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Diese
Erfindung betrifft einen Antennenschalter zwischen dem Ausgang einer
Senderstufe und dem Eingang eine Empfängerstufe. Die Erfindung ist
insbesondere in Mobiltelefonen einsetzbar.
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In
einem System wie einem Funkbereichstelefon mit so genannter TDMA-Modulation (in Englisch
Time Division Multiple Access) muss die Antenne wechselweise am
Ausgang der Senderschaltung oder am Eingang der Empfängerschaltung
verwendet werden. Es ist dann notwendig, diese beiden Schaltungen
jeweils voneinander zu isolieren. Tatsächlich geht, wenn die Senderschaltung
nicht einwandfrei isoliert ist, ein bezeichnender Teil der Senderleistung
in die Empfängerschaltung über, die
in diesem Moment verwendet wird; außerdem wird ein Teil der Senderleistung
an seine Quelle zurückgeschickt,
ohne überhaupt
zur Antenne zu gelangen. Desgleichen würde eine schlechte Isolierung
beim Empfang in Bezug auf die Senderschaltung durch Fading oder
Fehlanpassung zu Verlusten führen.
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Heutzutage
sind elektrostatische Relais, wie beispielsweise in dem Dokument
US-A-5578976 beschrieben, nicht ausreichend schnell, und dieser
Antennenschalttyp kann für
den Erhalt der wünschenswerten
Lebensdauer und Schnelligkeit nur mithilfe von Halbleitern wie einer
PIN-Diode verwendet werden. Aber mit solch einem Element betragen
die Verluste aufgrund der Tatsache seines seriellen Widerstands
und der Strombegrenzung, die ihm auferlegt wird (in der Größenordnung
von 1 Milliampere), mindestens 1 Dezibel. Andererseits ist der Kompressionspunkt
eines solchen Schalters nicht sehr hoch und seine Linearität folglich
mäßig.
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Ein
Ziel der Erfindung ist es folglich, einen Antennenschalter vorzuschlagen,
der die hiervor erwähnten
Nachteile behebt.
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Für diesen
Zweck betrifft die Erfindung eine Vorrichtung nach Anspruch 1.
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Die
so vorgeschlagene Vorrichtung versichert mit sehr geringen Verlusten
eine Hochfrequenzschaltung mit kontrollierter Impedanz einer Dauer
unter 1 Millisekunde mit einem an den Ausgangsbereich der Senderschaltung
angepassten Leistungsverhalten, das es im Falle einer falschen Handhabung
des Anwenders selbst ermöglicht,
einen momentan ausbleibenden Anschluss der Antenne zu überbrücken. Die
Beibehaltung der charakteristischen Impedanz begrenzt außerdem den
Wert der Verluste durch Fehlanpassung und trägt zur Erhaltung der verbrauchten
Leistung der Vorrichtung auf einem geringen Wert bei, wobei das
Gewicht und der begrenzte mechanische Raumbedarf ebenfalls Vorzüge sind.
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Gemäß zwei möglichen
Herstellungsvarianten bilden die jeweiligen unteren Teile der besagten Innenseiten
die Kontakte entsprechend der Ruheposition und die oberen Teile
die Kontakte entsprechend der Arbeitsposition, wobei der besagte
bewegliche Kontakt parallel zu den Innenseiten der besagten Anker
versetzbar ist, oder aber die Anker werden aus einer Verbindung
von heraustretenden Teilen gebildet, wobei der bewegliche Kontakt
zu den besagten Ankern zwischen den heraustretenden Teilen eines
Ankers, der der Ruheposition entspricht, und den heraustretenden
Teile des anderen Ankers, der der Arbeitsposition entspricht, transversal
versetzbar ist. Gemäß einer
dritten Ausführungsvariante
ist das besagte Betätigungsgerät ein piezoelektrischer
Motor mit einerseits einem durch piezoelektrische oder magnetostriktive
Wirkung verformbaren Teil und einem festen Träger und andererseits einem
beweglichen Teil zur Bildung des besagten beweglichen Kontakts, wobei
die piezoelektrische Wirkung und die mechanische Friktion zwischen
einerseits dem verformbaren Teil und seinem festen Träger und
andererseits dem Teil zur Bildung des beweglichen Kontakts vorgesehen
ist, um abwechselnd Verformungen am besagten verformbaren Teil entsprechend
seinen beiden transversalen Achsen auszulösen.
