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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrowellenantenne zur drahtlosen
Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik, insbesondere
zur Vernetzung von abgesetzten Sensoren, Aktoren und einer zentralen
Steuereinheit, mit einer ersten Leiterschleife, die ein erstes und
ein zweites Ende besitzt, mit einer zweiten Leiterschleife, die
ein drittes und ein viertes Ende besitzt, mit einer Umwegleitung,
die das zweite und das vierte Ende leitend verbindet, und mit einem
gemeinsamen Speiseanschluss für die erste und die zweite
Leiterschleife.
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Eine
solche Antenne ist unter der Bezeichnung "Eggbeater-Antenne" bekannt
und beispielsweise in einer Bauanleitung beschrieben, die im Internet
unter der Adresse http:\\davehouston.net\eggbeater.htm veröffentlicht
ist.
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Bei
der industriellen Herstellung von Produkten gibt es seit vielen
Jahren das Bestreben, die Prozessabläufe mehr und mehr
zu automatisieren. Dies führt zu einer zunehmenden Vernetzung
von Geräten und Komponenten, die an den Produktionsprozessen beteiligt
sind. Typischerweise sind dies Sensoren zum Detektieren von Anlagen-
oder Prozesszuständen, Aktoren, die eine Veränderung
der Anlagen- oder Prozesszustände bewirken, und Steuereinheiten
zum Erzeugen von Steuersignalen, mit denen die Aktoren in Abhängigkeit
von den Sensorsignalen angesteuert werden. Bei kleinen Anlagen können
die Sensoren und Aktoren direkt an die Steuereinheit angeschlossen
sein. Bei größeren und weitläufigen Anlagen,
die eine große Anzahl von Sensoren und Aktoren benötigen,
werden schon seit vielen Jahren Kommunikationsnetzwerke verwendet,
um die Sensoren, Aktoren und Steuereinheiten miteinander zu vernetzen.
Ein typisches Beispiel für solche Kommunikationsnetzwerke
sind die so genannten Feldbusse. Dies sind Kommunikationsnetzwerke,
die an die speziellen Anforderungen für solche Anwendungen angepasst
sind, insbesondere im Hinblick auf die rauen Umgebungsbedingungen
und den typischen Kommunikationsbedarf zwischen Steuereinheiten und
abgesetzten Sensoren und Aktoren. Bekannte Feldbusse sind der so
genannte Profibus, der so genannte Interbus und der so genannte
CAN-Bus. Typischerweise verwenden diese Feldbusse elektrische und/oder
optische Leitungen zur Vernetzung der angeschlossenen Geräte.
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Es
gibt darüber hinaus seit einigen Jahren Bestrebungen, die
Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik auf
Basis des bekannten Ethernet-Standards zu realisieren, der sich
bei der Vernetzung von Personal Computern in Heim- und Büroanwendungen
durchgesetzt hat. In diesem Zusammenhang gibt es auch Bestrebungen,
die Verbindung zwischen den Geräten drahtlos zu realisieren,
was bei Heim- und Büronetzwerken mit Hilfe von WLAN schon
häufig der Fall ist. Beispielsweise bietet die Firma Phoenix
Contact GmbH & Co.
KG in ihrer Produktlinie Factory Line WLAN-Kommunikationsgeräte zur
drahtlosen Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik
an. Die Technologie von Heim- und Büronetzwerken ist allerdings
nicht ohne weiteres auf Anwendungen in industriellen Produktionsumgebungen übertragbar,
weil der Kommunikationsbedarf und die Umgebungsbedingungen unterschiedlich
sind. In Werkshallen gibt es typischerweise eine große
Anzahl metal lischer Gegenstände und bewegter Objekte, die
die Ausbreitung von Funkwellen stark beeinflussen können.
Andererseits muss die Kommunikation zwischen den Steuereinheiten
und den Sensoren und Aktoren häufig in sehr engen, zyklisch
wiederkehrenden Zeitintervallen erfolgen, um einen kontinuierlichen
und störungsfreien Produktionsprozess zu ermöglichen.
Hinzu kommen erhöhte Anforderungen an die Zuverlässigkeit
der Kommunikationsverbindung, wenn sicherheitsrelevante Daten übertragen
werden sollen, von denen die Betriebssicherheit einer automatisierten
Anlage abhängt. Beispielsweise führen viele Produktionsanlagen
gefährliche Bewegungen aus, die sofort gestoppt werden
müssen, wenn sich eine Bedienperson der Anlage nähert.
In so einem Fall muss das Signal einer Lichtschranke, die die Person
detektiert, schnell an die zentrale Steuereinheit übertragen
werden, und der Abschaltbefehl muss den richtigen Antrieb der Anlage
innerhalb einer definierten und garantierten Zeitspanne erreichen.
Dabei kommt es im Gegensatz zu Heim- und Büronetzwerken
oft auf Bruchteile von Sekunden an.
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Angesichts
der schwierigen Übertragungsbedingungen in Werkshallen
besitzen die bekannten Geräte von Phoenix zwei Stabantennen,
die an unterschiedlichen Positionen und in unterschiedlicher Ausrichtung
(horizontal und vertikal) angeordnet sind. Es wird jeweils diejenige
Antenne verwendet, die bessere Empfangsbedingungen vorfindet. Anstelle
von Stabantennen, die zumindest annähernd eine Rundstrahlcharakteristik
aufweisen, können an die Phoenix-Geräte grundsätzlich
auch Richtantennen angeschlossen werden, deren Sende- und Empfangseigenschaften
auf eine oder mehrere Raumrichtungen optimiert sind und die dafür
in anderen Raumrichtungen sehr schlechte Sende- und Empfangseigenschaften
aufweisen.
