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Die Erfindung bezieht sich auf eine breitbandige Dipolantenne mit einer Inhomogenität in Längsrichtung, insbesondere eine bikonische Antenne.
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Die Bandbreite von breitbandigen Dipolantennen mit einer Inhomogenität in Längsrichtung, insbesondere von bikonischen Antennen, hängt im Wesentlichen von der Länge, dem Winkel (bei der bikonischen Antenne) bzw. allgemeiner der Form der Inhomogenität und der Höhe der beiden Strahler ab. Daher können diese Antennen recht große Dimensionen annehmen, wenn die Antennen breitbandig senden und empfangen sollen. Es gibt jedoch Einbausituationen, insbesondere auf Wasserfahrzeugen, wo der Platz für die Integration einer bikonischen Breitbandantenne nicht vorhanden ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für breitbandige Dipolantennen mit einer Inhomogenität in Längsrichtung zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Nachfolgend wird die breitbandige Dipolantenne mit einer Inhomogenität in Längsrichtung vereinfacht auch als Dipolantenne bezeichnet. An keiner Stelle dieser Offenbarung wird damit jedoch auf den klassischen Dipol mit zwei Zylindern als Strahler Bezug genommen.
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Ausführungsbeispiele zeigen eine Antenne mit einem ersten und einem zweiten Strahler, die jeweils ausgebildet sind, elektromagnetische Strahlung auszusenden und/oder zu empfangen. Der erste und der zweite Strahler verjüngen sich jeweils. Die Verjüngung der Strahler führt zu einer Inhomogenität der Antenne in Längsrichtung. Eine erste Stirnseite des ersten Strahlers befindet sich an der Verjüngung des ersten Strahlers und eine erste Stirnseite des zweiten Strahlers befindet sich an der Verjüngung des zweiten Strahlers. Die erste Stirnseite des ersten Strahlers ist der ersten Stirnseite des zweiten Strahlers gegenüberliegend angeordnet. Zwei derart angeordnete Strahler werden als Dipol bezeichnet. Ein sich verjüngende Strahler kann z.B. eine bikonische Form aufweisen, eine elliptische Form aufweisen oder halbkugelförmig sein. Ferner ist es nicht notwendig, dass die zweite Stirnseite den größten Querschnitt des jeweiligen Strahlers aufweist. Der Durchmesser ist vorteilhafterweise senkrecht zu der Richtung gemessen, in der der erste und der zweite Strahler (sequentiell) angeordnet sind. Das heißt, es ist auch möglich, dass sich die Strahler zu der zweiten Stirnseite verjüngen. Typischerweise ist der Grad der Verjüngung zu der ersten Stirnseite aber größer als zu der zweiten Stirnseite. Ferner ist die Antenne typischerweise spiegelsymmetrisch ausgeführt.
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Gespeist werden die Strahler, d.h. der Dipol, typischerweise an den beiden ersten Stirnseiten, d.h. zwischen den beiden Strahlern. Hierzu kann durch den ersten Strahler eine elektrische Leitung geführt sein, die den ersten und/oder den zweiten elektrischen Strahler an der ersten Stirnseite kontaktiert. Die elektrische Leitung kann eine Koaxialleitung sein, deren Außenleiter einen Strahler und deren Innenleiter den anderen Strahler kontaktiert (asymmetrische Kontaktierung, engl. single ended feeding). Alternativ kann zu der elektrischen Leitung eine weitere elektrische Leitung vorgesehen sein, wobei die elektrische Leitung einen Strahler kontaktiert und die weitere elektrische Leitung den anderen Strahler kontaktiert. Insbesondere sind die elektrischen Leitungen auch in diesem Fall als Koaxialleitung ausgeführt, so dass die Innenleiter der beiden elektrischen Leitungen jeweils einen Strahler kontaktieren. Das Signal kann hier mittels eines Baluns (Symmetrierglied) für beide Leitungen generiert werden. Auch in diesem Fall kann die elektrische Leitung und/oder die weitere elektrische Leitung eine Koaxialleitung sein.
