DE4410542A1 - Sende- und Empfangssystem für Mobilfunkgeräte - Google Patents

Description

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 1800 MHz. Das System gestattet z. B. die Nutzung von Handgeräten der GSM-Leistungsklasse 4 (Sendeleistung 2 Watt) nach dem Prinzip des kombinierten Fahrzeug/Portabelgeräts.

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 bzw. 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. gar von nur 0,8 W (Leistungsklasse 5) vollkommen ausreichend. 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.

Dabei zeigt sich, daß die 2-W-Geräte bevorzugt werden. Die Geräte der kleinsten Leistungsklasse nach GSM setzen 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.

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.

Die 2-W-Handgeräte können natürlich in einem Kraftfahrzeug mit geschlossener Blechkarosserie nur effektiv betrieben werden, wenn sie an eine nicht der Abschirmung durch den umschließenden Blechkörper unterliegende, also an eine außen strahlende Antenne angeschlossen sind.

Mit der Außenantenne wird das Handgerät durch ein Koaxial­ kabel verbunden. Daraus resultiert der Nachteil, daß das Signal - Sende- wie Empfangssignal - durch die z. T. mehrere Meter lange Leitungsverbindung erheblich bedämpft wird. 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.

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.

Hinzu kommt, daß die Zusatzantennen und die damit verbundenen Schaltungen mit den herkömmlichen Mobilfunkantennen ein Problem gemeinsam 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 den dazwischen vorgesehen Abstandsbereich umfassen. Die Frequenzen für den Sende- und den Empfangs­ bereich 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.

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. Zusatz­ verstärker gelöst, die z. B. umgangssprachlich als Booster bezeichnet werden.

Bei einer bekannten Ausführung [1] ist im Fahrzeug ein zusätzlicher Verstärker für das Sendesignal angeordnet. Das Zusatzgerät wird über Steckanschlüsse und eine längere Leitung mit einer Außenantenne und über ein kurzes Leitungs­ stück mit dem Handgerät verbunden und ist an die Strom­ versorgung 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.

Über eine Verstärkung auch des Empfangsignals wird in [1] nichts berichtet.

Der Gesamtaufbau von Handgerät und Zusatzverstärker stellt hier eine Art Zwitter zwischen dem 2-W-Handgerät und einem kombinierten Fahrzeug/Portablegerät höherer Leistung dar (z. B. GSM-Leistungsklasse 2 mit 8 W Leistung am Strahler). Die Anordnung ist auf Grund der nicht geringen Gehäuse­ abmessungen 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.

Bei einer anderen Lösung des bekannten Stands der Technik [2] 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 Sende­ verstärker über ein kurzes Leitungsstück verbunden.

Die Anordnung bedingt in bekannter Weise neben den Filter­ schaltungen zur Trennung von Groß- und Kleinsignal im Gehäuse des Sendeverstärkers auch Filteranordnungen im Gehäuse des Empfangsverstärkers an der Antenne.

Auch diese Lösung ist vom Konzept her verbesserungsfähig. So ist für den Empfangs-Zusatzverstärker - in Verbindung mit den Filterschaltungen - nochmals ein Gehäuse erforderlich. 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 Betriebs­ spannung zu versorgen und, jede einzeln, gegen die dem Gleichstrom überlagerten Störungen aus dem Bordnetz abzuschirmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die einzelnen Baugruppen zur Gewährleistung optimaler Sende- und Empfangs­ bedingungen 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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsvarianten und -details.

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.

Die beiden Verstärkerschaltungen auf gemeinsamer Platine und das zugehörige Gehäuse stellen eine zentrale Baueinheit in Kompaktbauweise dar, die als aktive Schnittstelle für sämt­ liche "periphären" Komponenten und Funktionen bezeichnet werden kann. Die beiden Antennen werden - je nachdem, ob sie an konträren Positionen am Fahrzeug oder, mit geringerem Abstand, nebeneinander angeordnet sind, mit zwei oder mit einem gemeinsamen Koaxialkabel mit dem Verstärkermodul verbunden. Bei der Zweikabel-Variante mit direktem Anschluß an die Verstärkerein- bzw. -ausgänge werden Filterschal­ tungen 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.

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 Verstärker­ modul, das seinen Platz vorzugsweise im vorderen Teil des Fahrgastraums hat, zumindest für das Empfangssignal kürzer bemessen werden kann.

Daß die Resonanzfrequenz jeder Antenne exakt auf das jeweilige Frequenzband abgestimmt und jede Antenne schmal­ bandig betrieben werden kann, ist ebenso ein Vorteil, wie die Möglichkeit einer Mehrantennenanordnung und eines Antennendiversity zumindest für die Empfangskomponenten. Die Diversity-Schaltung wäre mit im Gehäuse des Verstärker­ moduls anzuordnen.

Da mit den beiden Zusatzverstärkern vorzugsweise keine höhere Strahlungsleistung der Kfz-Außenantennen vorgesehen ist, als sie jeweils an der Antenne des Handgeräts bei Betrieb außerhalb des Fahrzeugs anliegt - eben z. B. maximal 2 W - bleibt die in Wärme umgesetzte Verlustleistung der aktiven Bauelemente relativ klein. Das kommt ebenfalls der Kompakt­ bauweise des Verstärkermoduls zugute.