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Die
Verwendung von Richtantennen mag für spezielle Anwendungen
sinnvoll sein. Sie geht jedoch bei der Vernetzung von Geräten
der Automatisierungstechnik zu Lasten der Flexibilität.
Außerdem erhöht sich der Aufwand bei der Planung
und Installation im Vergleich zu Antennen mit einer Rundstrahlcharakteristik.
Andererseits sind die Ergebnisse, die sich mit einfachen Stabantennen
in Werkshallen und anderen industriellen Umgebungen erreichen lassen,
bei weitem noch nicht optimal.
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Es
gibt darüber hinaus eine Vielzahl von Antennenarten und
-formen für diverse Anwendungen im Bereich der Satellitenkommunikation,
des Mobilfunks, der Ortung u. a. Ein Beispiel ist die eingangs genannte
Eggbeater-Antenne. Diese besitzt zwei kreisförmige Leiterschleifen,
deren Enden über eine Umwegleitung verbunden sind, wobei
die Länge der Umwegleitung etwa einem Viertel der Wellenlänge der
zu empfangenden Funksignale entspricht. Die beiden Leiterschleifen
sind mit einem gemeinsamen Speisepunkt verbunden, an dem die Antennensignale
eingekoppelt oder ausgekoppelt werden können. Eine solche
Antenne lässt eine gute Rundstrahlcharakteristik erwarten.
Sie ist jedoch für die rauen Umgebungsbedingungen einer
industriellen Produktionsanlage nur bedingt geeignet.
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine kostengünstige Mikrowellenantenne zur drahtlosen Vernetzung
von Geräten der Automatisierungstechnik anzugeben, die
flexibel einsetzbar ist und stabile Funkübertragungen unter
den schwierigen Übertragungsbedingungen einer industriellen
Umgebung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung durch eine Antenne
der eingangs genannten Art gelöst, mit einer ersten Leiterplatte,
auf der die erste Leiterschleife als gedruckte Leiterbahn angeordnet
ist, und mit einer zweiten Leiterplatte, auf der die zweite Leiterschleife
als gedruckte Leiterbahn angeordnet ist, wobei die erste Leiterplatte
ferner den gemeinsamen Speiseanschluss aufweist, und wobei die zweite
Leiterplatte quer zu der ersten Leiterplatte angeordnet ist.
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Die
neue Mikrowellenantenne verwendet also (zumindest) zwei quer zueinander
angeordnete Leiterschleifen, die über eine Umwegleitung
verbunden sind und einen gemeinsamen Speisepunkt besitzen. Im Unterschied
zu der bekannten Eggbeater-Antenne sind die zwei Leiterschleifen
hier in Form von gedruckten Leiterbahnen realisiert. Der Begriff "gedruckte
Leiterbahn" bezeichnet in diesem Zusammenhang leitfähige
(insbesondere metallische) Bahnen, die als dünne Schichten
auf einer Trägerplatte aus einem isolierenden Material
fest angeordnet sind. In bevorzugten Ausführungsbeispielen
bestehen die Leiterplatten aus einem Glasfasergewebe, das mit Epoxidharz
gebunden ist (so genannte FR4 Leiterplatten). Alternativ können
die Leiterplatten aus PTFE, Keramik oder anderen isolierenden Kunst- und/oder
Verbundwerkstoffen sein, wie etwa aus Rexolite® 1422
oder Noryl. In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die
Leiterbahnen aus Kupfer, das durch geeignete Beschichtungsverfahren
auf den Platten abgeschieden wurde. Prinzipiell kommen dabei Herstellungsverfahren
zum Einsatz, wie sie zur Herstellung von Leiterplatten für
andere Zwecke verwendet werden, wie etwa Leiterplatten zur Bestückung
mit elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen.
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Die
neue Mikrowellenantenne besitzt (zumindest) zwei Leiterplatten,
die quer zueinander angeordnet sind. In bevorzugten Ausführungsbeispielen
besitzt die neue Mikrowellenantenne zwei Leiterplatten, die orthogonal
zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise ist die zweite Leiterplatte
nachträglich an der ersten Leiterplatte befestigt worden,
d. h. nachdem die Leiterbahnen auf den separaten Leiterplatten hergestellt
wurden. Grundsätzlich könnte die Herstellung der
"gekreuzten" Leiterplatten jedoch auch vor der Herstellung der Leiterbahnen
erfolgen.
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In
allen Fällen trägt die erste Leiterplatte nicht
nur die erste Leiterschleife, sondern auch die zweite Leiterplatte
mit der zweiten Leiterschleife, und vorteilhafterweise auch den
Speiseanschluss und die Umwegleitung, so dass die erste Leiterplatte
durch die zweite Leiterplatte zu der neuen Mikrowellenantenne ergänzt
wird. Zwar könnte die erste Leiterplatte mit der ersten
Leiterschleife für sich genommen bereits als Mikrowellenantenne
verwendet werden. Durch die Ergänzung mit der zweiten Leiterplatte
erhält die neue Mikrowellenantenne jedoch eine Gesamtstrahlungscharakteristik,
die nahezu optimal für die drahtlose Vernetzung von Geräten
in industriellen Arbeitsumgebungen ist. Die beiden Leiterschleifen erzeugen
zusammen eine horizontale Strahlungscharakteristik, die für
horizontale Polarisation nahezu optimal kreisförmig ist.