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Die
Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden
Beschreibung und in den beigefügten
Figuren, als nicht erschöpfende
Beispiele gegeben, präziser
ersichtlich, von denen:
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1 einen
Prinzipschaltplan der Anordnung eines Antennenschalters zwischen
den Sender- und Empfängerstufen
eines Mobiltelefons zeigt;
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2 und 3 zwei
Ausführungsformen eines
Antennenschalters gemäß der Erfindung
zeigt;
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4 ein
Beispiel einer mit einer Abschirmung ausgerüsteten Schaltvorrichtung zeigt;
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5 eine
dritte Ausführungsform
einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
zeigt;
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6 eine
Graphik ist, welche den Anstieg der Verluste mit der Frequenz durch
Fehlanpassung hervorhebt und die vorgeschlagene Lösung zeigt;
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7 und 8 zwei
mögliche
Schemata einer Kabelführung
zeigt, welche die Behebung der besagten Fehlanpassung ermöglicht.
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Das
in 1 dargestellte Sender/Empfänger-System für Mobiltelefone
umfasst eine Senderstufe 1, eine Empfängerstufe 2, eine
Antenne 3 und einen Schalter 4, welcher es ermöglicht,
die Antenne abwechselnd mit dem Ausgang der Senderstufe oder mit
dem Eingang der Empfängerstufe
zu verbinden. Dieser Schalter 4 umfasst wiederum einen
beweglichen Kontakt 5 in Verbindung mit der Antenne 3 sowie
einen ersten festen Kontakt 6 in Verbindung mit dem Ausgang
der Senderstufe 1 und einen zweiten festen Kontakt 7 in
Verbindung mit dem Eingang der Empfängerstufe 2.
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Die
Sender- und Empfängerstufe 1 und 2 werden
nicht im Detail beschrieben, denn sie haben selbst keinen direkten
Bezug zur Erfindung. Es wird lediglich präzisiert, dass die Senderstufe
in Serie hauptsächlich
Elemente wie die Schaltung zur Erzeugung eines modulierten Audiosignals,
einen Frequenzumwandler, einen Frequenzbereichsfilter und einen
Hochfrequenzverstärker
enthält,
während
die Empfängerstufe
umgekehrt in Serie hauptsächlich Elemente
wie einen Hochfrequenzverstärker,
einen Frequenzbereichsfilter und einen Frequenzumwandler enthält.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
Schaltvorrichtung entsprechend der Erfindung. Diese Vorrichtung
ist ein piezoelektrisches Betätigungsgerät mit zwei
festen Ankern 21 und 22 und dazwischen einem beweglichen
Kontakt 23 aus einem piezoelektrischen Material. Die Innenseiten
der zwei festen Anker sind zur Bildung von elektrischen Kontakten
lokal metallisiert. Unter „lokal" muss man in der hier
beschriebenen Ausführungsform
verstehen, dass die jeweiligen unteren Teile 101 und 102 der
besagten Innenseiten Kontakte entsprechend einer so genannten „Ruheposition" bilden, während ihre
oberen Teile 103 und 104 Kontakte entsprechend
einer so genannten „Arbeitsposition" bilden.
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Die
Funktionsweise der Vorrichtung ist folgende. Elektroden 28 und 29 führen dem
beweglichen Kontakt 23 eine Steuerspannung zu, die diesen letzteren
verformt und aus seiner „Ruheposition" in seine „Arbeitsposition" übergehen lässt; Die Rückkehr in die „Ruheposition" findet am Ende dieser Steuerung
statt. Diese doppelte Bewegung des Endes des beweglichen Kontakts 23,
hier in der Zwischenposition dargestellt, die er in der Mitte seiner Versetzung
einnimmt, wird in 2 mit dem doppelten Pfeil gezeigt.
Die piezoelektrische Bewegung starker Amplitude dieses beweglichen
Kontakts kann mit einer Hebelwirkung erhalten werden, auch „verstärkter Aktuator" bezeichnet. In diesem
Fall wird die Versetzung mit dem Verhältnis der Distanzen zur Achse
dieses Hebels multipliziert.
