DE4342249C2 - Antennenschalter und Verfahren zum Verbinden oder Entkoppeln eines Empfängerschaltkreises mit einer Antenne - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antennenschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zum Verbinden oder Entkoppeln eines Empfängerschaltkreises und einer Antenne gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 6.

Ein Breitband-PIN-Dioden-Schalter kann selektiv verwen­ det werden, um einen Senderausgang von einem Empfängerein­ gang und umgekehrt zu trennen und um gleichzeitig eine An­ tenne mit geringem Zwischenschaltverlust jeweils zwischen die Senderausgangsschaltkreise und die Empfängereingangs­ schaltkreise zu schalten. Typischerweise umfaßt der Breit­ band-PIN-Dioden-Schalter ein Paar von in Reihe miteinander verbundenen PIN-Dioden, deren Kathoden miteinander verbunden sind, wobei die Antenne zwischen den Kathoden angeschlossen ist. Eine selektiv an eine der Dioden angelegte Vorwärts­ spannung bestimmt, in welchem der beiden Schaltkreise die Antenne arbeitet, während die andere PIN-Diode die Antenne von dem anderen Schaltkreis trennt. Weiterhin ist es in dieser Art von PIN-Dioden-Schalter oft notwendig, eine Rück­ wärtsspannung an die Diode anzulegen, die für die Isolation der Empfängerschaltkreise verantwortlich ist, wenn die Kom­ munikationsvorrichtung eine hohe Ausgangsleistung besitzt (größer als 50 Watt). Typischerweise besitzt ein Breitband- PIN-Dioden-Schalter eine Empfängerisolation von mehr als 40 dB bei einer Frequenz von 150 MHz und von mehr als 20 dB bei 500 MHz. Darüberhinaus betragen die Sender- und Empfänger­ verluste bei einem Vorwärtsstrom von 50 mA und einer Aus­ gangsleistung von bis zu 50 W jeweils 0,1 dB und 0,2 dB. Im allgemeinen hängen Zwischenschaltverlust/Isolation eines Empfänger-Sender-Pfads primär von dem physikalischen Zustand der in dem Schalter verwendeten PIN-Dioden ab.

Es ist klar, daß, wenn PIN-Dioden als Schaltelemente verwendet werden, im Vergleich mit elektro-mechanischen Lö­ sungen eine höhere Zuverlässigkeit, eine bessere mechanische Festigkeit und höhere Schaltgeschwindigkeiten erreicht wer­ den. Unglücklicherweise ist die Verwendung von Breitband- PIN-Dioden-Schaltern nach dem Stand der Technik in Kommuni­ kationsvorrichtungen, insbesondere in tragbaren und mobilen Funktelephonen, nicht wünschenswert wegen des inhärenten Stromverbrauchs während der Empfangs- und Bereitschaftsmodi, der mit der Verwendung solcher Schalter verbunden ist. Ins­ besondere der Stromverbrauch, der typischerweise zwischen 10-50 mA liegt, entleert die interne Spannungsversorgung des mobilen Funktelephons, wie etwa eine Batterie, und reduziert somit die Betriebsdauer der Spannungsversorgung erheblich. Es ist klar, daß es alternative Methoden und Schaltkreise zu Erreichen einer Isolation der Antenne von den Empfänger- oder Senderschaltkreisen in einer Kommunikationsvorrichtung gibt. Zum Beispiel erreichen frequenzabhängige Transformati­ onsnetzwerke, z. B. Transformator-PIN-Dioden-Schalter, die Viertelwellen- (π/4) Leitungstransformatoren verwenden, die gewünschte Isolierung. Jedoch können diese Schaltkreise nur als schmalbandige oder "bedingt breitbandige" Schaltkreise klassifiziert werden, da der Betrieb von Komponenten in die­ sen Schaltkreisen, wie etwa von Spulen, Kondensatoren und Übertragungsleitungen, von der Betriebsfrequenz abhängen. Außerdem sind die Schaltkreise relativ teuer verglichen mit Breitband-PIN-Dioden-Schaltern. Zusätzlich sind die Trans­ formator-PIN-Dioden-Schalter wesentlich größer als die ent­ sprechenden Breitband-PIN-Dioden-Schalter. Daher ist die Verwendung von Transformator-PIN-Dioden-Schalter in elektri­ schen Geräten, wie etwa tragbaren Funkgeräten, in denen der Raum für die Komponenten beschränkt ist, unmöglich.