Auch für vertikale Polarisation kann man mit guter Näherung
von einer kreisförmigen Strahlungscharakteristik in der
Horizontalebene sprechen. Darüber hinaus besitzt die neue
Antenne auch in der Vertikalebene mit guter Näherung eine Rundstrahlcharakteristik,
und zwar sowohl für horizontale Polarisation als auch für
vertikale Polarisation. Dies erscheint zunächst überraschend,
wenn man bedenkt, dass die Leiterschleifen selbst horizontal polarisiert
sind. Aufgrund der Umwegleitung werden die beiden Leiterschleifen
jedoch mit einer Phasenverschiebung betrieben, die in den bevorzugten Ausführungsbeispielen
etwa 90° beträgt (λ/4-Umwegleitung).
Aufgrund dieser Phasenverschiebung entsteht eine zirkulare Polarisation,
also eine drehende Polarisation, die vertikale Polarisationsanteile
enthält.
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Die
neue Mikrowellenantenne ermöglicht daher in praktisch allen
Raumrichtungen und in allen Polarisationsebenen einen guten Empfang
bzw. eine gute Abstrahlung. Infolge dessen kann die neue Mikrowellenantenne
sehr flexibel und weitgehend ohne spezielle Planungs- und Installationsarbeiten
eingesetzt werden.
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Darüber
hinaus sind die universellen Sende- und Empfangseigenschaften der
neuen Mikrowellenantenne von großem Vorteil für
die Anwendung in industriellen Arbeitsumgebungen, wie Werkshallen,
in denen bewegte Maschinen und zahlreiche andere metallische Strukturen
anzutreffen sind. Viele dieser Strukturen besitzen vertikale Kanten,
was für eine Übertragung mit vertikaler Polarisation
von Nachteil ist. Vertikale Polarisation ist auch für die
Durchdringung von Wänden eher nachteilig. Vorteile besitzt vertikale
Polarisation allerdings bei einer stockwerkübergreifenden
Kommunikation. Die neue Mikrowellenantenne kann weitgehend unabhängig
von den Umgebungsbedingungen am Einsatzort betrieben werden, weil
sie sowohl mit horizontaler als auch mit vertikaler Polarisation
arbeitet. Im Gegensatz dazu sind herkömmliche Stabantennen
nur für eine der beiden Polarisationsarten optimal.
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Des
weiteren kann die neue Mikrowellenantenne aufgrund der Leiterplattentechnik
sehr einfach und mit geringen Toleranzen hergestellt werden, und sie
ist sehr robust, kompakt und stabil. Sie eignet sich daher für
die Verwendung in rauen industriellen Umgebungen. Ferner kann sie
in den hohen Stückzahlen, die typischerweise für
eine solche Verwendung benötigt werden, kostengünstig
hergestellt werden.
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Ein
weiterer Vorteil der neuen Mikrowellenantenne liegt darin, dass
die verschiedenen Polarisationen zur Entkopplung gegenüber
anderen Funkdiensten eingesetzt werden können. Beispielsweise arbeiten
klassische WLAN-Funknetze und Bluetooth in der Regel mit vertikaler
Polarisation, so dass die guten Sende- und Empfangseigenschaften
der neuen Antenne bei horizontaler Polarisation geringere Störungen
durch solche Funknetze erwarten lassen. Trotzdem ist die neue Antenne
kompatibel zu den herkömmlichen Systemen.
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Die
oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung weist zumindest eine der Leiterplatten
einen Schlitz auf, in den die andere Leiterplatte eingesteckt ist.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen weisen die erste und die
zweite Leiterplatte jeweils einen Schlitz auf, und sie sind mit
ihren Schlitzen ineinander gesteckt. Des Weiteren ist es bevorzugt,
wenn der Schlitz in der zweiten Leiterplatte sehr lang ist im Vergleich
zu dem Schlitz in der ersten Leiterplatte, so dass die zweite Leiterplatte
weitgehend "auf" der ersten Leiterplatte sitzt.
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Diese
Ausgestaltungen ermöglichen eine sehr einfache, kostengünstige
und stabile Montage der neuen Mikrowellenantenne. Die beiden Leiterplatten
können in herkömmlicher Technik separat hergestellt
werden. Anschließend wird die zweite Leiterplatte auf die
erste Leiterplatte gesteckt. Aufgrund der Schlitze lassen sich die
Leiterschleifen auf weitgehend gleicher Höhe positionieren.
Ein langer Schlitz in der zweiten Leiterplatte ermöglicht
es, dass beide Leiterschleifen mit Ausnahme der jeweiligen Enden
geschlossen sind. Solche weitgehend geschlossenen Leiterschleifen
vereinfachen die bevorzugte Rundstrahlcharakteristik der neuen Antenne.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist auf der ersten Leiterplatte zumindest
eine erste Metallfläche angeordnet, und auf der zweiten
Leiterplatte ist zumindest eine zweite Metallfläche angeordnet,
wobei die ersten und zweiten Metallflächen von den Leiterschleifen
isoliert und miteinander verlötet sind. Vorzugsweise sind
die ersten und zweiten Metallflächen direkt miteinander
verlötet, d. h. das Lötzinn verbindet die Metallflächen
direkt und ohne zusätzliche Metallstifte oder dergleichen.
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Diese
Ausgestaltung sorgt für eine hohe Stabilität der
neuen Mikrowellenantenne und sie entlastet die elektrischen Lötverbindungen
zwischen den Leiterschleifen. Andererseits lassen sich die Metallflächen
sehr einfach und kostengünstig zusammen mit den Leiterschleifen
herstellen, und auch das Verlöten der Metallflächen
ist einfach und kostengünstig.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist zumindest eine der Metallflächen
eine durchkontaktierte Doppelfläche, die eine vordere Metallfläche
auf einer Vorderseite der Leiterplatte und eine rückseitige
Metallfläche auf einer Rückseite der Leiterplatte
aufweist.
