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Die Erfindung betrifft ein Sende-
und Empfangssystem für
den Betrieb von Mobilfunkgeräten, insbesondere
in den Frequenzbereichen der digitalen, zellular aufgebauten Funknetze,
wie 900 MHz und 1 800 MHz. Das System gestattet z.B. die Nutzung
von Handgeräten
der GSM-Leistungsklasse
4 (Sendeleistung 2 Watt) nach dem Prinzip des kombinierten Fahrzeug/Portable-Geräts.
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Durch die Verringerung der Versorgungsradien
der Netzzellen in den Funknetzen – bzw. für den Funkbetrieb innerhalb
von Versorgungsgebieten mit Kleinzellentechnik – ist es möglich, die Sendeleistung der
Mobilstationen und der Handgeräte
gravierend zu senken. Bei entsprechender Netzstruktur sind, wie auch
in den fünf
Leistungsklassen des GSM-Standards (Global System for Mobile Communication) festgelegt,
Sendeleistungen des Handgeräts
von maximal 2 W bzw. sogar von nur 0,8 W (Leistungsklasse 5) vollkommen
ausreichend.
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Derartige Geräte sind auch bereits eingeführt und
finden auf Grund der günstigen
Preisstellung im Vergleich zu den fahrzeuggebundenen Ausführungen
höherer
Sendeleistung in zunehmendem Maß Käufer und
Nutzer. Neben den geringeren Beschaffungs- oder Mietkosten ist besonders
die analog der Sendeleistung verminderte elektromagnetische „Strahlung" an der Antenne ein
wesentlicher Grund für
den Erfolg der Handgeräte.
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Dabei zeigt sich, daß die 2-W-Geräte bevorzugt
werden bzw. es haben sich Geräte
eingeführt, die
alternierend in beiden Netzen arbeiten, abhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen.
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Ein Betrieb in der kleinsten Leistungsklasse nach
GSM setzt einerseits eine extrem enge Vernetzung voraus, wie sie
auf lange Sicht wohl zunächst nur
in Großstädten zu
finden sein wird; andererseits ist gerade in Ballungszentren mit
einem höheren
Maß an
Störfaktoren
zu rechnen, die den Funkbetrieb mit diesen Geräten beeinträchtigen können.
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Die Handgeräte sind auch für den Einsatz
im Kraftfahrzeug geeignet. So werden entsprechende Halterungen mit
elektrischem Anschluß an
das Bordnetz und mit Akku-Ladeeinrichtungen sowie mit Freisprechmodulen
und auch mit einem Steckanschluß für eine externe
Antenne angeboten.
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Die Handgeräte können natürlich in einem Kraftfahrzeug
mit geschlossener Blechkarosserie dann ausreichend effektiv – wie eben
außerhalb
des Fahrzeugs – betrieben
werden, wenn sie an eine nicht der Abschirmung durch den umschließenden Blechkörper unterliegende,
alsö an
eine außen
strahlende Antenne angeschlossen sind.
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Mit der Außenantenne wird das Handgerät durch
ein Koaxialkabel verbunden. Daraus resultiert der Nachteil, daß das Signal – das Sende-
wie das Empfangssignal – durch
die z.T. mehrere Meter lange Leitungsverbindung erheblich gedämpft wird.
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Die Verluste über Koaxialkabel und Steckverbindungen
können
um 3 bis 6 dB betragen, d.h. der Signalpegel wird auf dem Weg zwischen
Handgerät
und Außenantenne
um 50 % und mehr reduziert.
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Die in Verbindung mit den Zusatzgeräten für den Funkbetrieb
im Fahrzeug erhältlichen
Außenantennen
stellen Kompromisse dar zwischen der Forderung nach zufriedenstellenden
Parametern (Strahlungsleistung, Strahlungscharakteristik und Anpassung)
sowie einfacher Handhabung einerseits, und andererseits dem Erfordernis
niedriger Kosten.
