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Querverweis zu verwandten Anmeldungen
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Die vorliegende Erfindung beansprucht den Nutzen der Priorität der folgenden Anmeldungen, welche in dem Namen des Anmelders und Erfinders Robert Loftus eingereicht wurden: (a) Vorläufige
AU-Patentanmeldung Nummer 2013900724 mit dem Titel ”A Dual Feed Single Frequency Antenna” eingereicht am 04. März 2013 und (b) Standard
AU-Patentanmeldung Nummer 2013205196 mit dem Titel ”A Dual Port Single Frequency Antenna” eingereicht am 14. April 2013; die Inhalte beider Anmeldungen werden hierin durch Verweis aufgenommen (als ob sie nachfolgend wiedergegeben würden).
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Hintergrund der Erfindung
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Antennen.
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Stand der Technik
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Die Übertragung und der Empfang von Feldern, einschließlich elektromagnetischer Felder und Ultraschallfelder, von einer Quelle zu einem Ziel treffen auf mehrere Schwierigkeiten, welche die Kosten und die Komplexität der Konstruktion von Antennen und Antennensystemen beeinflusst haben.
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Kurzfassung der Erfindung
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Allgemeine Probleme des Stands der Technik, wie von dem Erfinder identifiziert, umfassen Folgende:
die Notwendigkeit, das Problem der Isolation von übertragenen und empfangenen Feldern zu lösen, wenn eine Antenne verwendet wird.
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Spezifische Probleme des Stands der Technik, wie von dem Erfinder identifiziert, umfassen Folgende:
Bestimmen, wie man Felder von einer einzelnen Antenne ohne Interferenz zwischen übertragenen und empfangenen Feldern übertragen und empfangen kann;
Vereinfachen des Antennensystem-Designs;
Reduzierung der Kosten der Konstruktion von Antennensystemen.
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Technische Aufgabenstellung
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Verbessern einiger der Wirkungen der allgemeinen Probleme und der spezifischen Probleme, wie oben angegeben und insbesondere zumindest teilweise Bereitstellung einer Antenne, die die Notwendigkeit vermeidet, übertragene und empfangene Felder unter Verwendung separater Antennensysteme zu isolieren.
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Technische Lösung
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Die technische Lösung umfasst Folgendes:
Sicherstellen, dass das übertragene und das wieder abgestrahlte Feld um 180 Grad außer Phase sind (zum Zweck der Feld- und Signalisolation);
Übertragen und Empfangen von Feldern zu und von einer einzelnen Antenne;
Verwenden der gleichen Frequenz zum Übertragung und zum Empfang von Feldern.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Vorteilhafte Wirkungen umfassen Folgende:
die Verwendung einer einzelnen Antenne zur Übertragung und zum Empfang minimiert die Konstruktionskomplexität und die Kosten einer Antenne;
eine Fähigkeit zum Übertragen und Empfangen bei einer gleichen Frequenz minimiert die Betriebskomplexität einer Antenne;
die Verwendung von übertragenen und empfangenen Feldern, die zueinander um 180 Grad außer Phase sind, minimiert die Gefahr von Interferenz zwischen den übertragenen und den empfangenen Feldern, weil die einzigen Signale, welche, wenn überhaupt, vor dem Mischen als ein Ergebnis der Signalwechselwirkung (Übersprechen) erzeugt werden, entweder Nullsignale, additive Signale oder subtrahierte Signale sind – wobei eine Isolation der Signale im Wesentlichen durch eine Phasenverschiebung um 180 Grad bei einer Wiederabstrahlung eines Felds von einem Ziel erzielt wird.
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Ein Verfahren zum Betreiben einer Antenne umfasst Folgendes: Gewinnen eines Ausgangssignals aus der Antenne an einem Anschluss, welcher um 180 Grad hinsichtlich eines Anschlusses außer Phase ist, der dem Eingangssignal der Antenne zugeordnet ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Schemaansicht einer ersten Ausführungsform einer Doppelspeisungs-Einfrequenz-Schlitzantenne.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Antenne, welche eine Übertragung zu einem Ziel und einen Empfang von dem Ziel von Feld-Pfaden illustriert, welche zu einer Doppelanschluss-Doppelspeisungs-Einfrequenz-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gehören.
