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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Senden und Empfangen von Funksignalen, ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen der Vorrichtung. Bei den Funksignalen handelt es sich insbesondere um Funksignale in einem zellulären Funknetz wie UMTS, LTE und/oder GSM. Die Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Herstellung und Aufrechterhaltung einer Funkverbindung zwischen einem Funk-Endgerät und dem Funknetz.
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Funk-Endgeräte, Mobiltelefone, Notrufsender, Funksender (z. B. so genannte USB-Sticks, die über eine USB-Schnittstelle mit dem Computer verbunden sind, um diesen mit einem UMTS Netz zu verbinden) zur Verbindung von Computern an Funknetze, sind üblicherweise dazu in der Lage, über eine eingebaute Sende- und Empfangsantenne direkt mit dem Funknetz zu kommunizieren. Es gibt jedoch Situationen, in denen die Verbindungsqualität sehr schlecht ist oder sogar eine Verbindung nicht möglich ist. Zum Beispieil treten solche Situationen häufig innerhalb von Gebäuden auf. Ein Grund hierfür liegt darin, dass Gebäudeteile und/oder Nachbargebäude die Übertragung der Funksignale behindern.
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Eine Möglichkeit, die Qualität der Funkverbindung zu verbessern oder eine Funkverbindung überhaupt möglich zu machen, ist die Verwendung zusätzlicher Antennen. Hat eine solche zusätzliche Antenne zum Beispiel einen höheren Antennengewinn als die in das Funk-Endgerät integrierte Antenne, kann die Kommunikation zwischen Endgerät und Funknetz verbessert werden. Außerdem ist es möglich, die zusätzliche Antenne an einem geeigneten Ort auszustellen, von dem aus eine bessere Funkverbindung zum Funknetz möglich ist als von vielen anderen Orten aus, z. B. von Orten weit im Innern des Gebäudes. Die Funksignalverbindung zwischen der zusätzlichen Antenne und dem Endgerät kann über Kabel und/oder Funkstrecken realisiert werden. Zum Beispiel kann das Endgerät über eine drahtlose Ankopplung seiner Sende- und Empfangsantenne an eine Kopplungsantenne an die zusätzliche Antenne angekoppelt werden, wobei die Kopplungsantenne wiederum über ein Antennenkabel mit der zusätzlichen Antenne verbunden ist. Prinzipiell ist dies aber auch direkt über eine Antennenkabel-Steckverbindung an dem Endgerät möglich. In allen Fällen können über die Verbindung zwischen dem Endgerät und der zusätzlichen Antenne sowie zwischen der zusätzlichen Antenne und den entfernten Funkstationen dieselben Protokolle zum Übertragen von Signalen, z. B. Bluetooth, WLAN-Protokolle usw. genutzt werden, obwohl zwischen Endgerät und zusätzlicher Antenne Kabel verwendet werden können.
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Moderne Funk-Endgeräte sind dazu in der Lage, Funkverbindungen in verschiedenen Frequenzbereichen und in verschiedene Funknetze aufzubauen und aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel in Deutschland werden Funknetze gemäß dem GSM (Global System for Mobile Communication) in Frequenzbereichen um 900 MHz und außerdem um 1800 MHz betrieben. Ferner werden Funknetze gemäß UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) bei Frequenzen um 2100 MHz betrieben. Das für noch höhere Daten-Übertragungsraten geeignete LTE (Long Term Evolution) wird zum Beispiel in Deutschland künftig bei Frequenzen um 800 MHz und um 2500 MHz in zellulären Funknetzen angeboten.
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Die Verwendung einer einzigen zusätzlichen Antenne für die verschiedenen Mobilfunknetzarten und -Frequenzbereiche ist jedoch aus verschiedenen Gründen nachteilig. Zum einen verändert sich der Antennengewinn mit der Frequenz, das heißt die Antenne ist in der Regel nicht für alle Frequenzbereiche geeignet oder gleich gut geeignet. Ferner ist die Netzabdeckung, das heißt insbesondere die Zelldichte, der verschiedenen Funknetze unterschiedlich. Funknetze, die schon seit längerer Zeit bestehen und die von mehr Teilnehmern genutzt werden, haben typischerweise eine größere Zelldichte. Ist die Kommunikation zu einer Zelle des Funknetzes nicht oder nicht mehr ausreichend gut, steht in der Regel eine andere Zelle mit besserer Übertragungsqualität zur Verfügung. Dagegen kommt es bei jüngeren Funknetzen, insbesondere bei UMTS und LTE-Netzen häufig vor, dass selbst die Funkverbindung zu der Zelle mit der besten Übertragungsqualität qualitativ sehr viel schlechter ist als in anderen Funknetzen am gleichen Ort. Außerdem sind UMTS und LTE für wesentlich höhere maximale Übertragungsraten als GSM ausgelegt. Bei geringer Signalqualität können aber die maximalen Übertragungsraten bei weitem nicht erreicht werden.
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Eine Möglichkeit, diesen unterschiedlichen Verfügbarkeiten und Qualitäten der verschiedenen Funknetze zu begegnen, ist die Verwendung von mehr als einer zusätzlichen Antenne. Mehrere verschiedene Ankopplungen des Funk-Endgeräts an die verschiedenen Antennen kann aber den technischen Aufwand und die Kosten derart erhöhen, dass nur eine geringe Anzahl von Nutzern daran interessiert ist.
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EP 0 556 010 A1 beschreibt eine Anordnung zur Verwendung in einem zellularen Funktelefonbooster. Der Booster weist verschiedene Verstärker auf und ist mit einem Mobiltelefon verbunden. Zwei Antennen sind über Antennenkabel mit dem Booster verbunden. Die erste Antenne ist über einen Duplexfilter mit dem Sendeverstärker und dem Empfangsverstärker in derselben Weise wie in dem Mobiltelefon verbunden. Die zweite Antenne ist über einen erforderlichen Filter direkt mit dem Empfangsverstärker verbunden.
