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Die
Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für ein Kraftfahrzeug. Ferner
betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
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Moderne
Kraftfahrzeuge sind in der Regel ausgestattet mit Sende-/Empfangsantennen
für so genannte
(Kommunikations-)Dienste. Das Angebot solcher Dienste im Fahrzeug
ist derzeit noch auf verhältnismäßig wenige
Dienste und somit auf verhältnismäßig wenige
Frequenzen bzw. Frequenzbänder beschränkt.
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Bei
einem für
die Teilnahme an solchen Diensten bzw. die Nutzung solcher Dienste
konzipierten Kraftfahrzeug wird für die Teilnahme bzw. Nutzung
in der Regel eine einzige Antenne pro Dienst vorgesehen. Die gemäß Stand
der Technik an Kraftfahrzeugen eingesetzten Antennenanordnungen bzw.
Antennenmodule weisen daher in der Regel eine Einzelantenne für jede relevante
(Dienst-)Frequenz auf. Die verwendeten Einzelantennen beherrschen
im Allgemeinen nur einen kleinen Frequenzbereich (z. B. 900–2200 MHz).
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Zukünftigen
Veränderungen
des Angebots von (Kommunikations-)Diensten trägt dies nur unzureichend Rechnung.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Antennenanordnung zu schaffen,
die zukünftigen
Veränderungen
und/oder Erweiterungen des Angebots von (Kommunikations-)Diensten
verbessert Rechnung trägt.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug zu schaffen,
welches in vorteilhafter Art und Weise mit einer Antennenanordnung,
die zukünftigen
Veränderungen
und/oder Erweiterungen des Angebots von (Kommunikations-)Diensten
verbessert Rechnung trägt,
ausgerüstet
ist.
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Gelöst wird
die erstgenannte Aufgabe durch eine Antennenanordnung gemäß Anspruch
1.
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Die
zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch
ein Kraftfahrzeug gemäß einem
der Ansprüche 10
oder 11.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Durch
die Erfindung wird eine Multi-/Breitband-MIMO-Antenne geschaffen.
D. h. die erfindungsgemäße Antennenanordnung
ist Multiband-tauglich, Breitband-tauglich und zur Verwendung als
MIMO (Multiple Input Multiple Output) Antennensystem geeignet. Die
Erfindung vereint also Multiband- und Breitbandfähigkeiten, sowie auch die Eignung
für MIMO
in einer Gesamtanordnung.
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Erfindungsgemäß werden
durch zwei, vorzugsweise genau zwei Einzelantennen in einem Gehäuse alle
terrestrischen Kommunikationsdienste (je nach speziellem Design
etwa ab 400 MHz bis weit über
8 GHz) versorgt. Somit ist für
alle aktuellen sowie auch für
alle zukünftigen
terrestrischen Kommunikationsdienste die Integrierbarkeit gesichert.
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Die
Erfindung trägt
der Tendenz Rechnung, dass in Zukunft – insbesondere auf Grund ihrer
Vorteile in der spektralen Effizienz („Bandbreiteneffizienz” Mbit/MHz) – vermehrt
Mehrantennensysteme (MIMO – Multiple
Input Multiple Output) für
die mobile Kommunikation eingesetzt werden dürften. MIMO-Antennensysteme
bedingen mehrere, mindestens zwei, Antennen auf derselben Frequenz
bzw. für dasselbe
Frequenzband. Damit einhergehend würde – unter Fortführung des
im Stand der Technik weitgehend verfolgten Ansatzes einer strikten
Zuordnung einzelner Antennen zu einzelnen Diensten – die Anzahl
der Antennen und Kabelverbindungen in KFZ-Antennenanordnungen erheblich
steigen. Die Einzelantennen müssten
somit in der Gesamt-Antennenanordnung dichter gepackt werden und
wären daher
zwangsläufig
stark feldgekoppelt. Dies wiederum würde die Qualität von MIMO-Antennensystemen erheblich
verringern. Schließlich
verfügen
MIMO-Antennensysteme idealerweise über entkoppelte Einzelantennen,
um nicht auf allen Einzelantennen dieselben Signale zu empfangen.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die geschaffene
Antennenanordnung im Gegensatz zu bekannten MIMO Multibandantennen auf
einem Metalldach eines Kraftfahrzeugs einsetzbar ist.