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In
dieser Ausgestaltung ist zumindest eine der Metallflächen
sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite der
jeweiligen Leiterplatte angeordnet. Dies ermöglicht auf
sehr einfache und kostengünstige Weise eine mehrfache Lötverbindung
und infolge dessen eine sehr stabile Verbindung der Leiterplatten.
Die Durchkontaktierung verhindert, dass die gegenüberliegenden
Metallflächen auf der Vorderseite und der Rückseite
als Plattenkondensator wirken. Infolge dessen tragen die Durchkontaktierungen
zu der guten Antennencharakteristik bei.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist die Umwegleitung eine gedruckte
Leiterbahn, die auf der ersten Leiterplatte angeordnet ist. Vorzugsweise
ist die Umwegleitung eine Streifenleitung, die eine 90° Phasenverschiebung
erzeugt und die mit dem vierten Ende (auf der zweiten Leiterplatte)
verlötet ist.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige
Herstellung der Umwegleitung.
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In
einer weiteren Ausgestaltung sind das erste und das dritte Ende
ohne Umwegleitung verlötet.
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In
dieser Ausgestaltung verbindet die Umwegleitung nur jeweils ein
Ende der beiden Leiterschleifen, während die jeweils anderen
Enden direkt verbunden sind. Ein elektrisch kurzes Leitungsstück kann
zur Verbindung der anderen Enden vorgesehen sein, um Höhen-
und/oder Positionsunterschiede auszugleichen. Die neue Mikrowellenantenne
dieser Ausgestaltung unterscheidet sich von der eingangs genannten
Eggbeater-Antenne in der elektrischen Verbindung der vier Leiterenden.
Angesichts dessen ist davon auszugehen, dass diese Ausgestaltung vorteilhaft
zu der sehr gleichmäßigen Rundstrahlcharakteristik
beiträgt, die die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele
aufweisen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung besitzt die neue Mikrowellenantenne
eine weitere gedruckte Leiterbahn, die auf der ersten Leiterplatte
angeordnet ist und die den Speiseanschluss und das erste Ende leitend
verbindet.
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In
dieser Ausgestaltung ist die erste Leiterplatte die Hauptleiterplatte,
auf der alle wesentlichen Antennenelemente (vorzugsweise einschließlich
der Umwegleitung) angeordnet sind. Es genügt dann, dass
die zweite Leiterplatte die zweite Leiterschleife und isolierte
Metallflächen zur mechanischen Befestigung aufweist. Diese
Ausgestaltung ermöglicht eine sehr kostengünstige
Herstellung, da die zweite Leiterplatte für verschiedene
Typen der neuen Mikrowellenantenne verwendet werden kann, wie nachfolgend
anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert
ist. Des Weiteren vereinfacht sich die Montage der zweiten Leiterplatte
auf der ersten Leiterplatte aufgrund dieser Ausgestaltung.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist die weitere gedruckte Leiterbahn
eine vordere Leiterbahn auf einer Vorderseite der ersten Leiterplatte
und eine rückseitige Leiterbahn auf einer Rückseite
der ersten Leiterplatte auf, wobei der Speiseanschluss ein koaxialer
Anschluss mit einem Innenleiter und einem Außenleiter ist,
wobei die vordere Leiterbahn den Außenleiter und das erste
Ende leitend verbindet, und wobei die rückseitige Leiterbahn
den Innenleiter und das zweite Ende leitend verbindet. Vorzugsweise
sind die vordere und rückseitige Leiterbahn übereinander
angeordnet, so dass sie eine weitgehend symmetrische Streifenleitung
bilden.
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Diese
Ausgestaltung trägt ebenfalls zu einer kostengünstigen
Herstellung der neuen Mikrowellenantenne bei. Die Leitungsverbindung
zwischen dem Speiseanschluss und den Leiterschleifen ist hier in kostengünstiger
Weise auf der ersten Leiterplatte integriert.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist die vordere Leiterbahn im Bereich
des Speiseanschlusses eine große Leiterbahnbreite auf,
die sich zum ersten Ende hin symmetrisch verjüngt. In einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel verjüngt sich
die vordere Leiterbahn mit einem Radius von etwa λ/6, wobei λ die
Wellenlänge der Antennenstrahlung bezeichnet. Die rückseitige
Leiterbahn besitzt vorzugsweise eine weitgehend konstante Breite.
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In
dieser Ausgestaltung bilden die weiteren Leiterbahnen einen so genannten
Balun. Dieser Balun ist eine sehr einfache, kostengünstige
und mit hoher Genauigkeit reproduzierbare Möglichkeit zur
Anpassung eines konventionellen, koaxialen Speiseanschlusses an
die Leiterschleifen der neuen Antenne.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist die erste Leiterschleife etwa zur
Hälfte auf der Vorderseite und etwa zur Hälfte
auf der Rückseite der ersten Leiterplatte angeordnet.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht einen sehr einfachen und effizienten
Anschluss der Leiterschleifen an die Speiseleitung.
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In
einer weiteren Ausgestaltung sind die Leiterschleifen rechteckig,
insbesondere quadratisch. Vorzugsweise beträgt die Kantenlänge
der quadratischen Leiterschleifen etwa λ/4. In anderen
Ausführungsbeispielen sind die Leiterschleifen rechteckig mit
einem Seitenverhältnis von 2:1. Auch in diesem Fall ist
die Gesamtlänge der Leiterschleifen vorzugsweise weitgehend
gleich der Wellenlänge der Sende- bzw. Empfangssignale.