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US 2004/0087334 A1 beschreibt Booster zur Verwendung zusammen mit Mehrbetriebsarten-Kommunikations-Transceivern, z. B. in zellularen Telefonen. Eine der Betriebsarten kann PCS (Personal Communication Service) im 1900 MHz-Band sein. Eine andere Betriebsart kann AMPS (Advanced Mobile Phone Service) im 800 MHz-Band sein.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die bei geringem Aufwand für die Ankopplung des Funk-Endgerätes an eine zusätzliche Antenne oder mehrere zusätzliche Antennen eine Kommunikation zu den verschiedenen Funknetzen bei guter Qualität ermöglicht.
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Gemäß einem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung einen gemeinsamen Anschluss für die Ankopplung des Funk-Endgerätes auf, über den eine Mehrzahl von Antennen, die jeweils für die Kommunikation in einem anderen Frequenzbereich vorgesehen ist, angeschlossen ist. Insbesondere sind die Antennen über eine Funksignalweiche mit dem gemeinsamen Anschluss verbunden. Bei der Funksignalweiche kann es sich zum Beispiel um einen Splitter/Combiner handeln. Im Fall der Aufteilung der Funksignale, die von dem Funk-Endgerät zu den Antennen übertragen werden, spricht man bei einer solchen Einrichtung von einem Splitter. Im Fall der Übertragung von Funksignalen, die die einzelnen Antennen empfangen haben, zu dem Funk-Endgerät spricht man bei einer solchen Einrichtung von einem Combiner. Ein Splitter/Combiner hat den Vorteil, dass gleichzeitig eine Kommunikation in verschiedenen Frequenzbereichen stattfinden kann und dass der Aufwand zum Betreiben der Einrichtung gering ist, da keine Schaltvorgänge erforderlich sind. Nachteilig an der Splitterfunktion ist jedoch, dass die Funksignalstärke in den einzelnen Funksignalpfaden von dem Splitter zu den Antennen geringer ist als an dem gemeinsamen Funksignalanschluss.
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Gemäß einer weiteren Grundidee der Erfindung wird diese Reduktion der Signalstärke jedoch zumindest in einem der Funksignalpfade durch einen Sendeverstärker ausgeglichen. Der Sendesignalverstärker kann aber insbesondere auch Verluste (Dämpfung) ausgleichen oder sogar überkompensieren, die aufgrund der Ankopplung des Funk-Endgerätes an die jeweilige Sendeantenne insgesamt entsteht. Insbesondere tragen Kabelverbindungen, Funkstrecken und die verwendeten Bauteile der Vorrichtung zu solchen Verlusten bei. Im Fall einer Kabelverbindung und im Fall einer drahtlosen Ankopplung des Funk-Endgerätes über eine Antennen-Nahfeldkopplung an das Verbindungskabel zu der Vorrichtung oder direkt an den gemeinsamen Anschluss der Vorrichtung wird es bevorzugt, dass die dadurch bewirkte Dämpfung einen fest vorgegebenen Wert hat oder einen, im Bezug auf ein bestimmtes Funk-Endgerät, einmalig einstellbaren oder feststellbaren Wert hat und dass die Antennenverstärkung des Sendesignalverstärkers dem entsprechend so von vornherein eingestellt ist oder einstellbar ist, dass diese Dämpfung zumindest ausgeglichen wird, das heißt kompensiert wird. Andererseits können jedoch Signalübertragungspfade zwischen der Funksignalweiche und den einzelnem Antennen, die der Übertragung zu Funknetzen oder von Funknetzen mit hoher Zelldichte, das heißt insbesondere guter Signalqualität dienen, ohne Verstärker auskommen.
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Wenn hier von einem Sendesignalverstärker die Rede ist, so wird es bevorzugt, dass in demselben Funksignalpfad zwischen Funksignalweiche und Antenne auch ein Empfangsverstärker angeordnet ist.
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Die Anordnung des Sendesignalverstärkers bzw. Empfangssignalverstärkers in einem Funksignalpfad zwischen einer bestimmten Antenne und der Funksignalweiche hat den Vorteil, dass der Verstärker oder die Verstärker speziell für die Verstärkung von Funksignalen in dem Frequenzbereich ausgelegt werden können, in dem die Antenne Signale sendet und/oder empfängt. Ein solcher ”Single-Band”-Verstärker kann kostengünstiger und/oder bei gleichem Aufwand leistungsstärker sein, als ein Verstärker für mehrere Frequenzbereiche oder besonders große Frequenzbereiche.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der vorliegenden Erfindung können Signalübertragungspfade, die nicht von vornherein mit einem Funksignalverstärker ausgestattet sind, optional nachrüstbar sein. Dies bietet sich in Situationen an, in denen in dem jeweiligen Signalübertragungspfad eine Signalübertragung mit unerwartet schlechter Signalqualität stattfindet. Zum Beispiel kann im ländlichen Raum ein Signalübertragungspfad für GSM 900 mit einem solchen Nachrüstverstärker nachgerüstet werden.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft den störungsfreien Betrieb der verschiedenen Antennen bzw. Funksignalpfade gleichzeitig. Insbesondere im Fall des oben genannten Splitters/Combiners kann eine Rückkopplung von Antennensignalen stattfinden, die von einer Antenne gesendet wurden, auf eine andere Antenne der Vorrichtung, selbst wenn nur einer der Signalpfade betrieben werden soll.
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Die Vorrichtung soll daher insbesondere so ausgestaltet sein, dass eine solche Rückkopplung nicht zu einer Resonanzanregung führt, bei der die rückgekoppelten Signale wieder verstärkt und erneut rückgekoppelt werden, sodass es zu sehr hohen Amplituden kommt.
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Es wird daher eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der die Sendeantenne, die die möglicherweise rückgekoppelten Signale aussendet, und die Empfangsantenne, die die ausgesendeten Signale empfangen kann, derart relativ zueinander angeordnet sind und aufgrund ihrer Sende- und/oder Empfangscharakteristik derart gestaltet sind, dass die Sendeantenne und die Empfangsantenne aufeinander bezogen eine Dämpfung (die auch als Isolierung bezeichnet werden kann) aufweisen, die größer ist als der Verstärkungsgewinn, der bei einer solchen möglichen Rückkopplung beteiligten Verstärker, abzüglich der Dämpfung, die die Funksignalweiche bezüglich einem Übersprechen der Signale zwischen den Funksignalpfaden aufweist. Anders ausgedrückt ist die Summe der Dämpfungen für das Übersprechen von Signalen zwischen den Antennen und für das Übersprechen der Signale von dem Funksignalpfad der Empfangsantenne auf den Funksignalpfad der Sendeantenne größer als der Verstärkungsgewinn der beteiligten Verstärker. Die beteiligten Verstärker sind insbesondere der Sendeverstärker in dem Funksignalpfad zu der Sendeantenne und ein etwaiger Empfangsverstärker in dem Funksignalpfad der Empfangsantenne. Unter Funksignalpfad wird jeweils der Signalpfad verstanden, der sich zwischen Antenne und gemeinsamer Funksignalweiche erstreckt.