Es ist klar, daß es in der Technik einen Bedarf für einen Schalter gibt, der selektiv einen Senderausgang von einem Empfängereingang und umgekehrt isolieren kann und gleichzeitig bei einem reduzierten Stromverbrauch während der Empfangs- und Bereitschaftsmodi, eine Antenne dazwischen schalten kann. Weiterhin ist es wünschenswert, daß ein der­ artiger Schalter eine Breitbandverwendung besitzt. Es wäre auch wünschenswert, wenn der Schalter klein, preiswert und leicht herzustellen wäre, wodurch die Verwendung eines sol­ chen Schalters in tragbaren Kommunikationsvorrichtungen be­ sonders attraktiv würde.

Aus DE-C2-26 36 969 ist ein herkömmlicher HF-Antennenschalter bekannt, bei dem ein Sender oder Empfänger in Abhängigkeit von einem entsprechenden Steuersignal wahlweise auf einen Antennenanschluss durchgeschaltet werden kann. Dazu führt ein Transistorschalter in Abhängigkeit von dem angelegten Steuersignal einen Steu­ ergleichstrom dem Steuerkreis einer PIN-Diode zu. Die PIN-Diode schaltet den Sen­ der bzw. Empfänger auf den Antennenanschluss durch.

US-A- 5 054 114 beschreibt einen PIN-Dioden-Sender/Empfänger-Umschalter, der eine elektrische Verbindung einer einzigen Antenne entweder mit einem Sender oder einem Empfänger ermöglicht. Eine erste PIN-Diode verbindet den Sender mit der Antenne. Eine zweite PIN-Diode verbindet den Eingang des Empfängers mit Masse. Der Zustand beider PIN-Dioden wird mit Hilfe von Gleichstromsteuerspannungen eingestellt, so dass entweder der Sender oder der Empfänger mit der Antenne ver­ bunden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Antennenschalter und ein verbes­ sertes Verfahren zum Verbinden eines Empfängers mit einer Antenne anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 für einen Antennenschalter und mit den Merkmalen des Anspruchs 6 für ein Verfahren gelöst.

Der erfindungsgemäße Antennenschalter für eine Kommunikationsvorrichtung ver­ bindet oder entkoppelt einen Empfängerschaltkreis und eine Antenne. Zwischen den Empfängerschaltkreis und die Antenne ist ein Halbleiterelement geschaltet, das über einen elektrisch leitenden und einen elektrisch sperrenden Zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Empfängerschaltkreis und der Antenne einstellt. Der Empfängerschaltkreis wird von einer mit dieser verbindbaren Stromquelle mit elektri­ schem Strom für einen gesteuerten elektrischen Betrieb versorgt. Beim Betrieb des Empfängerschaltkreises fließt ein Strom aus dem Empfängerschaltkreis heraus. Der aus dem Empfängerschaltkreis fließende Strom wird dem Halbleiterelement zuge­ führt, so dass beim Betrieb des Empfängerschaltkreises das Halbleiterelement aus einem elektrischen sperrenden in einen elektrisch leitenden Zustand vorgespannt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verbinden oder Entkoppeln eines Empfängerschaltkreises und einer Antenne mit Hilfe eines Halbleiterelementes angegeben. Das Halbleiterelement ist zwischen den Empfängerschaltkreis und die Antenne geschaltet. Zur Entkopplung des Empfänger­ schaltkreises von der Antenne wird das Halbleiterelement in einen im wesentlich e­ lektrisch sperrenden Zustand gebracht. Zum Betreiben des Empfängerschaltkreises wird diesem ein Strom zugeführt. Der aus dem Empfängerschaltkreis fließende Strom wird beim Betrieb dem Halbleiterelement zugeführt, um dieses beim Betrieb des Empfängerschaltkreises von einem im wesentlich sperrenden elektrischen Zu­ stand in einen elektrisch leitenden Zustand vorzuspannen.

Besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Breitband-PIN-Dioden-Schalter, der entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung aufgebaut ist.

Fig. 2 zeigt ein alternative Ausführungsbeispiel des Breitband-PIN-Dioden-Schalters der Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen Breitband-PIN-Dioden-Schalter nach dem Stand der Technik zum Isolieren einer Antenne entweder von den Sende- oder den Empfängerschaltkreisen in einer Kom­ munikationsvorrichtung.

In Fig. 3 ist ein Breitband-PIN-Dioden-Schalter nach dem Stand der Technik gezeigt, der für den Betrieb in einer Kom­ munikationsvorrichtung 10 geeignet ist. Der Schalter iso­ liert selektiv einen Senderausgang von einem Empfängerein­ gang und umgekehrt und schaltet gleichzeitig eine Antenne 11 mit einem geringen Zwischenschaltverlust jeweils zwischen die Senderausgangsschaltkreise 12 und die Empfängereingangs­ schaltkreise 14. Der Schalter umfaßt zwei in Reihe geschal­ tete PIN-Dioden D₁ und D₂, die zwischen den Senderschalt­ kreisen 12 und den Empfängerschaltkreisen 14 angeschlossen sind, wobei die Kathoden der Dioden D₁ und D₂ miteinander verbunden sind. Die Antenne 11 ist mit einem Schaltkreiskno­ ten 16 verbunden, der sich zwischen den Kathoden der Dioden D₁ und D₂ befindet. Der Schaltkreisknoten ist über eine Reihenschaltung aus einer Drossel (Induktivität) Ch₃ und ei­ nem Widerstand R₁ mit der Erde verbunden.

Wie zuvor diskutiert, wird die Antenne 11 selektiv ent­ weder zwischen die Senderschaltkreise 12 oder die Empfänger­ schaltkreise 14 geschaltet, indem eine der beiden Dioden D₁ und D₂ in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, also indem eine der Dioden leitend und die andere im wesentlichen nichtlei­ tend gemacht wird. Daher werden spezielle Vorspannungen V_Tx und V_Rx selektiv an die Anoden der Dioden D₁ beziehungsweise D₂ angelegt. Weiterhin werden die Vorspannungen V_Tx und V_Rx durch die Anoden jeweils an die Drosseln (Induktoren) Ch₁ und Ch₂ angelegt. In Anwendungen mit hoher Leistung (mehr als 50 W) ist es oft notwendig, während des Sendes von der Kommunikationsvorrichtung eine Rückwärtsspannung an die Di­ ode D₂ anzulegen, um den Empfängerschaltkreis 14 zu isolie­ ren. Typischerweise kann diese Rückwärtsspannung entweder durch Verbinden eines negativen Pols einer Spannungsversor­ gung mit einer Vorspannung von V_Rx oder durch einen Strom­ fluß des Vorwärtsstroms durch die Diode D₁ und den Wider­ stand R₁ zur Erde, wodurch die erforderliche negative Span­ nung an der Kathode der Diode D₂ erzeugt wird, erhalten wer­ den.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird das Problem des Bereitstellens einer speziellen Vorspannung V_Rx an die PIN-Diode D₂ während der Empfangs- und Bereitschaftsmodi der Kommunikationsvorrichtung gelöst durch die Implementierung des in Fig. 1 gezeigten Konzepts. Insbesondere wird die Vor­ spannung V_Rx zum Schalten der Diode D₂ ersetzt durch eine Vorspannung, die direkt von Komponenten erhalten wird, die sich in den Empfängerschaltkreisen 14 befinden und dort ar­ beiten. Weiterhin ist klar, daß die PIN-Diode D₂ durch eine alternative Form eines Halbleiterelements ersetzt werden, das eine geeignete Betriebscharakteristik besitzt.

