带有集成的发射放大器保护功能的用于无线电信号的发射/接收系统
阅读说明：本技术 带有集成的发射放大器保护功能的用于无线电信号的发射/接收系统 (Transmitting/receiving system for radio signals with integrated transmit amplifier protection ) 是由 J·什佩尔 L·赖夏特 A·帕普 于 2019-07-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于发射和接收无线电信号的系统,系统包括具有调制解调器和连接在调制解调器上的发射放大器模块的控制器、与控制器间隔开地布置的具有天线和连接在天线上的接收放大器模块的天线单元以及使控制器和天线单元相连接的高频缆线。(The invention relates to a system for transmitting and receiving radio signals, comprising a controller having a modem and a transmit amplifier module connected to the modem, an antenna unit arranged at a distance from the controller and having an antenna and a receive amplifier module connected to the antenna, and a high-frequency cable connecting the controller and the antenna unit.)
技术领域
本发明涉及一种用于发射和接收无线电信号的系统，该系统包括具有调制解调器和连接在调制解调器上的发射放大器模块的控制器、与控制器间隔开地布置的、具有天线和连接在天线上的接收放大器模块的天线单元以及使控制器和天线单元相连接的高频缆线。
背景技术
在这种类型的系统中，调制解调器构造成，借助于天线发射(transmit，TX)和接收(receive，RX)无线电信号，并且因此通常被称为TRX调制解调器。为了在调制解调器和天线之间传输高频的(high frequency，HF)信号，系统包括高频缆线，通过高频缆线使调制解调器和天线相互连接。
然而，在高频缆线中传输时，不可避免地使信号衰减。在此，一方面高频缆线越长以及另一方面信号的频率越高，由缆线引起的衰减，所谓的缆线衰减越强。由于这种缆线衰减，可能损害传输质量，这例如导致比特误码，在移动无线电中这可能以掉线的形式感觉到，并且可能降低无线电连接的有效距离以及接收质量。尽管如此，通常值得期望的或者必然的是，尽管高的信号频率还是空间上间隔开地布置TRX调制解调器和天线。
为了在这种情况中克服由于缆线引起的信号衰减，通常在相应的信号路径中、也就是说发射路径和接收路径中接入发射放大器模块(power amplifier，PA)和/或接收放大器模块(low noise amplifier，LNA)。接收放大器模块大多集成到天线单元中，以克服接收信号的噪声，也就是说降低接收路径的噪声指数。在多种情况中，例如为了简单的操作性，还将接收放大器模块集成到天线单元中。
专利文献EP 0 905 915 A2公开了这种构造成移动无线电适配器的系统。移动无线电适配器包括天线以及分别与天线相邻地布置的并且连接到天线上的接收放大器模块或发射放大器模块。与接收放大器模块间隔开地布置的移动终端设备可通过两个缆线连接到移动无线电适配器上，其中，两个缆线中的分别仅一个与发射路径和接收路径相关联。
开头所述的类型的系统尤其是可安装在车辆中，大多机动车中，以用于为车辆实现例如与外部的移动无线电网络、外部的WLAN接口、外部的蓝牙设备或另一机动车的无线电通讯(车对X)。
