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GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antennensystem, ein mit dem Antennensystem durchzuführendes Verfahren und ein mobiles Kommunikationsgerät.
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STAND DER TECHNIK
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Der aktuelle Trend im Mobiltelefon-Industriedesign bevorzugt interne Antennen, wobei die Antenne für den Kunden nicht sichtbar ist. Die Telefone weisen mehr Funksendeempfänger auf, zum Beispiel Tri-Band UMTS, Quad-Band GSM, BT, WLAN, GPS, FM-Funk, DVB-H, welche alle ihre eigene Antenne erfordern. Gleichzeitig sollte auf der PCB Platz für sämtliche Chips sein, zusammen mit einem größeren Display, Kamera, Speicherkarten usw., ohne dass das Telefon groß und klobig erscheint. All diese Antennen in einem Telefon unterzubringen ist eine echte Herausforderung. Die drei Schlüsselparameter beim Design von Mobiltelefonantennen sind die Bandbreite, die Größe und die Effizienz. Die Fakten sind, dass in Abhängigkeit von der realistischen Größe der Antenne eine Begrenzung in Bezug auf die erreichbare maximale Bandbreite und Effizienz existiert. Grundsätzlich wird die minimale Bandbreite durch die Systemspezifikation bestimmt, zum Beispiel GSM und UMTS, und die Effizienz durch die Anforderungen der Gesamtsendeleistung (TRP – total radiated power) und der isotropen Gesamtempfindlichkeit (TIS – total isotropic sensitivity), die zum Beispiel durch CTIA, 3GPP und Mobilfunkbetreiber festgelegt werden. Die Gesamtgröße wird durch das Industriedesign vorgegeben. Bei einem standardmäßigen, nichteinstellbaren Antennendesign ist es üblich, die Größe der Antenne auf ein Level zu erhöhen, auf welchem die Anforderungen für minimale Bandbreite und Effizienz erreicht werden können. Jedoch schränkt dies das Industriedesign ein und Alternativen sind wünschenswert.
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Ein Ansatz ist die Verwendung einstellbarer Antennen, wobei das Frequenzband innerhalb eines Systems oder zwischen Bändern unterschiedlicher Kommunikationssysteme eingestellt werden kann. Bei diesem herkömmlichen Ansatz deckt die Antenne nur ein schmales Band unmittelbar ab, und das Gesamtantennenvolumen oder die Anzahl der Antennen kann verringert werden und die Selektivität wird erhöht. Dieser herkömmliche Ansatz ist gut bekannt, weist jedoch in der Praxis einige Einschränkungen auf.
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Bei einem standardmäßigen Antennendesign ist es üblich, die Größe der Antenne auf ein Level zu erhöhen, auf welchem die Anforderungen für die minimale Bandbreite und Effizienz erreicht werden können, und sich mit den Einschränkungen abzufinden, welche dem Industriedesign dadurch auferlegt werden. Es ist auch üblich, eine Reihe von Entkopplungstechniken zu implementieren. Jedoch ist ein Nachteil, dass diese Techniken durch die physikalischen Abmessungen der Grundplatte eingeschränkt sind.
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Es ist gut bekannt, dass das Mobiltelefongehäuse bei niedrigeren Frequenzen als der Hauptstrahler agiert. Tatsächlich bestimmen die Länge und die Breite des Gehäuses eindeutig den Dipolmodus des Gehäuses. Der Strahlungsmechanismus kann als eine Kombination aus der Antenne und dem Resonator, wobei das Gehäuse dem Resonator entspricht, gesehen werden, welche ein System gekoppelter Resonatoren bilden (wie in Vainikainen, P.; Ollikainen, J.; Kivekas, O.; Kelander, K.; „Resonator-based analysis of the combination of mobile handset antenna and chassis", Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, Vol. 50, Nr. 10, S. 1433–1444, Okt. 2002 beschrieben). Die optimale Kopplung zwischen der Antenne und dem Gehäuse wird erreicht, wenn die Antenne und das Gehäuse mit der gleichen Resonanzfrequenz schwingen. Dies hat die Wirkung der Maximierung der Impedanzbandbreite und Erhöhung der gegenseitigen Kopplung an zusätzliche Strahler. Wenn der Gehäusemodus nicht der beabsichtigten Resonanzfrequenz der Antenne entspricht, ist die Impedanzbandbreite schmaler und die gegenseitige Kopplung an zusätzliche Strahler ist geringer.
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Der Stand der Technik hat sich immer auf das Einstellen des Antennenelementes selbst konzentriert, durch Variation seiner elektrischen Länge auf verschiedenste Art und Weise (wie in Vainikainen, P.; Ollikainen, J.; Kivekas, O.; Kelander, K.; „Resonator-based analysis of the combination of mobile handset antenna and chassis", Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, Vol. 50, Nr. 10, S. 1433–1444, Okt. 2002 und K. A. Jose, V. K. Varadan und V. V. Varadan, Experimental investigations an electronically tunable microstrip antennas, Microw. Opt. Technol. Lett., Vol. 20, Nr. 3, S. 166–169, Feb. 1999 beschrieben).
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KURZDARSTELLUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Antennensystem, welches eine Grundplatte, ein erstes Antennenelement, ein zweites Antennenelement und einen Tuner aufweist. Die Grundplatte weist mindestens einen Schlitz auf. Das erste Antennenelement ist an einen ersten Abschnitt der Grundplatte gekoppelt. Das zweite Antennenelement ist an einen zweiten Abschnitt der Grundplatte gekoppelt, welcher von dem ersten Abschnitt beabstandet ist. Ferner ist der Tuner derart konfiguriert, dass er den Einfluss des Schlitzes auf einen Stromfluss durch die Grundplatte von dem ersten Abschnitt zu dem zweiten Abschnitt verändert.