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Die Antenne weist ferner eine erste und eine zweite elektrisch leitfähige Platte auf. Die erste elektrisch leitfähige Platte ist an einer zweiten Stirnseite des ersten Strahlers angeordnet und die zweite elektrisch leitfähige Platte ist an einer zweiten Stirnseite des zweiten Strahlers angeordnet. In anderen Worten sind die beiden Strahler zwischen den beiden Platten angeordnet. Zwischen der ersten leitfähigen Platte und dem ersten Strahler sowie zwischen der zweiten leitfähigen Platte und dem zweiten Strahler besteht die Abwesenheit einer elektrischen Verbindung. Zwischen den Platten und den Strahlern ist demnach ein Luftspalt oder ein elektrisch isolierendes Material angeordnet. Nachfolgend sind einige Kunststoffe genannt, die als elektrisch isolierendes Material verwendet werden können.
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Idee der vorliegenden Erfindung ist es, ein Volumen der Breitbandantenne unter Beibehaltung der Bandbreite der Antenne zu verringern. Es hat sich gezeigt, dass durch die Anordnung der Strahler zwischen den elektrisch leitfähigen Platten eine Frequenzverschiebung der Resonanzfrequenz der Breitbandantenne hin zu niedrigeren Frequenzen erfolgt. Somit können mit der gleichen Antenne Signale einer niedrigeren Frequenz abgestrahlt werden. Somit kann die Größe der Strahler signifikant verringert werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Antenne ist die Störungsunempfindlichkeit gegenüber Objekten, die sich außerhalb der beiden elektrisch leitfähigen Platten befinden. So kann diese Antenne vorteilhafterweise in einer Multifunktionsantenne verwendet werden. Oberhalb und/oder unterhalb der Antenne können weitere Antennen angeordnet sein, die in anderen Frequenzbereichen senden bzw. empfangen.
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In Ausführungsbeispielen bedeckt die erste elektrisch leitfähige Platte zumindest die zweite Stirnseite des ersten Strahlers vollständig und die zweite elektrisch leitfähige Platte bedeckt zumindest die zweite Stirnseite des zweiten Strahlers vollständig. In anderen Worten ist ein Durchmesser der ersten leitfähigen Platte größer als ein (insbesondere maximaler) Durchmesser des ersten Strahlers. Der Durchmesser wird vorteilhafterweise senkrecht zu der Richtung gemessen, in der der erste und der zweite Strahler (sequentiell) angeordnet sind. In nochmals anderen Worten ist eine Projektion des ersten Strahlers in die Ebene der leitfähigen ersten Platte kleiner als die leitfähige erste Platte. Gleiches gilt für den zweiten Strahler und die zweite Platte. So wird der Effekt, dass die Strahler kleiner werden, voll ausgenutzt.
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In weiteren Ausführungsbeispielen sind die erste und die zweite elektrisch leitfähige Platte mittels einer Mehrzahl von Pfosten verbunden. Die Pfosten treten durch eine Oberfläche des ersten und des zweiten Strahlers hindurch. Die Pfosten der Mehrzahl von Pfosten sind demnach typsicherweise innerhalb einer senkrechten Projektion der zweiten Stirnseite des ersten bzw. des zweiten Strahlers angeordnet. In anderen Worten fußen die Pfosten auf der ersten und der zweiten elektrisch leitfähigen Platte. Die Pfosten stabilisieren die Antenne, wodurch diese größere mechanische Belastungen aushält.
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Die Pfosten bieten aber weitere Vorteile in verschiedenen Ausführungsformen der Antenne.
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Zunächst können die Pfosten elektrisch leitfähig sein, d.h. ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen oder aus diesem bestehen. Die Antennenimpedanz kann dann mittels der Pfosten angepasst werden. Dieser Vorgang ist auch als Antennentuning bekannt. So beeinflussen die Pfosten beispielsweise den Speisepunktwiderstand der Antenne und haben somit Einfluss auf die Frequenzen, die mit der Antenne bevorzugt abgestrahlt werden können. Weiterhin wird die Bandbreite der Antenne durch die Pfosten beeinflusst. Eine geschickte Positionierung der Pfosten kann somit die Abstrahlcharakteristik der Antenne im Vergleich zu einer Antenne ohne Pfosten nicht oder nur unwesentlich beeinflussen, mittels der Pfosten kann die Antenne aber darüber hinaus aber die beschriebenen Vorteile aufweisen. Vorteilhafterweise sind die Pfosten in diesem Fall elektrisch leitfähig. Dann bilden die Pfosten eine einen einstellbaren Parameter für die Antenne, durch die die o.g. Eigenschaften eingestellt werden können.