例如，专利文献DE 44 10 542 A1公开了一种用于使用车辆中的移动终端设备的系统。该系统包括外部天线和与外部天线相邻地布置的并且连接到外部天线上的接收放大器模块和布置在车辆内之内的发射放大器模块。接收放大器模块和发射放大器模块借助于两个同轴缆线相互连接，同轴缆线分别仅仅与发射路径和接收路径相关联。
专利文献DE 10 2006 021 514 A1公开了另一用于车辆的移动无线电参与系统，该系统具有天线、与天线相邻地布置的并且连接到天线上的接收放大器模块、同轴缆线以及通过同轴缆线与接收放大器模块相连接的发射放大器模块。同轴缆线同时与发射路径和接收路径相关联。移动终端设备可连接到发射放大器模块上。
专利文献US 2013/0215804 A1公开了一种具有控制器和与控制器相邻地布置的天线单元的系统，天线单元包括防止天线单元的特定构件的功能故障的保护电路。
但是，当以上描述的系统的组件未充分彼此协调时，也已经可能损害系统的功能，或者例如由于在高频缆线中的反射损害或破坏发射放大器模块。从系统的实际安装情况、放大器模块的错误调节等中，也容易出现不协调性。
发明内容
因此，本发明的目的是，创造一种改进的用于发射和接收无线电信号的系统，该系统避免了所描述的缺点并且具有高的稳定性。
本发明的主题是一种用于发射和接收无线电信号的系统，该系统包括具有调制解调器和连接在调制解调器上的发射放大器模块的控制器、与控制器间隔开地布置的具有天线和连接在天线上的接收放大器模块的天线单元以及使控制器和天线单元相连接的高频缆线。该系统可广泛地使用并且尤其是可安装在机动车中。在这些情况中，控制器可为所谓的通信控制器。可理解的是，发射路径分别绕过接收放大器模块并且接收路径分别绕过发射放大器模块。
根据本发明，天线单元包括用于保护发射放大器模块和/或调制解调器的保护电路，保护电路包括具有反射探测器的保护开关以及终端电阻和/或旁路线路，并且配置成，当由反射探测器探测到的反射功率超过预确定的阈值时，借助于旁路线路引导发射信号绕过接收放大器模块到达天线或终端电阻。保护电路(也称为VSWR(电压驻波比)保护电路)有效地防止，在没有协调的情况中发射放大器模块或调制解调器受到在高频缆线中的信号反射的损害。在这种情况中，当反射探测器获取到有害的反射功率时，保护开关将发射放大器模块的信号输出部与终端电阻(虚拟负载，通常50欧姆)相连接，或者通过旁路线路与天线相连接。以这种方式，有效地防止了发射放大器模块或调制解调器的损坏或破坏。
此外，本发明的主题是一种用于发射和接收无线电信号的系统，该系统包括具有调制解调器和至少一个连接在调制解调器上的发射放大器模块的控制器、至少一个与控制器间隔开地布置的具有天线和连接在天线上的接收放大器模块的天线单元以及使控制器的调制解调器和至少一个天线单元相连接的高频缆线，并且该系统包括另一天线和使控制器的发射放大器模块和所述另一天线相连接的另一高频缆线。系统将接收路径与发射路径分离，由此，保护发射放大器模块不受在高频缆线中的信号反射影响。以这种方式，有效地防止了发射放大器模块或调制解调器的损坏或破坏。
在这两种情况中，发射放大器模块布置在调制解调器中，仅仅接收放大器模块集成在天线单元中。该布置方案给出的优点是，发射放大器模块和调制解调器在电路技术上集成，也就是说可布置在相同的电路板(印刷电路板，PCB)上，其中，调制解调器承担发射放大器模块的控制。相应地，可省去否则在调制解调器和发射放大器模块之间的外部控制线路。此外，可减小调制解调器的发射功率，因为在通过高频缆线传输之前由调制解调器发射的信号被发射放大器模块放大。
优选地，系统构造成用于发射和接收具有高于3GHz的频率的无线电信号。在频率高于3GHz时，通过高频缆线的衰减非常强。不仅移动无线电的频率带(3.5GHz)而且用于车对X无线电通讯的频率带(5.9GHz)都高于3GHz。
