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Die Erfindung betrifft ein Mobilfunk-Endgerät mit einer
Sendestufe, einer Empfangsstufe sowie einer Antennenumschalt- und -anpaßstufe,
die jeweils eine Anordnung passiver Bauelemente aufweisen und in
mindestens je einem Funktionsparameter programmierbar sind sowie
Verfahren zu denen Betrieb.
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Mobilfunk-Endgeräte sind, was ihren nachrichtentechnischen
Teil betrifft, im Mikrowellenbereich arbeitende mobile Funkempfangs-
und -sendestationen. Die Nutzung von nahe dem oder im Gigahertz-Bereich
liegenden Betriebsfrequenzen (beispielsweise beim GSM-System ca.
900 Mhz, beim DCS-System annähernd
1800 Mhz) hat zur Folge, daß für ihren
Betrieb komplizierte Ausbreitungsbedingungen bestimmend sind, deren
Folgen – insbesondere
ein zeitlich sehr stark schwankender Schwund in Folge von Überlagerungen
und Mehrwegeempfang – besonderer
Aufmerksamkeit beim Geräteentwurf
bedürfen.
Zwar liegen die wichtigsten Maßnahmen
zur Beherrschung der auf der Ausbreitungsstrecke (der sogenannten
"Luftschnittstelle") bestehenden Probleme auf dem Gebiet der digitalen Signalverarbeitung,
auch die Ausbildung der HF-Komponenten ist jedoch von großer Bedeutung für die Gewährleistung
der erforderlichen Übertragungsqualität.
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In diesem Zusammenhang ist es wünschenswert,
wesentliche Funktionsparameter der HF-Teile in einem relativ großen Bereich,
sehr schnell und auf einfache, an den Gesamtaufbau des Mobilfunk-Endgerätes angepaßte Weise
einstellbar zu gestalten. Als ideal wird eine umfassende Programmierbarkeit
der HF-Teile anzusehen sein, von einer solchen ist die praktische
Ausführung
der HF-Teile von Mobilfunk-Endgeräten aber weit entfernt. Sie
beschränkt
sich derzeit auf die Möglichkeit
des Ein- und Ausschaltens eines Funktionsblocks, der Steuerung der
Ausgangsleistung oder Verstärkung
eines Blockes durch Vorspannungs- oder Stromänderungen o.ä.
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In der älteren Anmeldun
DE 198 44 143 A1 der Anmelderin
wird eine programmierbare Filterschaltung für Mobilfunkanwendungen vorgeschlagen,
die insbesondere in einem programmierbaren Duplexer eines Mobilfunk-Endgerätes zum
Einsatz kommen soll. Die vorgeschlagene Filterschaltung weist mehrere
passive Bauelemente auf, deren Kennwerte jeweils mittels elektrischer
Mikromotoren mechanisch einstellbar sind. Die Mikromotoren werden
von einer programmierbaren Steuereinheit so angesteuert, daß die Filterschaltung
(und damit auch der Duplexer) insgesamt eine vorbestimmte Kennlinie
aufweist.
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Aus der
EP 0 788 185 A1 ist ein
steuerbares Dämpfungsstellglied
bekannt, daß als
Anordnung von Widerständen
und den Widerständen
zugeordneter Feldeffekttransistoren ausgestaltet ist, wobei eine Änderung
der Dämpfung
durch unterschiedliche Ansteuerung des jeweiligen Feldeffekttransistors
erfolgt.
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Aus der
DE 196 53 180 A1 ist eine
drahtlose Kommunikationseinrichtung mit einer rekonfigurierbaren
Anpaßschaltung
bekannt, wobei ein Anpaßzustand
zwischen einer Funkschaltung und einer Antennenvorrichtung durch
einen Schalter, der entsprechen der Position der Antenne offen oder
geschlossen ist, dadurch rekonfiguriert wird, daß der Schalter passive Bauelemente
der Anpaßchaltung
im geschlossenen Zustand überbrückt bzw.
im offenen Zustand nicht überbrückt.
