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Die Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Antennenvorrichtung.
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Stand der Technik
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Radarsensoren im Frequenzband von ca. 76 bis ca. 77 GHz finden eine immer stärkere Verbreitung in Systemen zur Umfelderfassung, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit modernen Fahrerassistenzsystemen. Erste Sensorgenerationen wurden dabei mit stark fokussierenden Systemen für den Fernbereich (bis zu ca. 250 m Detektionsbereich) eingesetzt, wobei die detektierten Objekte hierbei nur in einem engen Winkelbereich, d.h. weniger als ca. +–30° in Bezug zur Fahrzeugachse erfasst wurden.
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Eine Vielzahl neuer Funktionen, die von zukünftigen Systemen abgedeckt werden sollen, erfordern Radarsensoren mit großen Öffnungswinkeln und somit sehr breitem Sichtfeld. Die Funktionen können dabei zum Beispiel eine Detektion von kreuzenden Fußgängern/Radfahrern, Kreuzungsassistenten, eine Überwachung eines rückwärtigen Fahrzeugbereichs oder eine Überwachung eines toten Winkels sein.
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Hierfür werden Radarsensoren an verschiedenen Stellen im Fahrzeug verbaut, zum Beispiel zusätzlich zu den bereits vorhandenen Frontsensoren in allen vier Fahrzeugecken. Diese Sensoren sollten dabei unterschiedliche Abstrahlrichtungen abweichend von der Sensorachse realisieren, um seitlich zum Beispiel in einem Winkelbereich von ca. +–60° eine größtmögliche Reichweite und Genauigkeit zu realisieren. Bei aktuellen Sensorgenerationen sind die Antennen meistens planar auf einer Leiterplatte angeordnet.
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So genannte Vivaldi-Antennen sind planare Antennen mit einer Antennencharakteristik, die es erlaubt, eine Signalleistung in Richtung einer Substratkante ins Fernfeld zu überführen.
DE 10 2012 201 282 A1 offenbart eine Antennenvorrichtung mit einem Substrat, einer ersten Antenne und einer zweiten Antenne. Das Substrat umfasst zwei oder mehr musterbildende Schichten, die über mindestens eine isolierende Schicht geschichtet sind. Die zwei oder mehr Muster bildenden Schichten umfassen eine erste Muster bildende Schicht und eine zweite Muster bildende Schicht, die voneinander verschieden sind.
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Die erste musterbildende Schicht bildet eine der beiden äußeren Schichten, die an beiden Oberflächen des Substrats angeordnet sind. Die erste Antenne ist auf der ersten musterbildenden Schicht gebildet, umfasst eine Vielzahl von Antennenelementen, die in einer Reihe angeordnet sind, und strahlt elektromagnetische Wellen in einer Schichtrichtung der Vielzahl von Schichten ab. Die zweite Antenne ist auf der zweiten musterbildenden Schicht gebildet, ist mindestens an einer Seite der beiden Seiten der Antennenarrayrichtung der Vielzahl von Antennenelementen des ersten Antennenabschnitts angeordnet und strahlt elektromagnetische Wellen in der Antennenarrayrichtung ab.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antennenvorrichtung mit verbesserter Abstrahlcharakteristik bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer Antennenvorrichtung aufweisend:
- – eine auf einer ersten Oberfläche eines ersten Substrats angeordnete erste Sendeantenne, wobei die erste Sendeantenne eine definierte Anzahl von planaren Antennenelementen aufweist;
- – wenigstens eine Empfangsantenne mit einer definierten Anzahl von planaren Antennenelementen, die auf der ersten Oberfläche des ersten Substrats angeordnet ist; und
- – eine zweite Sendeantenne mit orthogonal zum ersten Substrat angeordneten Durchkontaktierungen, die mit einer auf der ersten Oberfläche des ersten Substrats angeordneten ersten Masselage und mit einer auf einer zweiten Oberfläche des ersten Substrats angeordneten zweiten Masselage elektrisch leitend verbunden sind, wobei die Durchkontaktierungen in einer Abstrahlrichtung der zweiten Sendeantenne zunehmend beabstandet angeordnet sind.