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Grundsätzlich
könnten die Leiterschleifen auch kreisförmig,
elliptisch oder anders geformt sein. Es hat sich jedoch gezeigt,
dass rechteckige und insbesondere quadratische Leiterschleifen spürbar
zu der guten Antennencharakteristik der neuen Mikrowellenantenne
beitragen. Möglicherweise ist dies darauf zurückzuführen,
dass die Ecken der Leiterschleifen Teilstrahlungen hervorrufen,
die zu günstigen Interferenzen führen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung verlaufen die Leiterschleifen am Rand
der Leiterplatten. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Leiterplatten
außerdem Ausnehmungen aufweisen, so dass die Leiterschleifen
auch innen teilweise oder weitgehend freigestellt sind.
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Auch
diese Ausgestaltung trägt vorteilhaft zu der guten Antennencharakteristik
der neuen Mikrowellenantenne und ihrer hohen Eignung für
den Einsatz in Werkshallen oder dergleichen bei.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist auf der ersten Leiterplatte eine
dritte Leiterschleife als gedruckte Leiterbahn angeordnet, wobei
die erste und die dritte Leiterschleife in einer Ebene liegen und
innerhalb der Ebene in zwei Richtungen versetzt sind. In bevorzugten
Ausführungsbeispielen sind die erste und die dritte Leiterschleife
seitlich um etwa λ/4 und in der Höhe um etwa λ/2
versetzt.
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Diese
Ausgestaltung integriert eine zweite Schleifenantenne auf der ersten
Leiterplatte. Aufgrund der versetzten Anordnung ermöglicht
diese Ausgestaltung eine sehr einfache, kostengünstige und
kompakte Mehrfachantenne für einen Diversitybetrieb.
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In
einer weiteren Ausgestaltung besitzt die neue Mikrowellenantenne
eine dritte Leiterplatte mit einer vierten Leiterschleife, wobei
die dritte Leiterplatte quer zu der dritten Leiterschleife an der
ersten Leiterplatte befestigt ist.
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In
dieser Ausgestaltung sind beide Diversityantennen nach der Grundidee
der vorliegenden Erfindung realisiert. Vorteilhafterweise sind die
zweite und die dritte Leiterplatte gleich, was eine sehr einfache
und kostengünstige Herstellung ermöglicht. Unabhängig
davon bietet diese Ausgestaltung eine sehr kompakte Mehrfachantenne
für einen vorteilhaften Diversitybetrieb.
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In
einer weiteren Ausgestaltung besitzt die neue Mikrowellenantenne
eine Antennenumschalteinheit, die dazu ausgebildet ist, den Speiseanschluss
wahlweise mit der ersten oder der dritten Leiterschleife zu verbinden,
wobei die Antennenumschalteinheit auf der ersten Leiterplatte angeordnet ist.
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In
dieser Ausgestaltung ist eine Antennenumschalteinheit für
den Diversitybetrieb in die Mikrowellenantenne integriert. Die Integration
der Antennenumschalteinheit in die Mikrowellenantenne ermöglicht
einen sehr flexiblen Einsatz, weil keine Veränderungen
an den Sende- und Empfangsgeräten notwendig sind, an die
die neue Antenne angeschlossen wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung besitzt die neue Mikrowellenantenne
einen – vorzugsweise plattenförmigen – Reflektor,
der an der ersten Leiterplatte befestigt ist.
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Ein
solcher Reflektor ist insbesondere von Vorteil, wenn die neue Mikrowellenantenne
als Diversityantenne mit integrierter Antennenumschalteinheit ausgebildet
ist, weil der Reflektor in diesem Fall die Antennenumschalteinheit
vorteilhaft abschirmen kann. Darüber hinaus kann der Reflektor
die Antennencharakteristik für die Anwendungen in Werkshallen
oder dergleichen weiter verbessern, da eine Abstrahlung senkrecht
nach unten in aller Regel wenig sinnvoll ist, wenn die Antenne auf
oder direkt an dem zu vernetzenden Gerät angeordnet ist.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer automatisierten Anlage mit Mikrowellenantennen nach
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der neuen Mikrowellenantenne
in einer perspektivischen Darstellung,
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3–6 die
Mikrowellenantenne aus 2 in vier Seitenansichten,
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7 ein
zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der neuen Mikrowellenantenne
in einer Seitenansicht, und
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8 die
Mikrowellenantenne aus 7 in einer perspektivischen
Darstellung.
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In 1 ist
eine Anlage, bei der Ausführungsbeispiele der neuen Mikrowellenantenne
zur Anwendung kommen, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Die
Anlage 10 besitzt eine Steuereinheit 12 und mehrere
abgesetzte E/A-(Eingabe/Ausgabe)-Einheiten 14, 16, 18.
An die E/A-Einheit 16 ist ein elektrischer Antrieb 20 angeschlossen.
Beispielsweise ist dies ein Antrieb für einen Roboter oder
eine andere Maschine zur automatisierten Bearbeitung von Werkstücken
(hier nicht dargestellt). Der Antrieb 20 wird über
die E/A-Einheit 16 mit Strom versorgt und kann daher von
der E/A-Einheit 16 abgeschaltet werden. An die E/A-Einheiten 14 und 18 ist
jeweils eine Lichtschranke 22 angeschlossen. Mit den Lichtschranken 22 wird
der Roboter oder die elektrische Maschine gegen gefährliche
Eingriffe von außen gesichert. Die Lichtschranken 22 sind
typische Beispiele für Sensoren, deren Signalzu stände
von der Steuereinheit 12 eingelesen werden, um in Abhängigkeit davon
Steuersignale zu erzeugen, mit denen der Antrieb 20 abgeschaltet
werden kann.
