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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Funkübertragung von Verbrauchsdaten und/oder Zustandsdaten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 13. Daneben betrifft die vorliegende Erfindung eine Antennenstruktur für den Einsatz in einer Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
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Technologischer Hintergrund
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Intelligente Verbrauchsmessgeräte, auch Smart Meter genannt, sind in einem Versorgungsnetz befindliche Verbrauchsmessgeräte, z. B. für Energie, Strom, Gas oder Wasser, die dem jeweiligen Anschlussbenutzer den tatsächlichen Verbrauch anzeigen und in ein Kommunikationsnetz eingebunden sind. Intelligente Verbrauchsmessgeräte haben den Vorteil, dass manuelle Ablesungen der Zählerstände entfallen und seitens des Versorgers kurzfristigere Rechnungstellungen gemäß dem tatsächlichen Verbrauch vorgenommen werden können. Durch kurzfristigere Ableseintervalle ist wiederum eine genauere Kopplung der Endkunden-tarife an die Entwicklung der Börsenstrompreise möglich. Auch können Versorgungsnetze wesentlich besser ausgelastet werden.
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Intelligente Verbrauchsmessgeräte sind üblicherweise jeweils Wohneinheiten oder Wohnhäusern zugeordnet. Die dort anfallenden Messdaten können auf unterschiedlichste Weise ausgelesen werden. Messdaten können z. B. über das Stromnetz (Power Line) oder per Mobilfunktechnologie in Form von Datenpaketen oder Telegrammen ausgelesen werden. Ferner können die Messdaten dadurch in ein überörtliches Netzwerk eingebunden werden. Für die Funkübertragung, beispielsweise im Mobilfunk oder ISM(Industrial, Scientific, Medical)-Band-Frequenzbereich, werden den Verbrauchsmessgeräten in der Regel Kommunikationsmodule zugeordnet, die im Bereich der Verbrauchsmessgeräte installiert sind. Die Kommunikationsmodule besitzen hierbei in der Regel eine fest vorinstallierte Sende- und Empfangseinheit sowie eine integrierte Antennen zum Senden und Empfangen der Datenpakete. Zweckmäßigerweise sind die Verbrauchsmessgeräte sowie das zugehörige Kommunikationsmodul innerhalb eines Gehäuses angeordnet, um das Verbrauchsmessgerät sowie dessen Kommunikationsmodul vor Manipulation und Zerstörung zu schützen. Die zumeist massiv ausgestalteten Gehäuse beeinflussen jedoch die Abstrahleigenschaften der Antenne des Kommunikationsmoduls. Die Übertragungsqualität kann dadurch stark vermindert werden. Ferner zeigt sich, dass die integrierte Antenne eines Kommunikationsmoduls, je nach Antennentyp und Bauart des jeweiligen Kommunikationsmoduls, eine schlechtere Übertragungsqualität bedingen kann.
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Nächstliegender Stand der Technik
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Die
CA 2 794 596 A1 beschreibt eine dielektrische Gehäuseabdeckung für ein Smart Meter mit integrierter Antenne. Die Antenne ist in die Gehäuseabdeckung integriert, um die Antenne vor Zerstörung und Manipulation zu schützen. Der Antennenkontakt der Antenne, welcher an der Gehäuseabdeckung angebracht ist, ist hierbei mit dem Funkmodul elektrisch oder elektromagnetisch über eine Kontaktierung am Messgerät gekoppelt. Die Abstrahleigenschaften der beschriebenen Antenne werden z. B. durch in der Nähe befindliche metallische Gegenstände erheblich beeinträchtigt, wodurch die Übertragungsqualität des Funkmoduls verschlechtert wird. Ferner kann die Dimension der in der Gehäuseabdeckung des Smart Meters integrierten Antenne aufgrund des verringerten Platzangebotes nur bedingt verändert werden, wodurch nur bestimmte und in der Regel leistungsschwächere Antennen zum Einsatz kommen können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Verfügung zu stellen, mittels der die Abstrahleigenschaften einer Antenne eines Kommunikationsmoduls verbessert werden, welche platzsparend und kostengünstig ist und in einfacher Weise installiert und nachgerüstet werden kann.
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Lösung der Aufgabe
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Die vorstehende Aufgabe wird durch die gesamte Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.
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Erfindungsgemäß ist eine Anordnung zur Funkübertragung von Verbrauchsdaten und/oder Zustandsdaten zur Verbesserung der Abstrahleigenschaften einer integrierten Antenne eines Kommunikationsmoduls vorgesehen, die eine externe Antennenstruktur umfasst, welche mit der Antenne des Kommunikationsmoduls wechselwirkt. Die Anordnung umfasst mindestens eine von der Antenne galvanisch getrennte elektrisch leitfähige externe Antennenstruktur, d. h. es liegt keine elektrische Leitung zwischen der Antennenstruktur und der Antenne vor. Die Antennenstruktur ist hierbei derart ausgestaltet, dass sie durch die von der Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Wellen ein elektromagnetisches Feld erzeugt, welches die Abstrahleigenschaften der Anordnung zur Funkübertragung, wie z. B. die abgestrahlte Leistung, die Reichweite oder dergleichen, modifiziert.
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Zweckmäßigerweise erhöht das von der externen Antennenstruktur erzeugte elektromagnetische Feld die abgestrahlte Leistung der Anordnung zur Funkübertragung und verbessert dementsprechend die Übertragungsqualität.
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Praktischerweise erzeugt die Anordnung mit der Antennenstruktur eine gleichmäßigere Abstrahlung in alle Raumrichtungen als eine Anordnung ohne die erfindungsgemäße Antennenstruktur.
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Vorzugsweise ist die Antennenstruktur derart angeordnet, dass das elektrische Feld der Antennenstruktur im Wesentlichen senkrecht zum elektrischen Feld der Antenne gerichtet ist. Dadurch kann die Antenneneffizienz erhöht werden, indem das Richtdiagramm im Fernfeld dahingehend verbessert wird, dass die Abstrahlung in alle Raumrichtungen gleichmäßig erfolgt. Beispielsweise kann eine vertikale Polarisation der Antenne, d. h. mit senkrecht zur Erdoberfläche verlaufendem elektrischen Feld, mit einer horizontalen Polarisation, d. h. mit parallel zur Erdoberfläche verlaufendem elektrischen Feld, überlagert werden, wodurch die Reichweite des Kommunikationsmoduls bzw. der Antenne erheblich vergrößert wird.
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Vorzugsweise ist die Antennenstruktur auf die Betriebsfrequenz des Kommunikationsmoduls resonant. Daraus resultiert der Vorteil, dass die Antennenstruktur durch die abgestrahlten Wellen der Antenne des Kommunikationsmoduls angeregt und dadurch die Abstrahlleistung verstärkt wird.
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Praktischerweise kann die Antennenstruktur eine flache zweidimensionale Ausrichtung aufweisen. Dadurch ist die Antennenstruktur in einfacher Weise als Stanzbauteil herstellbar und kann flexibel in bestehenden Systemen nachgerüstet werden.
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Vorzugsweise ist die Antennenstruktur aus Metall, insbesondere aus Blech, gefertigt. Die Antennenstruktur weist durch eine derartige Ausgestaltung optimale Abstrahlungseigenschaften auf und kann in einfacher Weise von den abgestrahlten Wellen der Antenne angeregt werden. Dadurch ist die Antennenstruktur robust, kostengünstig und einfach herzustellen. Praktischerweise kann sie demnach in ihrer äußeren Gestalt variabel ausgestaltet werden und ist in einfacher Weise für jegliches Gehäuseformat konfektionierbar.
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Zweckmäßigerweise kann die Antennenstruktur eine mäanderförmige Form aufweisen. Durch diese Ausgestaltungsvariante kann eine optimale Verstärkung der Abstrahlung der Antenne erzielt werden. Je nach Ausgestaltung bzw. nach der Orientierung der Antennenstruktur kann das Richtdiagramm der Antenne gezielt ausgebildet werden, sodass eine einheitliche Abstrahlung, d. h. eine in alle Richtungen nahezu gleiche Abstrahlung, erzeugt wird.
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Vorzugsweise besitzt die Antennenstruktur parallel zueinander angeordnete langgestreckte Elemente. Durch diese parallele Anordnung kann ein möglichst homogenes elektromagnetisches Feld erzeugt werden, womit eine einheitliche und somit einfach auszurichtende Abstrahlung erreicht werden kann. Die langgestreckten Elemente können über stirnseitige Verbeiterungen und/oder Stege miteinander verbunden sein. Durch die Orientierung der Antennenstruktur bzw. der langgestreckten Elemente, z. B. in vertikaler oder horizontaler Ausrichtung, kann die Orientierung des elektromagnetischen Feldes der Antennenstruktur ausgerichtet werden.
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In bevorzugter Weise kann die Antennenstruktur eine Tiefe von weniger als 1 mm, vorzugsweise von weniger als 0,3 mm aufweisen. Dadurch kann die Antennenstruktur in einfacher Weise im Bereich des Kommunikationsmoduls bzw. des Gehäuses installiert werden.
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Ferner kann die Antennenstruktur zumindest teilweise mit Kunststoff vergossen sein. Daraus resultiert der Vorteil, dass die Antennenstruktur äußerst stabil ist und gegen Feuchtigkeit geschützt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Antennenstruktur auch während der Herstellung des Gehäuses in dieses integriert werden, sodass die Antennenstruktur einen integralen Bestandteil des Gehäuses bildet.
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Vorzugsweise kann die Antennenstruktur auch in bereits für das Verbrauchsmessgerät oder das Kommunikationsmodul vorgesehene Zubehörteile, wie z. B. einen Wandhalter oder dergleichen, integriert bzw. eingegossen sein. Dadurch ist kein dediziertes Zubehörteil für die Antennenstruktur nötig.
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Zweckmäßigerweise kann die Antennenstruktur, auch nebengeordnet beansprucht, derart ausgestaltet sein, dass das von der externen Antennenstruktur erzeugte elektromagnetische Feld im Nahbereich der Antennenstruktur angeordnete metallische Bauteile anregt. Beispielsweise können dadurch die in der Nähe befindlichen (Metall-)Teile der Zählerinstallation, wie z. B. das Gehäuse oder das Gehäuse des Verbrauchsmessgerätes, metallische Rohrinstallationen und/oder Kabel, ebenfalls positiv zur Abstrahlungsleistung bzw. zur Antenneneffizienz beitragen, wodurch die Abstrahleigenschaften der Antenne modifiziert werden.
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Neben- oder untergeordnet beansprucht die vorliegende Erfindung eine Antennenstruktur für den Einsatz an einem Kommunikationsmodul. Die Antennenstruktur weist hierbei eine flache zweidimensionale Ausrichtung auf, ist mäanderförmig ausgestaltet und umfasst parallel zueinander angeordnete, langgestreckte Elemente, wobei vorzugsweise jeweils zwei der langgestreckten Elemente über eine Verbreiterung miteinander verbunden sind. Bei den Verbreiterungen handelt es sich um vorzugsweise rechteckige Flachbereiche, die an den Stirnseiten der Antennenstruktur angeordnet sind. Die Antennenstruktur ist aus schwingfähigem Material, bevorzugt aus Metall insbesondere aus Blech, gefertigt.
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Zweckmäßigerweise kann die Antennenstruktur darin integrierte mechanische Befestigungsmittel, insbesondere Halteklammern („Clip-on”) aufweisen. Mittels des Befestigungsmittels kann die Antennenstruktur in einfacher Weise montiert und nachgerüstet werden. Beispielsweise sind die Befestigungsmittel direkt an der Antennenstruktur befestigt oder an einem die Antennenstruktur umgebenden Verguss. Ferner können die Befestigungsmittel nach dem Härten der Vergussmasse an dieser angebracht werden oder bereits während des Vergießens angeordnet werden, um den Montagevorgang noch zu vereinfachen.
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Vorzugsweise entsprechen die Abmessungen der Antennenstruktur bezüglich deren Höhe und Breite zumindest im Wesentlichen den Abmessungen des Kommunikationsmoduls. Daraus resultiert der Vorteil, dass die Antennenstruktur gut im Bereich des Kommunikationsmoduls, z. B. zwischen Kommunikationsmodul und Gehäuse, montiert werden kann. Ferner wird hierdurch ein besonders vorteilhaftes elektromagnetisches Feld erzeugt.
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Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden anhand von Zeichnungsfiguren nachstehend näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Ausgestaltung einer Zählerinstallation zur Verbrauchsdatenerfassung und -übertragung gemäß dem Stand der Technik in stark vereinfachter perspektivischer Darstellung;
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2 eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antennenstruktur in Draufsicht;
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3 eine Ausgestaltung einer Zählerinstallation zur Verbrauchsdatenerfassung und -übertragung mit einer erfindungsgemäßen Anordnung mit externer Antennenstruktur zur Verbesserung der Abstrahlungseigenschaften in stark vereinfachter perspektivischer Darstellung, sowie
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4 eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antennenstruktur in Draufsicht.
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Bezugsziffer 1 in 1 bezeichnet eine Zählerinstallation zur Verbrauchsdatenerfassung und -übertragung gemäß dem Stand der Technik. Die Zählerinstallation 1 umfasst ein, vorzugsweise aus Kunststoff oder Metall, gefertigtes Gehäuse 2, welches zur Front hin geöffnet ist und mittels einer Tür 3 geschlossen werden kann. Im Gehäuse 2 ist ein Verbrauchsmessgerät 4 untergebracht. Bei dem Verbrauchsmessgerät 4 kann es sich gemäß 1 beispielsweise um einen Gaszähler handeln, welcher mittels einer gestrichelt dargestellten Anschlussvorrichtung 9 in ein Gasversorgungsnetz, z. B. in das Gasversorgungsnetz eines Haushaltes, installierbar ist. Der Gaszähler kann hierbei den Gasverbrauch des Haushaltes ermitteln und über die Zählerstandanzeige 8 anzeigen. Das Gehäuse 2 sowie die Tür 3 sind hierbei vorzugsweise aus Metall, Kunststoff oder dergleichen gefertigt, um vor Manipulation und/oder Beschädigung zu schützen.
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Der Gaszähler bzw. das Verbrauchsmessgerät 4 ist über ein kurzes Kabel 7 mit einem Kommunikationsmodul 5 verbunden. Das Kommunikationsmodul 5 kann hierbei die vom Verbrauchsmessgerät 4 ermittelten Daten, wie z. B. den aktuellen Zählerstand, den durchschnittlichen Verbrauch, die Temperatur oder dergleichen, auf einem Datenspeicher 12 abspeichern. Eine Sende- und Empfangseinheit 13 des Kommunikationsmoduls 5 kann auf den Datenspeicher 12 zugreifen und die Daten über eine integrierte Antenne 6 übertragen. Die Antenne 6 ist hierbei in der Regel linear polarisiert und kann entweder eine vertikale Polarisation, d. h. mit senkrecht zur Erdoberfläche verlaufendem elektrischem Feld, oder eine horizontale Polarisation, d. h. mit parallel zur Erdoberfläche verlaufendem elektrischem Feld, aufweisen. Mittels der Antenne 6 können die Daten von der Sende- und Empfangseinheit 13 drahtlos innerhalb eines Kommunikationssystems (nicht dargestellt) übertragen werden. Die in das Kommunikationsmodul 5 integrierte Antenne 6 wechselwirkt mit in der Nähe befindlichen Metallteilen, wie z. B. dem Verbrauchsmessgerät 4, der Anschlussvorrichtung 9 oder der Rohrinstallation, wodurch die Abstrahlungseigenschaften der Antenne negativ beeinflusst werden können. Beispielsweise kann dadurch das Richtdiagramm der Antenne derart ausgerichtet werden, dass die Reichweite enorm herabgesetzt wird.
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Vorzugsweise erfolgt die drahtlose Datenübertragung zwischen dem Kommunikationsmodul 5 und dem, nicht dargestellten, übergeordneten Kommunikationssystem über Funk. Die Verbrauchsdaten des Verbrauchsmessgerätes 4 können hierbei über einen, ebenfalls nicht dargestellten, zentralen Datensammler zunächst gesammelt und zwischengespeichert werden, bevor diese entweder über eine feste Verbindung, wie z. B. LAN oder Powerline, oder eine drahtlose Verbindung, wie z. B. Funk, an eine übergeordnete Datenzentrale des Kommunikationssystems übertragen werden.
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Erfindungsgemäß wird die Übertragungsqualität der integrierten Antenne 6 mittels einer externen Antennenstruktur 10 verbessert, die mit dem Kommunikationsmodul 5 nicht galvanisch verbunden ist. Eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen externen Antennenstruktur 10 ist in 2 dargestellt. Bezugsziffer 10 in 2 bezeichnet die externe Antennenstruktur, die im Bereich des Kommunikationsmoduls 5 installiert werden kann. Die Ausgestaltung und die Abmessungen der Antennenstruktur 10 können individuell an die jeweilige Einbausituation oder eine bestimmte Funkfrequenz angepasst werden. Vorzugsweise ist die Antennenstruktur 10, wie in 2 gezeigt, im Wesentlichen zweidimensional orientiert, d. h. sie erstreckt sich im Wesentlichen in ihre Höhe und Breite. In der Tiefe ist sie nur wenige Millimeter stark (bevorzugt < 0,3 mm). Ferner ist die externe Antennenstruktur 10 mäanderförmig aufgebaut und besitzt parallel angeordnete langgestreckte Elemente 15 und Verbreiterungen 16, welche die Elemente 15 stirnseitig miteinander verbinden, wodurch eine fortlaufende und zwei Enden umfassende Antennenstruktur 10 ausgebildet wird. Zudem kann die Antennenstruktur 10 Halteelemente bzw. mechanische Befestigungsmittel (in 2 nicht dargestellt) aufweisen, wie z. B. Klammern, Klemmen oder Klebeband, welche in einfacher Weise an der Antennenstruktur 10 befestigt sind oder als integraler Bestandteil der Antennenstruktur 10 während des Herstellungsprozesses (z. B. Ausstanzen) gefertigt werden.
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3 zeigt eine Ausgestaltung einer Zählerinstallation 1 mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Funkübertragung. Die integrierten Einheiten des Kommunikationsmoduls 5 sind der Einfachheit halber in 3 nicht dargestellt. Zwischen dem Kommunikationsmodul 5 und dem Gehäuse 2 ist die externe Antennenstruktur 10 ortsfest angebracht. Die Antennenstruktur 10 kann hierbei am Kommunikationsmodul 5 oder auch am Gehäuse 2 befestigt werden. Sie ist von dem Kommunikationsmodul 5 sowie von dem Gehäuse 2 galvanisch getrennt. Dies kann z. B. mittels einer Klebeverbindung und/oder einer Klammerverbindung („Clip-on-Antennenstruktur”) erfolgen. Die externe Antennenstruktur 10 entspricht in ihrer Höhe und Breite im Wesentlichen den Abmessungen des Kommunikationsmoduls 5 und ist flach hinter dem Kommunikationsmodul 5 angeordnet.
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Die Antennenstruktur 10 ist derart dimensioniert, dass sie auf der Betriebsfrequenz des Kommunikationsmoduls 5 resonant ist, d. h. dass sie gut an die interne Antenne 6 des Kommunikationsmoduls 5 gekoppelt werden kann. Die Koppelung beschreibt hierbei die Wechselwirkung zwischen Antennenstruktur 10 und Antenne 6, aufgrund der Anregung der Antennenstruktur 10 durch die Antenne 6.