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Zudem
ist die räumliche
Integrierbarkeit bei Verwendung eines marktüblichen Antennengehäuses als
Gehäuse
gewährleistet,
weil sich die Antennenform für
die Integration in bzw. unter aerodynamisch geformte Abdeckungen
eignet. Besondere Vorteile ergeben sich bei Verwendung eines Gehäuses in
der Form einer Finne, wie dies von Fahrzeugen der Anmelderin bekannt
ist.
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Die
Bezeichnung „Finne” leitet
sich dabei ab von der charakteristischen dreieckigen Form der Rückenflosse
von beispielsweise Haien und Walen. Die an sich bekannte Übertragung
dieser anatomischen Form auf Antennengehäuse für Kraftfahrzeuge zeichnet sich
unter anderem aus durch eine im Wesentliche achsensymmetrische Grundform,
eine bezogen auf das Gesamtvolumen verhältnismäßig große Grundfläche und einen im Wesentlichen
von vorne nach hinten ansteigenden Rücken.
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1 (Stand
der Technik) zeigt ein Beispiel eines Antennengehäuse für ein Kraftfahrzeug
in der Form einer Finne.
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Die
erfindungsgemäße Antennenanordnung ist
konzipiert für
die Verwendung an einem Kraftfahrzeug und umfasst ein Gehäuse, in
welchem genau zwei Einzelantennen für die MIMO Mehrbandfunktionalität und eine
metallische Grundflächenplatte
angeordnet sind. Die Antennenanordnung bzw. deren Gesamtvolumen
umfasst ggf. noch weitere Antennen, z. B. GPS- oder SDARS-Antennen,
auf die im Folgenden aber nicht weiter eingegangen wird. Für die MIMO
Mehrbandfunktionalität
bzw. für
die Herstellung der MIMO Mehrbandfunktionalität verwendet werden nur die
beiden besagten Einzelantennen. Jede der beiden Einzelantennen ist
im Wesentlichen flach bzw. eben ausgebildet. Gegebenenfalls können die
Einzelantennen auch gefaltet sein, insbesondere aus Blech gefaltet.
Jede der beiden Einzelantennen ist im Wesentlichen senkrecht bezüglich der
metallischen Grundflächenplatte
angeordnet. Beide Einzelantennen sind als Sende/Empfangs-Antenne
für terrestrische
Dienste im Frequenzband von 1,7 GHz bis 8 GHz verwendbar, wobei
aber nur eine erste der beiden Einzelantennen zudem im Frequenzband
von 700 MHz bis 1,2 GHz verwendbar ist. Insbesondere sind die beiden
Einzelantennen (auch) für
Einzelantennenanwendungen, wie etwa GSM und/oder UMTS, in den angegebenen
Frequenzbereichen verwendbar. Jede der beiden Einzelantennen kann
insbesondere (auch) als in den angegebenen Frequenzbereichen verwendbare
GSM-Antenne und/oder UMTS-Antenne
ausgebildet sein. Die beiden Einzelantennen weisen eine derartige
Geometrie auf und sind derart zueinander angeordnet, dass sich eine geringe
Verkopplung der beiden Einzelantennen ergibt (z. B. S21 < –15 dB)
und/oder dass sich eine geringe Korrelation der Richtdiagramme der
beiden Einzelantennen ergibt.
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Für die Herstellung
der MIMO Mehrbandfunktionalität
werden die beiden Einzelantennen vorzugsweise entsprechend an sich
bekannten MIMO-Ansätzen
beschaltet und betrieben.
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Im
bevorzugten Fall von zwei Einzelantennen mit unterschiedlichen Gesamtabmessungen
besitzt vorzugsweise die erste der beiden Einzelantennen, die auch
im Frequenzband von 700 MHz bis 1,2 GHz verwendbar ist, größere Gesamtabmessungen als
eine zweite Einzelantenne, die nur im Frequenzband von 1,7 GHz bis
8 GHz verwendbar ist.
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Vorzugsweise
wirkt die metallische Grundflächenplatte,
gegebenenfalls gemeinsam mit einem Fahrzeugdach, auf welches die
Antennenanordnung montiert ist, als so genanntes elektromagnetisches Gegengewicht
bzw. als so genannte „ground
plane” zu
jeder der beiden Einzelantennen.