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Die
Steuereinheit 12 und die E/A-Einheiten 14, 16, 18 bilden
hier zusammen ein sicherheitsrelevantes Steuerungssystem im Sinne
der Normen EN 954-1, IEC 61508 und/oder EN
ISO 13849-1. In bevorzugten Ausführungsbeispielen
sind die Steuereinheit 12 und die E/A-Einheiten 14, 16, 18 jeweils
fehlersicher im Sinne der Kategorie 3 und höher
der EN 954-1 ausgebildet. Um dies zu erreichen,
sind die sicherheitsrelevanten Teile der Steuereinheit 12 und der
E/A-Einheiten 14, 16, 18 redundant aufgebaut, und
sie führen regelmäßige Funktionstests
durch, um ein Abschalten des Antriebs 20 auch bei Auftreten
eines Fehlers sicherzustellen. In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen
beinhaltet die Steuereinheit 12 darüber hinaus
auch die Betriebssteuerung des Antriebs 20, d. h. die Steuerung
der normalen Arbeitsbewegungen des Roboters oder der Maschine. Grundsätzlich
könnte die Steuereinheit 12 auch eine reine Betriebssteuerung
sein, und die sicherheitsrelevanten Steuerfunktionen könnten
durch eine weitere Steuereinheit (hier nicht dargestellt) gesteuert
werden, die beispielsweise im Schaltschrank des Roboters oder der
Maschine installiert ist.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die Steuereinheit 12 einen
Signal- und Datenverarbeitungsteil 24, der redundant aufgebaut
ist. Der Signal- und Datenverarbeitungsteil 24 besitzt zwei
Prozessoren 26a, 26b, die redundant zueinander
arbeiten und sich gegenseitig überwachen. Die Prozessoren 26a, 26b können
auf einen Speicher 28 zugreifen, in dem das Steuerprogramm
für die Anlage 10 abgespeichert ist.
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Die
Steuereinheit 12 besitzt ferner eine Kommunikationsschnittstelle 30,
die hier mit zwei Mikrowellenantennen 32a, 32b nach
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verbunden ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die zwei
Antennen 32a, 32b in einer Diversityantenne integriert,
die weiter unten anhand 7 und 8 beschrieben
ist. Der Signal- und Datenverarbeitungsteil 24 kommuniziert über
die Kommunikationsschnittstelle 30 und die Antennen 32a, 32b mit
den abgesetzten E/A-Einheiten 14, 16, 18,
um die Signalzustände der Sensoren 22 einzulesen
und die Steuerbefehle für den Antrieb 20 auszugeben.
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Jede
E/A-Einheit 14, 16, 18 besitzt eine Antenne 36 und
eine Kommunikationsschnittstelle 38. Die E/A-Einheiten 14, 16, 18 kommunizieren über
die Antenne 36 und die Kommunikationsschnittstelle 38 mit
der Steuereinheit 12, um die Sensorsignale zu übertragen
und die Steuerbefehle zu empfangen. Zu diesem Zweck senden und empfangen
die Kommunikationsschnittstellen 30, 38 hochfrequente
Funksignale 40, 42. In einem Ausführungsbeispiel
liegt die Frequenz der Funksignale 40, 42 bei
etwa 2,4 GHz. Jedes Funksignal besteht aus einer Vielzahl von zeitlich
aufeinander folgenden Signalpaketen (so genannte Bursts), zwischen
denen zeitliche Pausen liegen. Mit den hochfrequenten Signalpaketen
werden so genannte Telegramme 46 übertragen, in
denen die Daten codiert sind, die zwischen der Steuereinheit 12 und
den E/A-Einheiten 14, 16, 18 ausgetauscht
werden.
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Die 2 bis 6 zeigen
ein erstes Ausführungsbeispiel der neuen Mikrowellenantenne
in Form einer Einzelantenne 36. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen
gleiche Elemente.
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Die
Antenne 36 besitzt eine erste Leiterplatte 48 und
eine zweite Leiterplatte 50. Auf der ersten Leiterplatte 48 ist
eine erste Leiterschleife 52 mit einem ersten Ende 54 und
einem zweiten Ende 56 angeordnet. Wie man in den 3 und 5 erkennen
kann, verläuft die erste Leiterschleife 52 zur
Hälfte auf der Vorderseite 58 und zur anderen
Hälfte auf der Rückseite 60 der ersten
Leiterplatte 48. Im oberen Bereich der ersten Leiterplatte 48 befinden
sich Durchkontaktierungen, mit denen die erste Leiterschleife 52 von der
Vorderseite 58 auf die Rückseite 60 geführt
ist.
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Auf
der zweiten Leiterplatte 50 ist eine zweite Leiterschleife 64 angeordnet,
die ein drittes Ende 66 und ein viertes Ende 68 besitzt.
Die Enden 66, 68 der zweiten Leiterschleife 64 sind über
Durchkontaktierungen 70, 72 auf die Rückseite 74 der
zweiten Leiterplatte 50 geführt. Im Übrigen
verläuft die zweite Leiterschleife 64 vollständig
auf der Vorderseite 76 der zweiten Leiterplatte 50.
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Wie
man in den 4 und 6 erkennen kann,
ist die zweite Leiterplatte 50 quadratisch und die zweite
Leiterschleife 64 verläuft am Rand 78 der Leiterplatte 50.
