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Die
Erfindung betrifft einen Transponder mit einer elektromagnetische
Wellen mit einer Wellenlänge λ empfangenden
und sendenden Dipol-Antenne und einem RFID-Chip, wobei die Dipol-Antenne
mindestens einen zweiteiligen Leiterabschnitt mit einer Gesamtlänge von
I = λ/2
und der RFID-Chip strom- und impedanzangepasst an die Dipol-Antenne
angeschlossen ist, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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RFID-Systeme
(Radio-Frequency-Identification-Systeme) bestehen üblicherweise
aus zwei Komponenten, nämlich
einem Transponder, der an einem zu identifizierenden Objekt angebracht
ist, und einem Erfassungs- oder Lesegerät, das je nach Ausführung und
eingesetzter Technologie als Lese- oder Schreib-/Leseeinheit ausgebildet
ist.
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Der
Transponder, der den eigentlichen Datenträger eines RFID-Systems darstellt,
besteht üblicherweise
aus einem Koppelelement sowie einem RFID-Chip. Als Koppelelement
werden häufig
Antennen verwendet, die eine Dipolstruktur und/oder eine geometrisch
speziell gestaltete Leiterstruktur aufweisen. Derartige Antennen
dienen dazu, elektromagnetische Wellen von außen einfallend zu empfangen
und an den sowohl hinsichtlich des elektrischen Stromes als auch
impedanzrichtig angekoppelten RFID-Chip weiterzuleiten sowie umgekehrt
bereits eingespeiste Signale des RFID-Chips nach außen bzw.
in den freien Raum abzustrahlen. Die Antenne besteht hierfür aus Bahnen,
die linienförmig
ausgebildet sein können,
und Flächen
aus elektrisch leitfähigen
Material, die auf einem nicht leitenden Trägermaterial aufgebracht sind
und hinsichtlich ihrer elektromagnetischen Eigenschaften an elektrische
Parameter des RFID-Chips angepasst sind. Zur Ankopplung des Chips
an die Antenne gibt es einen Ankopplungsbereich, in welchem die
Antenne, die in diesem Bereich oftmals als geradeverlaufender Leiter
ausgebildet ist, eine sehr kurze Unterbrechung zur Anordnung des RFID-Chips,
auch Speisestelle genannt, angeordnet ist. Die geometrische Platzierung
des Ankopplungsbereichs innerhalb der die Antenne bildenden Leiterstruktur
richtet sich nach der Stromverteilung in der Leiterstruktur und
nach den spezifischen elektrischen Daten des RFID-Chips. Diese Platzierung
erfolgt jedoch immer im Bereich von Resonanzen innerhalb der Leiterstruktur
und damit in Bereichen erhöhten
Stromflusses.
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UHF-RFID-Systeme
arbeiten typischerweise in einem Frequenzbereich von 800–940 MHz
oder bei 2,45 GHz. Für
ein UHF-RFID-System nach dem ETSI-Standard, welcher ein für den europäischen Wirtschaftsraum
gängiger
Standard ist, ergibt sich bei einer Transponderfrequenz von 869,5
MHz eine Wellenlänge λ von 34 cm.
Für Antennen,
die auf einer λ/2-Resonanz
basieren, ergibt sich damit eine für den dieser Antenne zugrunde
liegenden Halbwellen-Dipol typische, geometrische Ausdehnung von
ca. 17 cm. Derartige unterschiedlich aufgebaute Antennenleiterstrukturen
ergeben sich aufgrund verschiedener Möglichkeiten der elektrischen Anpassung
des RFID-Chips an die Antenne, um den Wirkungsgrad und die Lesereichweite
des Transponders zu optimieren. Die Wirkungsweise der Antenne hängt hierbei
entscheidend von ihren geometrischen Abmessungen, ihrer Arbeitsfrequenz
und den spezifischen elektrischen Daten des RFID-Chips ab.
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Sämtlichen
Antennenstrukturen ist gemein, dass sie eine Unterbrechung in ihrer
Leiterstruktur im Ankopplungsbereich des RFID-Chips aufweisen. Durch
den in dieser Unterbrechung angeordneten RFID-Chip findet eine Speisung
des eigentlichen Dipols statt. Dies erfordert besonders leitfähige und
hochwertige sowie kostenintensive Materialien für die Ausbildung der Dipol-Antenne,
um eine hinsichtlich des elektrischen Stroms und der Impedanz richtige
Ankopplung des Chips an die Dipol-Antenne zu ermöglichen.