Es ist klar, daß die Empfängerschaltkreise 14 unter an­ derem eine Reihenschaltung eines Sperrkondensators C₁, eines Vorfilters 20, eines Vorverstärkers 22, eines Mischers und lokalen Oszillators 24 und eines Zwischenfrequenz-(IF-) Verstärkers 26 umfassen. Ein von dem Zwischenfrequenz-Ver­ stärker 26 erzeugtes Ausgangssignal wird durch den Ausgangs­ bereich des Funkgeräts entsprechend den dem Fachmann bekann­ ten Techniken geführt, wodurch ein von der Antenne 16 emp­ fangenes Signal zum Beispiel über einen externen Lautspre­ cher oder eine visuelle Anzeige zu einem Benutzer der Kommu­ nikationsvorrichtung geleitet wird. Weiterhin sind der Vor­ verstärker 22, der Mischer und lokale Oszillator 24 und der IF-Verstärker 26 jeweils über Kondensatoren C₂, C₃ und C₄ mit einer RF-Erde verbunden. Eine Batterie (nicht gezeigt) legt während des Bereitschaftsmodus und des Empfangsmodus eine Spannung V_BATT an den Vorverstärker 22, den Mischer und lokalen Oszillator 24 und den IF-Verstärker 26 an. Elektri­ sche Ströme I₁, I₂ und I₃ fließen jeweils aus dem Vorver­ stärker 22, dem Mischer und lokalen Oszillator 24 und dem IF-Verstärker 26. Diese Ströme werden in den Schaltkreiskno­ ten 28, 30, 32, die sich jeweils zwischen den Kondensatoren C₂-C₄ und dem Vorverstärker 22, dem Mischer und lokalen Os­ zillator 24 und dem IF-Verstärker 26 befinden, zusammenad­ diert. Die addierten Ströme werden über die Drossel (Induktion) Ch₂ mit der Anode der Diode D₂ verbunden und er­ zeugen somit die notwendige Vorspannung für die Diode wäh­ rend der Empfangs- und Bereitschaftsmodi des Betriebs. Es ist klar, daß die Drossel (Induktion) Ch₂ jede ge­ eignete elektrische Vorrichtung, wie etwa ein Filter sein kann, die sowohl eine hohe Impedanz bei den Betriebsfrequen­ zen der Kommunikationsvorrichtung als auch eine niedrige Gleichstromimpedanz besitzt. Daher sollen die Bezugnahmen auf die Drossel Ch₂ entsprechend verstanden werden.

Zusammengefaßt wird der Strom, der notwendig ist, um die Empfangsstufen der Kommunikationsvorrichtung während der Empfangs- und Bereitschaftsmodi zu versorgen, verwendet, um die PIN-Diode D₂ zu schalten. Insbesondere wird die Addition der von jeder Stufe der Empfängerschaltkreise 14 herrühren­ den Ströme während des Empfangs- und Bereitschaftsbetriebs zur Anode der PIN-Diode D₂ zurückgeführt.

In Fig. 2 ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. In diesem bevor­ zugten Ausführungsbeispiel versorgt eine Batterie 40 eine schaltbare Stromquelle 42 mit einer Spannung V_Batt. Die Stromquelle 42 wird von einer Steuerungsspannung 44 gesteu­ ert, die von einem Mikroprozessor 45 angelegt wird, der für den Betrieb der Kommunikationsvorrichtung verantwortlich ist, was klar ist. Die schaltbare Stromquelle 42 legt einen Strom 46 von in diesem Fall 22 mA an den Vorverstärker 22 der Empfängerschaltkreise 14 an. Wie beschrieben wurde, ist der Vorverstärker 22 über einen Kondensator C₂ mit der RF- Erde verbunden. Ein von dem Vorverstärker kommender Strom I₁ wird durch eine Drossel (Induktivität) Ch₂ geführt, um einen geeigneten Strom zu erzeugen, um die Diode (Schalter) D₂ leitfähig zu machen, um also die PIN-Diode D₂ in Vorwärts­ richtung vorzuspannen. Die Drossel Ch₂ (oder hohe Impedanz) kann aus internen Komponenten des Vorfilters 20 bestehen.

In diesem Beispiel gibt die Verwendung des Vorverstär­ ker-Gleichstroms zum Vorspannen der PIN-Diode D₂ einer An­ tenne bis Rx einen Zwischenschaltverlust von ungefähr 0,3 dB. Es ist klar, daß der 22 mA Gleichstrom, der durch den Vorverstärker 22 fließt, von der Intermodulation und den Rauschzahl-Anforderungen der Empfängerschaltkreise bestimmt wird. Zusätzlich kann der Mikroprozessor 45 die Vorspannung V_TX für die Sendeschaltkreise auf eine analoge Weise, wie er die Empfängerschaltkreise 14 steuert, also durch Steuern ei­ ner schaltbaren Stromquelle (nicht gezeigt), die für das Er­ zeugen einer Vorspannung V_TX für die Sendeschaltkreise ver­ antwortlich ist, mit einem Steuerungssignal 47 regeln. Al­ ternativ kann die Vorspannung V_TX für den Senderschaltkreis von einem Hardware-Schalter, wie einer Sprechtaste (PTT) ge­ regelt werden.

In dem alternativen Ausführungsbeispiel der Fig. 2 könnte die schaltbare Stromquelle 42 durch eine Standard­ stromquelle mit einer Steuerung des von dem Vorverstärker 22 ausgegebenen Stroms I₁, der zwischen der RF-Erde und der Di­ ode D₂ durch jeweiliges Öffnen und Schließen eines parallel zu dem Kondensator C₂ angeordneten Schalters geregelt wird, ersetzt werden. Der Schalter könnte ein mechanischer Schal­ ter oder ein Transistorschalter sein.

Es ist klar, daß eine wie beschrieben entwickelte Erfin­ dung die neuartigen Vorteile eines Breitband-PIN-Dioden- Schalters bietet, die keine weitere Vorspannung außer durch eine Stromvorspannung, die durch mit dem Schalter verbundene Komponenten erzeugt wird, erfordert. Diese neuartige Schal­ terkonfiguration besitzt den wünschenswerten Vorteil, daß es eine Verringerung im Stromverbrauch während des Betriebs des Breitband-PIN-Diode-Schalter in einem Empfangs- oder Bereit­ schaftsmodus und somit eine Steigerung der Batterielebens­ dauer gibt. Zusätzlich besitzt die Möglichkeit der Verwen­ dung eines Breitband-PIN-Dioden-Schalters den weiteren Vor­ teil, daß der PIN-Dioden-Schalter klein verglichen mit einem Viertelwellen-Transformator-PIN-Schalter ist. Zusätzlich verringert die Verwendung des Schalters nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Komplexi­ tät des Schaltkreises, da die Erfordernis einer speziellen Vorspannung beseitigt ist.

Es ist dem Fachmann klar, daß die obige Beschreibung nur als Beispiel gegeben wurde und daß Modifikationen im Detail, wie etwa die Verwendung der Erfindung in elektronischen Vor­ richtungen, im allgemeinen innerhalb des Umfangs der Erfin­ dung ausgeführt werden können. Insbesondere ist diese Erfin­ dung auf tragbare elektronische Vorrichtungen anwendbar, die einen Batteriebetrieb verwenden und die selektive Isolierung der Schaltkreise erfordern, die sich eine gemeinsame elek­ trische Komponente teilen. Weiterhin ist das Konzept der Re­ duktion des Leistungsverbrauchs durch die PIN-Diode durch Vorspannen der Diode mit einem angelegten Strom, der von an­ deren in der Vorrichtung arbeitenden elektrischen Schalt­ kreisen herrührt, in allen elektrischen Schaltkreisen weit­ hin verwendbar.

