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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Antennensysteme und insbesondere eine dreidimensionale Rahmenantenne
im geometrischen Raum zur Verwendung in beschränktem Raum.
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2. Beschreibung des allgemeinen
Stands der Technik
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Die Größe einer Antenne hängt im Alggemeinen
von der Wellenlänge
und der Betriebsfrequenz ab. Eine im Hochfrequenzbereich (z. B.
27 MHz) betriebene Ein-Viertel-Wellenlängen-Antenne
wäre beispielsweise
etwa 2 bis 3 Meter lang. Diese Antennenlänge impliziert eine Mindestmenge
physikalischen Raumes, der von der Antenne besetzt wird. Es wurden
verschiedene Techniken an sich mit dem Ziel entwickelt, den von
einer Antenne besetzten physikalischen Raum zu verringern.
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Eine dieser Techniken besteht einfach
darin, die Länge
des Antennenleiters zu reduzieren, damit er weniger Platz in Anspruch
nimmt. Die durch diese Technik erzielte Platzeinsparung geht jedoch
auf Kosten einer verringerten Sende- oder Empfangsleistung des Nachrichtensignals,
wodurch die Sendereichweite der Antenne beeinträchtigt wird. Dieses Reichweiteneinschränkungsproblem
besteht insbesondere bei Antennen, die im Hochfrequenzbereich (etwa
1 MHz bis 1 GHz) betrieben werden. Diese Technik an sich ist nicht
immer wünschenswert
oder praktisch. Eine Lösung
für diese
Einschränkung
der Sendereichweite besteht darin, die Leistung des zur Antenne übertragenen
Si gnals zu erhöhen.
Eine solche Steigerung der Signalleistung geht jedoch auf Kosten
des Wirkungsgrades der Anlage und kann ebenfalls nicht wünschenswert
bzw. unpraktisch sein.
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Eine andere Technik erfordert, daß von der herkömmlichen
Dipolform einer Antenne Abstand genommen wird. Rahmenantennen können kreisförmig, quadratisch
oder rechteckig sein oder eine andere planare Form aufweisen. Die
Schleife der Antenne kann eine Reihe von Windungen umfassen. Diese Windungen
sind planar-parallel zueinander. Eine Rahmenantenne mit zwei Windungen
könnte
z. B. so auf eine Leiterplatte geätzt werden, daß sich beide Windungen
der Schleife auf einer Seite der Leiterplatte befinden. Ein längerer Antennenleiter
an sich kann daher ungefähr
auf dem Platz einer Schleife untergebracht werden. Der Durchmesser
der Schleife könnte
jedoch trotzdem signifikant viel physikalischen Raum erfordern.
Dadurch bleibt weniger Platz für
elektronische Bauelemente übrig,
die für
die Funktionalität
des Sende-/Empfangsgeräts
(z. B. draht- oder schnurlose Maus oder Tastatur) erforderlich sind.
Eine Verringerung des Schleifendurchmessers bewirkt eine Verringerung
der Leistung des gesendeten bzw. empfangenen Nachrichtensignals. Der
Empfangseinrichtung wird so eine niedrigere Signalspannung angeboten.
Für solche
Antennen gibt es daher noch eine beträchtliche Größenbeschränkung.
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Andere bekannte Antennen leiden unter ähnlichen
Problemen. Bei schrauben- oder
spiralförmigen
Antennen wird z. B. die Länge
eines Antennenleiters auf eine Reihe parallel-planarer Windungen zusammengedrückt, wobei
jede dieser Windungen um eine gemeinsame Achse herum verläuft. Die durch
Antennen wie Rahmen-, Schrauben-, Spi ral- und Dipolantennen erzielte
Platzeinsparung ist daher zum Teil durch die inhärente Gleichförmigkeit
dieser Antennenauslegungen begrenzt, jedoch auch durch Antennenleistungskriterien.
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Dieser inhärenten räumlichen Begrenztheit herkömmlicher
Antennenkonstruktionen steht ein wachsender Wunsch nach ergonomischen
Gehäuseauslegungen
gegenüber,
die eine eher glatte, kompaktere Form aufweisen, z. B. für drahtlose
Mäuse. Innerhalb
dieser ergonomisch konstruierten, drahtlosen Geräte befindet sich eine kleinere
Leiterplatte. Das bedeutet, daß insgesamt
eine kleinere Nutzfläche
auf der Leiterplatte zur Verfügung
steht, so daß auch
der verfügbare
Platz für
die geätzte
Rahmenantenne geringer ist, die eine ausreichende Länge und ausreichende
Windungen für
eine akzeptable Sendereichweite und Leistungsfähigkeit aufweisen muß.
