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Die Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung und ein Fahrzeug, dass zumindest eine Antennenvorrichtung aufweist.
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Zur Reduzierung der Abmessungen von Antennenvorrichtungen, ist es verbreitet, mehrere Antennen auf einer Seite einer Leiterplatteneinrichtung anzuordnen. Bei diesen Antennen kann es sich beispielsweise um Monopolantennen oder Patchantennen handeln. Die Antennen können während des Betriebs jeweilige elektromagnetische Wellen aussenden und/oder empfangen. Ein Teil der jeweiligen elektromagnetischen Wellen wird, wie gewünscht, in die Umgebung abgestrahlt. Insbesondere bei Antennen auf Leiterplatten, welche dielektrische Substratschichten und leitende Schichten aufweisen, wird ein Teil der elektromagnetischen Wellen entlang von Grenzflächen als Oberflächenwellen oder Volumenwellen entlang oder innerhalb der Leiterplatte geleitet. Dadurch erfolgen unerwünschte parasitäre Verkopplungen zwischen den Antennen. Diese Verkopplung beeinflusst die Antennenperformance im Allgemeinen negativ und verschlechtert das Signal-Störverhältnis und/oder die möglichen Übertragungsraten im Falle von Multiple-in/ Multiple out (MIMO) Übertragungsverfahren, wie sie Im Falle der aktuellen 5G-Mobilfunktechnologie angewandt werden.
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Zur Reduzierung dieser parasitären Verkopplungen können beispielsweise Abstände zwischen Antennen vergrößert werden, wobei dies bei MIMO-Antennen in Kraftfahrzeugen oder in mobilen Endgeräten aufgrund geometrischer Einschränkungen in den Abmessungen nur eingeschränkt möglich ist.
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Eine Möglichkeit der Reduzierung parasitärer Verkopplungen besteht in der Verwendung von elektromagnetischen Bandlückenstrukturen. Dabei handelt es sich um Strukturen welche eine erhöhte Impedanz in bestimmten Frequenzbereichen aufweisen. Somit können elektromagnetische Wellen in diesem Frequenzbereich gedämpft werden, wodurch die Kopplung zwischen den Antennen reduziert wird.
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Der Frequenzbereich hängt von den Induktivitäten und Kapazitäten der elektromagnetischen Bandlückenstrukturen ab. Diese sind folglich so zu wählen, dass sie auf den zu dämpfenden Frequenzbereich abgestimmt sind. Dies erfolgt nach dem Stand der Technik durch eine Gestaltung einzelner Elemente der Bandlückenstruktur. Hierbei ergibt sich die Problematik, dass für einen jeweiligen Frequenzbereich eine jeweilige Bandlückenstruktur bereitgestellt werden muss.
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Eine Gestaltung elektromagnetischer Bandlückenstrukturen ist beispielsweise in den folgenden wissenschaftlichen Veröffentlichungen untersucht worden:
- KUSHWAHA, Nagendra; KUMAR, Raj. Study of different shape electromagnetic band gap (EBG) structures for single and dual band applications. Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications, 2014, 13. Jg., Nr. 1, S. 16-30.
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THAYSEN, Jesper; JAKOBSEN, Kaj B. Design considerations for low antenna correlation and mutual coupling reduction in multi antenna terminals. European transactions on telecommunications, 2007, 18. Jg., Nr. 3, S. 319-326.
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Aus dem Stand der Technik sind folgende Bandlückenstrukturen bekannt:
- Die US 7,760,140 B2 beschreibt eine Mehrbandantennenanordnung mit elektromagnetischen Bandlückenstrukturen. Die Mehrbandantennenanordnung umfasst zwei oder mehrere plane Antennen, die auf einer Oberfläche eines Substrats angeordnet sind und einen ersten Satz elektromagnetischer Bandlückenzellen die zwischen und auf der Oberfläche mit den Antennen befinden, und einen zweiten Satz elektromagnetischer Bandlückenzellen, die sich innerhalb des Substrats unterhalb der Antennen befinden.