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Bei der Funksignalweiche muss es sich nicht um ein einziges Bauteil handeln. Vielmehr kann eine solche Funksignalweiche für mehr als zwei Antennen auch aus mehreren Bauteilen aufgebaut sein. Zur Beispiel können Splitter-/Combiner-Einrichtungen mit zwei antennenseitigen Anschlüssen für zwei Antennen und einem endgerätseitigen Anschluss für den gemeinsamen Signalanschluss kaskadiert werden, sodass mehr als zwei Antennen an den gemeinsamen Signalanschluss angeschlossen werden.
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Insbesondere wird folgende Vorrichtung vorgeschlagen:
Vorrichtung zum Senden und Empfangen von Funksignalen, insbesondere Funksignalen in einem zellulären Funknetz wie UMTS, LTE und/oder GSM, wobei
- • die Vorrichtung zumindest zwei Antennen aufweist, von denen eine erste Antenne eine Sendeantenne zum Senden von Funksignalen und zumindest eine andere, zweite Antenne eine Empfangsantenne zum Empfangen von Funksignalen ausgestaltet ist,
- • die Antennen ausgestaltet sind, Funksignale jeweils in einem anderen Frequenzbereich zu senden und/oder zu empfangen,
- • jede der Antennen über eine Funksignalweiche mit einem gemeinsamen Kabelanschluss verbunden ist, über den die Vorrichtung mit einem Funk-Endgerät verbindbar ist,
- • die Vorrichtung zumindest einen Funksignalverstärker aufweist, wobei
– in einem ersten Funksignalpfad zwischen der Funksignalweiche und der Sendeantenne ein erster Funk signalverstärker angeordnet ist und/oder
– in einem zweiten Funksignalpfad zwischen der Empfangsantenne und der Funksignalweiche ein zweiter Funksignalverstärker angeordnet ist,
- • die Sendeantenne und die Empfangsantenne hinsichtlich einer Rückkopplung eines von der Sendeantenne gesendeten Funksignals zu der Empfangsantenne aufgrund ihrer Anordnung relativ zueinander und aufgrund ihrer Sende- und/oder Empfangscharakteristik eine Dämpfung aufweisen, die größer ist als der Verstärkungsgewinn des ersten und zweiten Funksignalverstärkers abzüglich einer Dämpfung, die die Funksignalweiche bezüglich einem Übersprechen der Signale zwischen den Funksignalpfaden aufweist.
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Das Senden/Empfangen ist insbesondere in einem zellulären Funknetz wie UMTS, LTE und/oder GSM möglich. Es können jedoch auch andere, zumindest teilweise nicht oder nicht ausschließlich für zelluläre Funknetze ausgelegte Funkverbindungen über die Antennen betrieben werden, z. B. in einem WLAN (Wireless Local Area Network) oder Richtfunkverbindungen. Ferner können beliebige Übertragungsprotokolle verwendet werden.
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Die Sendeantenne kann optional auch eine Empfangsantenne sein. Umgekehrt kann die Empfangsantenne optional auch eine Sendeantenne sein. Es kann daher optional auch von einer Sende- und Empfangsantenne gesprochen werden. Die Isolierung hinsichtlich der Rückkopplung gilt vorzugsweise auch für jede andere Kombination von Sendeantenne und Empfangsantenne der Vorrichtung.
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Durch die Dämpfung der Rückkopplung wird zuverlässig verhindert, dass es aufgrund der Rückkopplung zu einem Aufschwingen, das heißt zu einer Resonanz aufgrund der rückgekoppelten, empfangenen Signale kommt. Der normale Sende-/Empfangsbetrieb ist daher nicht gestört.
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Insbesondere kann, wie oben beschrieben, einer der Signalpfade zwischen der Signalweiche und den einzelnen Antennen keinen Verstärker aufweisen. Zum Beispiel kann der Signalpfad im Empfangsweg der Empfangsantenne keinen Signalverstärker aufweisen. In diesem Fall ist die Dämpfung hinsichtlich der Rückkopplung (d. h. Übersprechen zwischen den Antennen und Übersprechen zwischen den Funksignalpfaden) größer als der Verstärkungsgewinn des Funk signalverstärkers im anderen Signalpfad. Dies bezieht sich auf ein Paar von Antennen und Signalpfaden, nämlich auf eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne mit einem Sende-Signalpfad und einem Empfangs-Signalpfad.
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Insbesondere kann das Aufschwingen durch Rückkopplung auch durch eine etwas geringere Dämpfung noch wirksam erreicht werden, wenn auch die Dämpfung der weiteren Bauteile der Vorrichtung, die Teil der potenziellen Rückkopplungsschleife sind, berücksichtigt wird. Diese Bauteile sind außer der Signalweiche insbesondere die Signalleitungen in den Signalpfaden zwischen der Signalweiche und den einzelnen Antennen im Sende-Signalpfad und im Empfangs-Signalpfad. Es reicht daher aus, wenn die durch die Anordnung der Sendeantenne und der Empfangsantenne relativ zueinander und aufgrund der Sende- und/oder Empfangscharakteristik der Antennen erreichte Dämpfung größer ist als der Verstärkungsgewinn der Funksignalverstärker im Sendepfad und Empfangspfad abzüglich der durch die erwähnten Bauteile in der potenziellen Rückkopplungsschleife bewirkten Dämpfung.