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Es besteht daher ein Bedarf nach
einer Antennenkonstruktion, die hochwertige Sende- und Empfangsleistungsmerkmale
bietet und effizient auf begrenztem physikalischen Raum realisiert
werden kann.
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Zusammenfassung der Erfindung(en)
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Die Erfindung umfaßt ein Antennensystem mit
einer Antennenschleife, wobei ein Teil der Antennenschleife in einem
anderen dreidimensionalen geometrischen Raum als ein anderer Teil
bzw. Teile der Antennenschleife angeordnet ist. In einer Ausführungsform
ist die Antennenschleife so ausgestaltet, daß gute Nachrichtensignal-Übertragungs- und Empfangsmerkmale
innerhalb eines kleinen (oder beschränkten) Innenraums bereitgestellt
werden, in dem eine große
Antenne unpraktisch und uner wünscht
ist. Die Antennenschleife kann beispielsweise in einem schnurlosen
elektronischen Gerät
mit kleinem Formfaktor untergebracht werden, wie z. B. einem schnurlosen
Zeigegerät
oder einem universellen Steuergerät, bei dem Oberflächengröße und Rauminhalt
größenmäßigen und
ergonomischen Beschränkungen
unterliegen.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung
besteht darin, daß sie
eine flexible Antennenschleife aufweist, bei der die Gesamtgröße (bzw.
Länge)
der Antenne dadurch erhöht
wird, daß ein
Teil der Antennenschleife in einen anderen Raum eines dreidimensionalen
geometrischen Raums verlegt wird. Eine Antennenschleife kann beispielsweise
aus mehreren Teilen bestehen, die so miteinander verbunden sind, daß sie eine
einzige Antennenschleife bilden, die eine größere Länge als zum Beispiel herkömmliche zweidimensionale
Antennenschleifen aufweist. Eine Erhöhung der Länge der Antennenschleife verbessert
die Qualität
der Nachrichtensignale, die von dem Antennensystem übertragen
bzw. empfangen werden. Dank der größeren Länge der Antennenschleife kann
das Antennensystem in Geräten
mit kleiner Stellfläche
bzw. kleinem Rauminhalt benutzt werden, bei denen niedrigere Frequenzbereiche,
z. B. der Bereich unterhalb etwa 100 MHz, erwünscht sind. Die Verwendung
niedrigerer Frequenzbereiche in solchen Geräten bietet zusätzliche
Vorteile wie z. B. geringere Komplexität des elektronischen Schaltkreises.
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Die in der Beschreibung aufgeführten Merkmale
und Vorteile schließen
nicht alle denkbaren ein, und angesichts der Zeichnungen, der Beschreibung und
der Ansprüche
werden dem Fachmann viele weitere Merkmale und Vorteile offensichtlich
werden. Es sei außerdem
darauf hingewiesen, daß die
in der Beschreibung benutzte Ausdrucks weise hauptsächlich im
Hinblick auf einfache Verständlichkeit
und zu informativen Zwecken gewählt
wurde und nicht dafür
gewählt
worden sein mag, den erfinderischen Gegenstand zu umschreiben oder
genau zu schildern.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Nachfolgend wird nun einzeln auf
mehrere Ausführungsformen
der Erfindung Bezug genommen, für
die Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht werden.
Die Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung und schränken nicht den
Umfang der nachstehenden Ansprüche
ein.
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1A ist
eine Systemebenen-Abbildung einer Ausführungsform einer Datenverarbeitungsanlage
mit einem oder mehreren schnurlosen Geräten, die ein erfindungsgemäßes Antennensystem
umfassen.
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1B ist
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
von Bauelementen eines Computers und eines schnurlosen Geräts, die
erfindungsgemäß in drahtloser
Kommunikation stehen.
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2A ist
eine grafische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Innenansicht
eines erfindungsgemäßen schnurlosen
Geräts.
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2B ist
ein Anordnungsbild der ersten Ausführungsform einer elektronischen
Leiterplatte mit einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antennensystems.
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2C ist
eine grafische Darstellung einer alternativen Ausführungsform
der ersten Ausführungsform
der Innenansicht eines erfindungsgemäßen schnurlosen Geräts.