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Die
Antennenanordnung, insbesondere das Gehäuse und auch die Grundflächenplatte,
sind vorzugsweise zur Montage auf das Dach eines Kraftfahrzeugs
vorbereitet bzw. hergerichtet. Die metallische Grundflächenplatte
ist dabei so dimensioniert und so in der Antennenanordnung angeordnet,
dass sie im montierten Zustand im Wesentlichen waagrecht im Raum
bzw. im Wesentlichen parallel zum Dach des Kraftfahrzeugs angeordnet
ist. Idealerweise fluchtet die metallische Grundflächenplatte
im Wesentlichen mit dem Dach des Kraftfahrzeugs.
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Das
Gehäuse
hat vorzugsweise im Wesentlichen die Form einer Finne hat. Dies
hat zum einen aerodynamische Vorteile. Zum anderen ergeben sich daraus
günstige
Bauraumvoraussetzungen für
die Integration der Antennen. Insbesondere erlaubt die Form der
Finne einen Einbau schmaler, verhältnismäßig hoher Einzelantennen. Dies
gilt in besonderem Maße
für den – in Fahrtrichtung – hinteren
Teil der Finne, da der „Rücken” der Finne
in der Regel von vorne nach hinten ansteigt.
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Demnach
ist vorzugsweise eine der beiden Einzelantennen, insbesondere die
erste der beiden Einzelantennen, im Wesentlichen im, bezogen auf die
Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs bei auf das Fahrzeugdach montierter
Finne, hinteren Teil der Finne angeordnet, während die andere Einzelantenne im
Wesentlichen im, bezogen auf die Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs
bei auf das Fahrzeugdach montierter Finne, vorderen Teil der Finne
angeordnet ist. Die im hinteren Teil der Finne angeordnete Einzelantenne
kann dabei eine größere Vertikalausdehnung besitzen
als die im vorderen Teil der Finne angeordnete Einzelantenne. Jede
der beiden Einzelantennen kann sich dabei – hinsichtlich Ihrer Horizontalausdehnung – über annähernd die
Hälfte
der Finne erstrecken, ohne dass die beiden Einzelantennen sich berühren oder überlappen.
Eventuell ist Bauraum für weitere,
z. B. GPS oder SDARS, Antennen vorzuhalten. Um einen nach hochfrequenztechnischen
Gesichtspunkten (für
eine geringe Verkopplung) erforderlichen Mindestabstand nicht zu
unterschreiten, wird ein geometrieabhängiger Abstand zwischen den Einzelantennen
eingehalten. Der Bauraum, welcher nach Abzug des Mindestabstandes
und etwaiger zusätzlicher
Antennen wie SDARS, GPS verbleibt, wird zur Leistungsoptimierung
der Antennen genutzt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die beiden Einzelantennen im Wesentlichen in einer
einzigen, senkrecht bezüglich
der metallischen Grundflächenplatte
im Raum stehenden, Anordnungsebene angeordnet.
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Das
Gehäuse
bzw. die Finne besteht vorzugsweise im Wesentlichen aus Kunststoff,
welcher als Dielektrikum für
beide Einzelantennen wirkt.
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Für eine einfache
und robuste Montage auf dem Dach eines Kraftfahrzeugs weist die
Grundflächenplatte
vorzugsweise Durchführungen
für Anschlussleitungen
der Einzelantennen und gegebenenfalls Ausnehmungen für eine Befestigung
(insbesondere Bohrungen und/oder Gewinde) auf.
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Ist
die Antennenanordnung schließlich
auf dem Dach eines Kraftfahrzeugs montiert, sind die beiden Einzelantennen
vorzugsweise im Wesentlichen in der Symmetrieebene des Kraftfahrzeugs
angeordnet.
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Gegebenenfalls
kann das Fahrzeugdach bzw. dessen äußere Metallhülle eine
Ausnehmung aufweisen, in welche die metallische Grundflächenplatte
bei der Montage derart eingebracht wird, dass sie im montierten
Zustand im Wesentlichen mit der äußeren Metallhülle des
Daches des Kraftfahrzeugs fluchtet.
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Die
metallische Grundflächenplatte
kann aber auch derart am unteren Ende des Gehäuses angeordnet und derart
zu den Rändern
hin geformt sein, dass sie – selbst
ohne eine größere bzw.
passende Ausnehmung im Fahrzeugdach bzw. dessen äußerer Metallhülle – im Wesentlichen
flach mit der äußeren Metallhülle des
Daches des Kraftfahrzeugs abschließt oder gar mit der äußeren Metallhülle des Daches
fluchtet.