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3A und 3B zeigen qualitative Darstellungen der Phasendifferenzen (zwischen übertragenen und empfangenen Feldern), wie sie in der Öffnung einer Schlitzantenne auftreten.
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4 zeigt eine qualitative Darstellung der Feld-Pfade und des Phasenverhaltens der übertragenen und empfangenen Felder zwischen Quelle und Ziel.
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5 zeigt Spannung und Strom über eine halbe Wellenlänge einer Einzel-Speisungs-, Einzel-Anschluss-Schlitzantenne.
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6 zeigt Spannung und Strom über eine halbe Wellenlänge einer Doppel-Speisungs-, Doppelanschluss-Schlitzantenne.
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Ausführliche Beschreibung
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Beste Ausführungsform.
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Definitionen und Begriffe
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Die Beschreibung in dem Hauptteil der Patentschrift betrifft 'bevorzugte' Arten der Ausführung der Erfindung. Dementsprechend dürfen Merkmale, welche in dem Hauptteil der Patentschrift angegeben sind, nicht als wesentliche Merkmale der Erfindung angesehen werden, außer es ist explizit angegeben. Weiterhin sollte jeder Verweis in dem Hauptteil der Patentschrift auf den Ausdruck 'Erfindung' nur als Verweis auf bevorzugte Ausführungsformen angesehen werden.
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Der Verweis auf 'eine Phasenverschiebung um 180 Grad' bezieht sich auf eine Inversion einer periodischen Wellenform bei Reflexion an einem Ziel (wobei die Dimensionen für die Beschreibung einer vollen Wellenperiode auf 360 Grad skaliert wurden).
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1 ist eine Darstellung eines Doppelspeisungs-Doppelanschluss-Antennensystems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Zuführungen 103, 104, welche bei dieser Ausführungsform verwendet werden, sind aus 50 Ohm Koaxialkabeln aufgebaut. Es können jedoch auch andere Zuführungsstrukturen verwendet werden, einschließlich Übertragungsleitungen auf einer gedruckten Mikrostreifenleiterschaltung.
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Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird eine dünne Schlitzantenne 100 für Mikrowellenfrequenzen verwendet.
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Es können auch andere Antennen verwendet werden, einschließlich Dipolantennen, die so konfiguriert sind, dass sie in einem Doppelanschluss-Doppelspeisungs-Modus betrieben werden können. Weiterhin werden, da das grundlegende Design und die Zuführungsabstimmung der dünnen Mikrowellen-Schlitzantennen dem Fachmann für Mikrowellenübertragung und -Empfang wohlbekannt sind, nur die Anordnungen diskutiert, welche für die Implementierung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung relevant sind.
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Das Doppelspeisungs-Einfrequenz-Antennensystem 100 umfasst eine im Wesentlichen planare elektrisch leitfähige Grundebene (Platte) 101 mit einer dünnen Schlitzöffnung 102, einer ersten Zuführung 103 und einer zweiten invertierten Zuführung 104. Beide Zuführungen sind bei dieser Ausführungsform parallel zu der leitfähigen Grundebene (Platte) 101 und mit dieser verbunden (wobei die Anforderung der parallelen Orientierung bevorzugt ist (gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wünschenswert, jedoch nicht obligatorisch)). Darüber hinaus kann jede Ebene (Platte) mit einem Schlitz von beliebiger Form verwendet werden, vorausgesetzt, dass der gesamte interne Umfang des Schlitzes eine volle Wellenlänge beträgt (wobei die Messung zum Zweck der Wellenlänge das obere und das untere Ende des Schlitzes einschließt).