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Ferner betrifft die vorliegende Offenbarung ein mobiles Kommunikationsgerät, welches ein Gehäuse und ein Antennensystem aufweist. Das Antennensystem weist eine Grundplatte, ein erstes Antennenelement, ein zweites Antennenelement und einen Tuner auf. Die Grundplatte wird durch mindestens einen Teil des Gehäuses gebildet und weist mindestens einen Schlitz auf. Das erste Antennenelement ist an einen ersten Abschnitt der Grundplatte gekoppelt. Das zweite Antennenelement ist an einen zweiten Abschnitt der Grundplatte gekoppelt, welcher von dem ersten Abschnitt beabstandet ist. Ferner ist der Tuner derart konfiguriert, dass er den Einfluss des Schlitzes auf einen Stromfluss durch die Grundplatte von dem ersten Abschnitt zu dem zweiten Abschnitt verändert.
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Ferner betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren, welches das Bereitstellen einer Grundplatte, welche mindestens einen Schlitz aufweist, das Bereitstellen eines ersten Antennenelementes, welches an einen ersten Abschnitt der Grundplatte gekoppelt ist, das Bereitstellen eines zweiten Antennenelementes, welches an einen zweiten Abschnitt der Grundplatte gekoppelt ist, welcher von dem ersten Abschnitt beabstandet ist, und das Verändern des Einflusses des Schlitzes auf einen Stromfluss durch die Grundplatte von dem ersten Abschnitt zu dem zweiten Abschnitt umfasst.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird im Anschluss unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, wobei:
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1a ein Prinzipschaubild eines beispielhaften mobilen Kommunikationsgerätes zeigt;
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1b ein Prinzipschaubild eines beispielhaften Antennensystems zeigt;
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1c ein Prinzipschaubild des in 1b gezeigten beispielhaften Antennensystems zur Veranschaulichung eines Stromflusses durch seine Grundplatte zeigt;
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2a ein Prinzipschaubild eines beispielhaften Antennensystems zeigt, welches zwei Kopplungselemente aufweist;
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2b ein Prinzipschaubild eines beispielhaften Antennensystems zeigt, welches zwei ebene invertierte F-förmige Antennenelemente aufweist;
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2c ein Prinzipschaubild eines beispielhaften Antennensystems zeigt, welches ein Kopplungselement und ein ebenes invertiertes F-förmiges Antennenelement aufweist;
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3a und 3b Prinzipschaubilder eines beispielhaften Antennensystems zeigen, welches einen Tuner zum Bereitstellen eines ersten und eines zweiten Tunerzustandes aufweist;
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4 ein Diagramm beispielhafter Streuparameter als eine Funktion der Frequenz zeigt;
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5a bis 5c unterschiedliche Beispielimplementierungen von einem oder mehreren Schaltern zeigen, welche in dem in 1b gezeigten Antennensystem implementiert sein können;
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6 eine Beispielimplementierung eines Schalters zeigt, welcher in den unterschiedlichen in 5a bis 5c gezeigten Beispielimplementierungen implementiert sein kann;
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7 ein Prinzipschaubild eines beispielhaften Antennensystems zeigt, welches einen Drehkondensator oder eine variable Impedanz aufweist; und
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8 ein Prinzipschaubild eines beispielhaften mobilen Kommunikationsgerätes zeigt, welches ein Gehäuse aufweist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1a zeigt ein Prinzipschaubild eines beispielhaften mobilen Kommunikationsgerätes 900. Wie in 1a gezeigt, weist das mobile Kommunikationsgerät 900 einen digitalen Basisbandprozessor 910, ein HF-Frontend 920 und ein Antennensystem 905 auf. Das HF-Frontend 920 ist zwischen das Antennensystem 905 und den digitalen Basisbandprozessor 910 gekoppelt. Zum Beispiel stellt der digitale Basisbandprozessor 910 ein HF-Eingangssignal 915 bereit. Außerdem ist das Antennensystem 905 derart konfiguriert, dass es ein HF-Ausgangssignal weitergibt, welches durch das HF-Frontend 920 bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann das in 1a gezeigte Antennensystem 905 einem der hierin beschriebenen Antennensysteme entsprechen.
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Das mobile Kommunikationsgerät 900 kann ein tragbares mobiles Kommunikationsgerät sein.
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Als ein Beispiel kann das mobile Kommunikationsgerät derart konfiguriert sein, dass es eine Sprach- und/oder Datenkommunikation (gemäß einem Mobilkommunikationsstandard) mit einem anderen (tragbaren) Kommunikationsgerät und/oder einer Mobilkommunikationsbasisstation durchführt. Ein derartiges mobiles Kommunikationsgerät kann zum Beispiel ein Mobilteil, wie ein Mobiltelefon (Handy), ein Smartphone, ein Tablet-PC, ein Breitbandmodem, ein Notebook oder ein Laptop sowie ein Router, Schalter, Repeater oder ein PC sein. Ferner kann ein derartiges mobiles Kommunikationsgerät eine Mobilkommunikationsbasisstation sein.
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Durch das beispielhafte Antennensystem 905 ist es möglich, eine Einstellbarkeit des Gehäusemodus zu erreichen und die Impedanzbandbreite und die Isolierung des mobilen Kommunikationsgerätes 900 adaptiv zu steuern.
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Obwohl in 1a das Antennensystem 905 als Teil des mobilen Kommunikationsgerätes 900 dargestellt ist, kann das Antennensystem 905 auch in anderen Geräten verwendet werden.
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Im Folgenden werden unterschiedliche Beispiele eines derartigen Antennensystems detaillierter beschrieben.
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Wie bereits zuvor beschrieben, haben sich herkömmliche Antennensysteme immer auf das Einstellen des Antennenelementes zum Anpassen seiner Eigenschaften konzentriert. Die herkömmlichen Antennensysteme weisen als Nachteile die Einschränkung des Industriedesigns, die praktischen Einschränkungen und die Einschränkung durch die physischen Abmessungen der Grundplatte auf. Es besteht Bedarf an der Bereitstellung einer alternativen Art und Weise zum Einstellen der Eigenschaften eines Antennensystems, welche derartige Nachteile vermeidet.
