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Diese
Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen in oder im Zusammenhang
mit drahtlosen Endgeräten,
und insbesondere aber nicht ausschließlich auf drahtlose Endgeräte, die
nach Protokollen arbeiten, wie Frequenzteilungsduplex-(FDD-)Systeme
wie GSM, DCS und UMTS, die gesonderte Sende- und Empfangs-Frequenzbänder haben.
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Technischer Hintergrund
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Üblicherweise
haben Zellulartelefone eine gemeinsame Antenne für den Empfang und das Senden
von Signalen in einer relativ weiten Bandbreite. Der Technik nach
sind verschiedene Antennenanordnungen bekannt, die eine ausreichend
weite Bandbreite haben, um sowohl die Sender- als auch die Empfängerfrequenzen
abzudecken, die im FDD-System verwendet werden.
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Die
US-Patentschrift 5.659.886 enthüllt
in der Einleitung, dass in herkömmlichen
mobilen Einheiten für
digitale Funkkommunikation sowohl der Empfänger als auch der Sender über einen
Sende-Bandpassfilter und einen Empfangs-Bandpassfilter an eine gemeinsame
Empfangs/Sende-Antenne angeschlossen sind. Diese Filter können als
dielektrische Filter oder akustische Wellenfilter hergestellt sein.
Da derartige Bauteile schwer als integrierte Schaltungen herzustellen
und sie auch relativ sperrig sind, schlägt diese Patentschrift vor,
dass der Sende-Bandpassfilter durch einen Isolator ersetzt wird, um
den Platzbedarf zu reduzieren. In dem spezifisch beschriebenen Beispiele
enthält
die gemeinsame Antenne eine externe Peitschenantenne. Isolatoren werden
an sich als ineffiziente Bauelemente betrachtet, da sie Leistung
zerstreuen können,
die von der Antenne reflektiert wird.
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Das
US-Patent 4.672.685 enthüllt
eine Schmalband-Antennenanordnung, die sich dafür eignet, im niedrigen Bereich
einer tragbaren Zweiweg-Funkausrüstung
eingesetzt zu werden. Die Antennenanordnung enthält eine Grundplatte, Sende- und
Empfangsfilter, gekoppelt über
respektive Sende- und Empfangs-Übertragungsleitungen
an ein Ende von respektive Sende- und Empfangs-Strahlungselementen
aus stabförmigem
Metall. Die anderen, entfernteren Enden des ersten und zweiten Strahlungselements
sind an respektive Enden einer serpentinenförmigen Übertragungsleitung angeschlossen.
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Da
die serpentinenförmige Übertragungsleitung
einen relativ großen
Abstand zur Grundplatte hat, ist ihre charakteristische Impedanz
wesentlich höher
als die der Sende- und Empfangs-Übertragungsleitungen.
Das Sende-Strahlungselement entspricht durch Anpassung der Länge der
Empfangs-Übertragungsleitung
einer Impedanz von 50 Ohm, um die hohe Reaktanz des Empfangsfilters
bei den Sendefrequenzen auf einen Wert zu wandeln, der an einem
Ende des Sende-Strahlungselements 50 Ohm Impedanz entspricht. Eine
induktive Reaktanz von ungefähr
60 Ohm an der Basis des Empfangs-Strahlungselements
führt am
Sende-Antenneneingang zur gewünschten
Entsprechung. Das Gegenteilige findet statt, wenn das Empfangs-Strahlungselement
und die Länge
der Sende-Übertragungsleitung
entsprechend angepasst werden. Die erwähnte Antenne sieht gesondert
angepasste Empfangs- und Sendeeingänge vor, damit keine zusätzlichen
Schaltungen wie ein Duplexgerät
oder entsprechende Schaltungen benötigt werden. Diese Antenne
erlaubt insbesondere einer Schmalbandantenne dualen Bandbetrieb.
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Diese
Patentschrift berücksichtigt
nicht das Problem, wie man eine relativ große Bandbreite in einem physisch
kleinen Handapparat erhalten kann.
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Die
Einleitung des japanischen Patents 61265905 enthüllt eine Schleifenantenne mit
einem ersten und zweiten Ende. Es sind erste und zweite Reihen-Parallel-Resonanzschaltungen
an respektive das erste und das zweite Ende gekoppelt. Die Verbindung
der Schleifenantenne und der ersten und der zweiten Resonanzschaltung
führt grundsätzlich zu den
selben Resonanzen mit zwei gewünschten
Frequenzen, wobei es einer Antenne ermöglicht wird, zwischen der Übertragungs-
und Empfangsausrüstung
mit verschiedenen Betriebsfrequenzen geteilt zu werden.
