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Die Erfindung betrifft ein Empfangsmodul, insbesondere
ein GPS (Global Position System)-Empfangsmodul zum Empfangen von
GPS-Signalen und zum Ermitteln von Positionsdaten daraus, sowie
eine Dualband-Antenne für
ein solches Empfangsmodul. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltungsplatine
(PCB) sowie ein mobiles Telekommunikationsgerät mit einer solchen Dualband-Antenne.
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GPS-Signale dienen bekanntlich zur
weltweiten Positionsbestimmung und Navigation und werden von einem
Satellitenverbund von insgesamt 24 Satelliten ausgestrahlt, die
auf verschiedenen Umlaufbahnen die Erde so umkreisen, dass an jeder Stelle
der Erdoberfläche
zu jeder Zeit mindestens fünf
Satelliten sichtbar sind.
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Die Positionsbestimmung beruht dabei
auf dem Prinzip einer Laufzeitmessung von Signalen, die elektromagnetischen
Trägerwellen
mit einer Trägerfrequenz
von 1575,42 MHz aufmoduliert sind. Die von den Satelliten ausgesendeten
Signale sind zeitsynchronisiert und bestehen aus zwei Teilen. In
einem ersten Teil sind die jeweiligen Satellitenpositionen und die
Uhrzeit enthalten, mit der sich eine Uhr in dem GPS-Empfänger synchronisiert.
Anhand des zweiten Teils ermittelt der GPS-Empfänger die Bahndaten der Satelliten,
die momentan empfangen werden können.
Daraus wird dann die Position des GPS-Empfängers berechnet.
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GPS-Empfangsmodule, die die dafür erforderliche
Empfangs- und Auswerteelektronik enthalten, sind bekannt. In Abhängigkeit
von dem für
das Modul vorgesehenen Anwendungszweck werden die Positionsdaten
entweder an einer Schnittstelle zur weiteren Verarbeitung in anderen
Einheiten zur Verfügung
gestellt, oder das Modul weist eine integrierte Anzeigeeinheit für die Positionsdaten
auf. Module dieser Art sind zum Beispiel in mobile und stationäre Navigationsgeräte für Anwendungen
in der Luftfahrt, Seefahrt und im Straßenverkehr eingebaut.
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Da die GPS-Module immer kleiner und
kostengünstiger
werden, besteht das Bestreben, diese auch in Geräte einzubauen, die nicht typischerweise der
Navigation dienen, wie zum Beispiel Mobiltelefone, tragbare Rechner
und Armbanduhren. Die Integration eines GPS-Moduls in ein solches
Gerät erfordert
allerdings in vielen Fällen
auch weitgehende Eingriffe in die Elektronik des Gerätes an sich,
wenn zum Beispiel Eingaben für
das GPS-Modul über
eine Tastatur des Gerätes
vorgenommen oder Positionsdaten an einem Display des Gerätes angezeigt
werden sollen.
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Eine für diesen Zweck vorgesehene
Dualband-Antenne des GPS-Moduls muss in der Lage sein eine Kommunikationsverbindung
mit den genannten Geräten
herzustellen. Dazu muss sie nicht nur GPS-Signale empfangen können, sondern
auch Signal wie z.B. Bluetooth-Signale in höheren Frequenzbereichen senden
und empfangen können. Üblicherweise
ist der Antenne zur Filterung der Signale ein passives Filterelement
(z.B. Diplexfilter) oder ein aktives Schaltelement nachgeschaltet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Empfangsmodul mit einer in der Antenne integrierten Filterfunktionalität zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch ein Empfangsmodul mit
einer Antenne gelöst,
bei der mindestens eine erste und eine zweite resonante Leiterbahnstruktur über einen
ersten Anschlusspunkt mit einer ersten Leiterbahn auf einer Schaltungsplatine
verbunden sind und mindestens eine zweite und dritte Leiterbahn
auf der Schaltungsplatine als Anschlüsse der Antenne vorgesehen
sind.
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Ein Vorteil dieser Lösung besteht
darin, dass eine ausreichende Filterfunktionalität zwischen einem ersten und
einem zweiten Frequenzband gewährleistet
wird. Auf diese Weise ist eine der Antenne nachgeschaltete Elektronik
wie z.B. ein Diplexfilter zur Filterung der Signal nicht mehr erforderlich. Bei
einer Massenproduktion des Empfangsmoduls können so die Produktionskosten
erheblich reduziert werden.