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Bisher
wurde angestrebt, als kostengünstige
Herstellungstechnik für
Dipol-Antennen im Zusammenhang mit UHF-Transpondern beispielsweise Ätzverfahren
anzuwenden. Bei derartigen Ätzverfahren
wird eine photostrukturierte Metalloberfläche aus beispielsweise Kupfer
oder Aluminium auf einen Polymerträger geätzt und hierdurch die Dipol-Antennenform
erzeugt.
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Alternativ
werden sogenannte additive Verfahren verwendet, bei welchen eine
sehr dünne,
strukturierte und leitende Schicht elektrogalvanisch mit einer gut
leitenden, dickeren Schicht verbunden wird, um einen Verstärkungseffekt
zu erhalten.
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Sowohl
das Ätz-
als auch das additive Verfahren zeichnen sich durch eine hohe Anzahl
an Herstellungsschritten aus, welche mittels aggressiver Chemikalien
auf relativ breiten Trägerbahnen
ausgeführt
werden müssen.
Alternativ zum Polymerträger
denkbar verwendbare kostengünstige
Papiere als Untersubstrat sind aufgrund dieser aggressiv reagierenden
Chemikalien nicht einsetzbar. Derartige Ätz- und additive Verfahren
weisen jedoch sehr gute Auflösungen
auf und können
im Bereich der Speisestelle, also im Unterbrechungsbereich der Dipol-Antenne,
sehr enge Spalten von circa 50–100 μm erzeugen,
die für
die Chipmontage erforderlich sind. Ein im Transponderbereich üblicherweise
verwendeter Chip weist eine Kantenlänge von einigen 100 μm, typischerweise
von 300 μm
bis 700 μm
auf.
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Alternativ
zu den Ätz-
oder additiven Verfahren sind Druckverfahren bekannt, bei welchen
die Dipol-Antennen bildende leitfähige Schichten aufgedruckt
werden. Hierbei können
Untersubstrate aus Kunststoff oder aus Papier als kostengünstige Trägermaterialien
verwendet werden. Sowohl silbergefüllte Pasten, welche sich beim
Trocknen/Härten
zu leitfähigen
Flächen
ausbilden, als auch im Tintenstrahlverfahren druckbare Kupfer- oder
Silber-Tinten, welche beim Trocknen/Härten leitfähige Schichten generieren,
werden hierbei eingesetzt. Derartige Druckverfahren sind insbesondere
im Rahmen einer Fertigung mit hohem Durchsatz, also mit einer Vielzahl
von Dipol-Antennen, kostengünstig
anwendbar. Allerdings liegt eine erreichbare Leitfähigkeit
der verwendeten Pasten und/oder Tinten deutlich hinter derjenigen
einer geschlossenen Metallschicht, wie sie beispielsweise bei den Ätz- oder
additiven Verfahren erzielt werden. Zudem sind bei derartigen Drucktechniken die
gewünschten
Auflösungen
in der Feinstruktur nicht ohne weiteres erreichbar. Dies führt wiederum
zu kostenintensiveren Druckverfahren.
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Demzufolge
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Transponder
mit einer Dipol-Antenne zur Verfügung
zu stellen, deren Herstellung kostengünstig, schnell und einfach
durchgeführt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst.
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Ein
wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, dass bei einem Transponder
mit einer elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge λ empfangenden
und sendenden Dipol-Antenne und einem RFID-Chip, wobei die Dipol-Antenne
mindestens einen zweiteiligen Leiterabschnitt mit einer Gesamtlänge von
I = λ/2
aufweist, und der Chip zwischen den zwei gleich langen Teilen des
Leiterabschnitts angeordnet und mit diesem verbunden ist, sich jeder
Teil aus einem zum Chipmodul hingewandten ersten Bereich mit einer
an der Gesamtlänge
anteilig geringen ersten Länge
aus einem ersten leitfähigen
Material und einem vom Chipmodul abgewandten zweiten Bereich mit
einer zweiten Länge
aus einem zweiten leitfähigen
Material zusammensetzt. Bei dem ersten Material kann es sich um
ein elektrisch leitfähiges
Metall und/oder eine elektrisch leitfähige Metalllegierung mit geringem
elektrischen Widerstand handeln, wobei das Metall Kupfer oder Aluminium
sein kann. Der erste Bereich wird hierbei üblicherweise durch eine auf
einen Träger
geätzte
oder elektrogalvanisch hergestellte Metallstruktur dargestellt.
