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Die Erfindung betrifft ein Steuergerät mit einer Antenne.
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Stand der Technik
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Unter einem Steuergerät ist ein elektronisches Modul zu verstehen, das dazu dient, Komponenten einer technischen Anordnung zu steuern und/oder zu regeln. Steuergeräte werden im Kraftfahrzeugbereich in unterschiedlichen elektronischen Bereichen eingesetzt. Daneben werden diese zur Steuerung von Maschinen, Anlagen und sonstigen technischen Prozessen verwendet. Steuergeräte arbeiten grundsätzlich nach dem Eingabe-Verarbeitungs-Prinzip. Für die Eingabe sind Sensoren verantwortlich, die physikalische Kenngrößen, wie bspw. Drehzahl, Druck, Temperatur usw., ermitteln. Diese Kenngrößen werden in das Steuergerät eingegeben und von diesem verarbeitet. Durch Ansteuerung von Aktoren werden dann Komponenten und technische Prozesse von dem Steuergerät auf Grundlage der verarbeiteten Eingaben gesteuert und/oder geregelt.
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In manchen Fällen ist es erforderlich, Steuergeräte mit Antennen zu koppeln. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn eine Kommunikation zu Einheiten außerhalb des technischen Systems, in dem das Steuergerät eingebaut ist, aufgebaut werden soll. Eine Antenne ist eine technische Anordnung zum Abstrahlen und Empfangen von elektromagnetischen Wellen. Die Antenne dient insbesondere zur drahtlosen Kommunikation. Antennen können grundsätzlich als Sendeantenne und/oder Empfangsantenne dienen. Als Sendeantenne wandelt diese leitungsgebundene elektromagnetische Wellen in Freiraumwellen um. Als Empfangsantenne wandelt diese als Freiraumwelle ankommende elektromagnetische Wellen in leitungsgebundene elektromagnetische Wellen um.
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Bei bekannten Steuergeräten werden Antennen möglichst frei in der Luft, nicht in Kontakt mit dem Steuergerät angeordnet, um einen ungestörten Empfang und ein unbeeinträchtigtes Senden zu ermöglichen.
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Es ist weiterhin bekannt, bei Steuergeräten Antennen in Leiterplatten in dem Steuergrät einzubringen oder auf die Leiterplatte aufzubringen. Hierbei ist das Gehäuse üblicherweise aus Kunststoff gefertigt und kann somit durchstrahlt werden. Die Antennen dienen in Steuergeräten vornehmlich zur Kommunikation. Diese Kommunikation kann bspw. mit Schlüsseln erfolgen. Diese können bspw. zum Öffnen und Schließen des Fahrzeugs eingesetzt werden.
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Für den Fall, dass höhere Entwärmungsleistungen benötigt werden, wird in vielen Fällen ein Gehäuse aus Aluminium-Druckguss eingesetzt. Dann wird die andere Halbschale in vielen Fällen aus Blech und auch aus Aluminium-Druckguss hergestellt. Gehäuse, die zumindest abschnittsweise aus einem Metall bestehen, werden auch zur Verbesserung der Kühlung und zur Steigerung der Stabilität eingesetzt. Bei solchen Gehäusen ist jedoch keine Durchdringung der Kommunikationssignale mehr möglich. Als weiteres Problem stellen sich Mehrwegeausbreitungen durch Reflexionen, die im Motorraum auftreten können, heraus.
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Die Druckschrift
DE 103 09 075 A1 beschreibt eine planare Antennenanordnung in einem Radarsensor mit einer Mehrzahl von Mikrostreifen-Speiseleitungen und einer Mehrzahl von Koppelschlitzen zur Abstrahlung der Mikrowellenenergie in den freien Raum, bei der die Speiseleitungen und die Koppelschlitze in einem Mehrlagenkeramik-Substrat in LTCC-Dickschichttechnik mit einer oberen und einer unteren Masselage ausgebildet sind. Die Speiseleitungen und die Koppelschlitze sind durch Durchkontaktierungen von der oberen zur unteren Masselage gekammert.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2004 063 541 A1 ist eine Antennenanordnung für einen Radar-Transceiver bekannt, die insbesondere zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlung im Umfeld von Kraftfahrzeugen eingesetzt wird. Die Antennenanordnung weist wenigstens einen ersten, auf einem Chip angeordneten Teil und einen in einem Abstand von dem ersten Teil angeordneten und an den ersten Teil strahlungsgekoppelten zweiten Teil auf, wobei der zweite Teil der Antenne auf einem Antennenträger oder einem weiteren Chip angeordnet ist, der über dem ersten Teil durch Flip-Chip-Verbindungen befestigt ist.