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Die
CA 2 936 482 A1 beschreibt eine elektromagnetische Bandlückenstruktur. Die elektromagnetische Bandlückenstruktur wird durch einen koplanaren Hohlleiter mit Induktivitäten und Kondensatoren gebildet, die so ausgewählt sind, dass sie eine frequenzabhängige Kopplung zwischen einer Parallelplattenhohlleitermode und einer koplanaren Hohlleitermode zum Bilden einer elektromagnetischen Bandlücke bewirken.
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Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine Verschiebung eines Frequenzbereichs einer elektromagnetischen Bandlückenstruktur ohne eine Änderung der Form der Elemente der elektromagnetischen Bandlückenstruktur zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren.
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Die Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung. Die Antennenvorrichtung weist zumindest zwei Antennen auf, die dazu eingerichtet sind, elektromagnetische Wellen auszusenden und/oder zu empfangen. Die Antennenvorrichtung weist eine Leiterplatteneinrichtung auf, wobei die Antennen auf derselben Leiterplatteneinrichtung angeordnet sind. Die Leiterplatteneinrichtung kann zumindest eine Leiterplatte aufweisen, auf der integrierte Schaltkreise oder Bauteile zur Ansteuerung der Antennen angeordnet sein können. Die Leiterplatteneinrichtung kann mehrere aufeinander gestapelte Schichten aufweisen. Die Schichten können beispielsweise Substratschichten aus einem dielektrischen Material umfassen oder Leiterschichten aus einem elektrisch leitendem Material. Es ist vorgesehen, dass die Leiterplatteneinrichtung zumindest eine Entkopplungsschicht aufweist, durch welche eine parasitäre Kopplung der Antennen reduziert ist. Mit anderen Worten ist in der Leiterplatteneinrichtung zumindest eine Schicht angeordnet, welche eine parasitäre Kopplung, welche zwischen den Antennen aufgrund der elektromagnetischen Wellen besteht, reduziert. Es kann vorgesehen sein, dass die Entkopplungsschicht in einem vorbestimmten Frequenzbereich eine erhöhte Impedanz aufweist. Somit kann einen Oberflächenanteil der elektromagnetischen Wellen, welcher entlang der Leiterplatteneinrichtung verläuft, in dem vorbestimmten Frequenzbereich reduziert sein. Die Leiterplatteneinrichtung weist zumindest eine obere Substratschicht auf, auf der zumindest ein Metallstreifen mit vorbestimmten Abmessungen angeordnet ist. Mit anderen Worten weist die Leiterplatteneinrichtung zumindest eine Schicht aus einem dielektrischen Substrat auf, wobei in der Substratschicht oder auf einer Oberfläche der Substratschicht der zumindest eine Metallstreifen angeordnet ist. Der Metallstreifen ist zumindest durch die zumindest eine obere Substratschicht von der zumindest einen Entkopplungsschicht getrennt. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die obere Substratschicht mit einer Seite auf der Entkopplungsschicht angeordnet ist. Auf der anderen Seite der Substratschicht kann der zumindest eine Metallstreifen angeordnet sein. Bei dem Metallstreifen kann es sich beispielsweise um eine Metallfolie handeln oder um einen Bereich der Substratschicht, auf der ein Metall aufgetragen ist. Der Metallstreifen kann derart bemessen sein, dass ein Frequenzbereich einer Entkopplung der beiden Antennen aufgrund der Entkopplungsschicht in einen niedrigeren Frequenzbereich verschoben wird. Mit anderen Worten ist der Metallstreifen derart bemessen, dass der Frequenzbereich, der eine erhöhte Impedanz aufweist, verschoben wird.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass der Frequenzbereich, in welchem die erhöhte Impedanz auftritt, ohne eine Änderung der Entkopplungsschicht verschoben werden kann.
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Die Erfindung umfasst auch optionale Weiterbildungen, durch die sich weitere Vorteile ergeben.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Entkopplungsschicht eine Hochimpedanzstruktur aufweist. Mit anderen Worten weist die Entkopplungseinrichtung zumindest eine regelmäßige Anordnung von Metallflächen in zumindest einer elektrisch leitenden Schicht auf, wobei die jeweiligen Metallflächen mittels jeweiliger, normal zu den Metallflächen ausgerichteten Verbindungselemente durch eine der Substratschichten mit einer Masseschicht elektrisch leitend verbunden sind. Mit anderen Worten weist zumindest eine Substratschicht der Antennenvorrichtung auf einer Seite die Masseschicht auf. Auf einer der Masseschicht gegenüberliegenden Seite der Substratschicht befindet sich die regelmäßige Anordnung der Metallflächen, wobei die jeweiligen Metallflächen über die jeweiligen Verbindungselemente, welche durch die Substratschicht verlaufen, mit der Masseschicht elektrisch leitend verbunden sind. Die Metallflächen können dabei in Zusammenwirkung mit der Masseschicht eine elektrische Kapazität bereitstellen. Die Verbindungselemente können vorbestimmte Induktivitäten bereitstellen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass es ermöglicht wird, durch eine Festlegung einer vorbestimmten Resonanz und einer vorbestimmten Induktivität eine Resonanz mit einer vorbestimmten Frequenz bereitzustellen. Die Frequenz kann derart gewählt werden, dass sie mit einer zu unterdrückenden Frequenz einer Oberflächenwelle oder Volumenwelle übereinstimmt.
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Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass durch eine Festlegung einer Flächengröße der Metallflächen, eine Wahl eines Substratmaterials der Substratschicht einer vorbestimmten Dielektrizitätskonstanten und einer Wahl eines vorbestimmten Abstandes der Metallflächen von der Masseschicht, eine Kapazität der Elemente der Hochimpedanzstruktur festgelegt ist. Eine Induktivität der Elemente der Hochimpedanzstruktur kann durch eine Wahl der Abmessungen der Verbindungselemente festgelegt sein. Es kann sich bei der Hochimpedanzstruktur beispielsweise um eine sogenannte Pilzstruktur (mushroom-like electromagnetic band gap structure) handeln. Parasitäre Verkopplungen, welche die vorbestimmte Resonanzfrequenz aufweisen, können aufgrund einer erhöhten Impedanz der Strukturen im Resonanzfrequenzbereich eine Ausbreitung der parasitären Verkopplungen verringern. Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass durch eine Festsetzung vorbestimmte Resonanzfrequenzen mittels der Hochimpedanzstruktur an eine Ausbreitung von parasitären Verkopplungen der vorgebestimmten Resonanzfrequenzen vermindert werden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Hochimpedanzstruktur zumindest eine Resonanzfrequenz umfasst, welche in einem Frequenzspektrum einer der Antennen liegt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Entkopplungsschicht eine Defektbodenstruktur aufweist. Mit anderen Worten weist die Entkopplungsschicht eine an ein Massepotential angeschlossene, leitende Fläche auf, wobei die leitende Fläche entlang zumindest einer ebenen Richtung in der Fläche periodische Defektbereiche aufweist, an denen Bereiche des leitenden Materials entfernt sind. Es kann sich beispielsweise um eine Lage aus Kupfer mit periodischen Lücken handeln, welche an einem Massepotenzial angeschlossen sein können. Eine solche Struktur ist beispielsweise als plane elektromagnetische Bandlückenstruktur bekannt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der zumindest einen Metallstreifen mit einer Längsrichtung zu den zumindest zwei Antennen ausgerichtet ist. Mit anderen Worten ist der Metallstreifen derart auf der oberen Substratsschicht angeordnet, dass die Längsrichtung des Metallstreifens parallel zu einer Verbindungslinie zwischen den zwei Antennen verläuft. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Metallstreifen eine Länge aufweist, welche größer ist als eine Breite. Die Längsrichtung der Länge kann dabei parallel zu einer Verbindungslinie zwischen den beiden Antennen ausgerichtet sein. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Metallstreifen in eine Richtung der maximalen Intensität der Oberflächenwellen ausgerichtet ist.