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Drahtlose
Endgeräten
wie Mobilofone haben teilweise eine innen gelegene Antenne, wie
eine Planar-Invertierte-F-Antenne (PIFA) oder ähnliches, wobei solche Antennen
(in Bezug auf eine Wellenlänge) klein
sind und deshalb den grundlegenden Beschränkungen kleiner Antennen mit
schmalem Band unterliegen. Allerdings erfordern zellulare Funkkommunikationssysteme
wie UMTS, dass eine PIFA eine normierte Bandbreite von 13,3% hat.
Für den
Erhalt solch einer Bandbreite beispielsweise bei einer PIFA ist
ein beträchtliches
Volumen erforderlich, da eine direkte Beziehung zwischen der Bandbreite
der Antenne und ihrem Volumen besteht, aber solch ein Volumen steht
beim derzeitigen Trend zu kleinen Handapparaten nicht zur Verfügung. Folglich
ist es aufgrund der hiervor beschriebenen Beschränkungen nicht möglich, eine
effizient weite Bandstrahlung mit kleinen Antennen, wie sie in derzeitigen
drahtlosen Endgeräten
vorhanden sind, zu erreichen.
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Enthüllung der
Erfindung
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Ein
Ziel dieser Erfindung ist es, die gewünschten Frequenzbänder in
einer relativ weiten Bandbreite mit einer relativ kleinvolumigen
gemeinsamen Empfangs/Sende-Antenne
abzudecken.
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Gemäß einem
Aspekt dieser Erfindung ist ein drahtloses Endgerät für die Verwendung
in den Sende- und Empfangs-Frequenzbändern eines Frequenz-Duplex-Systems angeordnet,
in welchem die Bandbreiten der Sende- und Empfangsbänder verschieden
sind, wobei das drahtlose Endgerät
Empfangs- und Sendestufen enthält,
einen Empfangsfilter und einen Sendefilter, respektive an die Empfangs- und
Sendestufen gekoppelt, und Signalübertragungsmittel, über respektive
Eingänge
an den Empfangs- und Sendefilter gekoppelt, dadurch gekennzeichnet,
dass die Signalübertragungsmittel
eine Planar-Invertierte-F-Antenne (PIFA) einer ausreichenden Bandbreite
enthalten, um das größere der
Empfangs- und Sende-Frequenzbänder
abzudecken, dass die zwei Schlitze die PIFA in ein mittleres Element
und zwei äußere Elemente
teilen, wobei das mittlere und die äußeren Elemente miteinander
verbunden sind, dass ein freies Ende des mittleren Elements an eine
Grundplatte angeschlossen ist und dass die freien Enden der zwei äußeren Elemente
respektive an den Empfänger-
und Senderfilter angeschlossen sind.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt dieser Erfindung ist ein Modul für die Verwendung in einem drahtlosen
Endgerät
für den
Betrieb in den Sende- und Empfangs-Frequenzbändern eines Frequenz-Duplex-Systems
angeordnet, in welchem die Bandbreiten der Sende- und Empfangsbänder verschieden
sind, wobei das Modul einen Empfangsfilter und einen Sendefilter
enthält,
die jeweils Mittel für den
Anschluss an eine Empfangsstufe und eine Sendestufe eines drahtlosen
Endgeräts
enthalten, und Signalübertragungsmittel, über respektive
Eingänge an
den Empfangs- und Sendefilter gekoppelt, dadurch gekennzeichnet,
dass die Signalübertragungsmittel
eine Planar-Invertierte-F-Antenne (PIFA) einer ausreichenden Bandbreite
enthalten, um das größere der
Empfangs- und Sende-Frequenzbänder
abzudecken, dass die zwei Schlitze die PIFA in ein mittleres Element
und zwei äußere Elemente
teilen, wobei das mittlere und die äußeren Elemente miteinander verbunden
sind, dass ein freies Ende des mittleren Elements an eine Grundplatte
angeschlossen ist und dass die freien Enden der zwei äußeren Elemente
respektive an den Empfänger-
und Senderfilter angeschlossen sind.
