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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. 900-2200MHz).
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Zukünftigen Veränderungen des Angebots von (Kommunikations-)Diensten trägt dies nur unzureichend Rechnung.
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JP 2009-017 116 A offenbart eine Antennenanordnung mit einer ersten Antenneneinheit und einer zweiten Antenneneinheit, die auf einem Antennensubstrat gebildet sind. Die erste Antenneneinheit ist aus zwei Antennenmustern gebildet und die zweite Antenneneinheit bildet ein V-förmiges Muster, das ein parasitäres Element ist.
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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 400MHz bis weit über 8GHz) 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 < -15dB) 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
- 2 eine Prinzipskizze der wesentlichen Elemente einer Antennenanordnung für ein Kraftfahrzeug,
- 3 ein Beispielfoto einer Antennenanordnung für ein Kraftfahrzeug,
- 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 700Mhz bis 1,2 GHz beherrscht, der kleinere Strahler 3 nur die Frequenzen 1,7GHz 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 (700-2000MHz) 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.