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3A ist
eine grafische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antennensystems.
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3B ist
eine grafische Darstellung der zweiten Ausführungsform des Antennensystems
innerhalb einer zweiten Ausführungsform
eines schnurlosen Geräts
mit erfindungsgemäß beschränktem Raum.
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4A ist
eine grafische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antennensystems.
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4B zeigt
eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Leiterplatte.
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4C ist
eine grafische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antennensystems.
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4D ist
ein Blockschaltbild einer fünften Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Antennensystems.
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5 ist
ein Flußschaltbild
einer Ausführungsform
eines Verfahrens zur Entwicklung eines Antennensystems zur Verwendung
innerhalb eines Geräts
mit erfindungsgemäß beschränktem Raum.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die Abbildungen (bzw. Zeichnungen)
zeigen eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung nur zu Veranschaulichungszwecken. Es sei erwähnt, daß ähnliche
Bezugsnummern in den Abbildungen möglicherweise auf eine ähnliche
Funktion hinweisen. Der Fachmann erkennt anhand der nachfolgenden
Diskussion mühelos,
daß alternative
Ausführungsformen
der hier offenbarten Konstruktionen und Verfahren angewandt werden
können,
ohne von den Grundsätzen
der hier dargelegten Erfindungen) abzuweichen.
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Die Erfindung umfaßt ein Antennensystem mit
einer Antennenschleife, wobei ein Teil (bzw. eine oder mehrere Windungen)
der Antennenschleife in einem anderen dreidimensionalen geometrischen Raum
als ein anderer Teil bzw. Teile der Antennenschleife angeordnet
ist. In einer Ausführungsform
ist die Antennenschleife so ausgestaltet, daß gute Nachrichtensignal-Übertragungs-
und Empfangsmerkmale innerhalb eines kleinen (oder beschränkten) Innenraums
bereitgestellt werden, in dem eine große Antenne unpraktisch und
unerwünscht
ist. Die Antennenschleife kann beispielsweise in einem schnurlosen
elektronischen Gerät
mit kleinem Formfaktor untergebracht werden, wie z. B. einem schnurlosen
Zeigegerät
oder einem universellen Steuergerät, bei dem Oberflächengröße und Rauminhalt
größenmäßigen und
ergonomischen Beschränkungen unterliegen.
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1A ist
eine Systemebenen-Abbildung einer Ausführungsform einer Datenverarbeitungsanlage 101 mit
einem oder mehreren schnurlosen (bzw. drahtlosen) elektronischen
Peripheriegeräten,
die ein erfindungsgemäßes Antennensystem
umfassen. Das bzw. die Peripheriegeräte können mit einem zentralen elektronischen
Gerät (z.
B. einem Host-Computer) oder miteinander kommunizieren. In einer Ausführungsform
kann das Datenverarbeitungssystem 101 einen Computer 110 enthalten,
der mit einem oder mehreren schnurlosen Peripheriegeräten kommunikativ
gekoppelt ist.
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Der Computer 110 kann ein
herkömmliches programmierbares
Gerät sein,
z. B. ein PC, ein Personal Digital Assistant (PDA), ein Set-Top-Box
(STB) o. Ä.
Die Peripheriegeräte
können
Steuergeräte
wie z. B. eine Tastatur 120, eine Maus 130, ein
Trackball oder ein Berührungstablett
(Touchpad) sein. Die Peripheriegeräte können auch Bildgeräte wie z.
B. eine Videokamera 140 oder ein Scanner sein. Andere mögliche Peripheriegeräte sind
z. B. Videospielvorrichtungen (z. B. ein schnurloses Lenkrad, ein
Joystick oder Spielsteuergerät)
oder eine Unterhaltungsvorrichtung (z. B. ein schnurloser Lautsprecher).
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Es sei erwähnt, daß die elektronischen Geräte, insbesondere
die Peripheriegeräte,
relativ kleine Formfaktoren aufweisen. Die Abmessungen der Maus 130 können beispielsweise
etwa 8 bis 12 Zentimeter mal 4 bis 6 Zentimeter mal 3 bis 6 Zentimeter betragen.