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Hinzu kommt, daß die Zusatzantennen und die
damit verbundenen Schaltungen mit den herkömmlichen Mobilfunkantennen
ein Problem gemein haben: Weil für
den Sende- wie für
den Empfangsbetrieb ein und derselbe Strahler verwendet wird, muß die Antenne
eine große
absolute Bandbreite haben. Die Bandbreite muß die beiden Betriebs-Frequenzbänder (Ober-
und Unterband) und die dazwischen vorgesehene Frequenzlücke umfassen.
Die Frequenzen für
den Sende- und den Empfangsbereich sind außerhalb der Resonanzfrequenz
angeordnet, d.h. etwa symmetrisch unterhalb und oberhalb des günstigsten
Arbeitspunktes der Antenne. Daraus resultiert ein größerer Aufwand
bei der Anpassung, als bei schmalbandigen Antennen erforderlich.
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Das Problem der verringerten Strahlungsleistung
bei Handgeräten,
die an eine Außenantenne des
Kraftfahrzeugs angeschlossenen sind, wird in allgemein üblicher,
dem Fachmann geläufiger
Weise durch Zwischen- bzw. Zusatzverstärker gelöst, die z.B. umgangssprachlich
als Booster bezeichnet werden.
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Bei einer bekannten Ausführung (beschrieben
in: „Digitales
Mobiltelefon 51".
Prospekt der Siemens AG, München
1993) ist im Fahrzeug ein zusätzlicher
Verstärker
für das
Sendesignal angeordnet.
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Das Zusatzgerät wird über Steckanschlüsse und
eine längere
Leitung mit einer Außenantenne und über ein
kurzes Leitungsstück
mit dem Handgerät
verbunden und ist an die Stromversorgung des Fahrzeugs angeschlossen.
Die Sendeleistung kann auf maximal 8 W gesteigert werden. Die 8
W liegen am Ausgang des Verstärkers
an und ergeben eine Sendeleistung der Außenantenne von maximal etwa 4
W.
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Über
eine Verstärkung
auch des Empfangsignals wird in dem Prospekt nichts berichtet. Der
Gesamtaufbau von Handgerät
und Zusatzverstärker stellt
hier eine Art Zwitter zwischen dem 2-W-Handgerät und einem kombinierten Fahrzeug/Portable-Gerät höherer Leistung
dar (z.B. GSM-Leistungsklasse
2 mit 8 W Leistung am Strahler).
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Die Anordnung ist auf Grund der nicht
geringen Gehäuseabmessungen
des Verstärkers
kaum von den leistungsstärkeren
Portables zu unterscheiden. Die mögliche hohe Sendeleistung erfordert
eine Anbringung der Außenantenne
mit Abschirmung der Fahrzeugpassagiere gegenüber dem von der Antenne bei
Sendebetrieb erzeugten elektromagnetischen Feld.
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Bei einer anderen Lösung des
bekannten Stands der Technik (beschrieben in: „Compenser-Set MC 900". Prospekt der Funkwerk
Dabendorf GmbH, Dabendorf 1994) wird ein Zusatzverstärker für die Sendeleistung, ähnlich der
eben beschriebenen Ausführung,
durch einen weiteren Verstärker – für das Empfangssignal – ergänzt. Der
zweite zusätzliche Verstärker ist
direkt am Fußpunkt
des Strahlers der Außenantenne
angeordnet – wie
es von den aktiven Kraftfahrzeugantennen, z.B. für den Rundfunkempfang, hinlänglich bekannt
ist. Zwischen dem Verstärkergehäuse an der
Antenne und dem Gehäuse
des Sendeverstärkers
verlaufen zwei längere
Koaxialkabel – eines
für das
Sende- und eines
für das
Empfangssignal. Mit dem Handgerät
ist der Sendeverstärker über ein
kurzes Leitungsstück
verbunden.
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Die Anordnung bedingt in bekannter
Weise neben den Filterschaltungen zur Trennung von Groß- und Kleinsignal
im Gehäuse
des Sendeverstärkers auch
Filteranordnungen im Gehäuse
des Empfangsverstärkers
an der Antenne.
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Auch diese Lösung wäre vom Konzept her verbesserungsbedürftig.
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So ist für den Empfangs-Zusatzverstärker – in Verbindung
mit den Filterschaltungen – ein
zusätzliches
Gehäuse
erforderlich.
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Wenn die elektronische Schaltung
im Sockel einer Kfz-Stabantenne angeordnet ist, bestehen bekanntermaßen mechanische
und – vor
allem – Dichtungsprobleme
(Schutz der Schaltung vor eindringender Luftfeuchtigkeit, die durch
den bekannten "Pumpeffekt" zu Nässebildung
führt).
Nicht zuletzt sind die zwei separaten – durch die längeren Leitungen
getrennten – aktiven
Schaltungen mit Betriebsspannung zu versorgen und, jede einzeln,
gegen die dem Gleichstrom überlagerten
Störungen
aus dem Bordnetz abzuschirmen.
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Ein weiterer Ansatz ist in der Patentanmeldung
WO 91/01048 finden. Dort wird von einem Funkgerät mit zwei Antennen ausgegangen – eine davon
für die
Empfangsfunktion und eine für die
Sendefunktion. Die Antennen sind im oder am Gehäuse des Geräts angeordnet und arbeiten
in unterschiedlichen Frequenzen und mit Richtcharakteristik. Die Strahlungscharakteristika
sind so gewählt,
daß die Hauptrichtungen
um 180° versetzt
sind und sich nicht überdecken.
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Man will auf diese Weise eine gegenseitige Störung und
den Einsatz von Duplex-Filtern zum Eliminieren solcher Störungen vermeiden
(Kostenersparnis).
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Stellvertretend für die bekannten Möglichkeiten
der Anordnung von Antennen für
den Mobilfunk am Fahrzeug seien hier die
DE-OS 42 16 377 und die Patentanmeldung
WO 88/09569 A1 angeführt.
Die erstgenannte beschreibt Stabantennen, die außen auf den oberen Bereich
der Heckscheibe oder in Scheibenrandnähe auf das Dach geklebt sind.
Gegenstand der Anmeldung ist eine Abschirmung, die den Eintritt
des elektromagnetischen Feldes durch die Heckscheibe in das Fahrzeuginnere
verhindert.
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Die zweite Anmeldung schlägt eine
Antenne in der Heckscheibe in der An einer „Ground plane" vor, Betriebsfrequenz
900 MHz.
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In beiden Fällen sind die Antennen über Koaxialkabel
direkt mit dem jeweiligen Mobilfunk-Handgerät verbunden.
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Die in der ersten Schrift behandelte
Abschirmung Fall läßt auf eine
hohe Sendeleistung an der Antenne schließen.
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Der zweite Vorschlag beschäftigt sich
nur mit der Antenne. Die für
Netze des 900-MHz-Bereichs notwendige höhere Sendeleistung würde hier
ungehindert auch im Fahrzeug selbst wirksam sein. In beiden Fällen muß der durch
das Verbindungskabel bedingte Leistungsverlust durch das Gerät selbst
kompensiert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
einzelnen Baugruppen zur Gewährleistung
optimaler Sende- und Empfangsbedingungen bei zeitweiligem Betrieb
eines Mobilfunk-Handgeräts
in einem Kraftfahrzeug im Schaltungs- und im mechanischen Aufbau
zu vereinfachen und in ihren Funktionen aufeinander abzustimmen.
Damit sollen, unter Nutzung des Systemcharakters, der mit Realisierung und
Betrieb einer derartigen Anordnung verbundene Aufwand im Vergleich
zu den bekannten Lösungen gesenkt
und die Betriebsparameter verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen
gelöst.
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Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsvarianten
und -details.