Der zweite Bereich hingegen stellt auf Kunststoffoberflächen oder
Papier aufgedruckt elektrisch leitfähige Pasten oder Tinten oder
aufgedampfte elektrisch leitfähige
dünne Metallfilme dar.
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Der
zweiteilige Leiterabschnitt kann die Dipol-Antenne an sich als gerade
verlaufenden Leiter darstellen. Ein derartiger zweigeteilter gerade
verlaufender Leiter kann auch in einer Schleifendipolantenne mit
oder ohne weitere Antennenabschnitte integriert sein. Alternativ
kann die Form einer Batwing-Antenne in Form zwei flächenhaft
ausgebildeter Dreiecke, deren Dreiecksspitzen zueinander gewandt
durch die den Chip aufnehmende Unterbrechung voneinander beabstandet
sind, ausgebildet sein. Denkbar ist auch, dass der zweiteilige Leiterabschnitt
als dreieckförmige
Fläche
auf der einen Seite der Unterbrechung und als geradlinig verlaufender
Leiterabschnitt auf der anderen Seite der Unterbrechung ausgebildet
ist.
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Selbst
X-förmige
Antennen, innerhalb welcher der beispielsweise gerade verlaufende
zweiteilige Leiterabschnitt angeordnet ist, oder sonstige Antennenstrukturen,
wie eine Vielzahl von zusammenlaufender linienartiger Antennenabschnitte,
sind denkbar.
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Sofern
der erste und der zweite Bereich kostengünstig – beispielsweise mittels eines
Leitklebestoffes – miteinander
verbunden werden können,
liegt eine kostengünstige
Dipol-Antenne vor, da Großteile
des Leiterabschnittes aus kostengünstigen Materialien hergestellt
sind. Da die Kosten des Transponder-Mikrochips beziehungsweise Transponder-Chipmoduls
vorgegeben sind, können
die Gesamtkosten des UHF-Transponders durch eine Reduzie rung der
Herstellungs- und Materialkosten für die Dipol-Antenne gesenkt
werden. Eine derartige Materialkombination innerhalb einer Dipol-Antenne
ermöglicht
nämlich
das Einsparen teurer Materialien für die zweiten Bereiche, die
den größten Teil
der Dipol-Antenne darstellen. Im Extremfall kann eine funktionsfähige Dipol-Antenne
in ihren zweiten Bereich aus Folienstreifen, welche eine dünne Metallisierung
aufweisen, gebildet werden. Derartige kostengünstige Folien werden beispielsweise
in der Verpackungsindustrie in großen Mengen eingesetzt, wie
sie als Kartoffelchiptüten
jedem bekannt sind. Bei Verwendung solcher Folien als Leiterstruktur
der Antenne in ihrem zweiten Bereich ergibt sich eine erhebliche
Materialkostenreduzierung.
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Im
ersten Bereich hingegen werden weiterhin hochwertige Materialien
zur guten elektrisch leitfähigen Verbindung
mit dem Transponder-Mikrochip beziehungsweise dem Chipmodul und
eventuell dazwischen liegenden Interposern verwendet, die auch für eine genau
ausgebildete Feinstruktur im Bereich der Unterbrechung der Dipol-Antenne,
in welchem der Mikrochip beziehungsweise das Chipmodul angeordnet
ist, erforderlich sind.
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Alternativ
zu einem Leitklebstoff können
zur Verbindung des ersten und des zweiten Bereiches Füge-, Schweiß-, Löt- oder
mit Leitdraht durchgeführte
Nähvorgänge angewendet
werden. Vorzugsweise beträgt
das Längenverhältnis von
der ersten zu der zweiten Länge
1 : 9 oder darunter aus einem Bereich von 1 : 8 bis 1 : 12.