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Aus der
DE 195 24 085 C2 ist eine
steuerbare Anpaßschaltung
bekannt, die zwischen dem Ausgang einer Signalquelle und dem Eingang
eines externen Verstärkers
schaltbar ist, wobei die steuerbare Anpaßschaltung mittels eines Schaltransistors
ein an einem Niederfrequenzausgang der Signalquelle anliegendes
Signal an den Eingang des externen Verstärkers durchschaltet, wenn ein
Steuereingang der Anpaßschaltung
durch ein Signal der Signalquelle aktiv geschaltet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
hinsichtlich des Aspektes der Programmierbarkeit der wesentlichen
Funktionsparamter der HF-Teile verbessertes Mobilfunk-Endgerät sowie
Verfahren zum Betrieb eines Mobilfunk-Endgerätes anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Mobilfunk-Endgerät mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst
die Verfahren betreffend durch die in den Ansprüchen 11 und 12 angegebenen
Merkmale.
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Die Erfindung schließt den wesentlichen
Gedanken ein, in der HF-Sendestufe, der HF-Empfangsstufe und der
Antennenumschalt- und
-anpaßstufe – als den
wesentlichen HF-Komponenten – jeweils
eine Mikroschalter- bzw. Mikrorelais-Anordnung vorzusehen, mit der
die dort enthaltenen und bestimmte Funktionsparameter bestimmenden
passiven Bauelemente auf vorbestimmte Weise aus Sub-Elementen konfiguriert
werden können.
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Derartige Mikroschalter bzw. Mikrorelais
sind in vielgestaltigen Ausführungsformen
aus der
US 5 619 061 bekannt,
in der auch ihre Anwendung zur Abstimmung einer Filterschaltung
oder zur Antennen-Selektivitätsabstimmung
erwähnt
wird.
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Bevorzugt ist eine Ausführung, bei
der mindestens eine der genannten HF-Komponenten weiterhin Mikromotoren
zur mechani schen Verstellung passiver Bauelemente aufweist, wobei
die Mikromotoren ebenfalls in Steuerverbindung mit einer Steuereinheit
stehen, über
die die Mikroschalter bzw. -relais angesteuert werden. Die kennwertbestimmende Bauelementkonfiguration
der jeweiligen HF-Komponente läßt sich
durch den kombinierten Einsatz einer Mikroschalteranordnung und
von Verstellmotoren hinsichtlich Bauvolumen, Energieverbrauch, Linearität und Ansteueraufwand
weiter optimieren.
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Zur Verringerung der Baugröße sowie
des Herstellungsaufwandes ist eine Ausführung von Vorteil, in der mindestens
ein Teil der Mikroschalter bzw. -relais sowie – falls solche zusätzlich vorgesehen sind – Mikromotoren
mit den durch sie beeinflußten passiven
Bauelementen auf einem gemeinsamen Substrat integriert ist. Hierfür eignet
sich besonders ein keramisches Substrat mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten.
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Die in Sub-Elemente untergliederten
passiven Bauelemente bilden zusammen mit den die Sub-Elemente verbindenden
Mikroschaltern eine Topologie, die zweckmäßigerweise in einem Topologiespeicher
der Steuereinheit abgespeichert wird. Weiterhin umfaßt die Steuereinrichtung
in einer bevorzugten Ausführung
einen Algorithmenspeicher zur Speicherung eines Berechnungsalgorithmus
für den oder
die zu programmierenden Funktionsparameter und eine Berechnungsstufe
zur Berechnung der einen vorbestimmten Wert des jeweiligen Funktionsparameters
liefernden aktiven Topologie. Durch entsprechende Vergleichermittel
kann aus einem Vergleich der errechneten aktiven Topologie mit der
insgesamt vorhandenen Topologie unmittelbar eine Schaltmatrix gewonnen
werden, die sodann durch Ausgabe entsprechender Schaltsteuersignale
an die einzelnen Mikroschalter realisiert wird.
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In einer abweichenden Ausführung umfaßt die Steuereinheit
einen Mehrbereichs-Konfigurationenspeicher (in Art eines sogenannten
"Lookup-Table") zur Speicherung einer Mehrzahl von Mikroschalter-Schaltmatrizen
der in dem HF-Teil realisierten Topologie, jeweils in Zuordnung
zu einem Wert eines Funktionsparameters oder einem Werte-Vektor mehrerer
Funktionsparameter, sowie eine Zeigerstufe zur Adressierung des
Konfigurationenspeichers, die auf die Eingabe (Programmierung) eines
solchen Wertes oder Werte-Vektors anspricht.