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Bei einer der ersten und zweiten Anlehne, das heißt entweder bei der Sendeantenne oder bei der Empfangsantenne, kann es sich um eine Richtantenne mit einem Antennengewinn von mehr als 5 dBi, vorzugsweise mehr als 7 dBi handeln. In diesem Fall ist die andere Antenne außerhalb des Raumwinkelbereichs der Richtantenne angeordnet, in dem der Antennengewinn mehr als 5 dBi bzw. mehr als 7 dBi beträgt. Vorzugsweise ist die andere Antenne außerhalb eines Raumwinkelbereichs der Richtantenne angeordnet, in dem überhaupt ein Antennengewinn der Richtantenne wirksam ist. Es ist alternativ jedoch auch möglich, die andere Antenne in einem Raumwinkelbereich anzuordnen, in dem ein Antennengewinn der Richtantenne besteht, jedoch die andere Antenne gegen die Richtantenne abzuschirmen. Auf ein Beispiel bzw. eine konkrete Ausführungsform mit einem Reflektor wird noch näher eingegangen. Generell gilt, dass die Verwendung einer Richtantenne mit erheblichem Antennengewinn und die entsprechende Ausrichtung der Richtantenne das Erreichen des angestrebten Dämpfungswertes erleichtert oder sogar allem bewirkt.
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Bei der Richtantenne kann es sich bei einer bevorzugten Ausführungsform um eine Antenne handeln, die eine auf eine ebene Oberfläche eines Trägers aufgebrachte elektrisch leitende Schicht aufweist. Eine solche Antenne ist auf einfache Weise herzustellen, benötigt in der Richtung quer zur Oberfläche des Trägers sehr wenig Bauraum und kann auf einer Seite des Trägers, insbesondere der Seite, die die Rückseite der elektrisch leitenden Schicht bildet, abgeschirmt werden, insbesondere mit einem Reflektor versehen werden. Auf diese Weise kann auf der Rückseite des Trägers jenseits der Abschirmung bzw. des Reflektors die andere Antenne angeordnet werden und/oder können die sonstigen in den Funksignalwegen angeordneten Bauteile (Signalweiche, zumindest Teile der Signalpfade und/oder Verstärker) angeordnet werden. Auf diese Weise werden unerwünschte Interferenzen und Wechselwirkungen oder Einwirkungen der von der Richtantenne gesendeten Funksignale auf die sonstigen Bauteile und Signalpfade vermieden.
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In einer speziellen Ausgestaltung kann die Richtantenne eine derart strukturierte elektrisch leitende Schicht aufweisen, dass die elektrisch leitende Schicht zwei Streifenleiter aufweist, die jeweils einen Bereich der Oberfläche umlaufen. Unter Umlaufen wird verstanden, dass die Streifenleiter den Außenrand des jeweiligen Bereichs bilden, wobei jedoch ein kleiner Teil des Außenrandes des Bereichs rocht durch den jeweiligen Streifenleiter gebildet sein kann, sodass der Streifenleiter den Bereich nicht geschlossen umläuft. Je nach Art der Richtantenne kann die Form eines solchen nahezu geschlossen umlaufenen Bereichs variieren. Der Bereich kann zum Beispiel ein kreisrunder Bereich sein, ein rechteckiger Bereich sein oder ein polygonaler Bereich sein.
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Wie bereits erwähnt, kann ein Reflektor aus elektrisch leitendem Material verwendet werden. In bevorzugter Ausgestaltung ist ein plattenförmiger Reflektor, der zwei entsprechend der Plattenform parallele großflächige Oberflächen aufweist, derart angeordnet, dass die großflächigen Oberflächen parallel zu der Oberfläche des Trägers verlaufen, auf der die elektrisch leitende Schicht der Richtantenne aufgebracht ist. Dabei befindet sich der Reflektor von der elektrisch leitenden Schicht aus gesehen auf der Rückseite des Trägers. Auf Vorteile einer solchen Anordnung wurde bereits eingegangen. Insbesondere kann von dem Träger aus gesehen die andere Antenne auf der Rückseite des Reflektors angeordnet sein. Sind mehr als zwei Antennen vorhanden, können dort auch weitere Antennen der Vorrichtung angeordnet sein.
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Bei der anderen Antenne kann es sich zum Beispiel um eine Stabantenne oder eine andere Antenne handeln, die zumindest in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Stabs eine homogene Empfangs- und Sendecharakteristik hat. Dabei ist es sogar möglich, dass die Stabantenne oder andere Antenne, die auf der Rückseite des Reflektors angeordnet ist, über die Ränder des Reflektors hinausragt, sodass sie von der Vorderseite des Reflektors sichtbar ist. Aufgrund der Richtcharakteristik und aufgrund des Reflektors wird dennoch eine ausreichende Dämpfung bezüglich Rückkopplung bewirkt. Ein solches Hinausragen über die Ränder des Reflektors hat den Vorteil, dass die Stabantenne oder andere Antenne rundum senden und empfangen kann.
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Jedoch ist die großflächige Oberfläche des Reflektors vorzugsweise größer als die Oberfläche des Trägers der elektrisch leitenden Schicht der Richtantenne. Ferner überragt vorzugsweise der Rand des Reflektors an allen Seiten, betrachtet von der Vorderseite des Trägers, die Ränder des Trägers.
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Grundsätzlich ist eine Richtantenne mit dem erwähnten Antennengewinn gut dazu geeignet, eine Verbindung mit einer bestimmten Sende- und Empfangsstation einer Funkzelle eines Funknetzes herzustellen und aufrechtzuerhalten. Es können somit sogar verhältnismäßig weit entfernt liegende Stationen eines Funknetzes erreicht werden. In der Praxis kann eine solche weit entfernte Funkstation zum Beispiel eine UMTS-Funkstation oder eine LTE-Funkstation eines Funknetzes mit schlechter Netzabdeckung sein.
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Im Falle des Reflektors weist der Funksignalpfad zwischen der Funksignalweiche und der elektrisch leitenden Schicht auf der Oberfläche des Trägers vorzugsweise eine Funksignalleitung auf, die senkrecht zu den großflächigen Oberflächen des Reflektors durch den Reflektor hindurchgeführt ist. Aufgrund der senkrechten Durchführung werden Störungen der Richtantenne auf dem Träger vermieden.