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Dementsprechend wird, anstatt das Antennenelement einzustellen, die Grundplatte des Antennensystems selbst eingestellt. Insbesondere kann dieses Einstellen realisiert werden, wenn eine Grundplatte, die mindestens einen Schlitz aufweist, bereitgestellt ist, und wenn der Einfluss des Schlitzes auf einen Stromfluss innerhalb der Grundplatte verändert wird, zum Beispiel durch Veränderung der Schlitzimpedanz. Auf diese Weise ist es möglich, eine Einstellbarkeit des Grundplattenmodus oder Gehäusemodus zu erreichen und die Impedanzbandbreite und die Isolierung des Antennensystems oder des mobilen Kommunikationsgerätes adaptiv zu steuern.
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1b zeigt ein Prinzipschaubild eines beispielhaften Antennensystems 100. Wie in 1b gezeigt, weist das Antennensystem 100 eine Grundplatte 110, ein erstes Antennenelement 122, ein zweites Antennenelement 124 und einen Tuner 130 auf. Zum Beispiel kann der Tuner 130 an einen Tuner-Controller 150 gekoppelt sein.
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Die Grundplatte 110 weist mindestens einen Schlitz 111 auf. Das erste Antennenelement 122 und das zweite Antennenelement 124 sind an die Grundplatte 110 gekoppelt. Ferner ist der Tuner 130 derart konfiguriert, dass er den Einfluss des Schlitzes 111 auf einen Stromfluss verändert, welcher innerhalb der Grundplatte 110 gebildet werden kann. Der Tuner-Controller 150 ist derart konfiguriert, dass er den Tuner 130 durch Verwendung eines Tuner-Steuersignals steuert. Zum Beispiel kann der Tuner 130 derart durch den Tuner-Controller 150 gesteuert werden, dass zwei unterschiedliche Tunerzustände des Tuners 130 bereitgestellt werden. Die zwei unterschiedlichen Tunerzustände können einem geringeren (oder vernachlässigbaren) und einem größeren (oder maximalen) Einfluss des Schlitzes 111 auf den Stromfluss entsprechen. Der maximale Einfluss kann zum Beispiel mit einer maximalen Bandbreite und Effizienz in Zusammenhang stehen.
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Das Antennensystem 100 von 1b kann als Teil eines mobilen Kommunikationsgerätes (z. B. das in 8 gezeigte mobile Kommunikationsgerät 800) implementiert sein, wobei die Grundplatte durch mindestens einen Teil des Gehäuses (z. B. Gehäuse 810) gebildet wird.
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1c zeigt ein Prinzipschaubild des in 1b gezeigten beispielhaften Antennensystems 100 zum Veranschaulichen eines Stromflusses 101 durch seine Grundplatte 110. Wie in 1c gezeigt, ist das erste Antennenelement 122 an einen ersten Abschnitt 112 der Grundplatte 110 gekoppelt und das zweite Antennenelement 124 ist an einen zweiten Abschnitt 114 der Grundplatte 110 gekoppelt, welcher von dem ersten Abschnitt 112 beabstandet ist. Ferner ist der Tuner 130 derart konfiguriert, dass er den Einfluss des Schlitzes 111 auf einen Stromfluss 101 durch die Grundplatte 110 von dem ersten Abschnitt 112 zu dem zweiten Abschnitt 114 verändert.
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Bezugnehmend auf 1c ist der Stromfluss 101 durch einen Pfeil dargestellt, welcher im Wesentlichen von dem ersten Abschnitt 112 zu dem zweiten Abschnitt 114 der Grundplatte 110 zeigt. Zum Beispiel kann der Tuner 130 derart konfiguriert sein, dass er einen ersten und einen zweiten Tunerzustand bereitstellt, wobei in dem ersten Tunerzustand der Stromfluss 101 den Schlitz 111 direkt durchquert (gestrichelte Linie), und wobei in dem zweiten Tunerzustand der Stromfluss 101 im Wesentlichen um den Schlitz 111 herum führt (durchgezogene Linie).
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Ferner kann die Grundplatte 110 des Antennensystems 100 durch eine Rückwand des Gehäuses eines mobilen Kommunikationsgerätes gebildet sein. Die Grundplatte 110 ist zum Beispiel eine metallische Rückwand des Gehäuses 810 des in 8 gezeigten mobilen Kommunikationsgerätes 800.
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In dem Antennensystem 100 von 1c kann der Tuner 130 zum Beispiel derart konfiguriert sein, dass er eine Impedanz des Schlitzes 111 verändert, um eine Länge eines Strompfades zu verändern, welcher durch den Stromfluss 101 abgedeckt wird. Wird die Impedanz durch den Tuner 130 erhöht, wird die Länge des Strompfades effektiv länger, während, wenn die Impedanz durch den Tuner 130 verringert wird, die Länge des Strompfades effektiv kürzer wird. Die kürzere und längere Länge des Strompfades entspricht im Wesentlichen kürzeren und längeren elektrischen Längen der Grundplatte 110 (oder des Gehäuses 810). Durch die Bereitstellung der unterschiedlichen elektrischen Längen der Grundplatte oder des Gehäuses ist es möglich, unterschiedliche Eigenschaften des Antennensystems, wie die Impedanzbandbreite, effektiv einzustellen.
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Bezugnehmend auf 1c können das erste Antennenelement 122 und das zweite Antennenelement 124 zwei Antennenelemente des gleichen oder eines unterschiedlichen Typs und einer beliebigen Form darstellen. Die unterschiedlichen Konfigurationen der Antennenelemente werden später unter Bezugnahme auf 2a bis 2c beschrieben.
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Außerdem können, selbst wenn der erste Abschnitt 112 und der zweite Abschnitt 114, an welche das erste Antennenelement 122 und das zweite Antennenelement 124 gekoppelt sind, in 1c als eher punktförmig angegeben sind, der erste Abschnitt 112 und der zweite Abschnitt 114 erweiterte Abschnitte darstellen, welche sich zum Beispiel parallel zu einer kürzeren Seite der Grundplatte 110 erstrecken.