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Sofern zusätzlich Mikromotoren vorhanden sind,
sind – bei
etwas erhöhtem
Speicher- bzw. Speicher- und Verarbeitungsaufwand – ebenfalls
beide genannten Realisierungen möglich.
Die durch Mikromotoren beeinflußten
Abschnitte der Bauelementanordnung sind dabei vorteilhaft in (fiktive)
Sub-Elemente entsprechend den ansteuerbaren Motorstellungen untergliedert,
und ihre Struktur läßt sich
somit analog abspeichern und handhaben wie eine Struktur aus durch
Mikroschalter voneinander getrennten realen Sub-Elementen.
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Als in diskreten Schritten (durch
Betätigung der
Mikroschalter und wahlweise Mikromotoren) einzustellender Funktionsparameter
ist insbesondere die Frequenzcharakteristik der jeweiligen HF-Komponente
zu sehen. Als zu schaltende passive Bauelemente sind Kondensatoren
und/oder Induktivitäten und/oder
Mikrostripleitungsabschnitte oder auch Resonatoren vorhanden. Diese
zeigen sämtlich
grundsätzlich
ein lineares Verhalten, so daß gegenüber einer
Beeinflussung der Frequenzcharakteristik mittels aktiver Bauelemente,
wie Varactoren oder Transistoren, keinerlei Nichtlinearitäten oder
Verzerrungen zu befürchten
sind. Zudem haben die elektrostatisch gesteuerten Mikroschalter
keine Leistungsaufnahme.
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Für
den konkreten Einstellvorgang ist ein bestimmtes Vorgehen einzuhalten,
um die Mikroschalter und gegebenenfalls Mikromotoren oder auch andere
Anordnungsteile vor Überströmen und
Spannungsspitzen zu schützen.
Hierzu ist die einzustellende HF-Komponente und bevorzugt der gesamte HF-Teil
in einen inaktiven Zustand zu schalten. Anschließend kann auf eine der oben
skizzierten Weisen die Bestimmung der aktuell benötigten Mikroschalter-Konfiguration
bzw. der zu realisierenden Kombi nation aus Mikroschalter-Konfiguration
und Mikromotoren-Ansteuerung ermittelt werden. Schließlich wird
die vorbestimmte Schalterkonfiguration bzw. Schalterstellungs-/Motoransteuerungs-Kombination durch
die Steuereinheit realisiert, und zuletzt werden die HF-Komponenten
bzw. das gesamte Mobilfunk-Endgerät wieder
in den aktiven Zustand überführt. Dem
hier beschriebenen Vorgehen entspricht natürlich eine Funktionalität (Programmierung)
der Steuereinheit, die den Ablauf selbsttätig realisiert.
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Vorteile und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung werden im übrigen
aus den Unteransprüchen sowie
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der
Figuren deutlich. Von diesen zeigen:
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1 ein
stark vereinfachtes Funktions-Blockschaltbild eines Mobilfunk-Endgerätes zur Erläuterung
der Erfindung anhand einer Ausführungsform,
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2a ein
Prinzipschaltbild einer Resonatorschaltung, wie sie in einem der
Filterbausteine bzw. im Duplexer des Mobilfunk-Endgerätes nach 1 eingesetzt wird,
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die 2b bis 2e verschiedene Realisierungen
der Schaltung nach 2a gemäß Ausführungsformen
der Erfindung unter Einsatz von Mikroschaltern bzw. Mikrorelais,
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die 2f und 2g modifizierte Ausführungsformen
einer abstimmbaren Resonatorschaltung, bei denen neben Mikrorelais
bzw. Mikroschaltern auch Mikromotoren vorgesehen sind,
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3 ein
Funktions-Blockschaltbild einer Steueranordnung zur Abstimmung einer
Filterstufe des Mobilfunk-Endgerätes
nach 1 und
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4 eine
Skizze der Steuerung gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt
in einer stark vereinfachenden Prinzipskizze ein Mobilfunk-Endgerät 1,
das einen insbesondere die NF-Komponenten und Sprachsignalverarbeitungsmittel
umfassenden Basisband-Block 3, eine Empfangsstufe 5,
eine Sendestufe 7, ein Steuerteil 9, einen Duplexer 11 und
eine Antenne 13 aufweist. Im senderseitigen Signalweg sind zwischen
dem Basisband-Block 3 und der Sendestufe 7 sowie
zwischen letzterer und dem Duplexer 11 jeweils eine abstimmbare
Sendesignal-Filterstufe 15a, 15b und im empfängerseitigen
Signalweg zwischen dem Duplexer 11 und der Empfangsstufe 5 sowie
zwischen dieser und dem Basisband-Block 3 jeweils eine
abstimmbare Empfangssignal-Filterstufe 17a, 17b vorgesehen.