在一种实施方式中，发射放大器模块和/或接收放大器模块的增益因子等于或大于高频缆线的衰减系数/损耗因数，和/或发射放大器模块和接收放大器模块在尺寸上彼此对称。衰减系数与信号在高频缆线中的衰减损失对应，即，与通过缆线引起的损失功率对应。因此，通过与至少同样大的增益因子对应的放大功率，补偿功率损失。对称的尺寸设计引起在发射方向和接收方向之间被补偿的功率传输平衡(链路预算)，这主要要求有认证要求的无线电服务，例如蓝牙和车对X。
有利地，系统包括用于尤其是自动地调节发射放大器模块和/或接收放大器模块的增益因子/放大系数的调节元件。调节元件可设计成软件，以便可灵活调节地设置增益因子。以这种方式，可将增益因子编码，也就是说可根据通过高频缆线的衰减调节发射放大器模块和/或接收放大器模块的放大功率。调节元件可构造成没有反馈或者具有反馈。在有反馈的情况中，调节元件可与获取高功率缆线的衰减的探测器相连接，以形成用于增益因子的调节回路。借助于该调节回路可自动地且动态地使增益因子与高功率缆线的不同长度相匹配。
备选地或附加地，系统可包括用于尤其是自动地调节可用的频率范围的调节元件，和/或构造成尤其是自动地协调有效频率。根据辅助的无线电服务通道的带宽和/或数量，调节元件使得能够分别在所使用的频率(TRX控制回路)方面协调、尤其是再调节(同步)发射放大器模块和/或接收放大器模块。调节元件可为调节回路的一部分，以实现自动的且动态的协调。
在其它实施方式中，天线单元包括尤其是可扩展的高频模块，尤其是滤波器，混合器，开关或双工/三工滤波器。高频模块的形式和数量取决于辅助的无线电服务通道的带宽和/或数量。
在这些实施方式中，高频模块可在发射方向和/或接收方向上连接在发射放大器模块和/或接收放大器模块之前。换句话说，高频模块可在天线侧或调制解调器侧接入发射路径和/或接收路径中。
优选地，系统构造成用于发射和接收不同无线电服务的无线电信号，并且尤其是天线单元包括组合器或者频率多路复用器。组合器或频率多路复用器允许使用唯一的高频缆线同时或并行地传输不同无线电服务的、也就是说不同频率和带宽(GSM-、UMTS、LTE移动无线电服务和车对X服务)的无线电信号。
在一种实施方式中，系统包括用于检查高频缆线的功能性的诊断单元。诊断单元可以直流电流(DC)电阻测量为基础。备选地，为了测量目的，诊断单元可使用电流窗或脉宽调制的(pulse width modulation)信号。借助于诊断单元，能可靠地识别高频缆线在其安装区间(远程结构)上的断路、短路或变形。
在其它实施方式中，系统配置成，通过高频缆线以直流电流加载接收放大器模块，并且系统尤其是包括偏置器(也称为Bias-Tee)和/或直流电流阻断器(DC blocker)。这实现，在天线单元不与独立的电流缆线相连接的情况下通过控制器供给天线单元。以这种方式，天线单元例如在车辆中不必自己连接到车载电路上。
附图说明
根据图中示意性地示出的实施方式并且参考附图进一步描述本发明。其中：
图1以示意图示出了用于发射和接收无线电信号的系统的方框图；
图2以示意图示出了根据本发明的实施方式的用于发射和接收无线电信号的系统的天线单元的方框图；
图3以示意图示出了根据本发明的另一实施方式的用于发射和接收无线电信号的系统的天线单元的方框图；
图4以示意图示出了根据本发明的第三实施方式的用于发射和接收无线电信号的系统的天线单元的方框图；
图5以示意图示出了根据本发明的第四实施方式的用于发射和接收无线电信号的系统的方框图；
图6以示意图示出了根据本发明的第五实施方式的用于发射和接收无线电信号的系统的方框图。
具体实施方式
图1以示意图示出了用于发射和接收无线电信号的系统1的方框图，该系统例如安装在机动车中。
系统1包括具有调制解调器31和连接在调制解调器31上的发射放大器模块32的控制器30、与控制器30间隔开地布置的具有天线11和连接在天线11上的接收放大器模块12的天线单元10以及使控制器30和天线单元10相连接的高频缆线20。系统1构造成用于发射和接收具有高于3GHz的频率的无线电信号，并且相应地也实现了使用其频率带具有高的频率的无线电服务。发射路径经过接收放大器模块12，并且接收路径经过发射放大器模块32，也就是说，接收放大器模块12不在发射路径中，并且发射放大器模块32不在接收路径中。