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Die Erfindung gewährleistet die effektivste Betriebsweise
für jede
einzelne Komponente des Systems und für das System insgesamt. Dabei
können
der schaltungstechnische und der mechanische Aufwand – aber auch
der Aufwand für
Montage und Reparaturarbeiten – relativ
und absolut verringert werden.
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Die beiden Verstärkerschaltungen auf der erfindungsgemäßen gemeinsamen
Platine und in einem Gehäuse
stellen eine zentrale Baueinheit in Kompaktbauweise dar, die als
aktive Schnittstelle für sämtliche "periphären" Komponenten und
Funktionen bezeichnet werden kann.
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Die beiden Antennen werden – je nachdem, ob
sie an konträren
Positionen am Fahrzeug oder, mit geringerem Abstand, nebeneinander
angeordnet sind, mit zwei Koaxialkabeln oder mit einem gemeinsamen
Kabel mit dem Verstärkermodul
verbunden. Bei der Zweikabel-Variante mit direktem Anschluß an die
Verstärkereingänge bzw.
die Verstärkerausgänge werden
Filterschaltungen gespart, weil eine Signaltrennung am antennenseitigen
Anschluß nicht
erforderlich ist. Wenn die Empfangsantenne – oder wenn beide Antennen – als Scheibenantennen
ausgebildet sind, bietet es sich vorteilhaft an, zumindest die passiven
Bauelemente der Impedanzanpassung mit in die Antennenstruktur auf
oder in der Scheibe oder in die Antennenanschlüsse an den Scheiben zu integrieren.
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Die Empfangsantenne kann als Scheibenantenne
günstig
in der Frontscheibe, z.B. neben einem der Holme, angeordnet werden.
Das hat u.a. den Vorteil, daß der
Leitungsweg zum Verstärkermodul,
das seinen Platz vorzugsweise im vorderen Teil des Fahrgastraums
hat, zumindest für
das Empfangssignal kürzer
bemessen werden kann. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Anordnung
der Antennen in Holmnähe.
In diesen Bereichen bilden sich bekanntermaßen Feldlinienkonzentrationen,
die günstige
Betriebsbedingungen gewährleisten.
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Da das Zusatzgerät gemäß der Erfindung im Sendefall
an der Außenantenne
keine höhere
Leistung abgeben soll, als sie an der Antenne des Handgeräts bei Betrieb
außerhalb
des Fahrzeugs anliegt – eben
die genannten maximal 2W – ist
es sogar auch unbedenklich, eine Sendeantenne als Scheibenantenne
auszubilden. Andererseits bleibt die in Wärme umgesetzte Verlustleistung
der aktiven Bauelemente im Zusatzgerät relativ klein. Das kommt
ebenfalls der Kompaktbauweise des Verstärkermoduls zugute.
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Weitere Vorteile bestehen darin,
daß die
Resonanzfrequenz jeder Antenne exakt auf das jeweilige Frequenzband
abgestimmt und jede Antenne schmalbandig betrieben werden kann,
sowie in der Möglichkeit
einer Mehrantennenanordnung und eines Antennendiversity – dieses
zumindest für
die Empfangskomponenten.
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Die Diversity-Schaltung wäre mit im
Gehäuse
des Verstärkermoduls
anzuordnen.
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Nicht zuletzt wirkt sich die Trennung
der Funktionen Senden und Empfangen günstig aus, wenn eine der Funkantennen
in eine Antenne für
andere Frequenzbereiche, z.B. für
den Rundfunkempfang, integriert wird. Bei den in Rede stehenden
kleinen Strahlungsleistungen speziell auf der Empfangsseite und
den hohen Betriebsfrequenzen reagiert das System besonders empfindlich
auf Nebeneinflüsse. Bei
einer Kombination von Funk-Senden und Funk-Empfangen mit Rundfunkempfang über eine einzige,
gemeinsame Antenne würden
sich zumindest beim Funk-Empfang
meßbare
Beeinträchtigungen
ergeben. Bei einer erfindungsgemäßen Kombination
nur der Funk-Sende-Funktion mit Rundfunkempfang treten derartige
Qualitätsminderungen
auf der Funkseite dagegen nur in vernachlässigbarem Umfang in Erscheinung.