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Diese
Erfindung gründet
auf der Erkenntnis, dass Filter verwendet werden können, um
eine Schmalband-Antennestruktur mit verschiedenen Frequenzen innerhalb
eines Durchlassbands zur Überbrückung der
Sender- und Empfänger-Durchlassbänder eines
FDD-Systems verwenden zu können.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung enthält
die Antennestruktur eine PIFA. Die PIFA kann zwei Differenzialschlitze
enthalten, welche die PIFA in ein mittleres Element und zwei äußeren Elemente teilt,
welche an einem Ende miteinander verbunden sind. Ein freies Ende
des mittleren Elements ist an eine Grundplatte angeschlossen, und
die freien Enden der zwei äußeren Elemente
sind respektive an den Sende- und Empfangsfilter angeschlossen.
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Die
Filter können
Solid-State-Filter wie Bulk-Acoustic-Wave-(BAW-) und Surface-Acoustic-Wave-(SAW-)Filter
sein.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird jetzt anhand von Beispielen hinsichtlich der beigefügten Zeichnungen
beschrieben, von denen:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines drahtlosen
Endgeräts
ist, das entsprechend dieser Erfindung gefertigt wurde,
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2 ein
Diagramm einer gedruckten Schaltung mit einer PIFA und einem Sende-
und Empfangsfilter ist,
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3 ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Strahlungs- (oder allgemeinen)
und Abgleichs- (oder differenziellen) Modi der PIFA ist,
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4 ein
Diagramm der Antennestruktur ist, respektive an BAW-Sender- und
Empfängerfilter
angeschlossen, und
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5 die
S11-Reaktion der Antennestruktur und BAW-Filter
ist.
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In
den Zeichnungen wurden für
entsprechende Merkmale selbe Verweisnummern verwendet.
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Ausführungsmodi
der Erfindung
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In
Bezug auf 1 enthält der Sender/Empfänger einen
Senderbereich Tx mit einem Signaleingangsterminal 10, gekoppelt
an eine Eingangssignal-Verarbeitungsstufe (SPT) 12. Die
Stufe 12 ist an einen Modulator (MOD) 14 gekoppelt,
welcher ein moduliertes Signal an einen Frequenz-Aufwärtswandler
ausgibt, mit einem Multiplizierer 16, an den auch ein Signalgenerator 18 wie
ein Frequenzsynthesizer angeschlossen ist. Das in der Frequenz aufwärtsgewandelte
Signal ist über
einen Leistungsverstärker 20,
einen Senderfilter 22 und ein Entsprechungs/Frequenz-Tuningnetzwerk 23 an
eine Signalübertragungsstruktur 24 gekoppelt.
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Ein
Empfängerbereich
Rx des Sender/Empfängers
enthält
einen rauscharmen Verstärker 28, über ein
Entsprechungs/Frequenz-Tuningnetzwerk 25 und einen Empfängerfilter 26 an
die Signalübertragungsstruktur 24 gekoppelt.
Ein Ausgang des rauscharmen Verstärkers 28 ist an einen
Frequenz-Abwärtswandler
mit einem Multiplizierer 30 und einem Signalgenerator 32 wie
einen Frequenzsynthesizer gekoppelt. Das in der Frequenz abwärtsgewandelte
Signal wird in einem Demodulator (DEMOD) 34 demoduliert,
und sein Ausgang wird einer Signalverarbeitungsstufe (SPR) 36 zugeführt, welche ein
Ausgangssignal an ein Terminal 38 ausgibt. Der Betrieb
des Sender/Empfängers
wird von einem Prozessor 40 gesteuert.
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In
Bezug auf 2 hat eine gedruckte Schaltung
PCB (nicht gezeigte) Bauteile auf einer Seite und eine Grundplatte
GP auf der gegenüberliegenden
Seite. Eine PIFA 24 ist auf die PCB montiert, oder sie
wird von ihr getragen. Die PIFA kann auf verschiedene alternative
Arten eingebaut werden, beispielsweise als vorgeformte Metallplatte,
die von der PCB unter Verwendung von Teilen eines isolierenden Materials
getragen wird, als vorgeätzter
Teil einer gedruckten Schaltung, die von der PCB getragen wird, als
Block eines isolierenden Materials mit der PIFA, gebildet durch
selektives Ätzen
einer leitenden Schicht auf dem isolierenden Material oder durch
selektiven Druck einer leitenden Schicht auf den isolierenden Block
oder im Fall des Zellulartelefons als Antenne. Für die Verwendung bei UMTS-Frequenzen hat
die PIFA 24 eine Länge
(Dimension „a") von 30 mm, eine
Höhe (Dimension „b") von 10 mm und eine Tiefe
(Dimension „c") von 4 mm. Diese
Dimensionen ermöglichen
es der PIFA 24, eine ausreichende Bandbreite zu haben,
um das größere der FDD-UMTS-Bänder abzudecken.