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In dem Antennensystem 100 von 1c erstreckt sich der Schlitz 111 nur teilweise durch die Grundplatte 110.
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Insbesondere kann der Schlitz 111 direkt neben einer Kante 102 (längere Seite) der Grundplatte 110 liegen.
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Ferner kann der Schlitz 111 eine rechtwinklige Form mit einem vordefinierten Bereich aufweisen, wobei der vordefinierte Bereich weniger als ein Viertel eines Bereiches (Gesamtbereich) der Grundplatte 110 einnimmt. Daher ist der vordefinierte Bereich oder Schlitzbereich im Vergleich zum Gesamtbereich der Grundplatte 110 üblicherweise relativ klein. Dadurch wird sichergestellt, dass einerseits die gewünschte Einstellbarkeit des Grundplattenmodus oder Gehäusemodus erreicht werden kann, während andererseits der Einfluss des Schlitzes auf den Stromfluss begrenzt werden kann, derart, dass sich der Grundplattenmodus oder Gehäusemodus noch zuverlässig entwickeln kann.
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2a zeigt ein Prinzipschaubild eines beispielhaften Antennensystems 210, welches zwei Kopplungselemente 222, 224 aufweist. Das in 2a gezeigte Antennensystem 210 unterscheidet sich von dem in 1b gezeigten Antennensystem 100 dadurch, dass das erste Antennenelement 122 bzw. das zweite Antennenelement 124 durch die Kopplungselemente 222, 224 dargestellt sind. In dem Antennensystem 210 von 2a sind die Kopplungselemente 222, 224 durch Verwendung einer Impedanzanpassungsschaltung direkt an die Grundplatte 110 gekoppelt, wobei die Kopplungselemente 222, 224 nichtselbstschwingende Elemente sind.
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Zum Beispiel können die nichtselbstschwingenden Kopplungselemente 222, 224 in dem Antennensystem 210 von 2a explizit wie in Vainikainen, P.; Ollikainen, J.; Kivekas, O.; Kelander, K.; „Resonator-based analysis of the combination of mobile handset antenna and chassis", Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, Vol. 50, Nr. 10, S. 1433–1444, Okt. 2002 beschrieben implementiert sein.
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Außerdem können die beiden Kopplungselemente 222, 224 kapazitiv oder induktiv an die Grundplatte 110 (oder den ersten Abschnitt 112 und den zweiten Abschnitt 114 davon) gekoppelt sein. Im Falle einer kapazitiven Kopplung der beiden Kopplungselemente 222, 224, kann eine Kapazitanz- und eine geeignete Impedanzanpassungsschaltung in Reihe zwischen die Grundplatte 110 und jedes der beiden Kopplungselemente 222, 224 geschaltet werden. Im Falle einer induktiven Kopplung der beiden Kopplungselemente 222, 224, kann eine Induktanz- und eine geeignete Impedanzanpassungsschaltung in Reihe zwischen die Grundplatte 110 und jedes der beiden Kopplungselemente 222, 224 geschaltet werden.
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2b zeigt ein Prinzipschaubild eines beispielhaften Antennensystems 220, welches zwei ebene invertierte F-förmige Antennenelement 242, 244 aufweist. Das in 2b gezeigte Antennensystem 220 unterscheidet sich von dem in 1b gezeigten Antennensystem 100 darin, dass das erste Antennenelement 122 und das zweite Antennenelement 124 ebene invertierte F-förmige Antennen-(PIFA – planar inverted F-shaped antenna) Elemente sind, wobei die ebenen invertierten F-förmigen Antennenelemente selbstschwingende Elemente sind.
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In 2b ist das Antennensystem 220 beispielhaft in zwei unterschiedlichen Ansichten 223 (Draufsicht) und 225 (Seitenansicht) dargestellt.
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In der Seitenansicht 225 von 2b ist dargestellt, dass die beiden ebenen invertierten F-förmigen Antennenelemente 242, 244 durch zwei entsprechende Kurzschlussverbindungen 243, 245 an die Grundplatte 110 kurzgeschlossen sind. Außerdem zeigt die Seitenansicht 225 von 2b zwei entsprechende Speiseleitungen 247, 249 zum Speisen der entsprechenden ebenen invertierten F-förmigen Antennenelemente 242, 244.
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Bezugnehmend auf das Antennensystem 220 von 2b sind die beiden ebenen invertierten F-förmigen Antennenelemente 242, 244 derart in Bezug auf die Grundplatte 110 ausgerichtet, dass in der Draufsicht 223 von 2b die beiden ebenen invertierten F-förmigen Antennenelement 242, 244 und die Grundplatte 110 überlappen. Die Überlappungsregion ist in 2b durch die gestrichelten Linien angegeben. Außerdem sind die Speiseleitungen 247, 249 und die Kurzschlussverbindungen 243, 245 auch in der Draufsicht von 2b angegeben.
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Zum Beispiel können die beiden ebenen invertierten F-förmigen Antennenelemente 242, 244 als λ/4 Patch-Elemente (mit einer Länge von einem Viertel der Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz) implementiert sein.
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Im Vergleich zu dem in 2a gezeigten Antennensystem 210 ermöglicht das in 2b gezeigte Antennensystem 220 eine recht einfache und effiziente elektromagnetische Kopplung der beiden ebenen invertierten F-förmigen Antennenelemente 242, 244 an die Grundplatte 110, ohne dass eine spezifische Kopplungsschaltung oder Impedanzanpassungsschaltung dazwischen erforderlich wäre.