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Die äußere Abschirmung der koaxialen Zuführungsstruktur ist mit der Grundebene 101 verbunden. Sowohl der innere als auch der äußere Leiter jeder Zuführung sind über die Öffnung 102 an den beiden Punkten verbunden, an denen die Impedanz der Öffnung genau mit der charakteristischen Impedanz (50 Ohm in diesem Fall) jeder koaxialen Zuführung übereinstimmt. Es können jedoch auch andere Zuführungsstrukturen mit anderer Impedanz verwendet werden, die eine Abstimmung der Zuführungen zu der Antenne an anderen Verbindungspunkten (Anschlüssen) an der Antenne erfordern, vorausgesetzt, dass die Zuführungsverbindungspunkte (Anschlüsse) im Fall einer Schlitzantenne bezogen auf die Mitte des Schlitzes einander diametral entgegengesetzt liegen, um zu gewährleisten, dass die beiden Zuführungsverbindungspunkte (Anschlüsse) zueinander um 180 Grad außer Phase sind.
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2 zeigt das Übertragungssignal S1, angelegt an die erste Zuführung 103 (an dem Eingangsanschluss), wodurch die Antenne an der Öffnung 102 erregt wird. Der Bereich der Schlitzantenne an der Öffnung 102 strahlt dann W1 (ein übertragenes elektromagnetisches Feld) auf ein Ziel T (in diesem Fall ein Metalldraht) hin ab. Bei Erreichen des Ziels T erfährt die abgestrahlte Welle W1 (in diesem Fall eine Mikrowelle) eine Phasenumkehr um 180 Grad, da W1 von dem Ziel T reflektiert wird und in der Form von W2 wieder zurück in Richtung auf die Antenne 100 abgestrahlt wird. Das Feld W2 erregt dann die Antenne an der Öffnung 102, um ein empfangenes Signal S2 zu erzeugen, welches an dem Verbindungspunkt zu der Antenne (einem Ausgangsanschluss) abgegriffen wird, welcher der zweiten Zuführungsstruktur 104 zugeordnet ist. Jedoch ist der Ausgangsanschluss, welcher der Ausgangszuführung 104 zugeordnet ist, bezogen auf den Eingangsanschluss, welcher der Eingangszuführung 103 zugeordnet ist, um weitere 180 Grad außer Phase (als Ergebnis einer Stromreflexion an den Enden des Schlitzes), und dementsprechend ist S2 (welches das Ergebnis von zwei Phasenverschiebungen um 180 Grad ist – eine an dem Ziel T und eine intern innerhalb der Antenne 100 an den Enden der Öffnung) nun in Phase bezogen auf S1.
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Die oben stehende Beschreibung bezieht sich auf Standard Schlitzantennen halber Wellenlänge. Andere Vielfache der Wellenlänge können auch verwendet werden, vorausgesetzt dass: die Position für einen Eingang (den Eingangsanschluss) und die Position für einen Ausgang (den Ausgangsanschluss) geeignet ausgewählt werden, um Strahlung zu erzeugen und zu empfangen (die Fähigkeit, Leistung an eine Antenne zu liefern und auch Leistung von der Antenne abzunehmen an Positionen theoretisch nicht unendlicher Impedanz) und auch dass die Schlitzlänge ausreichend bemessen ist, um einen sekundären Anschluss bereitzustellen, welcher der ausgehenden (zweiten) Zuführung 104 zugeordnet ist, so dass das Eingangssignal S1 hinsichtlich des Ausgangssignals S2 in Phase ist (wobei S2 hinsichtlich S1 als Ergebnis von zwei Phasenverschiebungen um 180 Grad in Phase ist (eine an dem Ziel und eine intern innerhalb der Antenne an Endpunkten des Schlitzes (der Öffnung)). Ähnlich können, wie oben angegeben, Zuführungen mit verschiedenen ohmschen Werten über Ränder des Schlitzes verbunden sein – wobei eine Impedanzabstimmung dann an verschiedenen Zuführungsverbindungspunkten (Anschlüsse) auf dem Schlitz erfolgt. Zusätzlich können auch andere Antennentypen verwendet werden, einschließlich Dipolantennen.