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Die Erfindung umfasst auch ein Kraftfahrzeug, das zumindest eine Antennenvorrichtung aufweist.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine Antennenvorrichtung;
- 2 eine Draufsicht auf die Antennenvorrichtung;
- 3 eine Antennenvorrichtung ohne Metallstreifen;
- 4 die Antennenvorrichtung mit Metallstreifen;
- 5 einen Verlauf des S12-Parameters für Antennen einer Antennenvorrichtung; und
- 6 einen Vergleich zwischen zwei Kurven des S12-Parameters.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Antennenvorrichtung. Die Antennenvorrichtung 1 kann zumindest zwei Antennen 2 aufweisen, welche auf einer Seite einer Leiterplatteneinrichtung 3 der Antennenvorrichtung 1 angeordnet sein können und einen Abstand zueinander aufweisen können. Die Antennen 2 können beispielsweise Monopolantennen sein, welche an einen jeweiligen Antennenanschluss 4 angeschlossen sein können. Es kann vorgesehen sein, dass die Antennen 2 durch den jeweiligen Antennenanschluss 4 gespeist werden, um elektromagnetische Wellen in einem jeweiligen Frequenzspektrum auszusenden. Es kann vorgesehen sein, dass sich die Frequenzspektren der beiden Antennen 2 überlappen oder identisch sind. Die beiden Antennen 2 können über einen integrierten Schaltkreis 5 gesteuert werden, der auf derselben Leiterplatteneinrichtung 3 angeordnet sein kann, wie die Antennen 2.
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Die Leiterplatteneinrichtung 3 kann eine Entkopplungsschicht 6 aufweisen. Die Entkopplungsschicht kann dazu vorgesehen sein, eine elektromagnetische Kopplung der beiden Antennen 2 durch parasitäre Wellen zu reduzieren. Bei den parasitären Wellen kann es sich beispielsweise um Oberflächenanteile der durch die Antennen 2 ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen handeln, welche entlang der Leiterplatteneinrichtung 3 geleitet werden. Die Entkopplungsschicht 6 kann eine Hochimpedanzstruktur 7 aufweisen. Die Hochimpedanzstruktur 7 kann eine periodische Anordnung von Hochimpedanzelementen 8 aufweisen. Es kann vorgesehen sein, dass es sich bei den Hochimpedanzelementen 8 um sogenannte Pilzstrukturen handeln kann. Die Hochimpedanzelemente 8 können auf einer Masseschicht 9 der Entkopplungsschicht 6 angeordnet sein. Die Hochimpedanzelemente 8 können ein jeweiliges Verbindungselement 10 aufweisen, das in einer Substratschicht 11 der Entkopplungsschicht 6 angeordnet sein kann, um eine parallel zur Masseschicht 9 auf der Substratschicht 11 angeordnete Metallfläche 12 zu verbinden. Die Abmessungen der Hochimpedanzelemente 8 und ein Material der Substratschicht 11 können derart gewählt sein, dass ein jeweiliges Hochimpedanzelement 8 eine vorbestimmte Kapazität und eine vorbestimmte Induktivität aufweisen kann. Dadurch können bei bestimmten Frequenzen Resonanzen in der Entkopplungsschicht 6 auftreten. Bei diesen Frequenzen kann die Entkopplungsschicht 6 Höhere Impedanzen aufweisen, wodurch sich parasitäre Wellen in geringerem Umfang ausbreiten können. Die Frequenzen sind im Frequenzbereich der zu unterdrückenden elektromagnetischen Wellen zu wählen.
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Auf der Entkopplungsschicht 6 kann zumindest eine obere Substratschicht 13 angeordnet sein. Die Substratschicht 13 kann aus einem dielektrischen Material bestehen. Auf der Substratschicht 13 kann zumindest ein Metallstreifen 14 angeordnet sein. Der Metallstreifen 14 kann beispielsweise eine auf die Substratschicht 13 aufgeklebte Folie sein oder ein mit Metall beschichteter Bereich.
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Der Metallstreifen 14 kann zwischen den Antennen 2 angeordnet sein. Der zumindest eine Metallstreifen 14 und die obere Substratschicht 13 können Abmessungen aufweisen, die einen Frequenzbereich der Entkopplungsschicht 6 in einen Bereich niedriger Frequenzen verschieben können.
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2 zeigt eine Draufsicht auf die Antennenvorrichtung 1. Die Antennenvorrichtung kann die zumindest zwei Antennen 2 aufweisen. Zwischen den Antennen 2 kann der Metallstreifen 14 auf der oberen Substratschicht 13 angeordnet sein. Unter der oberen Substratschicht 13 kann die Entkopplungsschicht 6 angeordnet sein, welche die Hochimpedanzstruktur 7 aufweisen kann. Die Hochimpedanzelemente 8 der Hochimpedanzstruktur 7 können periodisch angeordnet sein. Die Metallflächen der Hochimpedanzelemente 8 können eine vorbestimmte Form, beispielsweise eines Swastikas, eines Kreuzes oder eines Rechtecks aufweisen. Die Metallflächen der Hochimpedanzelemente 8 können Abmessungen von 4,8 mm* 4,8 mm* 0,8 mm aufweisen. Die Breite des Metallstreifens kann 2,3 mm aufweisen. Die obere Substratschicht 13 kann eine Dicke von 1,3 mm aufweisen. Die Antennenvorrichtung 1 kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug 15 angeordnet sein.
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3 zeigt eine Antennenvorrichtung 1', wobei die Leiterplatteneinrichtung 3' die Entkopplungsschicht 6' mit der Hochimpedanzstruktur 7' aufweisen kann. Die Antennenvorrichtung 1' weist keinen Metallstreifen 14' zwischen den beiden Antennen 2' auf. Die Antennen 2' können Monopolantennen sein.
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4 zeigt die Antennenvorrichtung 1. Die Antennenvorrichtung kann mit der Antennenvorrichtung 1' in 3 übereinstimmen, wobei die Antennenvorrichtung 1 im Gegensatz zu der Antennenvorrichtung 1 den Metallstreifen 14 zwischen den beiden Antennen 2 aufweisen kann. Der Metallstreifen kann Kupfer aufweisen und Abmessungen von 16 mm mal 3.7 mm aufweisen.
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5 zeigt einen Verlauf des S12-Parameters für Antennen 2' einer Antennenvorrichtung 1', deren Leiterplatteneinrichtung 3' weder die Entkopplungsschicht 6' mit der Hochimpedanzstruktur 7', noch den Metallstreifen 14' aufweist. Der S21-Parameter kann eine Transmission einer elektromagnetischen Welle von einer der Antennen 2' zu einer anderen der Antennen 2' beschreiben. Der S12-Parameter ist gegen die Frequenz f aufgetragen. Die Kurve zeigt einen relativ konstanten Verlauf über alle Frequenzen f.
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6 zeigt einen Vergleich zwischen zwei Kurven des S12-Parameters. Kurve I zeigt den Verlauf des S12-Parameters der Antennenvorrichtung 1' aus 3. Diese weist die Entkopplungsschicht 6' auf, aber keinen Metallstreifen. Kurve II zeigt den Verlauf des S12-Parameters der Antennenvorrichtung 1 aus 4. Diese Antennenvorrichtung 1 weist die Entkopplungsschicht 6 und den Metallstreifen 14 auf. Beide Kurven I, II zeigen einen charakteristischen Frequenzbereich fl, fll mit geringeren Werten des S12-Parameters. Der Verlauf der Kurve II zeigt einen ähnlichen Verlauf. Jedoch ist der Einbruch ausgeprägter und um ungefähr 0,5 GHz zu niedrigeren Frequenzen hin verschoben.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine Beeinflussung des Frequenzbereichs einer Entkopplungsschicht ermöglicht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7760140 B2 [0008]
- CA 2936482 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- KUSHWAHA, Nagendra; KUMAR, Raj. Study of different shape electromagnetic band gap (EBG) structures for single and dual band applications. Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications, 2014, 13. Jg., Nr. 1, S. 16-30. [0006]
- THAYSEN, Jesper; JAKOBSEN, Kaj B. Design considerations for low antenna correlation and mutual coupling reduction in multi antenna terminals. European transactions on telecommunications, 2007, 18. Jg., Nr. 3, S. 319-326 [0007]