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Ferner gehört zum Umfang der Erfindung ein Verfahren zum Senden und Empfangen von Funksignalen, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie in dieser Beschreibung beschrieben ist. Insbesondere wird ein solches Verfahren vorgeschlagen, wobei
- • die Vorrichtung zumindest zwei Antennen aufweist, von denen eine erste Antenne eine Sendeantenne zum Senden von Funksignalen und zumindest eine andere, zweite Antenne eine Empfangsantenne zum Empfangen von Funksignalen ausgestaltet ist,
- • die Antennen Funksignale jeweils in einem anderen Frequenzbereich senden und/oder empfangen,
- • Funksignale – falls sie zu einem bestimmten Zeitpunkt empfangen werden – von der jeweiligen Antenne über eine Funksignalweiche zu einem gemeinsamen Kabelanschluss der Antennen übertragen werden oder – falls sie zu einem bestimmten Zeitpunkt gesendet werden – von dem gemeinsamen Kabelanschluss über die Funksignalweiche zu der jeweiligen Antenne übertragen werden,
- • Funksignale in zumindest einem Funksignalpfad zwischen der Funksignalweiche und der jeweiligen Antenne verstärkt werden, wobei
– Funksignale in einem ersten Funksignalpfad zwischen der Funksignalweiche und der Sendeantenne durch einen ersten Funksignalverstärker verstärkt werden und/oder
– Funksignale in einem zweiten Funksignalpfad zwischen der Empfangsantenne und der Funksignalweiche durch einen zweiten Funksignalverstärker verstärkt werden,
- • die Sendeantenne und die Empfangsantenne hinsichtlich einer Rückkopplung eines von der Sendeantenne gesendeten Funksignals zu der Empfangsantenne aufgrund ihrer Anordnung relativ zueinander und aufgrund ihrer Sende- und/oder Empfangscharakteristik eine Dämpfung der Funksignale bewirken, die größer ist als der Verstärkungsgewinn des ersten und zweiten Funksignalverstärkers, abzüglich einer Dämpfung, die die Funksignalweiche bezüglich einem Übersprechen der Signale zwischen den Funksignalpfaden aufweist.
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Ferner gehört zum Umfang der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Senden und Empfangen von Funksignalen, insbesondere der Vorrichtung in einer der Ausgestaltungen, die in dieser Beschreibung beschrieben werden. Daher wird ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung vorgeschlagen, wobei
- • zumindest zwei Antennen bereitgestellt werden, von denen eine erste Antenne eine Sendeantenne zum Senden von Funksignalen und zumindest eine andere, zweite Antenne eine Empfangsantenne zum Empfangen von Funksignalen ausgestaltet ist, und die Antennen direkt und/oder indirekt mechanisch miteinander verbunden werden,
- • die Antennen ausgestaltet sind, Funksignale jeweils in einem anderen Frequenzbereich zu senden und/oder empfangen,
- • jede der Antennen über eine Funksignalweiche mit einem gemeinsamen Kabelanschluss verbunden wird, über den die Vorrichtung mit einem Funk-Endgerät verbindbar ist,
- • zumindest ein Funksignalverstärker bereitgestellt wird, wobei
– in einem ersten Funksignalpfad zwischen der Funksignalweiche und der Sendeantenne ein erster Funksignalverstärker angeordnet wird und/oder
– in einem zweiten Funksignalpfad zwischen der Empfangsantenne und der Funksignalweiche ein zweiter Funksignalverstärker angeordnet wird,
- • die Sendeantenne und die Empfangsantenne hinsichtlich einer Rückkopplung eines von der Sendeantenne gesendeten Funksignals zu der Empfangsantenne derart relativ zueinander angeordnet und ausgestaltet werden, dass sie eine Dämpfung aufweisen, die größer ist als der Verstärkungsgewinn des ersten und zweiten Funksignalverstärkers, abzüglich einer Dämpfung, die die Funksignalweiche bezüglich einem Übersprechen der Signale zwischen den Funksignalpfaden aufweist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Bezeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
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1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und zusätzlich einer Einrichtung zum Ankoppeln eines Funk-Endgerätes über eine Kabelverbindung an die Vorrichtung,
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2 eine Variante der in 1 dargestellten Vorrichtung, wobei eine zweite Antenne nicht, wie bei der Ausführungsform in 1, fest an der Vorrichtung angeordnet ist, sondern über eine Kabel-Steckverbindung an die Vorrichtung angekoppelt ist,
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3 eine dritte Variante einer Vorrichtung zum Senden und Empfangen von Funksignalen,
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4 eine dreidimensionale Darstellung einer konkreten Ausführungsform zum Beispiel der in 1 dargestellten Vorrichtung,
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5 eine dreidimensionale Darstellung der in 4 gezeigten Vorrichtung von einer gegenüberliegenden Seite,
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6 eine Seitenansicht auf die in 4 und 5 dargestellte Vorrichtung, wobei Teile der Vorrichtung weggelassen sind, um den Blick auf andere Teile vollständig freizugeben, und
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7 eine dreidimensionale Ansicht aus einem ähnlichen Blickwinkel wie in 5, auf die in 4 bis 6 dargestellte Vorrichtung, wobei jedoch ebenfalls wie in 6 Teile weggelassen sind.
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1 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Vorrichtung 1 zum Senden und Empfangen von Funksignalen. Die Vorrichtung 1 weist zwei Antennen 3, 5 auf, von denen eine erste Antenne 5 eine Sende- und Empfangsantenne zum Senden von Funksignalen in einem ersten Frequenzbereich ist, zum Beispiel um 2100 MHz zur Kommunikation in einem UMTS-Funknetz. Die zweite Antenne 3 ist eine Sende- und Empfangsantenne zum Senden und Empfangen von Funksignalen in einem anderen Frequenzbereich, zum Beispiel um 900 MHz zur Kommunikaten in einem GSM-Funknetz. Ein Funk-Endgerät kann über eine Kopplungseinrichtung 18, ein Hochfrequenzkabel (z. B. Koaxialkabel) 16 mit entsprechenden Steckverbindern und über eine Eingangsleitung 17 mit einer Funksignalweiche 14 der Vorrichtung 1 verbunden werden. Die Steckverbindungen des Kabels 16 zu der Kopplungseinrichtung 18 sind mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet, die Steckverbindungen des Kabels 16 zu der Anschlussleitung 17 mit dem Bezugszeichen 19. Die Anschlussleitung 17 der Vorrichtung 1 oder der Eingang des Kabels 17 in die Funksignalweiche 14 oder der Kabel-Steckanschluss der Steckverbindung 19 können als gemeinsamer Kabelanschluss der Antennen 3, 5 bezeichnet werden.
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Die Funksignalweiche 14 ist über eine erste Hochfrequenzleitung 12 mit einer Verstärkerschaltung 7 verbunden. Ferner ist ein anderer Ausgang der Funksignalweiche 14 mit einer zweiten Hochfrequenzleitung 15 verbunden, die an die zweite Antenne 3 angeschlossen ist. Zwischen der Funksignalweiche 14 und der zweiten Antenne 3 findet in diesem Ausführungsbeispiel keine Verstärkung von Funksignalen statt. Die Verstärkungsschaltung 7 in dem Funksignalpfad zwischen der Funksignalweiche 14 und der ersten Antenne 5 weist einen ersten Verstärker 10 zum Verstärken von zu sendenden Signalen auf und einen zweiten Verstärker 11 zum Verstärken von empfangenen Signalen auf. Aus Sicht der Funksignalweiche 14 am Eingang der Verstärkerschaltung 7 befindet sich ein erster Filter 8, der die zu sendenden Signale in den Zweig mit dem Sendeverstärker 10 passieren lässt. Aus Sicht des Sendeverstärkers 10 in Richtung der ersten Antenne 5, das heißt ausgangsseitig des ersten Verstärkers 10 befindet sich ein weiterer, zweiter Filter 9, der die verstärkten zu sendenden Signale in eine Hochfrequenz-Anschlussleitung 13 passieren lässt, an die die Antenne 5 angeschlossen ist.
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Von der Antenne 5 empfangene Signale werden ebenfalls über die Anschlussleitung 13 zu dem zweiten Filter 9 geleitet. Diese empfangenen Signale werden von dem zweiten Filter 9 in den Zweig der Verstärkungsschaltung 7 durchgeführt, in dem sich der zweite Verstärker 11, der Empfangsverstärker befindet. Die verstärkten empfangenen Signale werden dem ersten Filter 8 zugeführt, der diese in die Leitung 12 zu der Funksignalweiche 14 passieren lässt. Dort werden sie in die Anschlussleitung 17 am endgerätseitigen Anschluss der Vorrichtung 1 geleitet und können über das Kabel 16 zu der Kopplungseinrichtung 18 gelangen.
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Bei der Kopplungseinrichtung 18 kann es sich zum Beispiel unmittelbar um den Eingang des Funk-Endgerätes handeln, wenn die eine Kabel-Steckverbindung aufweist, zum Beispiel eine Koxialkabelbuchse. Bei der Kopplungseinrichtung 18 kann es sich jedoch auch um eine Kopplungseinrichtung zum drahtlosen Koppeln von Funksignalen über eine oder mehrere Antennen handeln, wobei dies eine oder mehreren Antennen ausgestaltet sind, im Nahfeld an eine Sende- und Empfangsantenne des Endgeräts gekoppelt zu werden.
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Aufgrund der Verstärkerschaltung 7 ermöglicht die Vorrichtung 1 eine zuverlässige Kommunikation bei hoher Datenübertragungsrate zwischen dem Endgerät und einem Funknetz, das eine geringe Netzabdeckung aufweist bzw. in dem die Dämpfung der Funkübertragung zu der am besten erreichbaren Sende- und Empfangsstation des Funknetzes verhältnismäßig groß ist. Dagegen kann über die zweite Antenne 3 ohne Verstärkung eine Kommunikation zu einem anderen Funknetz mit geringerer Dämpfung, zum Beispiel mit größerer Zelldichte stattfinden. Insbesondere kann die Kommunikation in beide Funknetze gleichzeitig stattfinden. So ist zum Beispiel eine Bilddatenübertragung über das UMTS-Netz möglich, während ein Benutzer mit dem Endgerät über ein GSM-Netz telefoniert.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Vorrichtung mit lediglich zwei Antennen für die Kommunikation in verschiedenen Funknetzen beschränkt. Auch kann es vorkommen, dass die Funkkommunikation über die erste Antenne 3 stärker gedämpft ist, sodass eine Verstärkung ähnlich der Verstärkungsschaltung 7 in dem Signalpfad zu der ersten Antenne wünschenswert ist. Für eine solche Situation ist die in 2 dargestellte Variante geeignet. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente wie in 1.
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Die Vorrichtung 21 weist wie die Vorrichtung 1 in 1 eine erste Antenne 5 und eine zweite Antenne 3 auf. Wie in 1 dargestellt ist ebenfalls eine Verstärkungsschaltung 7 in dem Signalpfad zwischen der ersten Antenne 5 und der Funksignalweiche 14 angeordnet. Jedoch ist in dem Signalpfad zwischen der Funksignalweiche 14 und der zweiten Antenne 3 eine Kabel-Steckverbindung 25 vorgesehen, die ein Zwischenschalten eines optional eingesetzten Verstärkers, ähnlich der Verstärkerschaltung 7 in dem anderen Signalpfad ermöglicht. In diesem Fall weist der optional vorhandene Verstärker vorzugsweise ebenfalls einen Sendeverstärker und einen Empfangsverstärker sowie Filter auf, wie in 1 für den anderen Signalpfad dargestellt. Allerdings sind die Verstärker für den Frequenzbereich ausgelegt, in dem die zweite Antenne 3 Funksignale sendet und empfängt. Ferner kann der optionale Verstärker endgeräteseitig an die Verbindungsleitung 23 der Vorrichtung 21 angeschlossen werden, die ihn in diesem Fall mit der Funksignalweiche 14 verbindet. Ferner kann die Antenne 3 funknetzseitig mit dem Verstärker verbunden werden.
