Erfindung,
und
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2 ein
Diagramm einer Antennenauswahlschaltung nach dieser Erfindung.
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Die Nachfrage nach drahtlosen Datenservicen
ist zu einem wichtigen Teil des Lebens in einer modernen Gesellschaft
geworden. Immer mehr Benutzer verlangen drahtlose Möglichkeiten
für Internet-Zugang,
E-Mail-Kommunikation, Videokonferenzen und Multimedia-Anwendungen
und machen einen drahtlosen PDA (Personal Data Assistent) oder ein
Smartphone zu geeigneten Geräten,
die für
die neuen Multimedia-Service benötigten
Datenraten liefern.
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Um das Bedürfnis der Kunden für drahtlose Datenservice
zu erfüllen,
müssen
Multimedia-Geräte,
wie PDAs und Smartphones, ein Netzwerk anbieten, dass nicht nur
verschiedene Inhalte unterstützt, sondern
diese auch in einem nahtlosen System anbietet, auf das sich Kunden überall und
immer verlassen können.
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Bei dem bekanntesten System, dem
Global System for Mobile Communications (GSM), zum Beispiel, sind
spezifische Frequenzspektren standardisiert, die 850 MHz, 900 MHz,
1800 MHz und 1900 MHz umfassen. Die unteren beiden Frequenzspektren
sind die ältesten
und werden in der Welt am meisten verwendet. Der Frenquenzbereich
um 1800 MHz oder GSM 1800 (auch DCS 1800 und PCN (Personal Communication
Network) genannt) wird in einer steigenden Zahl von Ländern in
Europa und Asien benutzt. Der Bereich um 1900 MHz oder GSM 1900 (auch
DCS 1900, PCS 1900 und PCS (Personal Communication Services) genannt)
wird in den Vereinigten Staaten und Kanada für GSM benutzt. Eine mobile
Einheit mit einer Dreiband- oder Vierband-Antennenanordnung, welche
ein klares Senden und Empfangen dieser unterschiedlichen Frequenzspektren
ermöglicht,
hat einen großen
kommerziellen Vorteil der Kompatibilität mit mehr drahtlosen Daten-
und Multimediasystemen.
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Die Details der das Antennendesign
beeinflussenden Faktoren sind wohl bekannt und brauchen hier nicht
bis ins Einzelne dargestellt werden. Die Effizienz einer Antenne
liegt in einer geeigneten Beziehung zwischen der Größe und Form
der Antenne und der Wellenlänge
der gewünschten
Frequenz. Mit dem Ansteigen der Anzahl von gewünschten Frequenzbereichen für eine beliebige
bestehende Antenne wird die Antenne weniger effizient. Während eine
Einband-Antenne nahezu immer besser ist, als eine Dualband-Antenne,
können
für eine
gut designte Dualband-Antenne akzeptierbare Ergebnisse erhalten
werden, wenn die gewünschten
Frequenzbereiche genügend ähnlich sind,
z.B. 850 MHz und 900 MHz. Da optimale Antennen für ähnliche Frequenzen ähnlich groß sind,
ist eine gute Inpedanzanpassung über
beide Frequenzen möglich
und das die Effizienz beeinflussende Stehwellenverhältnis (Voltage
Standing Wave Ratio – VSWR)
kann innerhalb vernünftiger
Grenzen von etwa 2:1 gehalten werden. Auf der anderen Seite ist
es bei der Verwendung einer einzigen Antenne mit unterschiedlichen,
im Wesentlichen nicht harmonischen Frequenzen unmöglich, eine
geeignet große
und inpedanz-angepasste Antenne für beide Frequenzbereiche zu
erhalten und das VSWR steigt an, wodurch der Gewinn schnell abfällt.
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Der spezifische Frequenzbereich,
auf dessen Abdeckung das Antennendesign zielt, bestimmt die optimale
Größe einer
Antenne. Ist der gewünschte
Frequenzbereich zu groß oder
für die
Antenne nicht geeignet, so wirken Signalreflektionen störend auf
die geeignete Funktion der Antenne ein, führen zu einem Gewinnverlust
und erfordern zusätzliche benötigte Leistung
für adäquate Übertragung
oder Empfang. Die meisten mobilen Einheiten werden mit Batterien
betrieben und können
sich keine Leistungsverschwendung leisten, weswegen sie mit Antennen versehen
sind, die geeignet an die gewünschten
Frequenzen angepasst sind. Demzufolge kann eine herkömmliche
mobile Einheit mit einer geeignet abgestimmten Antenne nur einen
relativ engen Frequenzbereich effizient abdecken.