Die Abmessungen des Joysticks können etwa
8 bis 14 Zentimeter mal 5 bis 10 Zentimeter mal 3 bis 6 Zentimeter
betragen. Die Abmessungen der Videokamera 140 können beispielsweise
etwa 3 bis 8 Zentimeter mal 3 bis 8 Zentimeter mal 3 bis 8 Zentimeter
betragen. Dies heißt
wiederum, daß die
elektronischen Peripheriegeräte
im All gemeinen relativ beschränkte
(bzw. kleine) Stellflächen
und/oder kleine Rauminhalte aufweisen.
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1B ist
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
von Bauelementen eines Computers 110 und eines schnurlosen
Geräts,
z. B. der Maus 130, bei erfindungsgemäßer drahtloser Datenkommunikation.
Das schnurlose Gerät
kann zur Steuerung von Teilen des Computers 110 und/oder
zur Übertragung von
Daten an den Computer 110 dienen, ähnlich wie ein herkömmliches
Zeigegerät,
eine herkömmliche Videospielvorrichtung
oder ein herkömmliches
Videogerät.
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In einer Ausführungsform enthält der Computer 110 eine
Zentraleinheit (CPU) 150, einen Arbeitsspeicher 155,
ein optionales Speichergerät 160, einen
optionalen Ein- /Ausgabe-Port 165 und
einen Empfänger 170.
Der Empfänger 170 kann
auch ein Sender-Empfänger
sein, der in der Lage ist, Nachrichtensignale sowohl zu empfangen
als auch auszusenden. Die CPU 150, der Arbeitsspeicher 155,
das Speichergerät 160,
der Ein-/Ausgabe-Port 165 und der Empfänger 170 sind über einen
Datenbus 175 miteinander gekoppelt.
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In einer Ausführungsform ist die CPU 150 ein herkömmlicher
Prozessor, beispielsweise ein Pentium-Prozessor von Intel (Santa
Clara, Kalifornien) oder ein PowerPC-Prozessor von Motorola (Schaumburg,
Illinois). Der Arbeitsspeicher 155 ist ein herkömmlicher
Arbeitsspeicher, beispielsweise ein dynamischer RAM (Speicher mit
wahlfreiem Zugriff) oder ein statischer RAM. Das Speichergerät 160 ist
ein herkömmliches
Speichergerät,
beispielsweise ein Magnetplattenspeicher, eine optische Speicher platte,
ein Bandspeichergerät
oder ein Halbleiterspeicher (z. B. Flash Memory). Der Datenbus 175 ist
ein herkömmlicher
Datenbus, beispielsweise ein Systembus oder ein Bus zur Verbindung
von Peripheriekomponenten (PCI-Bus). Der Empfänger 170 (bzw. Sender-Empfänger) ist
ein herkömmliches
Empfangsgerät
(bzw. Sende-/Empfangsgerät).
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Das schnurlose Gerät ist beispielsweise
ein Steuer- oder Zeigegerät.
Dies kann die Maus 130, die Videokamera 140, der
Joystick, das Lenkrad oder ein Fernbedienungsgerät sein. Rein zu Veranschaulichungszwecken
wird in 1B eine Ausführungsform
der Maus 130 beschrieben, unter der Voraussetzung, daß die hier
beschriebenen Konzepte auf andere schnurlose Vorrichtungen wie die
oben genannten anwendbar sind. Die Maus 130 enthält einen
Arbeitsspeicher 177, eine Mikrocontroller-Steuereinheit (MPU) 180 und
einen Sender 190.
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Es sei erwähnt, daß der Arbeitsspeicher 177 in
die MPU 180 integriert sein kann. Der Sender 190 kann
wahlweise ein Sender-Empfänger
sein, der in der Lage ist, Nachrichtensignale sowohl auszusenden
als auch zu empfangen. Die Maus 130 kann zusätzliche
Bauelemente 185 enthalten, z. B. ein optisches Laser- und
Erkennungsmodul. Der Arbeitsspeicher 177, die MPU 180,
die Bauelemente 185 und der Sender 190 sind über eine
elektrische Signalleitung 195 miteinander gekoppelt, die
eine Art von Datenbus sein kann. Außerdem sei erwähnt, daß die Maus 130 auch
ein Netzteil (nicht dargestellt) enthält, das die jeweiligen Bauelemente
wie zum Beispiel die MPU 180 oder den Sender 190 mit
Strom versorgt.
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In einer Ausführungsform ist der Arbeitsspeicher 177 ein
herkömmlicher
Arbeitsspeicher, beispielsweise ein dynamischer oder statischer
Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) oder ein Flash Memory. Die
MPU 180 ist eine herkömmliche
MPU, beispielsweise eine der Serie 6805 oder 6808 von Motorola.