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Ferner ist es vorteilhaft, die Pfosten symmetrisch anzuordnen um einen positiven Effekt auf die Abstrahlcharakteristik zu erhalten. Die symmetrische Anordnung der Pfosten heißt beispielsweise, dass ein Winkel zwischen benachbarten Pfosten für alle Pfosten der Mehrzahl von Pfosten gleich groß ist. Die Ebene, in der der Winkel gemessen wird, liegt vorteilhafterweise senkrecht zu der Richtung, in der die Strahler (sequenziell) angeordnet sind. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Pfosten der Mehrzahl von Pfosten die Abwesenheit einer elektrischen Verbindung zu dem ersten und dem zweiten Strahler aufweisen. Andernfalls würde mittels der elektrisch leitfähigen Pfosten eine elektrische Verbindung zwischen den elektrisch leitfähigen Platten und den Strahlern hergestellt, die nicht erwünscht ist.
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Weiterhin können die Pfosten hohl ausgeführt sein. Ist eine elektrische Komponente auf der dem zweiten Strahler abgewandten Seite der zweiten Platte angeordnet, kann eine elektrische Leitung durch einen Pfosten der Mehrzahl von Pfosten hindurchgeführt werden, um die elektrische Komponente zu kontaktieren. Die elektrische Leitung wird dann exzentrisch, also nicht durch das das Zentrum der Strahler, geführt, wodurch sich parasitäre Resonanzen bilden würden oder wodurch es zu einer Fehlanpassung der Antenne kommen kann, was sich jeweils nachteilig auf die Eigenschaften der Antenne auswirkt. Dadurch, dass die elektrische Leitung zur Kontaktierung der elektrischen Komponente exzentrisch geführt ist, werden diese Hochfrequenzeffekte verringert oder sogar vermieden. Somit bleibt die Abstrahlcharakteristik der Antenne (im Wesentlichen) erhalten, obwohl eine elektrische Leitung durch die Antenne hindurchgeführt ist. Die elektrische Komponente ist beispielsweise eine weitere Antenne, z.B. eine GPS-Antenne (GPS: Global Positioning System, dt.: globales Positionsbestimmungssystem) oder eine kollineare Antennenanordnung. Somit kann ein Antennenarray bzw. eine Multifunktionsantenne erhalten werden.
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In den genannten Ausführungsbeispielen ist die Anzahl der Pfosten der Mehrzahl von Pfosten vorteilhafterweise mindestens drei. So treten die genannten Vorteile signifikant ein.
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Die resultierende Antenne kann in einem Frequenzbereich zwischen 950MHz und 1275MHz betrieben werden. Ferner kann die Antenne einen Abstand von weniger als 60mm, bevorzugt weniger als 55mm, beispielsweise 51 mm zwischen der ersten und der zweiten Platte aufweisen. Eine Antenne mit der gleichen Charakteristik wäre ohne die beiden elektrisch leitfähigen Platten mindestens 76mm groß und damit ca. 50% größer (unter der Annahme eines störungsfreien bikonischen Dipols). Die Antenne kann als vertikal polarisierte Dipolantenne mit omnidirektionaler Abstrahlcharakteristik im Azimuth betrieben werden.
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Die geringe Größe und die Unempfindlichkeit gegenüber weiteren Antennen, die unter- bzw. oberhalb der Dipolantenne angeordnet sind, macht die Dipolantenne zu einer idealen Multifunktionsantenne. Bekannte breitbandige Dipolantennen mit einer Inhomogenität in Längsrichtung strahlen unsymmetrisch ab, wenn sich in Ihrer Umgebung ein weiteres Objekt, z.B. eine weitere Antenne befindet. Die vorliegende breitbandige Dipolantenne strahlt jedoch weiterhin symmetrisch ab, auch wenn ober- und/oder unterhalb weitere Antennen angeordnet sind.
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In Ausführungsbeispielen kann eine beliebige Auswahl der nachfolgenden nicht elektrisch miteinander verbundenen Komponenten der Antenne mittels eines Kunststoffs mechanisch verbunden sein: die elektrisch leitfähigen Platten mit dem jeweils angrenzenden Strahler (an der zweiten Stirnseite), beide Strahler (zwischen den ersten Stirnseiten), die Strahler mit den Pfosten. Als Kunststoff wird beispielsweise Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyoxymethylen (POM), Polyetherketone (PEEK), Polyethylen (PE) oder ein anderer, nichtleitender Kunststoff verwendet.