Dementsprechend ist die zweite Leiterschleife 64 hier eine
quadratische Leiterschleife. Die Kantenlänge ist so gewählt,
dass sie etwa λ/4 der zu übertragenden oder zu
empfangenden Funkwellen ist. An den vier Ecken der Leiterplatte 50 sind L-förmige
Schlitze 80 angeordnet, so dass die zweite Leiterschleife 64 auch
an ihrer Innenseite teilweise freigestellt ist. Man könnte
auch sagen, dass die zweite Leiterplatte 50 einen äußeren
Rahmen besitzt, auf dem die zweite Leiterschleife in Form einer leitfähigen
Schicht (beispielsweise aus Kupfer) vollflächig angeordnet
ist. Innerhalb des Rahmens befindet sich ein zentraler Leiterplattenbereich 82,
der über vier kreuzförmig angeordnete Stege mit
dem äußeren Rahmen verbunden ist. In diesem zentralen Leiterplattenbereich 82 sind
durchkontaktierte doppelseitige Metallflächen 86a, 86b angeordnet.
Die Metallflächen 86 sind gegen die Leiterschleifen 52, 64 isoliert.
Sie dienen lediglich als Lötflächen, an denen
die erste und zweite Leiterplatte 48, 50 verlötet sind,
um eine mechanische, stabile Verbindung zu erhalten.
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Die
erste Leiterplatte 48 ist wesentlich größer als
die zweite Leiterplatte 50. Sie besitzt jedoch einen quadratischen
Leiterplattenbereich 84, dessen Größe
gleich der zweiten Leiterplatte 50 ist. Die erste Leiterschleife 52 verläuft
am Rand des quadratischen Leiterplattenbereichs 84. An
der Innenseite der ersten Leiterschleife 52 sind L-förmige
Schlitze 80 angeordnet, mit denen die erste Leiterschleife 52 zumindest
teilweise freigestellt wird.
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Die
erste Leiterplatte 48 besitzt noch einen zweiten und einen
dritten Leiterplattenbereich 88, 90, die mit Hilfe
von Schlitzen 87 von dem quadratischen Leiterplattenbereich 84 abgesetzt
sind. Der zweite Leiterplattenbereich 88 ist ein relativ
kleiner Streifen, der oberhalb des Leiterplattenbereichs 84 angeordnet
ist. Der Leiterplattenbereich 88 dient im Wesentlichen
dazu, eine schlitzförmige Aufnahme 92 auszubilden,
in die die zweite Leiterplatte 50 von oben eingesteckt
ist. Die zweite Leiterplatte 50 wird mit Hilfe des Leiterplattenbereichs 88 etwas
oberhalb von dem quadratischen Leiterplattenbereich 84 gehalten, so
dass die erste Leiterschleife 52 unter der zweiten Leiterschleife 64 hindurch
geführt ist.
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Der
dritte Leiterplattenbereich 90 bildet den Fuß der
Antenne 36. Er trägt einen koaxialen Stecker 94,
der einen gemeinsamen Speiseanschluss für die beiden Leiterschleifen 52, 64 bildet.
Der Stecker 94 ist im unteren Teil des Leiterplattenbereichs 90 aufgelötet.
Er besitzt einen Außenleiter 96 und einen Innenleiter 98.
Der Außenleiter 96 ist mit einer Leiterbahn 100 verlötet,
die auf der Vorderseite des dritten Leiterplattenbereichs 90 angeordnet
ist. Der Innenleiter 98 ist mit einer Leiterbahn 102 verlötet,
die auf der Rückseite des dritten Leiterplattenbereichs 90 verläuft.
Die Leiterbahnen 100, 102 bilden zusammen eine
(zumindest teilweise symmetrische) Streifenleitung, über
die der Stecker 94 mit dem ersten Ende 54 und
dem zweiten Ende 56 der ersten Leiterschleife 52 elektrisch
verbunden ist. Wie man in den 2 und 3 erkennen
kann, besitzt die vordere Leiterbahn 100 im Bereich des
Steckers 96 eine große Leiterbahnbreite, die sich
zum ersten Ende 54 hin symmetrisch verjüngt. Die
Breite der vorderen Leiterbahn 100 nimmt mit einem Krümmungsverlauf
ab, dessen Radius 104 etwa λ/6 ist. Demgegenüber
besitzt die rückseitige Leiterbahn 102 eine weitgehend
konstante Breite, abgesehen von einem kurzen Stück im Bereich
des Steckers 94, das zum elektrischen Anschluss des Innenleiters 98 benötigt
wird.
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Die
abnehmende Breite der vorderen Leiterbahn 100 bildet zusammen
mit der rückseitigen Leiterbahn 102 einen Balun,
mit dem die koaxiale (unsymmetrische) Anschlussleitung 106 der
Antenne an die symmetrische Streifenleitung angepasst wird, die die
vordere und rückseitige Leiterbahn 100, 102 im Bereich
der ersten und zweiten Leiterschleife 52, 64 bilden.
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Wie
man in 3 erkennen kann, sind das erste Ende 54 der
ersten Leiterschleife 52 und das dritte Ende 66 der
zweiten Leiterschleife 64 nahezu direkt miteinander verbunden,
indem das erste Ende 54 und das dritte Ende 66 im
Bereich der Durchkontaktierung 72 verlötet sind.
Es wird hier lediglich ein sehr kurzes Leiterbahnstück 108 benötigt,
um den geringen Höhenversatz zwischen der ersten und zweiten
Leiterschleife 52, 64 auszugleichen. Die Länge
des Leiterbahnstücks 108 entspricht in etwa der Breite
der ersten Leiterschleife 52.