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Der
erfindungsgemäße Aufbau
der Dipol-Antenne erfüllt
die spezifischen physikalischen Randbedingungen entlang des Leiterabschnittes
mit dem jeweils kostengünstigsten
Material.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorteile
und Zweckmäßigkeiten
sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung
zu entnehmen. Hierbei zeigen:
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1 in
einer schematischen Darstellung eine Dipol-Antenne gemäß dem Stand
der Technik;
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2 in
einer schematischen Darstellung eine Dipol-Antenne gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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3 in
einer schematischen Darstellung in Draufsicht eine Dipol-Antenne
gemäß der Ausführungsform
der Erfindung;
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4 in
einer schematischen Darstellung eine Schleifendipolantenne gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung;
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5 in
einer schematischen Darstellung eine Schleifendipolantenne gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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6 in
einer schematischen Draufsicht eine Batwing-Antenne gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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7 in
einer schematischen Draufsicht eine unsymmetrisch gestaltete Antenne
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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8 in
einer schematischen Draufsicht eine X-förmige Antenne gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung, und
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9 in
einer schematischen Draufsicht eine weitere Ausführungsform der Antenne.
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In 1 wird
in einer schematischen Ansicht eine Dipol-Antenne 1 mit
zwei gleich langen Teilen 1a und 1b dargestellt,
die die gleichen Längen 2a und 2b aufweisen.
Die gesamte Dipol-Antenne 1 weist eine Gesamtlänge 2 mit
I = λ/2
auf, wobei λ die
Wellenlänge
der durch die Dipol-Antenne erzeugten elektromagnetischen Wellen
darstellt.
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Die
Dipol-Antenne 1 weist einen typisch verlaufenden Spannungsverlauf 3 und
eine Stromverteilung 4 auf.
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In 2 wird
in einer schematischen Darstellung in Seitenansicht eine Dipol-Antenne
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Gleich und gleich bedeutende Teile werden
mit gleichem Bezugszeichen versehen.
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Aufgrund
der charakteristischen Stromverteilung 4, die ein Maximum
in der Mitte des Leiterabschnittes, nämlich im Bereich der Einspeisungspunkte 5,
aufweist, und aufgrund des Spannungsverlaufs 3, der in diesem
Bereich Null ist, sind in unterschiedlichen Teilen der Dipol-Antenne
verschiedene spezifische physikalische Randbedingungen zu erfüllen.
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Günstigerweise
weist die Dipol-Antenne mit Teilen 1a und 1b eine
Aufteilung derart auf, dass in einem ersten Bereich 7 ein
hochwertigeres leitfähigeres
Material verwendet wird als in den zweiten Bereichen 6, 8. Auf
diese Weise lassen sich die Material- und Herstellungskosten für die Dipol-Antenne
erheblich reduzieren.
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Der
erste Bereich 7 ist in die ersten Bereich 7a und 7b,
welche den jeweiligen Teilen 1a und 1b zugeordnet
sind, aufgeteilt. Die ersten Bereiche 7a und 7b weisen
vorzugsweise eine erste Länge
auf, die weniger als 10% einer zweiten Länge der zweiten Bereiche 6 und 8 umfasst.
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Die
Bereiche 6 und 8 zeichnen sich durch eine großflächige Ausbreitung
und eine hohe Oberflächengüte aus,
sodass sich Ladungen optimal und flächig verteilen können. Der
erste Bereich hingegen muss aufgrund der Abmessung der mittigen
Unterbrechung der Dipol-Antenne 1 im
Bereich der Speisepunkte 5, die im Bereich von 50–100 μm liegen,
eine sehr genaue Feinstruktur in den Randbereichen aufweisen, welches
durch hochwertige Materialien mittels Ätz- oder additiven Verfahren
erreicht werden kann.
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Die
Bereiche 6, 8 auf der einen Seite und 7 auf
der anderen Seite bestehen aus unterschiedlichen Materialien, die
mittels eines UHF-tauglichen Verbindungsprozesses miteinander verbunden
werden können.
Vorzugsweise werden hierfür
Leitklebestoffe verwendet.
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In
den nachfolgenden Tabellen sind charakteristische Eigenschaften
der Bereiche 6, 8 sowie 7 aufgelistet,
die zur Erfüllung
von physikalischen Randbedingungen für eine gut funktionierende
Dipol-Antenne für UHF-Transponder
erforderlich sind.
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In 3 wird
in einer schematischen Draufsicht eine Dipol-Antenne gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Gleich und gleich bedeutende Teile werden
mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der in 3 gezeigten
Darstellung ist deutlich zu entnehmen, dass ein Transponder-Mikrochip 9 innerhalb
der Unterbrechung der Dipol-Antenne angeordnet ist. Dieser Transponder-Mikrochip 9 ist
mittels Anschlussflächen mit
den ersten Bereichen 7a und 7b verbunden, welche
wiederum über
Leitklebstellen 10, 11 mit den zweiten Bereichen 1a und 1b des
Leiterabschnitts der Dipol-Antenne verbunden sind.
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Hierbei
sind die ersten Bereiche aus 17 μm
dicken Kupferschichten, die auf PET durch ein Ätzverfahren aufgetragen sind,
gebildet. Hierdurch werden fein strukturierte Flächen mit vollmetallischen Strukturen
erhalten.
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Die
zweiten Bereiche 6, 8 hingegen können in
diesem Fall aus Folienstreifen mit dünner Metallisierung bestehen,
wie sie im einfachsten Fall bei einer Kartoffelchiptüte vorliegen.
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Der
zur Verbindung der ersten und zweiten Bereiche der Dipol-Antenne
verwendete Leitklebstoff ist vorzugsweise ein Heißschmelzklebstoff,
der mit kleinen Metallpartikeln gefüllt ist. Durch Erhitzung und
Druckbeaufschlagung entsteht hierdurch eine leitfähige Verbindung
im Bereich der Stellen 10, 11.
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In 4 wird
in einer schematischen Darstellung eine Schleifendipolantenne gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Bei dieser Schleifendipolantenne ist ein
gerade verlaufender zweiteiliger Leiterabschnitt 13a, 13b innerhalb
eines schleifenförmig
ausgebildeten Antennenleiters 12 integriert.
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In 5 wird
die in 4 bereits gezeigte Schleifendipolantenne mit weiteren
daran angeschlossenen geradlinigen Leiterabschnitten 14 dargestellt.
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In 6 ist
in einer schematischen Draufsicht eine sogenannte Batwing-Antenne
als zwei dreieckförmige
Flächen,
deren Spitzen zueinander weisen und durch die Unterbrechung, in
welcher der Chip angeordnet wird, voneinander beabstandet sind,
gezeigt. Jede dreieckförmige
Fläche 15 ist
in einem ersten Bereich 16a, 16b, der aus niederohmigen
hochwertigen leitfähigen
Material besteht, und einen zweiten Bereich 17a, 17b, der
aus einem höherohmigen
weniger hochwertigen Material besteht, unterteilt.
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In 7 ist
eine unsymmetrische Antennenform in einer schematischen Darstellung
wiedergegeben, bei der die eine Hälfe aus einer dreieckförmigen Fläche 15 und
die andere Hälfte
aus einem linienförmig
ausgebildeten Antennenabschnitt 18 gebildet ist. Die Abschnitte 19a und 19b bilden
wiederum erste Bereiche der zweiteiligen Leiterabschnitte 15, 18.
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In 8 ist
in einer schematischen Darstellung eine weitere Antennenform gezeigt.
Die in diesem Fall X-förmig
ausgebildete Antenne setzt sich aus zwei linienförmigen Antennenabschnitten 20 mit
ersten Bereichen 21a und 21b und weiteren linienförmigen Abschnitten 22 zusammen.
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In 9 wird
eine weitere Ausführungsform
einer möglichen
Antenne dargestellt. Wiederum bestehen zwei linienförmige Teile 23 mit
ersten Bereichen 24a und 24b sowie weitere linienförmige Abschnitte 25, 26, 27, 28 und 29.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
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- 1
- Dipol-Antenne
- 1a,
1b; 13a, 13b
- Teile
der Dipol-Antenne
- 2
- Gesamtlänge der
Dipol-Antenne
- 2a,
2b
- Längen der
Teile der Dipol-Antenne
- 3
- Spannungsverlauf
- 4
- Stromstärkeverlauf
- 5
- Speisepunkte
- 6,
8, 17a, 17b
- zweite
Bereiche
- 7,
7a, 7b; 16a, 16b; 19a, 19b;
- erster
Bereich
- 21a,
21b; 24a, 24b
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- 9
- Mikrochip/Chipmodul
- 10,
11
- Leitklebstoffstellen
- 12
- Schleifendipolantennen
- 14
- geradlinige
Antennenabschnitte
- 15
- dreieckförmige Antennenflächen
- 18,
20, 22, 23, 25, 26, 27, 28, 29
- linienförmiger Antennenabschnitt