Der Sender (bzw. Sender-Empfänger) 190 ist ein
herkömmlicher
Sender (bzw. Sender-Empfänger).
Die Bauelemente können
herkömmliche
Bauelemente sein, beispielsweise ein optisches Modul von Hewlett-Packard
Inc. (Palo Alto, Kalifornien).
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Der Computer 110 und das
Steuergerät,
z. B. die Maus 130, sind im Allgemeinen über den
Empfänger 170 und
den Sender 190 (bzw. die jeweiligen Sender-Empfänger) kommunikativ
miteinander verbunden. Die Maus 130 sendet z. B. unter
Verwendung eines herkömmlichen
drahtlosen Protokolls Daten an den Computer 110. Genauer
gesagt ist der Sender 190 mit einem Antennensystem gekoppelt, wodurch
das drahtlose Protokoll über
ein Nachrichtensignal an eine Antenne übertragen wird, die mit dem
Empfänger
am Computer 110 gekoppelt ist. Das Nachrichtensignal kann
ein Hochfrequenzsignal sein, das in einem breiten Frequenzbereich,
zum Beispiel im Bereich von 10 MHz bis 100 MHz, übertragen wird.
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Wir wenden uns jetzt 2A zu, die eine grafische Darstellung
einer ersten Ausführungsform der
Innenansicht eines erfindungsgemäßen schnurlosen
(peripheren) Geräts 210 zeigt.
Das schnurlose Gerät 210 kann
eine schnurlose Maus sein, die in ihrer Funktion der Maus 130 im
Hinblick auf die Steuerfunktionen für den Computer
110 ähnelt. Das
schnurlose Gerät 210 umfaßt ein Gehäuse 215 und
eine Elektronik- oder
gedruckte) Leiterplatte 220.
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Das Gehäuse 215 erzeugt einen
relativ kleinen Innenraum, dessen Grundfläche und Rauminhalt begrenzt
sind. Die Elektronik-Leiterplatte 220 befindet sich gewöhnlich innerhalb
des Gehäuses
auf einer kartesischen Ebene (einer X-Ebene, Y-Ebene oder Z-Ebene), die die größten Abmessungen
aufweist. Es sei erwähnt,
daß die
Abmessungen des Innenraums innerhalb des Gehäuses in einer Ausführungsform
beispielsweise etwa 6 bis 10 Zentimeter mal 2 bis 5 Zentimeter mal
2 bis 4 Zentimeter betragen. Eine Alternativausführungsform der ersten Ausführungsform
einer Innenansicht eines schnurlosen Peripheriegeräts 212 ist
in 2C dargestellt. In dieser
Ausführungsform
ist der Umfang der Elektronik-Leiterplatte 220 möglicherweise
kleiner als der Umfang eines zweiten Teils 240b der Antenne.
Dieser zweite Teil 240b der Antenne befindet sich in einer
anderen dreidimensionalen Ebene als die Elektronik-Leiterplatte 220.
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2B ist
eine grafische Darstellung der Elektronik-Leiterplatte 220 und
einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Antennensystems
(allgemein 240). Die Elektronik-Leiterplatte 220 kann
eine Leiterplatte (bzw. Platine) 230 sein oder enthalten.
Die Leiterplatte 230 enthält einige elektronische Funktionselemente 235 für das Peripheriegerät und mindestens
einen Teil (z. B. einen ersten Teil) des Antennensystems 240a.
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Ein anderer (z. B. ein zweiter) Teil
des Antennensystems 240b(1), 240b(2) (allgemein 240b)
befindet sich nicht auf der Elektronik-Leiterplatte 240. Der
zweite Teil des Antennensystems 240b(1), 240b(2) ist
jedoch so mit dem ersten Teil des Antennensystems 240a verbunden
(z. B. bei 245b bzw. 245a), daß logisch eine einzige Antenne
gebildet wird. Man beachte, daß der
zweite Teil 240b einen oder mehrere Teile umfassen kann
(daher das Beispiel mit den Bezugsnummern 240b(1), 240b(2)). Wenn
sie mit den anderen Teilen verbunden sind, bilden sie jedoch eine
einheitliche Antenne. Diese einheitliche logische Antenne ist eine
Antennenschleife.