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3A und 3B illustrieren einen dualen Betriebsmodus einer Antenne in qualitativer Form (wobei Pfeile verwendet werden, um Phasenbeziehungen zwischen übertragenen und empfangenen Feldern, W1 bzw. W2, anzugeben). Natürlicherweise bezeichnen die Pfeile im Fall einer Schlitzantenne die E-Feld-Polarisation.
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Eine Darstellung des Übertragungsmodus ist in 3A gezeigt. In ähnlicher Weise ist ein Empfangsmodus in 3B gezeigt. Die Phasendifferenz um 180 Grad zwischen den Feldern W1 und W2 kann aus den Pfeilen innerhalb des Schlitzes in 3 ersehen werden, welche sich auf die Wirkung einer E-Feldpolarisation in der Antenne beziehen. Es ist anzumerken, dass S1 und W1 in Phase sind, wie aus 3A ersichtlich ist. Weiter ist aus 3B zu ersehen, dass W2 hinsichtlich der internen Spannung und elektrischen Felder in Phase ist, welche von W2 erzeugt werden. Jedoch ist es wichtig zu bemerken, dass der Verbindungspunkt (Anschluss) für die Ausgangszuführung für S2 hinsichtlich des Verbindungspunkts (Anschlusses) für die Eingangszuführung für S1 um 180 Grad außer Phase ist (siehe Verbindungspunkte (Anschlüsse), welche den Zuführungsstrukturen 103 und 104 in 1 zugeordnet sind). Dementsprechend verlässt S2 die Antenne 100 an dem Verbindungspunkt (Anschluss), welcher der Zuführung 104 zugeordnet ist, bezogen auf S1 in Phase, weil das vorhergehende Signal und Feld von S2 gemeinsam zwei Phasenverschiebungen um 180 Grad erfahren haben, welche S2 zurück in Phase mit S1 bringen – wobei die erste Phasenverschiebung an dem Ziel auftritt und die zweite Phasenverschiebung innerhalb der Antenne durch eine interne Reflexion des Stroms an den Enden des Schlitzes 102 auftritt (wobei sich Ströme an dem oberen und an dem unteren Ende des Schlitzes in entgegengesetzte Richtungen bewegen).
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4 illustriert Felder sowohl in einem Übertragungsmodus als auch in einem Empfangsmodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Man beachte die Phaseninversion zwischen W1 und W2 an dem Ziel. Man beachte weiterhin die Wirkung der zusätzlichen Phaseninversion, welche innerhalb der Antenne auftritt (als Ergebnis der Stromreflexion an den Enden des Schlitzes) und folglich S2 hinsichtlich S1 zurück in Phase bringt (wie aus den Strömen ersichtlich ist, welche in den Kreisen dargestellt sind).
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5 zeigt Spannung und Strom über eine halbe Wellenlänge einer Einzel-Speisungs-, Einzel-Anschluss-Schlitzantenne. 5 zeigt auch Impedanzabstimmungspunkte zur Verwendung in Verbindung mit einem 50 Ohm Koaxialkabel.
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6 zeigt die Spannung und den Strom über eine halbe Wellenlänge einer Doppel-Speisungs-, Doppelanschluss-Schlitzantenne. 6 zeigt auch die Abstimmungspunkte mit einer Impedanz von 50 Ohm, welche bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die Antennenspannung weist weiterhin, wie zuvor beschrieben, eine Phasendifferenz von 180 Grad zwischen den beiden 50 Ohm-Zuführungen auf.