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In Ausführungsbeispielen ist zwischen der ersten Stirnseite des ersten Strahlers und der ersten Stirnseite des zweiten Strahlers ein dielektrisches Material angeordnet. Dies ist vorteilhaft, da die mechanische Stabilität der Antenne vergrößert wird und elektrische Überschläge bei Verwendung hoher Sendeleistungen vermieden werden. Mittels des dielektrischen Materials ergibt sich ferner eine zusätzliche Möglichkeit, die Antenneneingangsimpedanz einzustellen. Somit ist es möglich, die Antenne mittels des dielektrischen Materials alleine, oder bei Verwendung elektrisch leitfähiger Pfosten ergänzend zu diesen, die Antenneneingangsimpedanz einzustellen. Als dielektrisches Material kann z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE, umgangssprachlich auch Teflon) verwendet werden.
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Analog ist ein Verfahren zur Herstellung einer Antenne mit folgenden Schritten offenbart: Anordnen eines ersten und eines zweiten Strahlers zwischen einer ersten und einer zweiten elektrisch leitfähigen Platte derart, dass zwischen der ersten leitfähigen Platte und dem ersten Strahler die Abwesenheit einer elektrischen Verbindung besteht und dass zwischen der zweiten leitfähigen Platte und dem zweiten Strahler die Abwesenheit einer elektrischen Verbindung besteht, wobei sich der erste und der zweite Strahler zu einem Ende jeweils verjüngen und die verjüngten Enden sich gegenüberliegen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische Seitenansicht einer Antenne in einem Ausführungsbeispiel;
- 2: eine schematische Seitenansicht der Antenne in einem weiteren Ausführungsbeispiel;
- 3: eine schematische perspektivische Darstellung eines ersten und eines zweiten Strahlers der Antenne des Ausführungsbeispiels aus 2.
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Antenne 20 in einer Seitenansicht. Die Antenne 20 weist einen ersten Strahler 22a und einen zweiten Strahler 22b auf. Die Strahler 22a, 22b sind jeweils ausgebildet, elektromagnetische Strahlung auszusenden und/oder zu empfangen. Beide Strahler 22a, 22b sind derart angeordnet, dass eine Verjüngung, die die Strahler 22a, 22b jeweils aufweisen, sich gegenüberliegt. Weisen die Strahler in zwei Richtungen eine Verjüngung auf, liegen sich die beiden schmaler zulaufenden Enden der Strahler gegenüber. Das Ende des jeweiligen Strahlers 22a, 22b wird als erste Stirnseite 24a, 24b bezeichnet, das gegenüberliegende Ende des jeweiligen Strahlers 22a, 22b als zweite Stirnseite 26a, 26b.
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Die Strahler 22a, 22b sind zwischen einer ersten leitfähigen Platte 28a und einer zweiten leitfähigen Platte 28b angeordnet. D.h. die erste leitfähige Platte 28a befindet sich an der zweiten Stirnseite 26a des ersten Strahlers und die zweite leitfähige Platte 28b befindet sich an der zweiten Stirnseite 26b des zweiten Strahlers 22b. Zwischen den leitfähigen Platten 28a, 28b und den Strahlern 22a, 22b besteht die Abwesenheit einer elektrischen Verbindung. Zwischenräume 30a, 30b zwischen den Platten 28a, 28b und den Strahlern 22a, 22b können mit einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem entsprechenden Kunststoff, befüllt sein. So kann eine mechanische Verbindung zwischen den Strahlern und den Platten hergestellt werden. Ferner weisen beide Strahler die Abwesenheit einer elektrischen Verbindung zueinander auf. Hierzu kann in einem Zwischenraum 30c zwischen den ersten Stirnseiten 24a, 24b ebenfalls ein elektrisch isolierendes Material, beispielsweise ein entsprechender Kunststoff, angeordnet sein.
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Die Strahler 22a, 22b bilden eine bikonische Antenne. Andere Formen sind jedoch ebenfalls möglich. Vorteilhafterweise weist die Antenne 20 oder zumindest die Strahler 22a, 22b eine Spiegelsymmetrie zu einer Spiegelebene 32 auf. Die Spiegelebene 32 verläuft vorteilhafterweise in der Richtung (y-Richtung), in der der erste und der zweite Strahler (sequentiell) angeordnet sind. Optional kann eine weitere Spiegelebene (nicht eingezeichnet) senkrecht zu der Richtung (y-Richtung), in der der erste und der zweite Strahler (sequentiell) angeordnet sind zwischen dem ersten und dem zweiten Strahler 22a, 22b, (also in x-Richtung) verlaufen.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Antenne 20 in einer Seitenansicht. Hier sind in den vormaligen Zwischenräumen nunmehr jeweils elektrisch nichtleitende Materialien in Form einer Zwischenschicht 30a', 30b', 30c' eingebracht.