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Zusammenfassend kann man die Empfangsstufe 5 und
die zugehörigen
Empfangssignal-Filterstufen 17a, 17b auch als
Empfangsstufe im weiteren Sinne und die Sendestufe 7 zusammen
mit den Sendesignal-Filterstufen 15a, 15b als
Sendestufe im weiteren Sinne bezeichnen. Bei einer etwas anderen
Betrachtungsweise könnte
man die abstimmbaren Filterstufen 15b und 17a auch
dem Duplexer 11 zurechnen und diese kombinierte Funktionseinheit
als Antennenumschalt- und -anpaßstufe
bezeichnen. Insofern der Basisband-Block (an sich bekannte Mittel) zur
Quellenkodierung, Kanalkodierung und Verschachtelung sowie Burstbildung
auf der Senderseite sowie entsprechende Entschachtelungs-, Kanaldekodierungs-
und Quellendekodierungsmittel auf der Empfängerseite aufweist, besteht
eine enge funktionelle Verknüpfung
mit dem Steuerteil, das natürlich Mittel
zur Steuerung der mit dem jeweiligen Mobilfunk-Systemstandard konformen
Funktionsabläufe des
Mobilfunk-Endgerätes
aufweist. Im Zusammenhang mit der Erläuterung der Erfindung besonders wesentlich
sind die Steuerfunktionen des Steuerteils 9 bezüglich der
Empfangsstufe 5, der Sendestufe 7 und der Filterstu fen 15a, 15b sowie 17a, 17b.
Diese werden daher weiter unten noch genauer erläutert.
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2a zeigt
eine Resonatoranordnung aus drei in Reihe geschalteten Kondensatoren
C1, C2 und C3 und zwei Induktivitäten l1, l2, die den Leitungsabschnitt
zwischen den Kondensatoren C1, C2 bzw. den Abschnitt zwischen den
Kondensatoren C2, C3 mit Masse verbinden. Eine solche Resonatoranordnung
ist in den Filterstufen 15a, 15b, 17a und 17b bzw.
der Empfangsstufe und der Sendestufe im weiteren Sinne bzw. der
Antennenumschalt- und -anpaßstufe
implementiert.
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In 2b ist
skizzenhaft dargestellt, daß die Induktivitäten l1,
l2 der Anordnung nach 2a in vorbestimmter
Anordnung jeweils eine Mehrzahl von Anzapfungen aufweisen, die über je einen
Mikroschalter mit Masse verbindbar sind. Die der Induktivität l1 zugeordneten
Mikroschalter sind in der Figur mit MSi bezeichnet
und werden über
Steuersignale "controli" einzeln angesteuert,
während
die der Induktivität
l2 zugeordneten Mikroschalter mit MSj bezeichnet sind und über Steuersignale "controlj" angesteuert werden. Die Mikroschalter
MSi,j teilen – je nach Schalterstellung – mehr oder
weniger große
Teile der Induktivitäten
l1, l2 ab, so daß durch
ihre Ansteuerung eine Einstellung der Frequenzcharakteristik der Resonatoranordnung
erfolgen kann.
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Eine etwas modifizierte Ausführung dieses Prinzips
zeigt 2c, wo die Induktivitäten l1,
l2 jeweils durch eine Gruppe von Mikrorelais MRi bzw. MRj angesteuert durch Ansteuersignale "controli" bzw. "controlj",
in Sub-Induktivitäten
unterteilt sind. Diese Schaltung, in der noch zwei Massekondensatoren
C4, C5 vorgesehen sind, stellt eine Leerlaufschaltung dar, während die
Ausführung
nach 2b als Kurzschlußschaltung
anzusprechen ist.