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Die Erfindung wird im folgenden an
Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In
der zugehörigen
Zeichnung zeigen
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1.
Pkw in Seitenansicht mit einer Funk-Sende- und einer Funk-Empfangsantenne
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2.
Pkw in Draufsicht mit unterschiedlichen Scheibenantennen
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3.
Beispiel für
den Anschluß des
Verstärkermoduls
an das Handgerät
und an zwei Außenantennen
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4.
Schaltung eines Verstärkermoduls
für zwei
separate Antennenleitungen Das Fahrzeug in 1 ist mit einer Scheibenantenne 1 und
mit der Kurzstabantenne 2 ausgerüstet. Die Antenne 1 in
der Frontscheibe parallel zum A-Holm dient als Antenne für das ankommende
Signal. Die Antenne 2 kann als kombinierte Antenne mit
einem λ/Strahler
für den Rundfunkempfang
im FM-Bereich und einem Strahler für den Funk-Sendebetrieb ausgebildet
sein.
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In 2 sind
verschiedene Beispiele für
die Anordnung von Funkantennen in Pkw-Scheiben gezeigt. Neben den
Varianten 1, 3 und 4 in der Frontscheibe
sind Leiterteile 5 in einer festen Seitenscheibe – neben
einem B-Holm – und
Leiterteile 6, neben dem C-Holm, denkbar. Inwieweit die
Heckscheibe für Antennenstrukturen ähnlich den
Antennen 1, 3 und 4 in der Frontscheibe
geeignet ist, hängt
davon ab, wie es gelingt, den Einfluß der Heizleiterstruktur in
der Heckscheibe zu eliminieren – oder
für die
Antennenfunktion zu nutzen. Die Heckscheibe stellt den für den Sendebetrieb – mit der
höheren
Strahlungsleistung – günstigeren
Anbringungsort für
eine Funkantenne dar.
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Bei sämtlichen hier gezeigten Antennenvarianten
handelt es sich vorzugsweise um λ/4-Strahler.
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An 2 wird
auch deutlich, welche Möglichkeiten
für eine
Mehrantennen Anordnung bestehen, wenn man Antennendiversity auf
der Empfangsseite vorsehen möchte.
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In 3 ist
schematisch ein Handgerät 7 mit dem
erfindungsgemäßen Sende-
und Empfangssystem dargestellt. Dabei sind
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- 8
- das
Verstärkermodul,
- 9
- eine
Empfangsantenne
- 10
- die
Sendeantenne.
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Der Abstand A zwischen dem Handgerät 7 und
dem Verstärkermodul 8 beträgt etwa
1 m.
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Die Abstände B und C zu den Außenantennen 9 und 10 hängen von
der Position der Antennen ab und betragen im allgemeinen jeweils
maximal 5 m.
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In 4 ist
schematisch der Schaltungsaufbau des Verstärkermoduls 8 gezeigt.
Dabei sind
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- 11
- die
Anschlußbuchse
für das
Handgerät,
- 12
- die
Filteranordnung zum Trennen von Empfangs- und Sendesignal,
- 13
- der
Eingangsverstärker
(Empfang),
- 14
- der
Ausgangsverstärker
(Senden),
- 15
- die
Anschlußbuchse
für die
Antennenleitung zur Empfangsantenne 9 und
- 15
- die
Anschlußbuchse
für die
Antennenleitung zur Sendeantenne 10.
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Wenn die beiden Außenantennen 9 und 10 so
nahe nebeneinander angeordnet sind, daß sie über eine gemeinsame Antennenleitung
mit dem Verstärkermodul 8 verbunden
werden können,
sind im antennenseitigen Verbindungspunkt und im Verstärkermodul
an sich bekannte, einfache Filteranordnungen erforderlich.