Die Bandbreite beträgt
grundsätzlich
3,1%. Dies liegt mehr als einem Faktor von 4 unter der erforderlichen
Bandbreite, um das gesamte UMTS-Band abzudecken (ungefähr 13,3%).
Nominal ist die PIFA 24 zwischen den Sende- und Empfangsbändern resonant.
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Die
PIFA 24 hat zwei Differenzialschlitze 42, 44,
die von einer Kante zur anderen teilweise längs verlaufen. Dies ähnelt einem
Kamm mit drei Spitzen oder Elementen PR1, PR2 und PR3, die an einem
ihrer Enden miteinander verbunden und an ihren anderen Enden frei
sind. Das mittlere Element PR2 ist über eine gemeinsame Kurzschlussklemme 46 an die
Grundplatte GP der PCB angeschlossen. Das Element PR1 ist über eine
Klemme 48 an den Ausgang des Senderfilters 22 (1)
gekoppelt, und das Element PR3 ist über eine Klemme 50 an
den Eingang des Empfängerfilters 26 (1)
gekoppelt.
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Die
Differenzialschlitze 42, 44 können auch für das Tuning der Resonanzfrequenz
der Antenne verwendet werden. Mit asymmetrischen Schlitze, also
Schlitzen verschiedener Längen
und/oder verschiedener Formen, werden über die Klemmen 48, 50 verschiedene
Resonanzfrequenzen an den zwei Eingängen erhalten.
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Die
Differenzialschlitze sind nicht unbedingt notwendig, aber ohne sie
gibt es ein potenzielles Problem der Induktanz bei der Kopplung
des Filters zur Speisung der Kurzschlussklemme 46. Die
Schlitze erhöhen
die Differenzial-Modusreaktanz und erleichtern die Isolation des
nicht benutzten Ports, also des Empfängerports im Sendemodus und
umgekehrt im Empfangsmodus. Dies ist in 3 abgebildet,
wo die Zeichnung links eine Ausführungsform
der PIFA 24 mit dem Element PR2, kurzgeschlossen an die
Masse, und eine Signalquelle S1, gekoppelt an das Element PR1, zeigt.
Ein Pfeil IV zeigt, dass diese Speisungsanordnung einen Differenzialport
bildet. Die so angeschlossene PIFA 24 kann als äquivalent
zur Verbindung eines Strahlungs- (oder gemeinsamen) Modus 24R und
eines Abgleichs- (oder differenziellen) Modus 24B bezeichnet
werden. Im Strahlungsmodus 24R sind im Phasesignal die
Quellen S2 und S3 respektive an die Elemente PR1 und PR2 gekoppelt, und
die PIFA erweist sich als eine einteilige Antenne. Im Falle des
abgeglichenen Modus 24B sind Nichtphasequellen S4 und S5
respektive an die Elemente PR1 und PR2 gekoppelt, sodass der Strom
entlang PR1 nach PR2 fließt,
wie von den Pfeilen 54, 56 gezeigt, und über Schlitz 42 ein
Feld besteht. In diesem Modus wird die Differenzial-Modusreaktanz
erhöht, und
es ist leichter, den nicht benutzten Port mit dem Tuning des Filters
zu isolieren, um eine reflektierende Termination, beispielsweise
eine Leerlauf- oder Kurzschlussschaltung an der Antenne, zu erhalten.
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In
Bezug auf 4 enthält der Senderfilter 22 einen
unabgeglichenen BAW-Abzweigfilter mit 4 Elementen, über das
Entsprechungs/Frequenz-Tuningnetzwerk 23 an das Antennenelement
PR1 gekoppelt. Dieser Filtertyp ermöglicht einen unabgeglichenen
Eingang und Ausgang, was allgemein für einen Sender erforderlich
ist. Eine Quellimpedanz, dargestellt von einer 50-Ohm-Impedanz 60,
ist über
einen 2nH-Induktor 62 an
den Eingang des Filters 22 gekoppelt. Ein 6nH-Induktor 64 koppelt
einen Ausgang des Filters 22 an das Antennenelement PR1. Die
Induktoren 62 und 64 dienen Tuningzwecken, und
der Wert des Induktors 64 ist so optimiert, dass er die Resonanzfrequenz
der PIFA 24 ebenfalls auf den für das Senderfrequenzband erforderlichen
Wert vermindert. Außerdem
ist er so angeordnet, dass er bei der Empfängerfrequenz zusammen mit der
statischen Kapazitanz des BAW-Filterausgangs (nicht gezeigt) annähernd eine
Kurzschlussschaltung bildet.