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Die Druckschrift
DE 103 53 686 A1 beschreibt eine symmetrische Antenne in Schichtbauweise, die einen abschirmenden Schichtaufbau aus wenigstens zwei Schichten aufweist, der Sende- und Empfangseinrichtungen wenigstens zum Teil enthält. Die Antennenanordnung hat einen in einer dielektrischen Schicht vergrabenen, differentiellen Eingang und einen Sende- und/oder Empfangsdipol, der sich aus zwei separaten Dipolhälften zusammensetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird ein Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Das vorgestellte Steuergerät weist ein zumindest abschnittsweise metallisches Gehäuse auf. Dies bedeutet, dass Bereiche des Gehäuses oder ggf. sogar das ganze Gehäuse aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sind bzw. ist. Dieses Gehäuse umgibt bzw. umschließt mindestens eine Komponente des Steuergeräts. Die mindestens eine Komponente, wie bspw. Recheneinheiten, Speicher, Ein-Ausgabe-Einheiten, Komunikationseinheiten usw., befindet sich somit innerhalb des Gehäuses.
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Im Bereich eines metallischen Abschnitts des Gehäuses ist eine Antenne aufgebracht, wobei die Antenne eine Antennenstruktur aufweist. Dies bedeutet, dass die Antenne auf das Gehäuse, bspw. auf die Vorderseite, Rückseite oder eine Seitenfläche des Gehäuses, aufgebracht ist. Die Antennenstruktur ist der Teil der Antenne, der elektromagnetische Wellen empfängt und/oder ausstrahlt. Die hierin betrachteten Antennen emittieren und/oder empfangen elektromagnetische Wellen typischerweise im oberen MHz- und GHz-Bereich. Mögliche Anwendungen liegen bei 868 MHz, 915 MHz und 2,4 GHz.
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Über eine Öffnung im Gehäuse ist eine elektromagnetische Kopplung zwischen der Antennenstruktur und damit der Antenne und wenigstens einer der mindestens einen Komponente des Steuergeräts gegeben. Diese mindestens eine Komponente kann dann Informationen von außen empfangen und/oder Informationen nach außen geben. Die Öffnung ist typischerweise im Bereich der Antennenstruktur, bspw. unter der Antennenstruktur, vorgesehen und stellt einen Durchgang durch das Gehäuse dar. Diese Öffnung befindet sich daher üblicherweise in dem metallischen Abschnitt des Gehäuses. Die Öffnung kann aber auch in einem anderen, ggf. nicht metallischen Bereich des Gehäuses eingebracht sein.
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Von Bedeutung ist, dass das vorgestellte Steuergerät mit unterschiedlichen Antennentypen kombiniert werden kann. Auch wenn im Folgenden, auch insbesondere in Verbindung mit den Figuren, bestimmte Antennentypen, wie bspw. eine Dipol-Antenne, beschrieben werden, so stellt dies doch keine Einschränkung auf diese Antennentypen dar.
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Das beschriebene Gehäuse des vorgestellten Steuergeräts kann bspw. zumindest abschnittsweise aus einem Aluminium-Druckguss hergestellt werden. Umfasst das Gehäuse zwei Schalen, so kann eine der beiden Schalen aus Aluminium-Druckguss hergestellt sein. Die andere Halbschale kann dann aus Blech oder auch aus Aluminium-Druckguss bestehen. Die andere Halbschale kann auch aus Kunststoff bestehen.