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Zweckmäßigerweise können die Abstrahleigenschaften der internen Antenne 6 dadurch verbessert werden, dass die abgestrahlte Leistung der Antenne 6 durch die externe Antennenstruktur 10 erhöht wird, was sich in einer Erhöhung der Antenneneffizienz bemerkbar macht. Hierbei wird das Richtdiagramm im Fernfeld, d. h. die relative Identität der Energieabstrahlung bzw. die elektrische oder magnetische Feldstärke im Fernfeld, dahingehend verbessert, dass die Intensität der Energieabstrahlung in alle Raumrichtungen gleichmäßig verteilt ist.
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Beispielsweise kann das elektrische Feld der Antennenstruktur 10 im Wesentlichen senkrecht zum elektrischen Feld der Antenne 6 verlaufen. Dadurch wird z. B. eine horizontale oder vertikale Polarisierung der Antenne 6 durch eine senkrecht zur Polarisierung der Antenne 6 ausgerichteten Polarisierung der Antennenstruktur 10 ausgeglichen. Infolgedessen kann eine Erhöhung der Reichweite des Kommunikationsmoduls 5 bzw. der Antenne 6 des Kommunikationsmoduls 5 erreicht werden, dadurch, dass zusätzlich zur Abstrahlrichtung der Antenne 6 eine Abstrahlung in der jeweils anderen Abstrahlrichtung gemäß der Polarisation der Antennenstruktur 10 erfolgt.
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Die externe Antennenstruktur 10 kann zudem das Nahfeld in der unmittelbaren Umgebung des Kommunikationsmoduls 5 verändern. Die Antennenstruktur 10 kann hierbei derart gestaltet werden, dass im Nahbereich der Antennenstruktur 10 befindliche (Metall-)Teile der Zählerinstallation 1 so angeregt werden, dass diese ebenfalls positiv zur Abstrahlung beitragen. Hierzu kann z. B. das metallene Gehäuse des Verbrauchsmessgerätes 4, die metallene Anschlussvorrichtung 9 oder die Rohrinstallation genutzt werden, um die Abstrahlung zu verbessern. Beispielsweise kann das Gehäuse des Verbrauchsmessgerätes 4 zum Schwingen angeregt werden, welches somit als Teil der Antenne 6 wirkt. Dadurch wird die Antenneneffizienz sowie das Richtdiagramm der Antenne 6 durch ein gleichmäßigeres Abstrahlen in beiden linearen Polarisationsrichtungen zusätzlich verbessert.
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Bezugsziffer 10 in 4 bezeichnet die erfindungsgemäße externe Antennenstruktur. Die externe Antennenstruktur 10 ist hierbei mit einer Vergussmasse 11 auf Kunststoff-Basis, z. B. Gießharz, vergossen, um die Antennenstruktur 10, wie z. B. vor Alterung aufgrund von Feuchtigkeit und Verschmutzung, zu schützen. Die Vergussmasse 11 ist hierbei derart ausgewählt, dass diese nach dem Vergießen schnell aushärtet und gute Haltbarkeitseigenschaften aufweist. Ferner besitzt die Antennenstruktur 10 als mechanisches Befestigungsmittel an der Vergussmasse 11 angebrachte Klammern 14, um die Antennenstruktur 10 beispielsweise am Kommunikationsmodul 5 durch Anklammern anzubringen („Clip-on”).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zählerinstallation
- 2
- Gehäuse
- 3
- Tür
- 4
- Verbrauchsmessgerät
- 5
- Kommunikationsmodul
- 6
- Antenne
- 7
- Kabel
- 8
- Zählerstandanzeige
- 9
- Anschlussvorrichtung
- 10
- Antennenstruktur
- 11
- Vergussmasse
- 12
- Datenspeicher
- 13
- Sende- und Empfangseinheit
- 14
- Klammer
- 15
- langgestrecktes Element
- 16
- Verbreiterung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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