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Der
Empfängerfilter 26 enthält einen
abgeglichenen BAW-Brückefiltertyp
mit einem Abgleicheingang für
den Anschluss an eine 50-Ohm-Quellimpedanz 70, die in der
in 1 gezeigten Ausführungsform den rauscharmen
Verstärker 28 und
einen an das Element PR3 der PIFA 24 gekoppelten unabgeglichenen
Ausgang enthält.
Ein 1,5 nH-Reiheninduktor 72 und
eine 2,4-pF-Nebenschlusskapazität 74 sind
in der Eingangsschaltung des Filters 26 angeordnet und
enthalten das Entsprechungs/Frequenz-Tuningnetzwerk 25. Die Kapazität 74 erhöht die Resonanzfrequenz
der Antenne, und der Induktor 72 gewährleistet, dass die Empfängerseite
angepasst wird und dass die Verbindung der statischen Kapazitanz
des Senderfilters (nicht gezeigt) und die externen Schaltungen eine
annähernde
Kurzschlussschaltung zur Antenne des Empfängers bilden.
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5 zeigt
die S11-Reaktion für die verbundene PIFA- und
Filterverbindung, wie in 4 dargestellt, zusammen mit
einem idealisierten Merkmal 84, mit einer strichpunktierten
Linie dargestellt, für
einen Breitbandantennenbetrieb über
das UMTS-Frequenzband. Die S11-Reaktion
enthält
ein Sendermerkmal 80, dargestellt mit einer durchgehenden
Linie, und ein Empfängermerkmal 82,
dargestellt mit einer gestrichelten Linie. In Bezug auf das Sendermerkmal 80 zeigen
die respektive mit r1 und r2 bezeichneten Punkte eine Abschwächung von –18,428 dB
bei einer Frequenz von 1,920 GHz und eine Abschwächung von –6,282 dB bei einer Frequenz
von 1,980 GHz. Im Falle des Empfängermerkmals 82 zeigen
die respektive mit r3 und r4 bezeichneten Punkte eine Abschwächung von –14,057
dB bei einer Frequenz von 2,110 GHz und eine Abschwächung von –13,471
dB bei einer Frequenz von 2,170 GHz.
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Es
ist eindeutig, dass sowohl in den Sender- als auch in den Empfängerbändern unter
Verwendung einer Antenne, die zu klein ist, um beide Bänder gleichzeitig
abzudecken, eine annehmbare Leistung erreicht wird. In der in 4 gezeigten
Verbindung wurde der Empfänger
zuerst optimiert, wonach er eine bessere Leistung zeigte, was durch
die inhärent bessere
Leistung des Brückenfilters 24 erleichtert wird.
Allerdings wird davon ausgegangen, dass die Senderleistung mit weiteren
Konstruktionsiterationen noch verbessert werden könnte.
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5 bestätigt, dass
das Konzept der Filterverwendung für den Erhalt einer Antenne,
die bei verschiedenen Frequenz-Duplex-Frequenzen eingesetzt werden
kann, aufgeht. Ähnliche
Ergebnisse können
mit anderen Filtertypen als mit BAW-Filtern, wie mit SAW- und Keramikfilter
erhalten werden.
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In
dieser Patentschrift und diesen Ansprüchen schließt das Wort „ein" oder „eine" vor einem Element
nicht das Vorhandensein von vielen derartigen Elementen aus. Außerdem schließt das Wort „enthält" nicht das Vorhandensein
anderer Elemente oder Schritte als die aufgeführten aus.
- MOD
- = Modulator
- SPT
- = Eingangssignal-Verarbeitungsstufe
- Tx
- = Senderbereich
- PR1–3
- = Kammelemente
- Rx
- = Empfängerbereich
- DEMOD
- = Demodulator
- SPR
- = Signalverarbeitungsstufe
- r1–4
- = Diagrammpunkte
- GHz
- = Gigaherz
- 24R
- = Strahlungs- (oder
gemeinsamer) Modus
- 24B
- = Abgleichs- (oder
differenzieller) Modus
- S1–5
- = Signalquellen
- nH
- = Nanohenry
- pF
- = Pikofarad