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Auf diese Weise wird eine zweite Sendeantenne mit wenigstens einer Hohlleiterstruktur gebildet. Aufgrund der spezifischen Ausbildung der Hohlleiterstruktur kann eine Abstrahlrichtung der zweiten Sendeantenne im Wesentlichen orthogonal zu einer Abstrahlrichtung der ersten Sendeantenne ausgebildet sein. Im Ergebnis kann dadurch ein großer Sichtwinkelbereich realisiert werden, wobei ein Antennengewinn auf einfache Weise definiert werden kann. Vorteilhaft an dieser Struktur ist die einfache hochfrequenztechnische Speisung mit herkömmlichen Einspeisemethoden. Aufgrund der Tatsache, dass Durchkontaktierungen zur Herstellung eines Radarsensors mit der Antennenvorrichtung ohnehin erforderlich sind, können diese vorteilhaft zur Realisierung von Strukturen der zweiten Sendeantenne verwendet werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Antennenvorrichtung, aufweisend die Schritte:
- – Ausbilden einer ersten Sendeantenne mit einer definierten Anzahl von planaren Antennenelementen auf einer ersten Oberfläche eines ersten Substrats;
- – Ausbilden einer Empfangsantenne mit einer definierten Anzahl von planaren Antennenelementen auf der ersten Oberfläche des ersten Substrats; und
- – Ausbilden einer zweiten Sendeantenne, wobei orthogonal zum ersten Substrat Durchkontaktierungen im ersten Substrat ausgebildet werden, wobei die Durchkontaktierungen mit einer ersten Masselage auf der ersten Oberfläche des ersten Substrats und mit einer zweiten Masselage auf einer zweiten Oberfläche des ersten Substrats galvanisch verbunden werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Antennenvorrichtung und des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Antennenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass Sie eine weitere Empfangsantenne aufweist, die auf dem ersten Substrat orthogonal zur Abstrahlrichtung der zweiten Sendeantenne angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine Empfangsantenne bereitgestellt, die für die Sendesignale der zweiten Sendeantenne sehr gute Empfangseigenschaften aufweist.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Antennenvorrichtung sehen vor, dass die Durchkontaktierungen mit einem Metall, z.B. Kupfer verfüllt sind und/oder mit metallischen Hülsen, z.B. Kupferhülsen ausgekleidet sind. Auf diese Weise werden unterschiedliche Alternativen zur Ausbildung von Antennenelemente der zweiten Sendeantenne bereitgestellt, wodurch eine Designvielfalt für die zweite Sendeantenne unterstützt ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei sind die Figuren vor allem qualitativ zu verstehen und nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen.
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In den Figuren zeigt:
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1 Ansichten einer herkömmlichen Antennenvorrichtung;
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2 weitere Ansichten einer herkömmlichen Antennenvorrichtung;
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3 Ansichten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung;
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4 Positionen in einem Kraftfahrzeug, an denen die erfindungsgemäße Antennenvorrichtung angeordnet werden kann; und
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5 ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Anordnung einer herkömmlichen Antennenvorrichtung 100 in einer Draufsicht und in einer Querschnittsansicht. Die Antennenvorrichtung 100 ist vorgesehen, eine Sende-/Empfangsleistung von zwei Sendeantennen TX1, TX2 und mehreren Empfangsantennen RX1, RX2, RX3 senkrecht zu einem ersten Substrat 10 („Hochfrequenzlage“) zu fokussieren und große Reichweiten in einem engen Sichtbereich um Null Grad bezogen auf ein xy-Koordinatensystem zu erzielen. Das erste Substrat 10 sollte dabei sehr genau spezifizierte Materialparameter aufweisen, um HF-Signale möglichst ohne Verluste von einspeisenden Elementen (nicht dargestellt) zu den Antennenstrukturen zu führen und ist daher kostenintensiv. Dabei ist die erste Sendeantenne TX1 als eine schwach bündelnde Antenne ausgebildet, die für ein breites Winkelsichtfeld (engl. angular field of view) verwendet werden kann. Zu diesem Zweck weist die erste Sendeantenne TX1 orthogonal zur Abstrahlrichtung eine geringe Aperturbreite D1 auf.