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In einer Ausführungsform kann der erste Teil 240a des
Antennensystems als eine Metall-Leiterbahn auf der Leiterplatte 230 gebildet
werden. Die Metall-Leiterbahn kann auf die Leiterplatte 230 aufgedruckt
(bzw. geätzt
oder plaziert) werden. Um die Länge
der Antennenschleife zu erhöhen,
wird die Metall-Leiterbahn so weit wie möglich entlang der Kante der
Leiterplatte 230 ausgedehnt. Der zweite Teil 240b des
Antennensystems kann ein Antennendraht sein. Der Antennendraht kann
ein herkömmlicher
Antennendraht mit guten Nachrichtensignal-Sende- und Empfangsmerkmalen
sein. Der Antennendraht kann beispielsweise ein Kupfer- oder verkupferter
Draht sein. Eine andere Möglichkeit
ist ein Antennendraht, bei dem ein Stahlkern von Kupfer und Zinn
umgeben ist.
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Generell kann die Leiterplatte 230 in
einer Ausführungsform
einen Umfang (bzw. eine Größe) von
beispielsweise etwa 15 bis 24 Zentimeter aufweisen (ausgehend von
einer Leiterplatte mit beispielsweise den Abmessungen 6 bis 9 Zentimeter
mal 3 bis 6 Zentimeter). Ferner kann die Länge des Antennendrahts entlang
der Außenkante
der Leiterplatte 230 beispielsweise etwa 6 bis 9 Zentimeter
in einer Richtung mal 2 bis 5 Zentimeter in einer anderen Richtung betragen.
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In einer Ausführungsform ist der zweite Teil 240b an
einer oder mehreren Kontaktstellen 245a, 245b (allgemein 245)
mit dem ersten Teil 240a verbunden. Die Kontaktstellen 245 können gewöhnliche Lötstellen
sein. Ab den Kontaktstellen 245 kann der zweite Teil 240b so
angeordnet sein, daß er
in einer anderen geometrischen Ebene als der erste Teil 240b des
Antennensystems liegt. So entsteht eine Antennenschleife innerhalb
eines dreidimensionalen geometrischen Raumes mit kartesischem Koordinatensystem,
z. B. 250. Um die Länge
der Antennenschleife zu erhöhen,
kann der zweite Teil 240b außerdem so ausgestaltet werden,
daß er
sich weitgehend auf einer anderen dreidimensionalen Ebene als der erste
Teil 240a befindet, beispielsweise im wesentlichen parallel
(z. B. 240b(2)) zum ersten Teil 240a, so daß die Antennenschleife
auf einer X-Ebene,
einer Y-Ebene und einer Z-Ebene liegt.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht
also darin, daß die
Antennenschleife des Antennensystems nicht mehr auf eine einzelne
zweidimensionale Ebene wie beispielsweise die kartesische X-Y-Ebene
der Leiterplatte 230 beschränkt ist, sondern auf den dreidimensionalen
Raum, also die X-, Y- und Z-Achse des kartesischen Koordinatensystems
ausgedehnt wird. Die daraus resultierende Erhöhung der Gesamtlänge der
Antennenschleife erhöht
die Sende- und Empfangsqualität
von Nachrichtensignalen, insbesondere von Nachrichtensignalen im
Frequenzbereich unterhalb von 100 MHz.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung
besteht in der Flexibilität
der Auslegung für
Umgebungen mit einem höheren
Grad an elektrischen Störungen
bzw. Empfindlichkeit. Bei einigen Empfängeranlagen nach USB-Spezifikationen
(USB = universeller serieller Bus) beispielsweise können herkömmliche
Antennenschleifenkonstruktionen, bei denen eine geätzte Schleife
um die USB-Elektronik herum verläuft, übermäßige Störungen des
HF-Signalempfangs verursachen, was zu einer Schwächung oder zum Verlust des
HF-Signals führen kann.
Die vorliegende Erfindung umfaßt
eine Fertigungs- und Konstruktionstechnik, die eine Antennenschleife
in einem dreidimensionalem geometrischen Raum liefert, die zu einer
vorteilhaften Erhöhung
der Länge
der Antennenschleife bei gleichzeitiger Reduzierung der Auswirkungen
von störungsverursachender
Elektronik führt.
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3A ist
eine grafische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antennensystems.
Generell kann in einer Ausführungsform
eine Leiterplatte (bzw. