DE4342249C2 - Antennenschalter und Verfahren zum Verbinden oder Entkoppeln eines Empfängerschaltkreises mit einer Antenne - Google Patents
Antennenschalter und Verfahren zum Verbinden oder Entkoppeln eines Empfängerschaltkreises mit einer AntenneInfo
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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 VTx
und VRx selektiv an die Anoden der Dioden D1 beziehungsweise
D2 angelegt. Weiterhin werden die Vorspannungen VTx und VRx
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 VRx 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 VRx 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 VRx 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 VBATT 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 VBatt. 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
VTX 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 VTX für die Sendeschaltkreise ver
antwortlich ist, mit einem Steuerungssignal 47 regeln. Al
ternativ kann die Vorspannung VTX 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.
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
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