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Die zweite Sendeantenne TX2 ist im Unterschied zur ersten Sendeantenne TX1 stark bündelnd und wird für ein schmales Winkelsichtfeld zur Realisierung großer Detektionsreichweiten im zentralen Bereich verwendet. Zu diesem Zweck weist die zweite Sendeantenne TX2 eine große Aperturbreite D2 auf. Die Empfangsantennen RX1...RX3 weisen aufgrund von geringen Aperturbreiten D3 ein sehr breites Sichtfeld auf und können auch aus großen Winkeln, beispielsweise größer als ca. 75 Grad bezogen auf eine Normale auf das erste Substrat 10, noch Signale empfangen.
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Alle Antennen TX1, RX, TX2 weisen jeweils mehrere rechteckförmige oder quadratische Antennenelemente 11 auf, die als planare Elemente auf dem ersten Substrat 10 angeordnet sind und auf diese Weise sogenannte „Patchantennen“ realisieren. Auf dem ersten Substrat 10 ist eine erste Masselage 20 (z.B. aus Kupfer) angeordnet, auf der ein zweites Substrat 30 („Niederfrequenzlage“) angeordnet ist. Zur Ansteuerung der Antennenelemente 11 können auf dem zweiten Substrat 30 zum Beispiel ein Mikrocontroller und/oder diskrete elektronische Bauelemente (nicht dargestellt) zur Signalverarbeitung angeordnet sein.
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Zum mechanischen Schutz der Gesamtanordnung ist ein Radom 40 vorgesehen. Bei großen Detektionswinkeln kann dieses flache, leiterplattenbasierte Prinzip jedoch mit deutlichen Einschränkungen verbunden sein. Insbesondere die Fokussierung der Sendeleistung auf signifikant von Null Grad abweichende Richtungen ist schwierig und nur mit großem Aufwand realisierbar, wobei bis zu einem gewissen Grad mittels der zweiten Sendeantenne TX2 auch eine seitliche Richtcharakteristik erzeugt werden kann.
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2 zeigt ein derartiges seitliches „Schielen“ einer Strahlungscharakteristik der zweiten Sendeantenne TX2. Man erkennt, dass dadurch eine wirksame Apertur D2´ der zweiten Sendeantenne TX2 realisiert wird, die sich mit zunehmendem Schwenk- bzw. Schielwinkel α verkleinert und damit eine geringere Fokussierung gemäß folgender mathematischer Beziehung realisiert: D2´ = cosα × D2
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Weitere mögliche Nachteile bei von Null Grad abweichender Abstrahlrichtung mit den gezeigten planaren Antennenkonzepten können sein:
- – aufwendige Speisung, um eine korrekte Phasenbelegung an den Sende/Empfangsantennen zur Ausbildung des korrekten Schielwinkels α bereitzustellen
- – Hohe Sensitivität gegenüber Fertigungsschwankungen
- – Nur begrenzte Realisierbarkeit von Schielwinkeln α < 50°
- – Starke Verkopplung der Einzelelemente für große Schielwinkel α
- – Deutliche Zunahme der Winkelstreuung im Empfangsfall für große Schielwinkel α aufgrund der Abnahme der wirksamen Empfangsapertur
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Vorgeschlagen wird daher eine Antennenstruktur, die im ersten Substrat 10 angeordnet ist und orthogonal zur ersten Sendeantenne TX1 abstrahlen kann.
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3 zeigt in einer oberen Ansicht eine Draufsicht und in der unteren Ansicht eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung 100 mit einem schützenden Radom 40.
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Man erkennt, dass auf der ersten Oberfläche des ersten Substrats 10 eine erste Masselage 20 und auf einer zweiten Oberfläche des ersten Substrats 10 eine zweite Masselage 21 (z.B. aus Kupfer) angeordnet ist. Zwischen der ersten Masselage 20 und der zweiten Masselage 21 sind im ersten Substrat 10 elektrisch leitende Durchkontaktierungen 22 (engl. via) in der Größenordnung von ca. 200 µm bis ca. 300 µm ausgebildet, die entweder als massiv mit einem Metall (z.B. Kupfer) verfüllte oder als mit metallischen Hülsen (z.B. Kupferhülsen) ausgekleidete Durchgangslöcher im ersten Substrat 10 ausgebildet sein können. Auf diese Weise wird mit den Durchkontaktierungen 22 und den Masselagen 20, 21 eine Art Hohlleiterstruktur gebildet, die in der Lage ist, orthogonal zur ersten Sendeantenne TX1 über eine Seitenfläche 50 („Abstrahlkante“) des ersten Substrats 10 elektromagnetische Leistung abzustrahlen.
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Erkennbar ist, dass eine Beabstandung der Durchkontaktierungen 22 in Richtung auf die Seitenfläche 50 zunimmt, wodurch insgesamt drei Hornstrahler gebildet werden. Von einem Speisepunkt (nicht dargestellt) werden diese drei Hornstrahler angespeist und bewirken auf diese Weise eine zur Abstrahlung der ersten Sendeantenne TX1 senkrechte Abstrahlung der zweiten Sendeantenne TX2 in x-Richtung. Auf diese Weise wird ein zweiter orthogonaler Sende- und Empfangspfad der Antennenvorrichtung 100 realisiert, der das Sichtfeld gegenüber der herkömmlichen Antennenvorrichtung 100 deutlich vergrößert.
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Im Ergebnis werden auf diese Weise orthogonal zueinander angeordnete Antennenstrukturen in einem einzigen Substrat 10 positioniert. Durch diese spezifische Anordnung kann eine kostengünstige Erweiterung des Funktionsumfangs der Antennenvorrichtung 100 erreicht werden. Durch die Kombination der planaren Strukturen der ersten Sendeantenne TX1 mit den in das erste Substrat 10 eingelassenen Strukturen der zweiten Sendeantenne TX2 wird ein Antennensystem bereitgestellt, welches eine hinsichtlich Fertigungstoleranzen robuste Realisierung ermöglicht. Zusätzliche kostenintensive Hochfrequenzlagen mit den genannten hohen Anforderungen an Materialeigenschaften sind bei dieser Anordnung nicht erforderlich. Durch eine Erweiterung auf eine Gruppenantenne kann das Winkelsichtfeld der Antennenvorrichtung 100 an alternative Anforderungsprofile angepasst werden.
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Die Antennenelemente 11 der ersten Sendeantenne TX1 und der Empfangsantennen RX1, RX2, RX3 bilden dabei konventionelle planare Antennenelemente, deren Abstrahlungsmaximum wie in der 3 dargestellt, orthogonal zum ersten Substrat 10 orientiert ist. Da Durchkontaktierungen bei der Fertigung ohnehin benötigt werden, ist die Anordnung von 3 vorteilhaft mit nur geringem Mehraufwand zu realisieren. Durch eine kontinuierliche Vergrößerung des speisenden Hohlleiters wird eine Art Hornstrahler gebildet, dessen Antennengewinn variabel auszulegen ist. Ferner ist es auf diese Weise möglich, mehrere Antennengrundelemente über ein Speisenetzwerk miteinander zu verschalten, um einen weiteren Freiheitsgrad bei der Auslegung des Sichtbereichs der Antennenvorrichtung 100 zu realisieren.
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Die Antennenvorrichtung 100 von 3 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass durch den verwendeten Hohlleiter die beiden orthogonalen Antennenpfade mit den Sendeantennen TX1, TX2 intrinsisch nahezu vollständig entkoppelt sind. Ferner wird bei der Speisung aus einem Hohlleiter die erste Masselage 20 konstruktiv verwendet und stellt keine Störgröße dar, die bei der Auslegung der Antennen berücksichtigt werden muss. Die Masselage 20 dient unter anderem für eine Entkopplung der Elemente auf dem zweiten Substrat 30 von den Elementen am ersten Substrat 10. Eine Speisung des substratintegrierten Hornstrahlers kann auf einfache Weise mittels eines Mikrostreifenleitung-zusubstratintegrierten Hohlleiters realisiert werden und ermöglichst somit eine einfache Anbindung der Radar MMICs (engl. Radar Monolithic Microwave Integrated Circuits). Die hierfür notwendigen Übergänge funktionieren über einen weiten Frequenzbereich und sind bekannt.
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Im Ergebnis kann auf diese Weise ein günstiges Antennendesign realisiert werden, das unter Verwendung von nur einem Hochfrequenz-Substrat eine Realisierung eines Radarsensors basierend auf zwei orthogonal zueinander angeordneten Antennencharakteristiken ermöglicht.
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Nicht in Figuren dargestellt ist eine alternative Ausführungsform der Antennenvorrichtung 100, die eine zusätzliche Empfangsantenne insbesondere für die von der zweiten Sendeantenne TX2 abgestrahlte Sendeleistung realisiert. Diese zusätzliche Empfangsantenne kann beispielsweise als planare Empfangsantenne an der Seitenfläche 50 des ersten Substrats 10 ausgebildet sein.
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4 zeigt mögliche Verbaupositionen von Sensorvorrichtungen 200 (z.B. Radarsensor) mit dem erfindungsgemäßen Antennendesign in einem Kraftfahrzeug. Besonders günstig kann das Antennendesign in den hinteren und vorderen beiden Seitenpositionen am Kraftfahrzeug angeordnet werden, wobei in diesen Positionen seitliche Hindernisse bzw. Verkehrsteilnehmer detektierbar sind.
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5 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung einer Antennenvorrichtung 100.
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In einem Schritt 300 wird eine erste Sendeantenne TX1 mit einer definierten Anzahl von planaren Antennenelementen 11 auf einer ersten Oberfläche eines ersten Substrats 10 ausgebildet.
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In einem Schritt 310 wird eine Empfangsantenne RX1, RX2, RX3 mit einer definierten Anzahl von planaren Antennenelementen 11 auf der ersten Oberfläche des ersten Substrats 10 ausgebildet. Die Schritte 300 und 310 können dabei als ein einzelner Fertigungsschritt realisiert werden.
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In einem Schritt 320 wird eine zweite Sendeantenne TX2 ausgebildet, wobei orthogonal zum ersten Substrat 10 Durchkontaktierungen 22 im ersten Substrat 10 ausgebildet werden, wobei die Durchkontaktierungen 22 mit einer ersten Masselage 20 auf der ersten Oberfläche des ersten Substrats 10 und mit einer zweiten Masselage 21 auf einer zweiten Oberfläche des ersten Substrats 10 galvanisch verbunden werden.
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Zusammenfassend werden mit der Erfindung eine Antennenvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Antennenvorrichtung vorgeschlagen, die eine orthogonale Antennenstruktur realisiert, mit der es vorteilhaft möglich ist, einen weiten Sichtwinkelbereich für einen mit der Antennenvorrichtung ausgerüsteten Radarsensor zu realisieren. Vorteilhaft ist die Speisung der im Substrat angeordneten Antennenelemente auf einfache Weise mittels herkömmlicher Speiseelemente möglich. Im Ergebnis ist dadurch eine Fertigung des Antennensystems mit nur einer einzigen kostspieligen Hochfrequenzlage in Form des ersten Substrats ermöglicht.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit vorgehend auch nicht realisierte oder teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012201282 A1 [0005]