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Die heute meist verwendeten Mobilfunk-Antennenanordnungen
sind planare Antennen oder Peitschenantennen, die beide gut für eine Dualband-Funktionalität geeignet
sind. Jedoch bereitet der Versuch, diese beiden Antennenarten in
eine Dreiband- oder Vierbandantenne umzuwandeln, um die zuvor aufgelisteten
vier GSM-Frequenzen zu verwenden, ernsthafte Probleme. Erstens unterliegt
eine Dreiband- oder Vierbandantenne aufgrund der benötigten Spektren
und Bandbreiten einem hohen VSWR. Zweitens führt das hohe VSWR zu einem
niedrigen durchschnittlichen Gewinn, wodurch in der mobilen Einheit
zusätzliche
Leistungsbetrachtungen berücksichtigt
werden müssen.
Drittens entstehen große
Baugrößen oder
ein schlechtes Design, wenn zwei planare Antennen oder zwei Peitschenantennen verwendet
werden, um die benötigten
Frequenzbereiche abzudecken.
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Aufgrund der zuvor angegebenen Nachteile sind
die derzeitigen Antennenanordnungen weder für die Produktentwicklung von
drahtlosen PDAs oder Smartphones geeignet, noch können sie
den gemäß des GSM-Standards
verlangten Ausgangsleistungs- und Empfindlichkeitstest bestehen.
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1 zeigt
eine einfache Konzeptzeichnung eines Teils einer Antennenanordnung
nach dieser Erfindung. Eine mobile Dreiband- oder Vierband-Einheit 10 umfasst
eine innerhalb der mobilen Einheit 10 angeordnete planare
Antenne 15 und eine aus dem inneren der mobilen Einheit 10 hervorstehende
Peitschenantenne 20.
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Die planare Antenne 15 ist
im Wesentlichen zweidimensional, enthält elektrisch leitende Eigenschaften,
ist an den Sender und Empfänger
impedanz-angepasst und weist eine Größe und Form auf, die für einen
Betrieb bei einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz, wie
z.B. 850 MHz und 900 MHz, am besten geeignet ist. Da die Frequenzen
850 MHz und 900 MHz sehr ähnlich
sind, kann eine einzige planare Antenne 15 leicht so bemessen
werden, dass sie ein niedriges Stehwellenverhältnis (VSWR), einen benötigten Durchschnittsgewinn
und eine kompakte Größe mit einem
niedrigen Profil bietet.
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Die Peitschenantenne 20 weist
ebenfalls elektrisch leitende Eigenschaften auf, ist an den Sender
und Empfänger
impedanzangepasst und weist eine Größe und Form auf, die am besten
für einen Betrieb
bei einer dritten Frequenz und einer vierten Frequenz, wie z.B.
1800 MHz (auch DCS 1800 und PCN (Personal Communication
Network) genannt) und dem Bereich um 1900 MHz, oder GSM 1900 (auch
DCS 1900, PCS 1900 und PCS (Personal Communication
Service) genannt), geeignet ist.
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Die mobile Einheit 10 weist
weiter eine in 2 gezeigte
Steuerschaltung 30 auf. Die Steuerschaltung 30 umfasst
eine erste Phasenschieberschaltung 45, die zwischen der
planaren Antenne 15 und herkömmlichen Hochfrequenzschaltungen
innerhalb der mobilen Einheit 10 angeordnet ist. Die Steuerschaltung 30 umfasst
weiter eine zweite Phasenschieberschaltung 50, die zwischen
der Peitschenantenne 20 und herkömmlichen Hochfrequenzschaltungen 70 angeordnet
ist. Die beiden Phasenschieberschaltungen 45 und 50 können für Übertragungsleitungsnetzwerke
oder induktive und kapazitive Knotennetzwerke geeignet, sein und
auf der Leiterplatte der mobilen Einheit 10 mit minimalen
Kosten aufgebaut sein. Die Steuerschaltung 30 bildet ein
Phasenschiebernetzwerk, um zu verhindern, dass sich die beiden Antennen 15 und 20 gegeneinander
belasten, wodurch die planare Antenne 15 und Peitschenantenne 20 effektiv
zu einer einzigen Antenne kombiniert werden. Die Vereinigung bewirkt
einen höheren Gewinn über alle
gewünschten
Frequenzen, da die Vereinigung eine bessere Inpedanzanpassung für jede Antenne
erlaubt und ein niedrigeres Stehwellenverhältnis (VSWR) erzielt wird,
als mit einer herkömmlichen
Antenne erreicht werden kann, wodurch der Leistungsverbrauch reduziert
wird.
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Eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung
unterscheidet sich dadurch von der ersten Ausführungsform, dass eine innerhalb
der mobilen Einheit 10 angeordnete zweite planare Antenne
die Peitschenantenne 20 ersetzt. Die Steuerschaltung 30 und
die enthaltenen Phasenschieberschaltungen 45 und 50 führen dieselben
Funktionen aus, wie in der vorhergehenden Beschreibung.
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Eine dritte Ausführungsform dieser Erfindung
unterschiedet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass eine
aus der mobilen Einheit 10 hervorstehende zweite Peitschenantenne
die planare Antenne 15 ersetzt. Die Steuerschaltung 30 und die
enthaltenen Phasenschieberschaltungen 45 und 50 führen wiederum
dieselben Funktionen aus, wie in der ersten Ausführungsform.
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Es sollte offensichtlich sein, dass
die Paarung der planaren Antenne 15 mit den Frequenzen 850
MHz und 900 MHz und die Paarung der Frequenzen 1800 MHz und 1900
MHz mit der Peitschenantenne 20 nur beispielhaft dargestellt
sind. Diese Erfindung kann auch alle Permutationen der gewünschten
Frequenzspektren abdecken, d.h. dass jede Antenne verwendet werden
kann, andere Frequenzen als die in der ersten Ausführungsform
beschriebenen abzudecken. Z.B. fällt
das Paaren der Peitschenantenne 20 mit den Frequenzen 850
MHz und 900 MHz und das Paaren der Frequenzen 1800 MHz und 1900
MHz mit der planaren Antenne 15 auch innerhalb den Umfang
der Erfindung.
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Im Gegensatz zu dem Stand der Technik
erlaubt diese Erfindung Dreiband- und Vierband-Übertragung und -Empfang mit
einem benötigten
Gewinn ohne einen Anstieg des Stromverbrauchs in der mobilen Einheit 10.
Der Stromverbrauch in der mobilen Einheit 10 ist sehr wichtig,
da die mobile Einheit 10 normalerweise mit Batterien betrieben
wird. Die Steuerschaltung 30 vereinigt zwei Antennen, wobei jede
Antenne für
ein bestimmtes Paar von Frequenzspektren optimiert ist. Die Steuerschaltung 30 umfasst
je eine zu einer der Antennen 15 und 20 korrespondiere
Phasenschieberschaltung 45 und 50. Die Phasenschieberschaltungen 45 und 50 verhindern, dass
die Antenne 15 die Antenne 20 belastet und dass
die Antenne 20 die Antenne 15 belastet. Die Antennenanordnung
nach dieser Erfindung eliminiert ein exzessives VSWR effektiv, um
den Gewinn zu erhöhen.
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Eine Antennenanordnung, die Dreiband-
und Vierband-Übertragung
und -Empfang von nach GSM standardisierten Frequenzen in einer mobilen
Einheit (10) mit einem benötigten Gewinn ohne ansteigenden
Stromverbrauch ermöglicht.
Die mobile Einheit (10) verwendet eine Steuerschaltung
(30), um eine erste Antenne (15) und eine zweite
Antenne (20) zu vereinen, wobei die erste Antenne (15)
bei einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz und die zweite
Antenne (20) bei einer dritten Frequenz und einer vierten
Frequenz betrieben werden können.
Die Steuerschaltung (30) umfasst eine Phasenschieberschaltung
(45, 50) für
jede Antenne (15, 20). Die Phasenschieberschaltungen
(45, 50) verhindern, dass eine der beiden Antennen
(15, 20) die andere Antenne (15, 20)
belastet, wodurch ein exzessives VSWR effektiv eliminiert wird,
um den Gewinn zu erhöhen.