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 Rundfunk­ empfang, 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 ergeben sich meßbare Beeinträchtigungen zumindest beim Funk-Empfang; bei der Kombination von Funk-Senden und Rundfunkempfang treten derartige Qualitätsminderungen auf der Funkseite dagegen weniger in Erscheinung.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 Pkw in Seitenansicht mit einer Funk-Sende- und einer Funk-Empfangsantenne,

Fig. 2 Pkw in Draufsicht mit unterschiedlichen Scheibenantennen,

Fig. 3 Beispiel für den Anschluß des Verstärkermoduls an das Handgerät und an zwei Außenantennen,

Fig. 4 Schaltung eines Verstärkermoduls für zwei separate Antennenleitungen.

Das Fahrzeug in Fig. 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/4-Strahler für den Rundfunkempfang im FM-Bereich und einem Strahler für den Funk-Sendebetrieb ausgebildet sein.

In Fig. 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.

Bei sämtlichen hier gezeigten Antennenvarianten handelt es sich vorzugsweise um λ/4-Strahler.

An Fig. 2 wird auch deutlich, welche Möglichkeiten für eine Mehrantennen-Anordnung bestehen, wenn man Antennen­ diversity auf der Empfangsseite vorsehen möchte.

In Fig. 3 ist schematisch ein Handgerät 7 mit dem erfindungsgemäßen Sende- und Empfangssystem dargestellt. Dabei sind
8 das Verstärkermodul,
9 eine Empfangsantenne und
10 die Sendeantenne.

Der Abstand A zwischen dem Handgerät 7 und dem Verstärker­ modul 8 beträgt etwa 1 m. 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.

In Fig. 4 ist schematisch der Schaltungsaufbau des Verstärkermoduls 8 gezeigt. Dabei sind
11 die Anschlußbuchse für das Handgerät,
12 die Filteranordnung zum Trennen von Empfangs- und Sendesignal,
13 der Eingangsverstärker,
14 der Ausgangsverstärker,
15 die Anschlußbuchse für die Antennenleitung zur Empfangsantenne 9 und
15 die Anschlußbuchse für die Antennenleitung zur Sendeantenne 10.

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 weitere Filteranordnungen erforderlich.

Literatur

[1] Digitales Mobiltelefon S1. Prospekt der Siemens Aktiengesellschaft, München 1993.

[2] Compenser-Set MC 900. Prospekt der Funkwerk Dabendorf GmbH, Dabendorf 1994.

Claims (7)

1. Sende- und Empfangssystem für den Betrieb von Mobil­ funkgeräten, insbesondere von Handgeräten kleiner Leistung für den 900-MHz- und den 1800-MHz-Bereich in Kraftfahr­ zeugen, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - für die Funktionen Senden und Empfangen sind gesondert je eine separate Antenne (2) außen an das Fahrzeug, auf sitzend, montiert und bzw. oder in Außenteile des Fahrzeugaufbaus integriert (1, 3, 4, 5, 6) und
• - jede Antenne ist mit einem Verstärker (13, 14) gemäß ihrer Funktion verbunden, wobei die Verstärker in einem gemeinsamen Gehäuse (8) angeordnet und in dieser Anordnung als universelles Verstärkermodul (8) für beliebige Handgeräte (7) mit passendem Betriebsfrequenz­ bereich ausgebildet sein können,
• - die Verstärkerleistung für den Sendebetrieb ist so abgestimmt, daß der Pegel an der Außenantenne vorzugsweise den Pegel nicht übersteigt, der jeweils vergleichsweise am Handgerät (7) bei Betrieb des Handgeräts außerhalb des Fahrzeugs auftritt.

2. Sende- und Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen, insbesondere die Funk-Empfangsantenne, in Scheiben des Fahrzeugs integriert sind und daß dabei passive Schaltungsbausteine, vorzugs­ weise Bauelemente der Impedanzanpassung, unmittelbar an den Fußpunkt der Antenne angeschlossen sein können.

3. Sende- und Empfangssystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung einer Einzelfunktions- Antenne in einer Fahrzeugscheibe die passiven Bauelemente am Fußpunkt der Antenne unmittelbar, in Weiterführung der Antennenstruktur, auf die Scheibe aufgebracht sind.

4. Sende- und Empfangssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Antenne für gleichzeitigen Rundfunkempfang und für eine der Funk-Antennenfunktionen, vorzugsweise für Sendebetrieb, wobei die Mehrfunktions­ antenne vorzugsweise als Stabantenne (2) ausgebildet ist.

5. Sende- und Empfangssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung mehrerer aktiver Antennen (1, 3, 4, 5, 6) für den Funk-Empfang in einer oder in verschiedenen Scheiben des Fahrzeugs, in Verbindung mit einer Antennen­ diversity-Schaltung, die nach den Kriterien Signalpegel und bzw. oder Signal/Rausch-Abstand arbeitet.

6. Sende- und Empfangssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die vorzugsweise Anordnung der Funk-Sendeantenne (2) auf dem Fahrzeugdach oder im Heckbereich des Fahrzeugs.

7. Sende- und Empfangsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Anordnung der Sende- und der Empfangs­ antenne mit geringem, dabei aber die ungestörte Funktion beider Antennen gewährleistendem Abstand die Verbindung zum Verstärker über ein gemeinsames HF-Koaxialkabel erfolgen kann.