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2c zeigt ein Prinzipschaubild eines beispielhaften Antennensystems 230, welches ein Kopplungselement 262 und ein ebenes invertiertes F-förmiges Antennenelement 264 aufweist. Das in 2c gezeigte Antennensystem 230 unterscheidet sich von dem in 2a gezeigten Antennensystem 210 dadurch, dass das erste Antennenelement 122 ein selbstschwingendes ebenes invertiertes F-förmiges Antennenelement 264 ist und das zweite Antennenelement 124 durch ein nichtselbstschwingendes Kopplungselement 262 dargestellt ist, welches durch Verwendung einer Impedanzanpassungsschaltung direkt an die Grundplatte 110 gekoppelt ist.
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Zum Beispiel kann das selbstschwingende ebene invertierte F-förmige Antennenelement 264 als ein λ/4 Patch-Element (wie in 2b beschrieben) implementiert sein. Außerdem kann das nichtselbstschwingende Kopplungselement 262 explizit wie in Vainikainen, P.; Ollikainen, J.; Kivekas, O.; Kelander, K.; „Resonatorbased analysis of the combination of mobile handset antenna and chassis", Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, Vol. 50, Nr. 10, S. 1433–1444, Okt. 2002 beschrieben implementiert sein.
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Durch Bereitstellung der in 2a bis 2c gezeigten unterschiedlichen Antennensysteme 210, 220, 230 ist es möglich, eine flexiblere und effizientere Kopplung des ersten Antennenelementes 122 und des zweiten Antennenelementes 124 an die Grundplatte 110 (oder an den ersten Abschnitt 112 und den zweiten Abschnitt 114 davon) zu erreichen. Diese Kopplung wird im Wesentlichen von zwei unterschiedlichen Seiten (kürzere Seiten) der Grundplatte 110 aus bereitgestellt, derart, dass ein relativ großer Stromfluss durch die Grundplatte 110 von dem ersten Abschnitt 112 zu dem zweiten Abschnitt 114 erhalten werden kann. Durch die Bereitstellung des relativ großen Stromflusses in der Grundplatte 110 ist es möglich, einen zuverlässigen Grundplattenmodus oder Gehäusemodus des Antennensystems zu erhalten.
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3a und 3b zeigen Prinzipschaubilder eines beispielhaften Antennensystems 300, welches einen Tuner 330 zum Bereitstellen eines ersten und eines zweiten Tunerzustandes aufweist. In 3a ist der erste Tunerzustand des Tuners 330 schematisch dargestellt, während in 3b der zweite Tunerzustand des Tuners 330 schematisch dargestellt ist. Das in 3a gezeigte Antennensystem 300 entspricht im Wesentlichen dem in 2b gezeigten Antennensystem 220, welches zwei ebene invertierte F-förmige Antennenelemente 242, 244 aufweist. Jedoch kann, wie in 3a und 3b schematisch dargestellt, der Tuner 330 des Antennensystems 300 als ein Schalter zum Schalten zwischen einem geschlossenen Zustand (3a) und einem offenen Zustand (3b) konfiguriert sein.
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Zum Beispiel kann der Tuner 330 oder Schalter des Antennensystems 300 derart konfiguriert sein, dass er einen ersten Tunerzustand, welcher einer geschlossenen Schaltung (3a) entspricht, und einen zweiten Tunerzustand, welcher einer offenen Schaltung (3b) entspricht, bereitstellt, wobei in dem zweiten Tunerzustand eine Resonanzfrequenz der Grundplatte 110 im Vergleich zu der Resonanzfrequenz der Grundplatte 110 in dem ersten Tunerzustand verringert ist. Die Verringerung der Resonanzfrequenz der Grundplatte 110 in dem zweiten Tunerzustand ergibt sich im Wesentlichen aufgrund der Tatsache, dass die Länge des Strompfades, welcher durch den Stromfluss durch die Grundplatte 110 abgedeckt wird, effektiv größer wird.
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4 zeigt ein Diagramm 400 beispielhafter Streuparameter 420 als eine Funktion der Frequenz 410. In dem Diagramm 400 von 4 sind die Streuparameter 420 in dB angegeben, während die Frequenz 410 in GHz angegeben ist. Außerdem reicht ein Bereich der Streuparameter 420 auf der Ordinate von 0 bis –25 dB, während ein Bereich der Frequenz 410 auf der Abszisse von 1 bis 1,6 GHz reicht. Die beispielhaften Streuparameter 420 des in 4 gezeigten Diagramms 400 können aus dem in 3a und 3b gezeigten Antennensystem 300 erhalten werden. Grundsätzlich können die beispielhaften Streuparameter 420 verwendet werden, um das Antennensystem 300 von 3a und 3b für die beiden unterschiedlichen Tunerzustände zu beschreiben, welche durch den Tuner 330 bereitgestellt werden. In dem Diagramm 400 von 4 sind beispielhaft unterschiedliche Kurven 401, 402, 403, 404, 405 und 406 für die Streuparameter 420 als die Funktion der Frequenz 410 dargestellt. Außerdem sind beispielhaft zwei Punkte 407, 408 in dem Diagramm 400 von 4 gezeigt. Insbesondere entspricht die Kurve 401 dem S-Parameter S11 in dem ersten Tunerzustand, die Kurve 402 entspricht dem S-Parameter S22 in dem ersten Tunerzustand, die Kurve 403 entspricht dem S-Parameter S21 in dem ersten Tunerzustand, die Kurve 404 entspricht dem S-Parameter S11 in dem zweiten Tunerzustand, die Kurve 405 entspricht dem S-Parameter S22 in dem zweiten Tunerzustand und die Kurve 406 entspricht dem S-Parameter S21 in dem zweiten Tunerzustand. Außerdem entspricht der Punkt 407 der Resonanzfrequenz in dem ersten Tunerzustand, während der Punkt 408 der Resonanzfrequenz in dem zweiten Tunerzustand entspricht.
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Im Allgemeinen beschreiben die Streuparameter oder S-Parameter die Reflexionseigenschaften des Antennensystems. Insbesondere beschreibt der S-Parameter S11 eine Reflexion an dem Eingangsanschluss des Antennensystems (z. B. an dem ebenen invertierten F-förmigen Antennenelement 242), der S-Parameter S22 beschreibt eine Reflexion an dem Ausgangsanschluss des Antennensystems (z. B. an dem ebenen invertierten F-förmigen Antennenelement 244), während der S-Parameter S21 eine Vorwärtsverstärkung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss (z. B. von dem ebenen invertierten F-förmigen Antennenelement 242 zu dem ebenen invertierten F-förmigen Antennenelement 244) beschreibt. In dem Diagramm 400 von 4 ist zu sehen, dass, wenn von dem ersten Tunerzustand in den zweiten Tunerzustand geschaltet wird, die Frequenzbandbreite, welche dem S-Parameter S11, 401, 404 entspricht, wesentlich abnimmt, die Frequenzbandbreite, welche dem S-Parameter S22, 402, 405 entspricht, wesentlich abnimmt, und die Frequenzbandbreite, welche dem S-Parameter S21, 403, 406 entspricht, auch abnimmt.
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Ferner kann in dem Diagramm 400 von 4 beobachtet werden, dass, wenn aus dem ersten Tunerzustand in den zweiten Tunerzustand geschaltet wird, die Resonanzfrequenz der Grundplatte wesentlich verringert wird. Zum Beispiel beträgt die Resonanzfrequenz 407 der Grundplatte in dem ersten Tunerzustand etwa 1,55 GHz, während die Resonanzfrequenz 408 der Grundplatte in dem zweiten Tunerzustand etwa 1,25 GHz beträgt. Daher kann durch Schalten zwischen dem ersten Tunerzustand und dem zweiten Tunerzustand die Resonanzfrequenz der Grundplatte signifikant verringert werden.
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Zur Zusammenfassung der vorherigen Figuren wurde unter Bezugnahme auf 2a bis 2c beschrieben, dass es durch das Bereitstellen eines oder mehrerer Schlitze, welche in dem Gehäuse unterzubringen sind, welches durch einen Tuner gesteuert wird, möglich ist, die Länge des Gehäuses selbst dynamisch zu verändern. Der Tuner kann ein Drehkondensator oder ein Schalter sein, welcher die gewünschte Wirkung der Gehäuselängenmodulation durch seine Steuersignale erreicht. Zwei mögliche Verwendungen können für den gleichen einstellbaren Gehäusemodusbetrieb in Betracht gezogen werden. Ein erster Fall berücksichtigt die Situation, in welcher die Grundplattengröße derart ist, dass ihre natürliche Resonanz höher als die als Mittenfrequenz für einen gegebenen Standard zu verwendende ist. Wenn das Gehäuse zum Beispiel 40 × 100 mm groß ist, weist es eine natürliche Resonanz um 1,2 GHz auf, während die GSM 900 Frequenzbandbreite unterstützt werden muss. Die Bandbreite kann, auf Kosten einer Verringerung des Isolierungslevels, erhöht werden, ohne die Antenne des Gehäuses zu vergrößern. Ein zweiter Fall berücksichtigt, dass die gegenseitige Kopplung, auf Kosten einer schmaleren Bandbreite, verringert werden kann, ohne die Antenne zu modifizieren. In der vorherigen Beschreibung wurde nur ein Beispiel des ersten Falls gegeben, da es sich bei dem zweiten Fall um eine duale Konfiguration handelt.
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Bezugnehmend auf 3a und 3b wurden die beiden Zustände des Tuners in einem Beispiel beschrieben. Der erste Zustand entspricht im Wesentlichen der Situation, in welcher sich der Tuner in dem normalen voreingestellten Zustand befindet, in welchem er keine Wirkung auf das Gehäuse zeigt, was bedeutet, dass die effektive Gehäuselänge unverändert bleibt. Er kann wie ein Kurzschluss gesehen werden, welcher die beiden Seiten des Gehäuses verbindet, wodurch de facto die Schlitzaktion abgewählt wird. Der zweite Zustand entspricht im Wesentlichen der Situation, in welcher der Tuner eine Barriere (offene Schaltung) zwischen den beiden Seiten des Schlitzes erzeugt, wodurch es dem Strom ermöglicht wird, einem längeren Pfad zu folgen und so die elektrische Länge des Gehäuses einzustellen. Die Auswirkung der beiden Zustände auf die Streuparameter des in 3a und 3b gezeigten Antennensystems wurden unter Bezugnahme auf 4 gemäß einem Beispiel beschrieben.
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5a bis 5c zeigen unterschiedliche beispielhafte Implementierungen 510, 520, 530 von einem oder mehreren Schaltern 515, 525, 535, welche in dem in 1b gezeigten Antennensystem 100 implementiert werden können. In den unterschiedlichen Implementierungen 510, 520 von 5a und 5b weist der Tuner 130 einen Schalter 515, 525 auf, welcher zwischen zwei entgegengesetzte Seiten 511, 513 des Schlitzes 111 geschaltet ist, wobei der Schalter 515, 525 derart konfiguriert ist, dass er einen ersten Tunerzustand durch Verkürzung der beiden entgegengesetzten Seiten 511, 513 des Schlitzes 111 und einen zweiten Tunerzustand durch Trennung der beiden entgegengesetzten Seiten 511, 513 des Schlitzes 111 bereitstellt.
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Zum Beispiel ist, bezugnehmend auf die Implementierung 510 von 5a, der Schalter 515 zwischen die Endpunkte 517, 519 der beiden entgegengesetzten Seiten 511, 513 des Schlitzes 111 geschaltet, wobei sich die Endpunkte 517, 519 an einer Kante 102 der Grundplatte 110 befinden.
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Außerdem ist, bezugnehmend auf die Implementierung 520 von 5b, der Schalter 525 zwischen die Mittelpunkte 527, 529 der beiden entgegengesetzten Seiten 511, 513 des Schlitzes 111 geschaltet.
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In den unterschiedlichen Implementierungen 510, 520 von 5a und 5b ist der Stromfluss 101 durch die Grundplatte 110 von dem ersten Abschnitt 112 zu dem zweiten Abschnitt 114 für unterschiedliche Beispiele dargestellt. Für den Fall, dass der erste Tunerzustand durch den Schalter 515, 525 bereitgestellt ist, kann der Stromfluss 101 im Wesentlichen den Schlitz 111 durchqueren, wie durch die gepunkteten Linien in 5a und 5b angegeben. Für den Fall, dass der zweite Tunerzustand durch den Schalter 515, 525 bereitgestellt ist, führt der Stromfluss 101 im Wesentlichen um den Schlitz 111 herum, wie durch die in 5a und 5b gezeigten durchgezogenen Linien angegeben. Durch die Verwendung der unterschiedlichen Implementierungen 510, 520 kann der Einfluss des Schlitzes auf den Stromfluss im Wesentlichen unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann sich die Länge des Strompfades, welcher durch den Stromfluss in dem ersten Tunerzustand und dem zweiten Tunerzustand in der Implementierung 510 abgedeckt wird, um etwa zweimal die Länge von einer der beiden entgegengesetzten Seiten des Schlitzes unterscheiden. Außerdem kann sich die Länge des Strompfades, welcher durch den Stromfluss in dem ersten Tunerzustand und dem zweiten Tunerzustand in der Implementierung 520 abgedeckt wird, um etwa zweimal die Hälfte der Länge von einer der beiden entgegengesetzten Seiten des Schlitzes unterscheiden.
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In der Implementierung 530 von 5c weist der Tuner 130 mehrere Schalter 535 auf, welche zwischen zwei entgegengesetzte Seiten 511, 513 des Schlitzes 111 geschaltet sind, wobei jeder der mehreren Schalter 535 derart konfiguriert ist, dass er zwischen einem geschlossenen Zustand und einem offenen Zustand schaltet. Durch Verwendung der mehreren Schalter 535, wie in der Implementierung 530 gezeigt, kann der Einfluss des Schlitzes 111 auf den Stromfluss durch die Grundplatte 110 von dem ersten Abschnitt 112 zu dem zweiten Abschnitt 114 im Vergleich zu den Implementierungen 510, 520 auf flexiblere Art und Weise verändert werden. Jedoch steht das Bereitstellen der mehreren Schalter 535 gemäß der Implementierung 530 in Zusammenhang mit einer höheren Komplexität des Antennensystems.
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6 zeigt eine Beispielimplementierung eines Schalters 600, welcher in den in 5a bis 5c gezeigten unterschiedlichen Implementierungsbeispielen 510, 520, 530 implementiert werden kann. Zum Beispiel kann der in 6 gezeigte Schalter 600 dem einen oder den mehreren Schaltern 515, 525, 535 entsprechen, die in 5a bis 5c gezeigt sind. Wie in 6 gezeigt, weist der Schalter 600 eine erste Anschlussklemme 601 und eine zweite Anschlussklemme 602 auf. Diese beiden Anschlussklemmen 601, 602 können mit den beiden entgegengesetzten Seiten 511, 513 des Schlitzes 111 gemäß den Implementierungen 510, 520, 530 verbunden sein. Der Schalter 600 von 6 ist derart konfiguriert, dass er zwischen einem geschlossenen Zustand (I) und einem offenen Zustand (II) schaltet.
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Zum Beispiel kann der in 6 gezeigte Schalter 600 ein mechanischer Schalter oder ein mikroelektromechanischer System-(MEMS – microelectromechanical systems)Schalter sein.
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Insbesondere kann der MEMS-Schalter ein Substrat zum Überqueren des Schlitzes der Grundplatte, zwei Kontaktelemente zum elektrischen Verbinden der Grundplatte auf zwei entgegengesetzten Seiten in Bezug auf den Schlitz und ein kapazitives Schaltelement, welches auf dem Substrat angeordnet ist, um den ersten Zustand (geschlossener Zustand) und den zweiten Zustand (offener Zustand) bereitzustellen, aufweisen. Das kapazitive Schaltelement des MEMS-Schalters kann eine bewegliche Elektrode aufweisen, welche durch ein Steuersignal (z. B. ein Spannungssignal) gesteuert werden kann, derart, dass die beiden Kontaktelemente auf den beiden entgegengesetzten Seiten in Bezug auf den Schlitz über die bewegliche Elektrode in dem ersten Zustand verbunden und in dem zweiten Zustand getrennt werden.
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7 zeigt ein Prinzipschaubild eines beispielhaften Antennensystems 700, welches einen Drehkondensator (oder eine variable Impedanz) 705 als einen Tuner 130 aufweist. Das in 7 gezeigte Antennensystem 700 unterscheidet sich von dem in 1b gezeigten Antennensystem 100 darin, dass der Tuner 130 einen Drehkondensator oder eine variable Impedanz 705 aufweist, welche/r zwischen zwei entgegengesetzte Seiten 511, 513 des Schlitzes 111 geschaltet ist, wobei der Drehkondensator oder die variable Impedanz 705 derart konfiguriert ist, dass er/sie kontinuierlich eine Kapazitanz oder Impedanz davon verändert. Durch das kontinuierliche Verändern der Kapazitanz oder Impedanz des Drehkondensators oder der variablen Impedanz 705 ist es möglich, den Einfluss des Schlitzes 111 auf den Stromfluss durch die Grundplatte 110 von dem ersten Abschnitt 112 zu dem zweiten Abschnitt 114 dynamisch zu verändern. Die dynamische Veränderung des Einflusses des Schlitzes auf den Stromfluss hat die Konsequenz, dass Schlüsselparameter wie die Impedanzbandbreite des Antennensystems kontinuierlich verändert werden können. Sie stellt auch die Einstellbarkeit des Grundplattenmodus oder Gehäusemodus des Antennensystems zur Verwendung in praktischen Anwendungen bereit.
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8 zeigt ein Prinzipschaubild eines beispielhaften mobilen Kommunikationsgerätes 800, welches ein Gehäuse 810 aufweist. Das in 8 gezeigte mobile Kommunikationsgerät 800 kann eines der hierin beschriebenen Antennensysteme aufweisen. Das Antennensystem des mobilen Kommunikationsgerätes 800 weist das erste Antennenelement 122 und das zweite Antennenelement 124 auf.
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Zum Beispiel kann das Gehäuse 810 durch mindestens einen Teil einer PCB (Leiterplatte) des mobilen Kommunikationsgerätes 800 gebildet sein. Außerdem kann das Gehäuse 810 durch mindestens einen Teil eines Gehäuses (z. B. der äußere metallische Teil) des mobilen Kommunikationsgerätes 800 gebildet sein. Insbesondere kann das Gehäuse 810 ein metallischer Teil sein, welcher als ein Grundelement für das mobile Kommunikationsgerät 800 agiert.
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Wieder bezugnehmend auf die Implementierung 510 von 5a kann das Antennensystem die folgenden Merkmale aufweisen. Zum Beispiel kann das Antennensystem eine Grundplatte 110, ein erstes Antennenelement 122, ein zweites Antennenelement 124 und einen Tuner 130 aufweisen. Die Grundplatte 110 weist mindestens einen Schlitz 111 auf. Das erste Antennenelement 122 ist an einen ersten Abschnitt 112 der Grundplatte 110 gekoppelt. Das zweite Antennenelement 124 ist an einen zweiten Abschnitt 114 der Grundplatte 110 gekoppelt, welcher von dem ersten Abschnitt 112 beabstandet ist. Ferner ist der Tuner 130 derart konfiguriert, dass er den Einfluss des Schlitzes 111 auf einen Stromfluss 101 durch die Grundplatte 110 von dem ersten Abschnitt 112 zu dem zweiten Abschnitt 114 verändert.
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Zum Beispiel weist der Schlitz 111 zwei entgegengesetzte Seiten 511, 513 auf, welche sich parallel zueinander erstrecken, wobei die beiden entgegengesetzten Seiten 511, 513 im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Verbindungslinie zwischen dem ersten Abschnitt 112 und dem zweiten Abschnitt 114 angeordnet sind.
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Außerdem weist der Tuner 130 einen Schalter 515 oder eine variable Impedanz auf, welche/r zwischen die Endpunkte 517, 519 der beiden entgegengesetzten Seiten 511, 513 des Schlitzes 111 geschaltet ist, wobei sich die Endpunkte 517, 519 an einer Kante 102 der Grundplatte 110 befinden.
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Wie bereits zuvor beschrieben, kann der Tuner 130 derart konfiguriert sein, dass er eine Impedanz des Schlitzes 111 verändert, um eine Länge eines Strompfades zu verändern, welcher durch den Stromfluss 101 abgedeckt wird.
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Obwohl einige Aspekte im Kontext einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder Gerät einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschrittes entspricht. Analog stellen die im Kontext eines Verfahrensschrittes beschriebenen Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blockes oder Gegenstandes oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch eine (oder mittels einer) Hardwarevorrichtung, wie zum Beispiel einem Mikroprozessor, einem programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung, durchgeführt werden. In einigen Beispielen können einer oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch eine derartige Vorrichtung durchgeführt werden.
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Obwohl jeder Anspruch nur auf einen einzelnen Anspruch zurück verweist, deckt die Offenbarung auch jede denkbare Kombination von Ansprüchen ab.
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Anstelle der Verbesserung der Antenneneffizienz durch Erhöhung der physischen Größe verwendet das vorliegende Antennensystem eine Grundplatte mit einem Schlitz (oder eine segmentierte Grundplatte), welche die Einstellbarkeit des Gehäusemodus gestattet. Sie gestattet die elektrische Vergrößerung der Gehäuseabmessungen und die Steuerung des Isolierungslevels ohne Auswirkung auf die Mobilteilgesamtabmessungen.
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Ferner verwendet das vorliegende Antennensystem anstelle der Verbesserung der Antenneneffizienz durch Erhöhung der physischen Größe eine kleine Antenne mit den Vorteilen, welche diese für das Industriedesign hat. Durch Verwendung der Grundplatte mit dem Schlitz oder der segmentierten Grundplatte ist es möglich, eine Einstellbarkeit des Gehäusemodus und eine Steuerung der Impedanzbandbreite und der Isolierung adaptiv zu erreichen.
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Die bessere Leistung des vorliegenden Antennensystems kann durch Konzentration auf das Einstellen des Gehäusemodus erzielt werden, wobei die zuvor genannten Kopplungsphänomene ausgenutzt werden. Dies kann im Wesentlichen durch Variation der elektrischen Länge des Gehäuses in Abhängigkeit vom Bedarf erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Vainikainen, P.; Ollikainen, J.; Kivekas, O.; Kelander, K.; „Resonator-based analysis of the combination of mobile handset antenna and chassis”, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, Vol. 50, Nr. 10, S. 1433–1444, Okt. 2002 [0005]
- Vainikainen, P.; Ollikainen, J.; Kivekas, O.; Kelander, K.; „Resonator-based analysis of the combination of mobile handset antenna and chassis”, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, Vol. 50, Nr. 10, S. 1433–1444, Okt. 2002 [0006]
- K. A. Jose, V. K. Varadan und V. V. Varadan, Experimental investigations an electronically tunable microstrip antennas, Microw. Opt. Technol. Lett., Vol. 20, Nr. 3, S. 166–169, Feb. 1999 [0006]
- Vainikainen, P.; Ollikainen, J.; Kivekas, O.; Kelander, K.; „Resonator-based analysis of the combination of mobile handset antenna and chassis”, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, Vol. 50, Nr. 10, S. 1433–1444, Okt. 2002 [0044]
- Vainikainen, P.; Ollikainen, J.; Kivekas, O.; Kelander, K.; „Resonatorbased analysis of the combination of mobile handset antenna and chassis”, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, Vol. 50, Nr. 10, S. 1433–1444, Okt. 2002 [0053]