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In 2d ist
eine sternförmige
Schalterkonfiguration gezeigt, die an die Stelle der seriellen Schalteranordnung
nach
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2b oder 2c treten kann. 2e zeigt eine gegenüber 2b insofern modifizierte
Anordnung, als hier neben den Induktivitäten l1, l2 auch die Kondensatoren
C1, C2 und C3 durch Mikroschalter in Sub-Bauelemente
untergliedert und durch Schalterbetätigungen abstimmbar sind. In
Entsprechung zur Darstellung der 2b sind
die den Kondensatoren C1 bis C3 zugeordneten Schalter mit MSk, MS1 bzw. MSm und die zugehörigen Steuersignale entsprechend
mit "controlk", "controll"
bzw. "controlm" bezeichnet. Die Sub-Induktivitäten von
l1 sind hier mit lal, lbl,...
und diejenigen von l2 mit la2, lb2, ... bezeichnet, und analog sind die Sub-Kapazitäten des
Kondensators C1 mit Ca1, Cb1,
Cc1,..., diejenigen des Kondensators C2
mit Ca2, Cb2, Cc2,... und diej enigen des Kondensators C3
mit Ca3, Cb3, Cc3,... bezeichnet. An dieser Figur ist besonders
deutlich zu erkennen, daß durch
die Untergliederung von passiven Bauelementen eines Filter- bzw.
Anpaßbereiches
in Sub-Bauelemente mittels Mikroschaltern bzw. Mikrorelais eine Topologie
entwickelt wird, die eine Vielzahl von durch bestimmte Schalteransteuerungen
realisierbaren Konfigurationen in sich birgt.
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2f zeigt
eine gegenüber 2c dahingehend abgewandelte
Ausführung,
daß der
Kondensator C1 durch einen Mikromotor MMl,
angesteuert durch ein Steuersignal "controlk'",
in seiner Kapazität veränderbar
ist. Es versteht sich von selbst, daß auch die Kondensatoren C2
und C3 durch einen ihnen zugeordneten Mikromotor mit entsprechender
Ansteuerung einstellbar ausgeführt
sein können.
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In der Anordnung nach 2g ist die in 2e gezeigte Anordnung mit
in Sub-Kapazitäten unterteilten
Kondensatoren C1, C2 und C3 hinsichtlich der Induktivitäten dahingehend
modifiziert, daß diese
jeweils einen über
einen Mikromotor MM1 bzw. MM2 verschiebbaren
Masseabgriff aufweisen. In Annäherung
an 2e wurden die entsprechenden Steuersignale
hier mit "controli'" bzw. "controlj'" bezeichnet.
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3 zeigt
in Art eines Funktions-Blockschaltbildes skizzenartig den Aufbau
einer Abstimmsteuerung 90 (deren Bezugsziffer an das Steuerteil 9 aus 1 angelehnt wurde) zur Abstimmung
einer Empfangssignal-Filterstufe 17a gemäß 1. Die Abstimmsteuerung 90 umfaßt eine
Abstimmablaufsteuerung 90a, die ein von extern zugeführtes Signal empfängt, welches
eine angeforderte Frequenzcharakteristik der Empfangssignal-Filterstufe 17a repräsentiert.
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Die Abstimmablaufsteuerung 90a ist
mit der Empfangsstufe 5 über einen Ein-/Ausschalter 90b verbunden, über den
sie bei Empfang des erwähnten Signals,
aufgrund dessen eine Abstimmung der Empfangssignal-Filterstufe 17a vorzunehmen
ist, zunächst
die Empfangsstufe 5 abschaltet. Das zur Betätigung des
Ein-/Ausschalters erzeugte Signal wird über einen Inverter 90c weiterhin
einer Schalterkonfigurations-Berechnungsstufe 90d zugeführt und
aktiviert diese, woraufhin diese das oben erwähnte, eine Frequenzcharakteristik
spezifierende Signal, das auch an ihrem Eingang anliegt, empfängt und zwischenspeichert.