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Mit der Ausführungsform gemäß den Ansprüchen 2 bis
4 wird die erste Leiterbahn mit einem Massepotential der Schaltungsplatine
verbunden. Gleichzeitig wird die zweite Leiterbahnen auf der Schaltungsplatine über einen
zweiten Anschlusspunkt mit einer dritten Leiterbahnstruktur der
Antenne verbunden. Die dritte Leiterbahn wird über einen dritten Anschlusspunkt
mit der Antenne kontaktiert. Sowohl die zweite als auch die dritte
Leiterbahn sind als Hochfrequenzzuleitungen vorgesehen.
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Die erste und zweite Leiterbahnstruktur
beginnt am ersten Anschlusspunkt und enden jeweils in einen separaten
Endpunkt. Dabei entspricht die Einzellänge (l
i)
einer einzelnen Leiterbahnstruktur jeweils ungefähr der Hälfte der Wellenlänge der
Resonanzfrequenz. (f
i). Die Einzellänge (l
i) beträgt
näherungsweise:
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Außerdem betrifft die Erfindung
eine Antenne mit einem Substrat. Die Antenne weist mindestens eine
erste und eine zweite resonante Leiterbahnstruktur auf, die über einen
ersten Anschlusspunkt mit einer ersten Leiterbahn auf einer Schaltungsplatine
verbunden sind. Die Antenne besitzt mindestens zwei weitere Anschlusspunkte, über die zwei
weitere Leiterbahnen auf der Schaltungsplatine als Anschlüsse der
Antenne vorgesehen sind.
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Die Erfindung betrifft auch eine
gedruckte Schaltungsplatine, insbesondere zur Oberflächenmontage
von elektronischen Bauelementen, und ein Telekommunikationsgerät mit einer
solchen Antenne.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines GPS-Empfangsmoduls;
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2 eine
Schaltungsplatine mit einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Dualband-Antenne;
und
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3 ein
Impedanzspektrum der Antenne gemäß 3.
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen GPS-
Empfangsmoduls 1 mit einer Dualband-Antenne 2 dargestellt.
Die Dualband-Antenne 2 ist mit einer durch einen Block 5 schematisch
dargestellten, integrierten Filterfunktionalität ausgestattet. Weiterhin ist
die Dualband-Antenne über
zwei Verbindungen mit dem GPS-Empfangsmodul verbunden, wobei eine
der Verbindungen eine bidirektionale Verbindung ist. Das GPS-Empfangsmodul 1 besteht
aus einem jeweils für
GPS-Signale und Bluetooth (BT)-Signale
gemeinsamen HF- Schaltungsteil 3 sowie einen gemeinsamen
Basisband-Schaltungsteil 4.
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Das HF-Schaltungsteil 3 ist
zum Empfang und zum Umsetzen von GPS-Signalen in niederfrequente
Positionssignale sowie zum Empfang und zum Senden von BT-Signalen
vorgesehen. Das über eine
erste Verbindung an das HF-Schaltungsteil 3 angeschlossene
Basisband-Schaltungsteil 4 setzt die Positionssignale um
in Positionsdaten, die für
einen Nutzer auswertbar sind. Zu diesem Zweck sind verschiedene
Signalverarbeitungsverfahren bekannt, auf die hier nicht näher eingegangen
wird.
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Darüber hinaus verfügt das Basisband-Schaltungsteil 4 über eine
zweite, bidirektionale Verbindung zum HF-Schaltungsteil 3, über die
zu sendende bzw. empfangende BT-Signale
ausgetauscht werden können.
Diese Signale werden im Basisband-Schaltungsteil 4 zu diesem
Zweck entsprechend dem BT-Standard codiert bzw., decodiert sowie
gegebenenfalls komprimiert bzw. dekomprimiert. Auch hierfür sind Signalverarbeitungsverfahren
bekannt, die hier nicht näher
erläutert
werden sollen.
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Das GPS-Empfangsmodul 1 verfügt über eine
Interface-Schaltung 6, die an das Basisband-Schaltungsteil 4 über zwei
Verbindungen angeschlossen ist. Eine erste Verbindung dient zur Übertragung
der für
einen Nutzer auswertbaren Positionsdaten an die Interface-Schaltung 6 und über eine zweite
bidirektionale Verdingung werden Informationen zur Kodierung in
den Bluetooth-Standard bzw. die dekodierten Information übertragen. Über die
Interface-Schaltung 6 können
mittels der externen Drahtverbindung andere Geräte bidirektional angeschlossen
werden.
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Mit dem GPS-Empfangsmodul 1 können somit
GPS-Signale empfangen, umgesetzt und in Positionsdaten umgewandelt
werden, die dann über
die Interface-Schaltung 6 dem Basisband-Schaltungsteil 4 und
HF-Schaltungsteil 3 zugeführt werden, um diese Daten
nach der Umwandlung in nach dem BT-Standard codierte Signale über die
Antenne 2 an ein anderes Gerät zu übertragen (zum Beispiel einen Computer,
ein Mobiltelefon usw.), das eine Schnittstelle zum Empfang und Decodierung
von BT-codierten Signalen aufweist.