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Im
Folgenden wird anhand der weiteren beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details,
bevorzugte Ausführungsformen und
Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
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2 eine
Prinzipskizze der wesentlichen Elemente einer Antennenanordnung
für ein
Kraftfahrzeug,
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3 ein
Beispielfoto einer Antennenanordnung für ein Kraftfahrzeug,
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4 eine
an sich neue geometrische Gestaltung einer Einzelantenne.
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2 zeigt
eine Prinzipskizze der wesentlichen Elemente einer Antennenanordnung. 3 zeigt
ein Beispielfoto eines Prototyps derselben Antennenanordnung, allerdings
ohne Kunststoffabdeckung.
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Die
hier beispielhaft vorgestellte Antennenanordnung 1 umfasst
zwei Strahler (Einzelantennen) 2 und 3 auf einer
Metallfläche
(Grundflächenplatte) 4.
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Die
beiden Strahler 2, 3 dienen zum einen für Einzelantennenanwendungen
wie GSM und UMTS, wobei der größere Strahler 2 auch
die Frequenzen 700 Mhz bis 1,2 GHz beherrscht, der kleinere Strahler 3 nur
die Frequenzen 1,7 GHz bis 8 GHz.
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Die
Metallplatte 4 dient gemeinsam mit dem Rest eines (nicht
eigens grafisch dargestellten) Daches eines Kraftfahrzeugs, auf
welches die Antennenanordnung montierbar ist, als „ground
plane”,
d. h. als elektromagnetisches Gegengewicht zu den Strahlern.
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Die
beiden Strahler 2, 3 sind geometrisch so gestaltet,
dass sie sowohl die gewünschten
Resonanzen erreichen, als auch eine geringe Verkopplung der Strahler
untereinander garantieren. Unterschiedliche Geometrien der Einzelstrahler
verringern zudem über
unterschiedliche Richtdiagramme die Korrelation.
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Die
Antennenanordnung ist für
den Einsatz auf dem Dach eines Kraftfahrzeugs konzipiert und konstruiert.
Hierzu weist die Metallplatte 4 Durchführungen auf und schließt die für die mechanische
Befestigung der Antennenanordnung 1 auf dem Dach vorgesehene
Lücke bzw.
Ausnehmung mehr oder weniger flach ab. Jede der genannten Durchführungen
kann entweder als Durchführung
für eine
Zuleitung, insbesondere ein Koaxialkabel, der jeweiligen Einzelantenne 2, 3 ausgebildet
sein oder – wenn
die eigentliche Zuleitung bereits unterhalb der Metallplatte 4 angesteckt
wird, was bevorzugt wird – als
eine Durchführung
für einen
Speisepunkt der jeweiligen Einzelantenne. Der Speisepunkt kann dabei
insbesondere als kurzes gerades Kabel ausgeführt sein und ist in der Regel
bereits als Teil der eigentlichen Einzelantenne zu betrachten.
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Die
Einzelantennen sind derart gestaltet und derart zueinander angeordnet,
dass sie für
die kleineren Frequenzen (700–2000
MHz) auch einen kleineren als den optimalen Abstand (0,5 Wellenlängen) zulassen.
Mit dem Begriff Abstand ist dabei der räumliche Minimalabstand Kante-zu-Kante
zwischen den beiden Einzelantennen gemeint. Der optimale Abstand
von 0,5 Wellenlängen
kann vorliegend unterschritten werden, weil die Geometrien der Einzelantennen
so angepasst sind (verschiedene Kantenwinkel, Randformen, Strombelegungen
durch Schlitze), dass die Anfälligkeit
für elektromagnetische
Verkopplung sehr klein ist. Dies erlaubt es, Abstriche bezüglich der
Distanz bzw. des Abstands zu machen.
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Die
beiden Strahler 2, 3 werden durch die Kunststoffabdeckung 5 geschützt, welche
der Gesamtanordnung die aerodynamisch günstige äußere Form einer Finne verleiht.
Die beiden Einzelantennen sind darauf ausgelegt, von dem Dielektrikum
Kunststoff umgeben zu sein.