Unter Zugriff auf einen Topologiespeicher 90e, in dem die
spezifische, aus den passiven Bauelementen bzw. Sub-Elementen und
zugeordneten Mikroschaltern bzw. Mikrorelais und ggfs. Mikromotoren
gebildete Filtertopologie der Empfangs-Filterstufe 17a abgelegt ist,
und einen Algorithmenspeicher 90f, in dem ein entsprechender
Algorithmus zur Bestimmung der konkreten Schalterkonfiguration aufgrund
einer vorbestimmten Frequenzcharakteristik gespeichert ist, berechnet
die Schalterkonfigurations-Berechnungsstufe 90d die aufgrund der
angeforderten Frequenzcharakteristik zu realisierende Ansteuerkonfiguration
der Mikroschalter bzw. -relais und gegebenenfalls Mikromotoren und
gibt diese an einen Ansteuersignalgenerator 90g aus. Dieser
erzeugt – ebenfalls
unter Zugriff auf den Topologiespeicher 90e – hieraus
die Ansteuersignale für jeden
einzelnen Schalter der Gesamtkonfiguration und führt sie sequentiell der Empfangssignal-Filterstufe 17a zu.
Die Ausgabe des letzten Ansteuersignals wird durch einen Programmende-Detektor 90h erfaßt, der
ein entsprechendes Signal an die Abstimmablaufsteuerung 90a ausgibt,
die daraufhin den Ein-/Ausschalter 90b zum Wiedereinschalten
der Empfangsstufe 5 aktiviert und die Schalterkonfigurations-Berechnungsstufe 90d deaktiviert.
(Die hier beschriebenen Funktionen werden in der Praxis größtenteils
softwaremäßig realisiert
sein, so daß die
hier gegebene Beschreibung anhand von Funktionsblöcken nur
als Illustration des Prinzips zu verstehen ist.)
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In 4 ist
skizzenhaft (in einer etwas anderen Darstellungsweise) eine alternative
Ausführung der
Steuerung dargestellt. Eine Steuereinheit C umfaßt einen Konfigurationenspeicher
M, in dem in Zuordnung zu jeweils einer Frequenzcharakteristik aus einer
vorbestimmten Menge von Frequenzcharakteristiken eine vorbestimmte
Menge von Schalterstellungskonfigurationen einer Bauelement-/Mikroschalter-Anordnung
eines HF-Teils R/T eines Mobilfunk-Endgerätes gespeichert ist. Eine Eingangssignalleitung
S der Steuerung C ist einerseits mit einem Ein-/Ausschalter Sw und
andererseits mit einer Zeigerstufe P verbunden, die ihrerseits den
Konfigurationenspeicher M adressieren kann.
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Bei Eingang eines Befehlssignals
zur Einstellung einer vorbestimmten Frequenzcharakteristik auf der
Signalleitung S wird über
den Ein-/Ausschalter Sw das HF-Teil R/T in einen Default-Modus versetzt
und andererseits der Zeiger P zur Adressierung des Konfigurationenspeichers
M entsprechend der angeforderten Frequenzcharakteristik aktiviert.
Der Speicherinhalt wird an das HF-Teil ausgelesen und dort eine
entsprechende Einstellung der Mikroschalteranordnung vorgenommen.
Nach Beendigung dessen wird – entsprechend
der Ausführung
nach 3 – das HF-Teil
wieder in Betrieb genommen.
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Die Ausführung der Erfindung ist nicht
auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern auch in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich. Insbesondere
können
auch Widerstände
als passive Bauelemente durch Mikroschalter bzw. -relais in Sub-Elemente
unterteilt und auf diese Weise insbe sondere Impedanzanpassungen
bewirkt werden. Hierbei ist der Einsatz von Mikrostrip-Leitungen
für viele
Anwendungen besonders zweckmäßig. Eine
Kombination von Mikroschaltern mit Mikromotoren kann auch bei passiven
Bauelementen desselben Typs in derselben Anordnung zweckmäßig sein,
wenn sie zu einer Verringerung des Herstellungsaufwandes und Bauvolumens
bzw. des Ansteuerungsaufwandes führt.