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Alternativ dazu können die Positionsdaten über die
Interface-Schaltung 6 auch solchen Geräten (zum Beispiel eine Anzeigeeinheit)
zugeführt
werden, die keine Bluetooth-Schnittstelle
aufweisen.
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Weiterhin können über die Antenne 2 sowie über die
zweite, bidirektionale Verbindung Bluetooth-Signale von anderen
Geräten
empfangen werden, die dann in ein Basisband umgesetzt, decodiert und
darüber
die Interface-Schaltung 6 und die externe Drahtverbindung
einem angeschlossenen Gerät zur
Steuerung und/oder Datenübermittlung
zugeführt werden.
Die Interface-Schaltung 6 kann umgekehrt auch zur drahtgebundenen Übertragung
von Daten von einem externen Gerät
zu dem Basisband-Schaltungsteil 4 ausgelegt sein.
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2 zeigt
eine Schaltungsplatine 7 mit der Antenne 2. Die
Antenne 2 wird mit mehreren, hier nicht dargestellten Lötpunkten
durch Oberflächenmontage
(SMD-Technik) auf
die Schaltungsplatine 7 gelötet. Diese Antenne ist vom
Grundtyp eine sogenannte „Printed
Wire Antenne", bei
der auf ein Substrat eine oder mehrere Leiterbahnen aufgebracht sind.
Prinzipiell handelt es sich bei diesen Antennen somit um Drahtantennen,
die im Gegensatz zu Mikrostreifenleitungs-Antennen keine ein Bezugspotential bildende
metallische Fläche
auf der Rückseite
des Substrats aufweisen.
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Die Antenne 2 besteht aus
einem keramischen Substrat 8 in Form eines im wesentlichen
quaderförmigen
Blockes, dessen Höhe
etwa um einen Faktor 3 bis 10 kleiner ist als dessen Länge oder
Breite. Anstelle eines quaderförmigen
Substrats 8 sind auch andere geometrische Formen wie zum
Beispiel eine Zylinderform möglich,
auf die entsprechende Leiterbahnstrukturen aufgebracht werden.
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Die Substrate können durch Einbetten eines keramischen
Pulvers in eine Polymermatrix hergestellt werden und haben eine
Dielektrizitätszahl
von εr > 1
und/oder eine Permeabilitätszahl
von μr > 1.
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Davon ausgehend soll in der folgenden
Beschreibung die in der 2 jeweils
obere bzw. untere (große)
Fläche
des Substrats als erste obere bzw. zweite untere Stirnfläche und
die demgegenüber senkrechten
Flächen
(Umfang des Substrats) als erste bis vierte Seitenfläche bezeichnet
werden.
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An der unteren Stirnfläche im Bereich
der Mitte einer ersten Seitenfläche 9 befindet
sich ein erster Anschlusspunkt 10, von dem aus zwei resonante,
im wesentlichen auf der unteren Stirnfläche verlaufende Leiterbahnstrukturen 11 und 12 ausgehen.
Im Hinblick auf ihre resonante Längen
ist die erste Leiterbahnstruktur 11 auf das Frequenzband der
GPS- Signale und die zweite Leiterbahnstruktur 12 auf das
Frequenzband der BT-Signale
abgestimmt. Die Breite aller Leiterbahnstrukturen auf der Antenne 2 beträgt ca. 1
mm.
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Die erste Leiterbahn 11 ist
im wesentlichen in fünf
Leiterbahnabschnitte 13 bis 17 unterteilt. Der erste
Leiterbahnabschnitt 13 verläuft gradlinig vom Anschlusspunkt 10 aus
zu einer der ersten Seitenfläche 9 gegenüberliegenden,
zweite Seitenfläche 18. Ein zweiter
Leiterbahnabschnitt 14 geht von dem ersten Leiterbahnabschnitt 13 aus
und erstreckt sich entlang der Kante der zweiten Seitenfläche 18.
Senkrecht zum zweiten Leiterbahnabschnitt 14 verläuft ein dritter
Leiterbahnabschnitt 15, der nahezu parallel zum ersten
Leiterbahnabschnitt 13 angeordnet ist und an der ersten
Seitenfläche 9 endet.
An den dritten Leiterbahnabschnitt schließt sich auf der ersten Seitenfläche 9 und
senkrecht zur Schaltungsplatinenoberfläche ein vierter Leiterbahnabschnitt 16 an. Er
endet in einem kurzen Leiterbahnabschnitt 17 auf der oberen
Stirnfläche.