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3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
Schaltvorrichtung, in der die Anker der Kondensatoren (jetzt 31 und 32 bezeichnet)
zur Herstellung des Kontakts aus einer Verbindung mit kleinen Zylinderformen
gebildet werden, welche eine Erhöhung des
Werts der betreffenden Kapazität
ermöglichen. Die
Funktionsweise ist folgende. Der bewegliche Kontakt, jetzt 33 bezeichnet,
versetzt sich jetzt gemäß einer
zu der der Zylinder parallelen Achse (horizontale Achse in 3)
transversal an die Anker; dieser Kontakt 33 enthält auf seinen
zwei Seiten metallisierte Zylinder 131R, 131T,
die in entsprechende Vertiefungen 231R, 231T der
festen Anker eindringen, wenn sich der Kontakt 33 unter
der Wirkung der Steuerspannung verformt. In Ermangelung solch einer
Steuerspannung bilden die Zylinder 131R mit den Vertiefungen 231R auf
der Seite des festen Ankers 31 für den Aufbau des „Ruhekontakts" einen Hochfrequenz-Kontaktkondensator;
wenn das Steuersignal vorhanden ist, bilden die Zylinder 131T zugleich einen
Kondensator mit den Vertiefungen 231T auf der Seite des
festen Ankers 32, um dem „Arbeitskontakt" aufzubauen.
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Als
Beispiel können
für die
zwei Ausführungsformen
der 2 und 3 in der Annahme einer Verformung
des beweglichen Kontakts um 1 Millimeter Werte der Kontaktkondensatoren
gegeben werden. In der Ausführungsform
der 2 wird jeder Kontakt mittels zweier flacher Kondensatoren
hergestellt, beispielsweise von 1 × 4 Millimetern, was mit einem
Freiraum von 0,1 Millimeter für
das mechanische Spiel der Teile einen Kapazitätswert gleich 0,71 Pikofarad
ergibt. In der Ausführungsform
der 3 wird jeder Kontakt aus vier Zylindern mit beispielsweise
einer Länge
von 1 Millimeter und einem Durchmesser von 2 Millimetern gebildet,
und die erhaltene Kapazität
hat dann 2,2 Pikofarad.
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Man
weise darauf hin, dass die Beibehaltung der charakteristischen Impedanz
der Leitung, notwendig für
die gute Propagation der Hochfrequenzsignale, mit einer geeigneten
Geometrie der Vorrichtung erhalten werden kann (diese Impedanz hängt von
der Form und den Abmessungen des beweglichen Kontakts und dem Vorhandensein
einer an die Masse der Vorrichtung angeschlossenen Abschirmung ab,
um jeder Übertragungsleitung
als Masse zu dienen, wobei 4 ein Anordnungsbeispiel
einer solchen Abschirmung 41 zeigt).
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel,
in 5 dargestellt, verwendet die piezoelektrische
Wirkung mit Verformungen schwacher Amplitude (wie von 10 bis 20 μm) und die
mechanische Friktion zwischen einerseits einem Teil 51,
welcher Verformungen durch piezoelektrische Wirkung (oder aber durch
magnetostrikitve Wirkung) ausgesetzt ist, und einem festen Träger 52 und
andererseits einem beweglichen Teil 53, welcher als beweglicher
Kontakt in dem betrachteten Hochfrequenzrelais verwendet wird. Die
abwechselnden Verformungen des piezoelektrischen Teils 51 werden
derart gemäß zwei zueinander
rechtwinkligen (oder generell transversalen) Achsen gesteuert, dass
ein tangierender Punkt seiner Fläche eine
Ellipse beschreibt, wie für
das zylinderförmige Teil
der 5 dargestellt, und die Friktion allgemein mittels
einer Miniaturzahnung aus Titan versichert wird. Diese mechanische
Anordnung kann mit dem Namen „piezoelektrischer
Motor" bezeichnet
werden, wovon andere herkömmliche
Ausführungsformen
bekannt sind, von denen die Übertragungsbewegungen,
die anhand von welligen Verformungen der Fläche geschaffen werden, was
weitgehend durch Friktion gewährleistet
wird, oder die Übertragungsbewegungen
einer Scheibe, die anhand derartiger zur Achse dieser Scheibe radialer
Verformungen erzeugt werden, erwähnt
werden können.
Die anderen Elemente sind gleichartig mit einem metallisierten Teil 54 des
beweglichen Teils 53 zur Herstellung des Kontakts mit kapazitiver
Wirkung auf die Anker 55.