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3 zeigt eine Ausgestaltung einer Vorrichtung 31, die ähnlich wie die Vorrichtungen 1, 21 in 1 und 2 ausgestaltet ist. Diese Vorrichtung 31 hat jedoch drei Antennen 3, 4, 5, die jeweils für die Kommunikation in verschiedenen Frequenzbereichen in Funknetze ausgelegt sind. Wiederum ist über eine Kabel-Steckverbindung 19 am endgeräteseitigen Eingang der Vorrichtung 31 ein Anschluss eines Endgeräts insbesondere über ein Kabel möglich. Der Anschluss 19 führt zu einer Funksignalweiche 34, die jedoch funknetzseitig drei Ausgänge hat, Diese Weiche 34 splittet die von dem Endgerät eingehenden Funksignale in drei Teile auf, wobei die aufgeteilten Signale eine geringere Signalstärke aufweiden als das Eingangssignal. In dem Signalpfad von der Weiche 34 zu der ersten Antenne 5 befindet sich eine Verstärkerschaltung 37, die insbesondere genauso aufgebaut ist, wie die Verstärkerschaltung 7 in 1. Ebenfalls befindet sich in dem Signalpfad von der Weiche 34 zu der dritten Antenne 4 eine Verstärkerschaltung 38, die wiederum wie die Verstärkerschaltung 7 in 1 aufgebaut sein kann, wobei die Verstärker jedoch für den Frequenzbereich der dritten Antenne 4 ausgelegt sind. Ähnlich wie in 2 ist die zweite Antenne 3 über eine Steckverbindung 39 an die Weiche 34 angeschlossen.
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Weitere Varianten der Vorrichtung sind möglich. Insbesondere kann über die Weiche eine andere Anzahl von Antennen angeschlossen sein. Dabei ist es ja nach Ausgestaltung bei jedem Signalpfad zwischen der Weiche und der jeweiligen Antenne möglich, eine Verstärkerschaltung vorzusehen oder nicht vorzusehen. Wenn keine Verstärkerschaltung in einem Signalpfad vorgesehen ist, kann dieser optional mit einem Verstärker nachgerüstet werden, insbesondere wenn die Antenne über eine Steckverbindung an die Weiche angeschlossen ist. Bei der Weiche muss es sich nicht um ein einziges Bauteil handeln. Vielmehr kann es sich auch um eine Kaskade von Splittern/Combinern handeln.
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Anhand der 4 bis 7 wird nun ein konkretes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung mit zwei Antennen beschrieben. Das darin dargestellte Prinzip der Verwendung einer Richtantenne mit hohem Antennengewinn bezogen auf einen Isotropenstrahler und/oder das Prinzip der Abschirmung der beiden Antennen gegeneinander kann aber auch bei anderen Vorrichtungen angewendet werden, die zum Beispiel auch mehr als zwei Antennen haben können, ähnlich wie in 3 beispielsweise dargestellt.
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Die in 4 bis 7 dargestellte Vorrichtung weist einen Boden 55 auf, auf dem ein Gehäusedeckel aufgesetzt werden kann. Um den Blick auf die weitere Konstruktion der Vorrichtung freizugeben, ist der Deckel jedoch in den 4 bis 7 nicht dargestellt.
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Die dreidimensionale Darstellung in 4 zeigt das Innere der Vorrichtung von einer ersten Seite. Es ist ein plattenförmiges Teil erkennbar, das sich quer durch das Innere der Vorrichtung erstreckt, wobei die großflächigen Oberflächen des plattenförmigen Teils mit ihrem Normalen in horizontale Richtung ausgerichtet sind. Die horizontale Richtung bezieht sich jedoch lediglich auf die Darstellung in den 4 bis 7. Im Gebrauch kann die Vorrichtung auch anders orientiert sein. Bei dem plattenförmigen Teil handelt es sich um einen Reflektor 48, der zum Beispiel aus Metall besteht und Funkwellen zumindest in einem Frequenzbereich reflektiert, der von einer der Antennen der Vorrichtung Funksignale gesendet und empfangen werden. Insbesondere ist der Reflektor 48 für die Reflexion von Funkwellen ausgelegt, die von der noch näher zu beschreibenden Richtantenne gesendet und empfangen werden, die auf dem hinten in 4 angeordneten Träger 50 aufgebracht ist. Dieser plattenförmige Träger 50 erstreckt sich parallel zu dem Reflektor 48.
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Im Vordergrund der Darstellung von 4, vor dem Reflektor 48, ist eine Platine 52 erkennbar, auf der eine elektrische Schaltung mit entsprechenden Bauteilen aufgebaut ist, von denen zwei mit dem Bezugszeichen 7, 14 bezeichnet sind. Diese Bezugszeichen 7, 14 haben die gleiche Bedeutung wie in 1, das heißt das Bezugszeichen 7 bezeichnet die Verstärkerschaltung und das Bezugszeichen 14 die Funksignalweiche. Ferner ist mit dem Bezugszeichen 17 ein Anschlusskabel bezeichnet, das ein Endgerät mit der Funksignalweiche 14 verbindet. Anders als in 1 dargestellt ist jedoch das über Steckverbindungen 19, 20 anzuschließende Kabel 16 weggelassen und geht das Kabel 17 von der Funksignalweiche 14 bis zu der Kopplungseinrichtung 18 des Endgeräts durch. Dies hat den Vorteil, dass die Dämpfung des Anschlusskabels 17 feststeht und die Verstärkungsleistung der Verstärkerschaltung 7 auf diese Dämpfung abgestimmt werden kann. Zum Beispiel kann ein solches Kabel 17 eine Dämpfung von 20 dB haben und beträgt die Verstärkungsleistung der Verstärkerschaltung 7 jeweils im Sendepfad und im Empfangspfad 22 dB.
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In 4 sind noch weitere, vorzugsweise aus Kunststoff gefertigte Teile 54, 56, 57, 58 dargestellt, die der mechanischen Befestigung bzw. Abstützung der erwähnten Platine 52, des Reflektors 48 und des Trägers 50 dienen. Ferner ist in 4 eine Zugentlastung 20 erkennbar, die eine Durchgangsöffnung aufweist, durch die sich das Anschlusskabel 17 Hindurch erstreckt, wobei die Zugentlastung 20 das Kabel 17 festklemmt und auf diese Weise eine Zugentlastung bewirkt.