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Auf etwa ein Viertel der Länge des
Leiterbahnabschnitts 13 vom Anschlusspunkt 10 erstreckt sich
senkrecht zum Leiterbahnabschnitt 13 die zweite Leiterbahnstruktur 12.
Die zweite Leiterbahnstruktur 12 wird aus vier Leiterbahnabschnitten 19 bis 22 gebildet.
Ein erster Leiterbahnabschnitt 19 erstreckt sich nahezu
senkrecht von dem Leiterbahnabschnitt 13 bis zu einer unteren
Kante einer dritten Seitenfläche 23.
Ein zweiter Leiterbahnabschnitt 20 schließt sich
an den ersten Leiterbahnabschnitt 19 an und verläuft entlang
der unteren Kante der dritten Seitenfläche 23 in Richtung
und bis zu der zweiten Seitenfläche 18.
Ausgehend vom Ende des zweiten Leiterbahnabschnitts 20 erstreckt
sich über
die gesamte Höhe
der zweiten Seitenfläche 18 ein
dritter Leiterbahnabschnitt 21. Die zweite Leiterbahnstruktur 12 endet
in einem vierten Leitbahnabschnitt 22, das sich an den
dritten Leiterbahnabschnitt anschließt und auf der oberen Stirnfläche entlang
der dritten Seitenfläche 23 verläuft.
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Sowohl die erste Leiterbahnstruktur 11 als auch
die zweite Leiterbahnstruktur 12 sind über den ersten Anschlusspunkt 10 mit
einer ersten Leiterbahn 24 auf der Schaltungsplatine 7 verbunden.
Die Leiterbahn 24 ist wiederum mit einem Massepotentials
der Schaltungsplatine kontaktiert. Ihre Breite beträgt ca. 1mm
und sie ist 2mm lang.
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Die Antenne 2 ist über einen
zweiten Anschlusspunkt 28 mit einer zweiten Leiterbahn 29 verbunden.
Der zweite Anschlusspunkt 28 befindet sich an einer unteren
Kante der ersten Seitenfläche 9 gegenüberliegend
dem ersten Leiterbahnabschnitt 19 der zweiten Leiterbahnstruktur 12.
Ausgehend von dem zweiten Anschlusspunkt 28 verläuft eine Leiterbahn 30 über die
gesamte Höhe
der ersten Seitenfläche 9 und
erstreckt sich mit einer Länge
von ca. 2 mm auf der oberen Stirnfläche des Substrats. Der zweite Anschlusspunkt 28 und
die zweite Leiterbahn 29 bilden einen 50 Ω Anschluss
für den
BT-Signalweg.
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Eine dritte Leiterbahn 25 auf
der Schaltungsplatine 7 kontaktiert die Antenne 2 über einen
dritten Anschlusspunkt 26. Der dritte Anschlusspunkt 26 befindet
sich an der unteren Kante einer vierten Seitenfläche 27 und dient gemeinsam
mit der Leiterbahn 25 als ein 50 Ω Anschluss für den GPS-Signalweg.
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Im wesentlichen wird durch den Abstand
der ersten und zweiten Leiterbahn 25 und 29 zueinander die
Isolation der Signale bestimmt. Die Breite der ersten und zweiten
Leiterbahn 25 und 29 auf der Schaltungsplatine 7 beträgt ca. 1.8
mm.
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In 3 ist
der Verlauf der Impedanzen einer solchen Antenne dargestellt. Dabei
sind Eingangsreflexionen an der dritten, für den GPS-Signalweg vorgesehenen
Leiterbahn 25 (s22) sowie der zweiten,
für den
BT-Signalweg vorgesehenen Leiterbahn 29 (s11) und
die Transmission bzw. Isolation zwischen den beiden Leiterbahnen
(s21, s12) über der
Frequenz aufgetragen.
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Bei der GPS-Frequenz (1.573 GHz)
zeigt das Empfangsmodul an der GPS-Leiterbahn 25 (s22) eine Anpassung von ca. –35 dB,
dem gegenüber wurde
eine Anpassung von nur ca. –1
dB an der BT-Leiterbahn 29(s11)
gemessen. Die Mittenfrequenz des BT-Bandes (2.442GHz) ist an der
BT-Leiterbahn 29(s11) mit ca. –15 dB angepasst,
der GPS-Leiterbahn 25(s22) zeigt bei dieser Frequenz ebenfalls nur eine
Anpassung von ca. –1
dB. Dies führt
dazu, dass eine starke Isolation zwischen den beiden Leiterbahnen 25 und 29 (GPS-BT)
herrscht. Diese ist immer weniger als –10 dB über den gemessen Frequenzbereich
von 1-3 GHz.