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Der
hauptsächliche
Vorteil solcher Motoren für
die Verwendung der dem Antennenschalter zugeführten Piezoelektrizität liegt
im vollkommen ausbleibenden Stromverbrauch außerhalb der Schaltphasen des
Schalters; solch eine mechanische Vorrichtung ist selbstsperrend.
Für die
Steuerung der Bewegung werden abwechselnde Steuersignale entlang der
zwei Achsen benötigt,
aber mit sehr schwachen zugeführten
Spannungen der Größenordnung
von einigen Volt, die aus dem schwachen Wert der elementaren mechanischen
Verformungen resultieren. Die erhaltene Versetzungsgeschwindigkeit
kann hoch und folglich kompatibel mit der Schaltschnelligkeit sein,
die für
Antennenschaltungen von Produkten, die in TDMA-Kommunikationsnetzwerken arbeiten, geforderten
werden. Ein piezoelektrischer Motor beispielsweise, angetrieben
durch Verformungen von 25 μm
und betätigt
bei einer Frequenz von 30 kHz, hat eine Versetzungsgeschwindigkeit
entsprechend 0,75 m/s, was einer Versetzung von 0,75 mm in 1 Millisekunde
entspricht.
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Selbstverständlich ist
diese Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen und dargestellten
Ausführungsbeispiele
begrenzt, anhand derer Varianten vorgeschlagen werden können. Die
Ausführung
der 2 kann beispielsweise folgendermaßen vereinfacht
werden. Der bewegliche Kontakt enthält Metallseiten, aber keinen
Anschluss nach außen.
Der Kontakt der „Ruheposition" verläuft dann
per doppelt kapazitiver Wirkung zwischen dem festen metallisierten Anker 21 (Innenseite 101)
und dem beweglichen Kontakt, und dann zwischen eben diesem beweglichen
Kontakt und dem festen metallisierten Anker 22 (Innenseite 102).
Ebenso verläuft
der Anschluss in „Arbeitsposition" per doppelt kapazitiver
Wirkung zwischen den oberen Teilen des festen Ankers und dem beweglichen
Kontakt.
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Außerdem kann
es vorkommen, dass die Schaltung durch kapazitive Wirkung trotz
der Frequenz nicht ausreicht. Die Kurve A der 6 verdeutlicht
beispielsweise einen Verlust der Größenordnung von 1,8 dB bei 900
MHz durch Fehlanpassung aufgrund des Vorhandenseins einer seriellen Kapazität. Es ist
dann von Nutzen, diese Fehlanpassung zu kompensieren, indem man
eine serielle Induktanz eines gewählten Wertes vorsieht, um mit
der besagten Kapazität
bei Arbeitsfrequenz eine Resonanz zu erzeugen und somit Verluste
bei dieser Frequenz zu kompensieren, wie es Kurve B der 6 zeigt.
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Zwei
Schemata von Kabelführungen,
auf den 7 und 8 dargestellt,
können
vorgeschlagen werden, um diese Induktanz einzubringen. In 7 ist
am gemeinsamen mit der Antenne verbundenen Ausgang eine einzige
Induktanz 71 vorgesehen, um jede der zwei Anschlusskapazitäten CT und CR
in den Arbeits(Senderstufe) und Ruhezuständen (Empfängerstufe) zu bilden; sie kann
eine traditionelle Luftinduktanz sein, mit Ferrit- oder Keramikkern, oder
aber aus einem Leitungsstück
gebildet werden, und ihr Einbau kann intern oder extern zur Schaltvorrichtung
stattfinden. In 8 sind zwei Induktanzen 81 und 82 vorgesehen,
die eine in der Senderstufe und die andere in der des Empfängers, um
jede der Kapazitäten
CT und CR zu bilden; dieses Schema kann sich für nicht standardisierte Ladeimpedanzen oder
dafür eignen,
gemäß der Position
des Relais unterschiedliche Kapazitäten zu kompensieren. Im einen
oder anderen Fall wird die Anpassung bei einer bestimmten und einzigen
Arbeitsfequenz ausgeführt. Es
werden Anpassungsschaltungen verwendet, die mehrere Bauteile verbinden,
wenn man dieselbe Funktion in einem breiteren Frequenzband verwenden
und sie im Falle eines Sender/Empfänger-Multistandards insbesondere
auf zwei besondere Frequenzbänder
optimieren will.
- pertes
- = Verluste
- CT
- = Arbeitskapazität
- CR
- = Ruhekapazität