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Die
Einzelantennen können
in an sich bekannter Weise mit Koaxialleitungen an die Fahrzeugelektronik
angebunden werden. Alternativ kann auch direkt unter der Finne am
Fahrzeugdach eine Elektronikschaltung angeordnet und an die Antennenanordnung
angekoppelt werden.
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Die
Geometrie der beiden Einzelantennen weist die folgenden Besonderheiten
auf (vgl. 2 und 3):
Die
erste Einzelantenne bzw. „Hauptantenne” 2 weist einen
im Wesentlichen rechteckigen, jedoch eine Öffnung 23 aufweisenden
Rahmen 21 auf, in dessen Innerem eine im Wesentlichen dreieckige
Platte 22 angeordnet ist. Eine Spitze des Dreiecks 22 berührt die Wurzel 24 des
Rahmens 21.
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Die
zweite Einzelantenne bzw. „Hilfsantenne” 3 besitzt
im Wesentlichen die Grundform einer dreieckigen Platte. Die Dreiecksform
ist annähernd gleichseitig.
Die in Fahrtrichtung vorderste Ecke 31 der Dreiecksform
ist durch einen zweifachen Beschnitt abgestumpft. Diese ist von
mehreren im Wesentlichen parallelen, jedoch unterschiedlich langen und
unregelmäßig gegeneinander
versetzten länglichen
Ausnehmungen 32, 33, 34, 35 durchzogen,
um die Strombelegung für
minimale Feldkopplung zu optimieren. Dieser Effekt ist auch durch
eine Ausstanzung mit geeigneter Geometrie erreichbar.
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Weitere
geometrische Merkmale sind den Figuren 2 und 3 zu
entnehmen, welche die Größenverhältnisse
aller Einzelkomponenten der beispielhaft vorgestellten Antennenanordnung
sowie deren relative Anordnung korrekt wiedergeben.
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Multiband-tauglich
und zugleich Breitband-tauglich ist die Antennenanordnung 1 insofern, als
sich durch die Geometrie der Antenne einige schmalbandige Resonanzen
sowie eine Breitbandresonanz über
1,7 GHz für
beide Strahler ergeben. Auf den jeweiligen Resonanzbändern ist
die Antennenanordnung verwendbar.
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MIMO-geeignet
ist die Antennenanordnung insofern als die beiden Strahler 2, 3 geometrisch
so gestaltet und so zueinander angeordnet sind, dass sie sowohl
die gewünschten
Resonanzen erreichen, als auch eine geringe Verkopplung der Strahler
untereinander garantieren.
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Unterschiedliche
Geometrien der Einzelstrahler verringern zudem über unterschiedliche Richtdiagramme
die Korrelation.
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Auf
dem Metalldach eines Kraftfahrzeugs verwendbar ist die vorgestellte
Antennenanordnung insbesondere aufgrund der stark unterschiedlichen Antennengeometrien
der Einzelantennen. Die Einzelantennen 2, 3 verwenden
vorliegend kein – wie
bei MIMO Antennen ansonsten übliches – Polarisation Diversity,
also zwei unterschiedliche Polarisationen, weil dies auf Metallflächen unerwünschte Verzerrungen
des Richtdiagramms mit sich bringen würde. Daher wurde eine Antennengeometrie
gewählt,
die es erlaubt auch bei gleicher Antennenpolarisation – und damit
potenziell höherer
Verkopplung – eine
für MIMO
Systeme geeignete Dekorrelation und Entkopplung zu erreichen. Dies
ist im vorliegenden Fall durch stark unterschiedliche Antennengeometrien geschehen.
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Erreicht
werden kann eine solche Entkopplung ansonsten wahlweise auch durch
die Verwendung ganz unterschiedlicher Antennentypen bzw. Antennenbauformen,
etwa eines Breitbandfaltmonopols mit Resonanzauslöschung bei
1,575 GHz (Vermeidung von GPS-Störung) als
Hauptantenne (vgl. erste Einzelantenne im Anspruchswortlaut) zusammen
mit einer an sich neuen 1,7 GHz + MIMO-Hilfsantenne, wie sie in 4 dargestellt
ist.
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Die
Kombination verschiedener Geometrien und/oder grundsätzlich verschiedener
Antennenbauformen führt
auch dazu, dass sich die Gesamtanordnung ausreichend klein für die Integration
in ein kleines Gehäuse,
insbesondere eine Finne, gestalten lässt.