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Demgegenüber
sind das zweite Ende 56 und das vierte Ende 68 nicht
direkt, sondern über eine Umwegleitung 110 verbunden.
Die Umwegleitung 110 erzeugt eine Phasenverschiebung von
etwa 90° zwischen der ersten und zweiten Leiterschleife 52, 64.
Aufgrund dieser Phasenverschiebung entsteht beim Senden eine Sendewelle
mit einer zirkularen Polarisation, die im Wesentlichen nach oben
und nach unten abgestrahlt wird. Des weiteren ist die Antenne 36 in
der Lage, elektromagnetische Funkwellen mit verschiedenen Polarisationsrichtungen
zu empfangen.
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Wie
man am besten in 2 erkennen kann, besitzt die
zweite Leiterplatte 50 einen langen Schlitz 112,
der die zweite Leiterplatte 50 in zwei Hälften
unterteilt und sich fast über die gesamte zweite Leiterplatte 50 erstreckt.
Der Schlitz 112 endet am oberen Ende der zweiten Leiterplatte 50 in
einer ovalen Öffnung 114. Die zweite Leiterplatte 50 ist
mit dem Schlitz 112 auf die erste Leiterplatte 48 aufgesteckt, wobei
der verbleibende Steg der zweiten Leiterplatte 50 oberhalb
des Schlitzes 112 in die schlitzförmige Aufnahme 92 am
Leiterplattenbereich 88 der ersten Leiterplatte 48 eingreift.
Die Leiterplatten 48 und 50 schließen
am oberen Ende der Antenne 36 bündig ab und bilden
in der Draufsicht ein symmetrisches Kreuz. Typischerweise wird die
neue Mikrowellenantenne 36 so verwendet, dass die erste
Leiterplatte 48 vertikal angeordnet ist und das symmetrische
Kreuz das obere Ende der Antenne 36 bildet. In bevorzugten
Ausführungsbeispielen wird die neue Antenne 36 senkrecht
auf einem Schaltschrank aus Stahl oder einem anderen metallischen
Grundkörper befestigt. Man kann die Antenne 36 aber
auch in horizontaler Lage oder schräg anordnen. Vorzugsweise
ist die Antenne 36 mit einem Radom (hier nicht dargestellt)
geschützt. In bevorzugten Ausführungsbeispielen
besitzt jede E/A-Einheit 14, 16, 18 der
Anlage 10 eine solche Antenne 36.
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Die 7 und 8 zeigen
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Diversityantenne 32 der Steuereinheit 12.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben Elemente wie zuvor.
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Bei
der Antenne 32 besitzt die erste Leiterplatte 48 eine
dritte Leiterschleife 120, die genauso ausgebildet ist
wie die erste Leiterschleife 52. Die erste Leiterschleife 52 und die
dritte Leiterschleife 120 liegen in einer gemeinsamen Ebene 121.
Sie sind innerhalb der Ebene 121 jedoch seitlich und in der
Höhe versetzt. Der seitliche Abstand d1 beträgt etwa λ/4.
Der Abstand d2 in der Höhe beträgt
etwa λ/2.
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Des
Weiteren ist eine dritte Leiterplatte 122 im Bereich der
dritten Leiterschleife 120 auf die erste Leiterplatte 48 aufgesteckt.
Die dritte Leiterplatte 122 ist identisch zu der zweiten
Leiterplatte 50, und sie weist eine vierte Leiterschleife 124 auf.
Die dritte Leiterschleife 120 und die vierte Leiterschleife 124 bilden
zusammen eine zweite Antenne 32b, die gegenüber
der ersten Antenne 32a seitlich und in der Höhe versetzt
ist.
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Mit
der Bezugsziffer 126 ist eine automatische Antennenumschalteinheit
bezeichnet, die am unteren Ende 127 der ersten Leiterplatte 48 angeordnet
ist. Die Antennenumschalteinheit 126 beinhaltet PIN-Dioden-Schalter 128,
mit denen die Verbindung zwischen dem gemeinsamen Speiseanschluss 94 und
den Leiterschleifen 52/64 und 120/124 umgeschaltet
werden kann. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für
die automatische Umschalteinheit 126 ist in einer weiteren
Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Titel "Vorrichtung und Verfahren
zur drahtlosen Vernetzung von Geräten der Automatisierungstechnik"
beschrieben, die zeitgleich mit der hiesigen Anmeldung hinterlegt
wurde. Der Inhalt dieser parallelen Patentanmeldung wird hier durch
Bezugnahme aufgenommen.
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Mit
der Bezugsziffer 130 ist ein Reflektor bezeichnet, der
quer zu der ersten Leiterplatte 48 angeordnet und an der
ersten Leiterplatte 48 befestigt ist. Der Reflektor 130 ist
hier eine weitgehend kreisrunde Leiterplatte mit einer leitfähigen
Beschichtung. Der Reflektor 130 ist zwischen der Antennenumschalteinheit 126 und
den Leiterschleifen 52, 64, 120, 124 angeordnet,
so dass er die Antennenumschalteinheit 126 gegen die Sendestrahlung
der Teilantennen 32a, 32b abschirmt. Grundsätzlich
könnte ein solcher Reflektor 130 auch an der Einzelantenne 36 verwendet werden,
die in den 2 bis 6 dargestellt
ist
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - http:\\davehouston.net\eggbeater.htm [0002]
- - EN 954-1 [0057]
- - EN ISO 13849-1 [0057]
- - EN 954-1 [0057]