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Die dreidimensionale Darstellung in 5 zeigt den Aufbau aus 4 von einer anderen, gegenüberliegenden Seite des Reflektors 48. Man erkennt daher im Vordergrund links von dem Reflektor 48 den Träger 50, der Leiterbahnen 65a, 65b aus elektrisch leitfähigem Material trägt. Die Leiterbahnen 65a, 65b umlaufen jeweils einen kreisrunden Bereich auf der Oberfläche des Trägers 50. Dabei wird der kreisrunde Bereich jedoch von den Leiterbahnen 65a, 65b nicht geschlossen umlaufen. Ausgehend von dem Speisepunkt 63, an dem die Leiterbahnen 65 über eine Anschlussleitung 61 zur Zuführung und Ableitung von Hochfrequenzsignalen angeschlossen ist, umlaufen die Leiterbahnen 65a, 65b die kreisrunden Bereiche nahezu vollständig, jedoch ohne den Kreisring zu schießen. Nach dem Umlauf erreichen sie den zweiten Anschlusspunkt 64, an dem die Abschirmung der Anschlussleitung 61 angeschlossen ist. Speisepunkt und Anschlusspunkt für die Abschirmung können auch vertauscht sein. Anders ausgedrückt steht dem Speisepunkt 63 in der Darstellung von 5 oberhalb jeweils ein Endbereich der kreisringförmigen Leiterbahn 65a, 65b gegenüber, der durch einen schmalen Bereich aus nicht leitfähigem Material getrennt ist, wobei dieser isolierende Bereich durch das Material des Trägers 50 gebildet ist. Die beiden Leiterbahnen 65a, 65b sind jedoch dort elektrisch miteinander verbunden, sodass ausgehend von dem Speisepunkt 63 nach einem Umlauf um einen der kreisrunden Bereiche ein Übergang auf die andere Leiterbahn stattfindet die den anderen kreisrunden Bereich umläuft und wieder zu dem Speisepunkt 63 zurückführt. Anders als bei der Ausgestaltung der 5 und 7 kann es sich statt um kreisrunde umlaufene Bereiche auch um anders geformte umlaufene Bereiche handeln. Zum Beispiel können die Bereiche quadratisch sein.
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Der Speisepunkt 63 ist, wie erwähnt, an eine Anschlussleitung 61 angeschlossen, die den Speisepunkt 63 mit der Verstärkerschaltung 7 auf der Platine 52 verbindet. Diese Anschlussleitung 61 führt durch eine Durchgangsöffnung des Reflektors 48 durch diesen hindurch, wobei die Anschlussleitung 61 senkrecht zu der Oberfläche des Reflektors 48 verläuft. Da auch die Oberfläche des Trägers 50, auf der die Leiterbahnen 65 aufgetragen sind, parallel zu der Oberfläche des Reflektors 48 verläuft, entsteht eine symmetrische Anordnung, die zu einer Richtcharakteristik der Antenne führt, die symmetrisch zu einer Senkrechten der Trägeroberfläche ist, wobei die Senkrechte ungefähr den Speisepunkt 63 durchstößt. Bei dieser Antenne handelt es sich um die durch die Leiterbahnen 65 gebildete Antenne. Aufgrund der beschriebenen Konfiguration hat die Antenne eine ausgeprägte Richtwirkung mit einem Antennengewinn von mehr als 5 dBi.
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Bei dieser Antenne handelt es sich um die Antenne, die bei der Vorrichtung 1 gemäß 1 der ersten Antenne 5 entspricht. Die zweite Antenne 43 der in 4 bis 7 dargestellten Vorrichtung entspricht der zweiten Antenne 3 in 1. Diese zweite Antenne 43 ist eine Stabantenne mit einer Stab-Längsachse, die sich in senkrechter Richtung und parallel zu der Oberfläche des Reflektors 48 erstreckt Aus 4 ist erkennbar, dass die Stabantenne 43 mit ihrer Längsachse in der Ebene der Platine 52 verläuft. Obwohl die Stabantenne 43 über die Oberkante des Reflektors 48 hinausragt, führt der Reflektor 48 zu einer guten Isolierung der beiden Antennen bezüglich einer möglichen Rückkopplung. Zu der Isolierung trägt außerdem die ausgeprägte Richtwirkung der auf dem Träger 50 aufgebauten Antenne bei.
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Das Grundprinzip der Kombination einer Richtantenne und eines Reflektors kann daher wie folgt beschrieben werden: Wenn die Richtantenne auf einem Träger mit ebener Oberfläche aufgebracht ist, weist dieser eine Richtung mit maximalem Antennengewinn bezogen auf den isotropen Strahler auf, wobei die Richtung vorzugsweise senkrecht zu der ebenen Oberfläche des Trägers verläuft. Da in diesem Fall prinzipiell in beide Richtungen entlang der Senkrechten eine maximale Empfindlichkeit der Antenne für Empfangssignale bzw. der maximale Antennengewinn besteht, ist auf der einen Seite des Trägers der Reflektor angeordnet, dessen Oberfläche sich parallel zu der Oberfläche des Trägers erstreckt. Hierdurch besteht die maximale Empfangsempfindlichkeit der Antenne bzw. der maximale Antennengewinn nur noch auf einer Seite entlang der Senkrechten auf die ebene Oberfläche des Trägers. Nun steht für die Kommunikation zu der zweiten Antenne der gesamte Halbraum aus Sicht des Trägers jenseits des Reflektors zur Verfügung. Ferner steht auch noch ein Teil des Halbraumes für die Kommunikation der zweiten Antenne mit einem Funknetz zur Verfügung.
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Aus der Seitenansicht der 6 kann nochmals der Aufbau der Vorrichtung erkannt werden. Die Blickrichtung der Darstellung in 6 ist horizontal und die Senkrechte der Figurenebene verläuft parallel zu der ebenen Oberfläche des Trägers 50 und parallel zu den großflächigen Oberflächen des Reflektors 48. Rechts ist der Träger 50 erkennbar, wobei die Leiterbahnen 65 auf der rechts in 6 liegenden Oberfläche des Trägers 50 aufgebracht sind. Von dem Speisepunkt 63 aus erstreckt sich die Anschlussleitung 61 durch eine Durchgangöffnung in dem Reflektor 48 hindurch bis zu der Platine 52, auf der die Elemente der Verstärkerschaltung und der Weiche aufgebaut sind. Die Stabantenne 43 erstreckt sich vom oberen Rand der Platine 52 nach oben.
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Die Gestaltung der Leiterbahnen 65a, 65b, die anhand von 5 bereits beschrieben wurde, ist sehr gut aus 7 erkennbar, die den Blick auf die Oberfläche des Trägers 50 vollständig freigibt.