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Ferner weist die Antenne 20 eine Mehrzahl von Pfosten 34 (hier vier Pfosten 34a, 34b, 34c, 34d) auf. Die Pfosten 34 verbinden die erste elektrisch leitfähige Platte 28a mit der zweiten elektrisch leitfähigen Platte 28b. Zunächst handelt es sich hierbei um eine mechanische Verbindung um die Stabilität der Antenne 20 zu erhöhen. Die Pfosten 34 können elektrisch leitfähig sein. Dann bilden sie eine Belastung für die Antenne 20, so dass mittels Durchmesser und/oder Position der Pfosten die Antenne getunt (Tuning der Antenne) werden kann. In diesem Fall sind die Pfosten, wie in 2 gezeigt, symmetrisch angeordnet. Vorteilhafterweise stehen die Pfosten senkrecht zwischen der ersten und der zweiten leitfähigen Platte. Dies bietet die größtmögliche mechanische Stabilität und es wird einer andernfalls möglichen unsymmetrischen Wellenausbreitung vorgebeugt.
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Ferner kann zumindest ein erster Pfosten 34a der Mehrzahl von Pfosten 34 innen hohl ausgeführt sein. Durch den ersten Pfosten 34a kann eine Leitung 36 geführt sein, die eine elektrische Komponente 38 (elektrisch) kontaktiert. Sind die Pfosten 34a elektrisch nichtleitend, ist es vorteilhaft, durch jeden der Pfosten eine elektrische Leitung zu führen, um eine unsymmetrische Belastung der Antenne zu vermeiden. Sind die Pfosten elektrisch leitfähig, sind die Leitungen für die Belastung der Antenne zu vernachlässigen.
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Die elektrische Komponente 38 ist beispielsweise ein weiterer Strahler, so dass die Antenne 20 eine Multifunktionsantenne ist. Die Leitung 36 ist typischerweise eine Koaxialleitung. Die Leitung 36 kann durch ein entsprechendes Führungsrohr 36' hindurchgeführt sein. In dem Führungsrohr 36' können eine Mehrzahl von Leitungen geführt werden, beispielsweise auch eine Leitung zur Kontaktierung des ersten Strahlers 22a und des zweiten Strahlers 22b. Das Führungsrohr 36' ist beispielhaft zentrisch angeordnet. Es ist aber auch möglich, das Führungsrohr 36' exzentrisch anzuordnen, beispielsweise unterhalb des Pfostens 34a, durch das die Leitung 36 geführt ist. Die Leitung 36 kann dann durchgehend gerade geführt werden und braucht nicht um eine Kurve geführt werden.
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Die Pfosten 34 weisen keine elektrische Verbindung zu den Strahlern 22a, 22b auf. An der Stelle, an der die Pfosten durch die Oberfläche des jeweiligen Strahlers hindurchtreten, weisen die Pfosten einen Abstand zu der Oberfläche des jeweiligen Strahlers auf. Der entstehende Zwischenraum kann auch mit einem nicht elektrisch leitfähigen Material befüllt werden, wie bereits die Zwischenräume 30a, 30b, 30c aus 1.
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3 zeigt die Strahler 22a, 22b der Antenne gemäß des Ausführungsbeispiels aus 2. Hier wird deutlich, dass die Strahler 22a, 22b in ihrer Oberfläche jeweils Öffnungen 40 aufweisen, durch die die Pfosten hindurchtreten können. Die Öffnungen 40 sind in ihrem Durchmesser etwas größer als die Durchmesser der Pfosten, damit die Pfosten die Strahler 22a, 22b nicht berühren bzw. damit ein Zwischenraum verbleibt, der mit einem elektrisch nichtleitenden Material gefüllt werden kann.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Antenne
- 22a, 22b
- Strahler
- 24a, 24b
- erste Stirnseite
- 26a, 26b
- zweite Stirnseite
- 28a, 28b
- elektrisch leitfähige Platte
- 30
- Zwischenräume
- 32
- Spiegelebene
- 34
- Pfosten
- 36
- Leitung
- 38
- elektrische Komponente
- 40
- Öffnung