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Bei dem vorgestellten Steuergerät ist somit vorgesehen, anstatt eine Antenne frei im Raum zu befestigen und per Koaxialkabel mit dem Steuergerät zu verbinden, eine Antenne in Ausgestaltung auf die Vorderseite oder Rückseite des Steuergeräts auf- bzw. anzubringen, so dass die Metallstruktur des Gehäuses des Steuergeräts als Reflektor zusätzlich genutzt werden kann. Bei einer drahtgebundenen Kopplung kann eine Verkabelung entweder durch Schneidklemmverbindungen oder Einpressverbindungen oder Lötverbindungen oder Druckfedern/Federverbindungen erfolgen. Bei einer drahtlosen Kopplung kann diese durch Strahlungskopplung erfolgen. Die Federn können dabei als SMD-Bauteil auf das Substrat gelötet werden.
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Das vorgestellte Steuergerät hat, zumindest in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen. So können ein höherer Antennengewinn und eine verbesserte Richtwirkung erzielt werden. Zudem kann eine kostengünstige und einfache Montage ermöglicht werden.
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Bei gekühlten Steuergeräten wird mindestens eine Seite des Gehäuses mit Kühlrippen in Aluminium-Druckguss ausgeführt. Eine Darstellung in Magnesium-Druckguss oder Zink-Druckguss ist ebenfalls möglich. Die andere Seite kann dann als Blechumformteil dargestellt sein. Eine Ausführung mit zwei Aluminium-Druckguss-Formteilen oder einem Kunststoffdeckel ist ebenfalls möglich.
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Auf dieses Steuergerät kann dann ein Antennensubstrat aufgesetzt, geklebt, mit Laschen gehalten oder laminiert werden. Das Substrat besteht typischerweise aus einem isolierenden Material, das beidseitig mit einer dünnen leitenden Schicht versehen ist. Die Oberseite, die die Antennenstruktur darstellt, ist dabei als Dipol, Mäander, Schleife, Patch, Patch-Array oder anderweitig geformt.
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Weiterhin ist zu beachten, dass das Substrat möglichst dick sein sollte, damit sich eine Richtwirkung der Antenne geben kann. In diesem Fall beträgt die Substratdicke bzw. -höhe zwischen 1 mm und 20 mm. Das Substratmaterial sollte eine niedrige Dielektrizitätskonstante und einen niedrigen Verlustwinkel aufweisen. Dafür eignen sich bspw. aufgeschäumte Materialien. Die Dielektrizitätskonstante kann in einem Bereich zwischen 1 und 3 liegen. Der Verlustwinkel kann kleiner gleich 0,001 sein.
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Weiterhin können durch den Einsatz von Hoch-Dielektrizitäts-Materialien für das Substrat die Antennendimensionen stark verringert werden. Beispiele hierfür sind Al2O3-Keramiken mit εr ≈10, BaTiO3-Keramiken oder CaTiO3-Keramiken mit εr ≈ 100 oder andere keramische Werkstoffe. Diese kommen insbesondere dann in Betracht, wenn Kosten und Gewicht eine untergeordnete Rolle spielen. Als alternative Materialien für das Substrat kommen Teflon und Epoxy-Harz in Betracht.
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Das Substrat mit der Antennenstruktur wird dabei in Ausgestaltung mit einer außenliegenden Dichtung versehen, so dass keine Feuchtigkeit durch die Speiseöffnung ins Steuergerät gelangen kann.
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Durch die Aufbringung der Substrate auf Steuergeräte kann eine Richtwirkung erzielt werden, so dass Reflexionen im Motorraum minimiert werden können. Durch Beamforming ist es sogar möglich, Störungen auszublenden. Unter Beamforming ist eine Strahlschwenkung durch Einschaltung von Phasenschiebegliedern zu verstehen. Dies erfolgt oft durch Varaktordioden oder Wegeumschaltung durch pin-Dioden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Ausführung eines Steuergeräts zur Verdeutlichung der Erfindung.
- 2 zeigt eine weitere Ausführung eines Steuergeräts zur Verdeutlichung der Erfindung.
- 3 zeigt eine Ausführungsform des vorgestellten Steuergeräts in einer schematischen Schnittdarstellung.
- 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des vorgestellten Steuergeräts in einer schematischen Schnittdarstellung.
- 5 zeigt noch eine weitere Ausführungsform des vorgestellten Steuergeräts in einer schematischen Schnittdarstellung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend in Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine Ausführung eines Steuergeräts, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist und das eine Art Zwischenschritt hin zu einem erfindungsgemäßen Steuergerät darstellt.
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Die Darstellung zeigt das Gehäuse 12 des Steuergeräts 10, das aus einem metallischen Werkstoff gefertigt ist und ein Gehäuseoberteil 14, ein Gehäuseseitenteil 16 und eine Gehäusemasse 18 umfasst. An dem Gehäuseoberteil 14 sind Kühlrippen 20 angeformt, die eine Kühlung des gesamten Steuergeräts bewirken sollen. Weiterhin ist ein Stecker 22 dargestellt.
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In dem Gehäuse 12 ist eine Leiterplatte 30 vorgesehen, die mit Komponenten 32 bzw. Bauteilen bestückt ist. Diese Komponenten 32 führen die Funktionen des Steuergeräts 10 aus.
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Auf der Gehäusemasse 18, die einen metallischen Abschnitt des Gehäuses, in diesem Fall auch die Gehäuseunterseite, darstellt, ist eine Antenne 40 aufgebracht. Diese Antenne 40 umfasst eine Antennenstruktur 42, ein Substrat 44 aus einem elektrisch isolierenden, insbesondere einem dielektrischen, Material, und eine Masse 46, die in diesem Fall an der Gehäusemasse 18 anliegt. Die Antennenstruktur 42 stellt den strahlenden und/oder empfangenden Teil der Antenne 40 und damit den elektromagnetisch aktiven Teil der Antenne 40 dar.
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Zum Verbinden von Masse 46 der Antenne 40 mit der Gehäusemasse 18 kann ein Klebemittel verwendet werden. Dieses Klebemittel kann nur abschnittsweise, bspw. nur in einem äußeren Bereich, auf die Masse 46 der Antenne 40 aufgetragen sein, so dass ein direkter Kontakt zwischen Masse 46 der Antenne 40 und der Gehäusemasse 18 gegeben sein kann. Die Masse 46 der Antenne 40 und die Gehäusemasse 18 können auf dem gleichen Potential liegen, dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Die Antennenstruktur 42 und damit die Antenne 40 ist damit über eine Klebeverbindung, zumindest mittelbar, mit dem Gehäuse 12 verbunden. Neben einer Klebeverbindung können auch eine Schraubverbindung und auch andere geeignete Verbindungsarten zum Einsatz kommen.
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Grundsätzlich kann auch die Gehäusemasse 18 als Masse der Antenne dienen. In diesem Fall wird ein Substrat der Antenne direkt auf eine Gehäusemasse 18 aufgebracht.
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2 zeigt ein weiteres Steuergerät, das ebenfalls einen Zwischenschritt darstellt und mit Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt das Gehäuse 102, ein Gehäuseoberteil 104, ein Gehäuseseitenteil 106, eine Gehäusemasse 108, Kühlrippen 120, einen Stecker 122, eine Leiterplatte 130 mit Komponenten 132 und eine Antenne 140. Die Antenne 140 umfasst eine zweiteilige Antennenstruktur 142, ein Substrat 144 und eine Masse 146, die auf das Gehäuse 102, insbesondere die Gehäusemasse 108, aufgetragen, aufgebracht bzw. angebracht ist. Die Antenne 140 ist bei dieser Ausführung somit symmetrisch aufgebaut.
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Bei den Ausführungen der 1 und 2 ist noch keine Kopplung zwischen Antenne und Komponenten des Steuergeräts verwirklicht. Hierauf wird in den folgenden Figuren eingegangen. Sämtliche in Verbindung mit den 1 und 2 beschriebenen Merkmale können bei Ausführungen des vorgestellten Steuergeräts verwirklicht sein.
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3 zeigt eine Ausführung des hierin beschriebenen Steuergerät, das mit Bezugsziffer 200 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt das Gehäuse 202, ein Gehäuseoberteil 204, ein Gehäuseseitenteil 206, eine Gehäusemasse 208, Kühlrippen 220, einen Stecker 222, eine Leiterplatte 230 mit Komponenten 232 und eine Antenne 240. Die Antenne 240 umfasst eine Antennenstruktur 242, ein Substrat 244 und eine Masse 246, die auf das Gehäuse 202, insbesondere die Gehäusemasse 208, aufgetragen ist.
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Die Darstellung zeigt weiterhin eine Öffnung 250 im Gehäuse 202, insbesondere in der Gehäusemasse 208. Fluchtend zu dieser Öffnung 250 im Gehäuse 202 weisen sowohl das Substrat 244 als auch die Masse 246 eine Öffnung auf, so dass ein vollständiger Durchgang von der Antennenstruktur 242 bis in das Innere des Steuergeräts 200 gegeben ist. Durch diesen Durchgang und somit auch durch die Öffnung 250 im Gehäuse 202 ist eine Verkabelung 252, die eine elektrische Kopplung, und damit auch eine elektromagnetische Kopplung, zwischen der Antennenstruktur 242 und damit der Antenne 240 und zumindest einer der Komponenten 232 auf der Leiterplatte 230 des Steuergeräts 200 ermöglicht. Diese mindstens eine Komponente 232, ggf. auch alle Komponenten, wirkt dann mit der Antenne 240 zusammen.
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4 zeigt eine weitere Ausführung des hierin beschriebenen Steuergerät, das mit Bezugsziffer 300 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt das Gehäuse 302, ein Gehäuseoberteil 304, ein Gehäuseseitenteil 306, eine Gehäusemasse 308, Kühlrippen 320, einen Stecker 322, eine Leiterplatte 330 mit Komponenten 332 und eine Antenne 340. Die Antenne 340 umfasst eine zweiteilige Antennenstruktur 342, ein Substrat 344 und eine Masse 346, die auf das Gehäuse 302, insbesondere die Gehäusemasse 308, aufgetragen ist.
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Die Darstellung zeigt weiterhin eine Öffnung 350 im Gehäuse 302, insbesondere in der Gehäusemasse 308. In Flucht zu dieser Öffnung 350 im Gehäuse 302 weisen sowohl das Substrat 344 als auch die Masse 346 eine Öffnung auf, so dass ein vollständiger Durchgang von der Antennenstruktur 342, die um diesen Durchgang angeordnet ist, bis in das Innere des Steuergeräts 300 besteht. Durch diesen Durchgang sind zwei Verkabelungen 352 bzw. Kabel für eine Kommunikation zwischen innerhalb des Gehäuses 302 und außerhalb des Gehäuses 302 geführt.
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5 zeigt noch eine weitere Ausführung des hierin beschriebenen Steuergerät, das mit Bezugsziffer 400 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt das Gehäuse 402, ein Gehäuseoberteil 404, ein Gehäuseseitenteil 406, eine Gehäusemasse 408, Kühlrippen 420, einen Stecker 422, eine Leiterplatte 430 mit Komponenten 432 und eine Antenne 440. Die Antenne 440 umfasst eine Antennenstruktur 442, ein Substrat 444 und eine Masse 446, die auf das Gehäuse 402, insbesondere die Gehäusemasse 408, aufgetragen ist.
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Die Darstellung zeigt weiterhin eine Öffnung 450 im Gehäuse 402, insbesondere in der Gehäusemasse 408. In Flucht zu dieser Öffnung 450 im Gehäuse 402 weisen sowohl das Substrat 444 als auch die Masse 446 jeweils eine Öffnung auf, so dass ein vollständiger Durchgang von der Antennenstruktur 442 bis in das Innere des Steuergeräts 400 besteht.
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Die elektromagnetische Kopplung durch diese Öffnung 450 erfolgt in diesem Fall drahtlos und zwar mittels Strahlungskopplung. Es ist somit keine Verkabelung vorgesehen. Hierfür ist auf der Leiterplatte 430 unten im Bereich des Durchgangs eine weitere Antenne 452 vorgesehen, die mit der Antenne 440 außen zusammenwirkt. Hierzu sind die beiden Antennen 440 und 452 sowie die Breite des Durchgangs aufeinander abgestimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10309075 A1 [0006]
- DE 102004063541 A1 [0007]
- DE 10353686 A1 [0008]