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Arten der Ausführung der Erfindung
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine Übertragung und einen Empfang elektromagnetischer Strahlung. Es kann jedoch eine beliebige Wellenform verwendet werden, einschließlich die Verwendung von Ultraschallfeldern. Zusätzlich kann auch eine Vielzahl unterschiedlicher Ziele, einschließlich Nylon- und Metalldrähte, im Zusammenhang mit Feldern verwendet werden, welche bei Frequenzen arbeiten, welche für eine Detektion von Verschiebungen um 180 Grad von reflektierten Signalen ausreichend sind. Die oben stehende Beschreibung betrifft die Beschreibung einer Doppelspeisungs-, Doppelanschluss-Schlitzantenne. Es können jedoch auch andere Antennenstrukturen verwendet werden, einschließlich einer Dipolantenne. Die wiederum einzige Einschränkung bei der Verwendung einer Dipolantenne ist, dass die Dipolantenne eine ausreichende Länge aufweisen muss, um zu ermöglichen, dass eine erste Zuführung 103 und eine zweite Zuführung 104 an der Antenne an Verbindungspunkten (Anschlüssen) abgegriffen werden können, welche die Impedanz der Eingangs- und Ausgangszuführungen für S1 und S2 mit der Antennenimpedanz abstimmen und auch gewährleisten, dass der sekundäre Verbindungspunkt (Anschluss), an welchem die Zuführung 104 mit der Antenne verbunden ist, hinsichtlich des Eingangsverbindungspunkts (Anschluss) um 180 Grad außer Phase ist, an welchem die Zuführung 103 mit der Antenne verbunden ist.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, welche unter Beste Ausführungsform, beschrieben sind, betreffen im Allgemeinen eine Mikrowellenübertragung. Es können jedoch genauso, wie eine Variation von einer Wellenformstruktur zu einer anderen (elektromagnetisch zu Ultraschall) auftreten kann, auch Variationen der Frequenz innerhalb des elektromagnetischen Spektrums verwendet werden und in gleicher Weise Variationen innerhalb des Frequenzumfangs, welcher auf Schallschwingungen anwendbar ist, verwendet werden (wobei eine Einschränkung auf Ultraschallfrequenzbereiche nur bevorzugt ist).
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Industrielle Anwendbarkeit
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Ein Ziel der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es, einige der Probleme zu lösen, die bei der Verwendung von mehreren Antennen durch gleichzeitiges Übertragen und Empfangen von Signalen, einschließlich Funksignalen, auf im Wesentlichen der gleichen Frequenz auftreten. Insbesondere ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen hohen Grad an Isolation zwischen übertragenen und empfangenen Signalen aufrechtzuerhalten.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine strukturell einfache Lösung für Probleme bereit, die bei einer Übertragung und einem Empfang elektromagnetischer Signale und insbesondere kontinuierlicher Mikrowellensignale bei der gleichen Frequenz auftreten. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben gewerbliche Anwendungen in Bereichen, die Bewegungsdetektion, Entfernungsmessung, Geschwindigkeitsdetektion, Schwingungsdetektion und medizinische Bildgebung einschließen. Der erste Anschluss der Antenne und der zweite Anschluss der Antenne können auch für Folgendes verwendet werden: (a) gleichzeitige Übertragung auf beiden Anschlüssen; (b) gleichzeitiger Empfang auf beiden Anschlüssen; (c) gleichzeitiges Empfangen eines ersten Signals auf dem ersten Anschluss und Übertragen eines zweiten Signals auf dem zweiten Anschluss oder (d) gleichzeitiges Übertragen eines ersten Signals auf dem ersten Anschluss und Empfangen eines zweiten Signals auf dem zweiten Anschluss – wobei diese Ausführungsformen für eine Verwendung im Nachrichtenbereich, bei Repeatern, Radar, Bildgebung und Null-ZF-Empfangsverfahren passen. Die oben stehend beschriebenen Ausführungsformen können weiter verallgemeinert werden, um jede Frequenz innerhalb des elektromagnetischen Spektrums zu umfassen, einschließlich sichtbares Licht, Infrarot, Ultraviolett und auch Frequenzen, welche auf Laser anwendbar sind. Ähnlich können, auch wenn eine Schlitzantenne als bevorzugt beschrieben wurde, andere Antennentypen in Betracht gezogen werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf gefaltete Dipol- und Quadrupolantennen, vorausgesetzt, dass die Antennen so konstruiert und angeordnet sind, dass der erste und der zweite Zuführung zueinander um 180 Grad phasenversetzt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- AU 2013900724 [0001]
- AU 2013205196 [0001]