图2以示意图示出了根据本发明的实施方式的用于发射和接收无线电信号的系统的天线单元10的方框图。
在该系统中，发射放大器模块32(见图1)和/或接收放大器模块12的增益因子等于或大于高频缆线20的衰减系数。此外，发射放大器模块32和接收放大器模块12在尺寸上彼此对称。
此外，系统包括用于检查高频缆线20的功能性的诊断单元(未示出)并且构造成，通过高频缆线20利用直流电流加载发射放大器模块12。为此，系统包括偏置器以及直流电流阻断器(两者都未示出)。
此外，天线单元10包括用于保护发射放大器模块32和/或调制解调器31的保护电路40(VSWR-保护电路)。保护电路40包括具有反射功率探测器、终端电阻41的保护开关42和旁路线路43，并且配置成，当由反射功率探测器探测到的反射功率超过预确定的阈值时，借助于旁路线路43引导发射信号绕过接收放大器模块12到达天线11或终端电阻41。保护开关42可构造成半导体(HL)开关。
图3以示意图示出了根据本发明的另一实施方式的用于发射和接收无线电信号的系统的天线单元10的方框图。系统具有与图2中示出的系统相同的结构，其中，出于可见性原因，在此未示出保护电路40。
系统包括一个或多个可扩展的高频模块，在图3中器仅仅例如作为滤波器13、混合器14、开关15和双工/三工滤波器16示出高频模块。高频模块接入天线11和接收放大器模块12之间并且在接收方向上连接在接收放大器模块12之前。
图4以示意图示出了根据本发明的第三实施方式的用于发射和接收无线电信号的系统的天线单元10的方框图。系统具有与图2中示出的系统相同的结构，其中，出于可见性原因，在此未示出保护电路40。
该系统构造成用于发射和接收不同无线电服务(GSM-、UMTS、LTE移动无线电服务和车对X服务)的无线电信号，并且天线单元10包括组合器17，但是也可包括频率多路复用器18，在图4中作为备选示出了频率多路复用器。
图5以示意图示出了根据本发明的第四实施方式的用于发射和接收无线电信号的系统2的方框图。系统2包括用于自动地调节发射放大器模块32和接收放大器模块12的增益因子的调节元件50。备选地或附加地，调节元件50也构造成用于自动地调节可用的频率范围或者自动地确定有效频率。
图6以示意图示出了根据本发明的第五实施方式的用于发射和接收无线电信号的系统2的方框图。系统2包括控制器30，控制器具有调制解调器31、两个连接到调制解调器31上的组合成发射放大器单元33的发射放大器模块32、与控制器30间隔开的天线34和使控制器30的发射放大器模块32和天线单元34相连接的高频缆线20。
此外，系统2包括两个与控制器30间隔开地布置的分别具有天线11和连接到天线11上的接收放大器模块12的天线单元10以及两个将控制器30的调制解调器31和天线单元10相连接的高频缆线20。具有天线34的发射路径完全与两个具有天线单元10的接收路径分离，也就是说，天线11仅仅用作接收天线(RX)并且天线34仅仅用作发射天线(TX)。
对于本领域技术人员来说可理解的是，根据目的和需求，可以任意数量并且自由地组合所示出的本发明的实施方式的特征。
根据本发明的用于发射和接收无线电信号的系统2的重要优点在于，在多种的使用范围中，该系统具有相对于不同安装情况以及由此高频缆线20的不同长度的高的稳定性。在系统2的简单的结构中和用于无线电信号的高频率的系统2的性能中可得到其它优点。
附图标记清单
1 系统
2 系统
10 天线单元
11 天线
12 接收放大器模块
13 滤波器
14 混合器
15 开关
16 双工/三工滤波器
17 组合器
18 频率多路复用器
20 高频缆线
30 控制器
31 调制解调器
32 发射放大器模块
33 发射放大器单元
34 天线
40 保护电路
41 终端电阻
42 保护开关
43 旁路线路
50 调节元件
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