Claims (6)

1. Antennenschalter für eine Kommunikationsvorrichtung zum Verbinden oder Entkoppeln eines Empfängerschaltkreises und einer Antenne, wobei zwischen dem Empfängerschaltkreis und der Antenne ein Halbleiterelement angeordnet ist, das ü­ ber einen elektrisch leitenden und einen elektrisch sperrenden Zustand eine elektri­ sche Verbindung zwischen dem Empfängerschaltkreis und der Antenne einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfängerschaltkreis (14) von einer mit dem Empfängerschaltkreis (14) verbindbaren Stromquelle (42) mit elektrischem Strom für einen gesteuerten elektri­ schen Betrieb versorgt wird, so dass beim Betrieb des Empfängerschaltkreises (14) ein Strom (I₁, I₂, I₃) aus dem Empfängerschaltkreis (14) fließt, und der Antennenschalter außerdem eine Vorrichtung zum Zuführen des Stroms (I₁, I₂, I₃) von dem Empfängerschaltkreis (14) zu dem Halbleiterelement (D₂) umfasst, um das Halbleiterelement (D2) beim Betrieb des Empfängerschaltkreises (14) aus sei­ nem elektrisch sperrenden in seinen elektrisch leitenden Zustand vorzuspannen.

2. Antennenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anten­ nenschalter einen Mikroprozessor (45) umfasst, der mit der Stromquelle (42) ver­ bindbar ist, um dieser zur Regelung des elektrischen Stroms von der Stromquelle (42) ein Steuerungssignal (46) zuzuführen, wobei der Mikroprozessor (45) bestimmt, ob elektrischer Strom an den Empfängerschaltkreis (14) angelegt wird.

3. Antennenschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenschalter weiterhin eine Drossel (Ch₂) umfasst, die zwischen den Empfän­ gerschaltkreis (14) und das Halbleiterelement (D₂) geschaltet ist, wobei der Strom (I₁, I₂, I₃) aus dem Empfängerschaltkreis (14) durch die Drossel (CH₂) geführt wird, um einen Strom zu erzeugen, der geeignet ist, das Halbleiterelement (D₂) in seinen leitfähigen elektrischen Zustand vorzuspannen.

4. Antennenschalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (11) außerdem mit einem Sendeschaltkreis (12) verbunden ist und das Halbleiterelement (D₁) die Antenne (11) mit dem Sendeschaltkreis (12) oder dem Empfängerschaltkreis (14) verbindet oder entkoppelt.

5. Antennenschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Antennenschalter wenigstens eine PIN-Diode (D₁, D₂) umfasst.

6. Verfahren zum Verbinden oder Entkoppeln eines Empfängerschaltkreises und ei­ ner Antenne mit Hilfe eines Halbleiterelementes, das zwischen den Empfänger­ schaltkreis und die Antenne geschaltet ist, mit dem Schritt der Entkopplung des Empfängerschaltkreises von der Antenne, indem das Halbleiterelement in einen e­ lektrisch sperrenden Zustand gebracht wird, gekennzeichnet durch die Schritte Zuführen eines Stroms zu dem Empfängerschaltkreis (14), um diesen zu betreiben, und Zuführen eines Stroms (I₁, I₂, I₃) von dem Empfängerschaltkreis (14) beim Betrieb des Empfängerschaltkreises (14) zu dem Halbleiterelement (D₂), um das Halbleiter­ element (D₂) während des Betriebs des Empfängerschaltkreises (14) von einem e­ lektrisch sperrenden Zustand in einen elektrisch leitenden Zustand vorzuspannen.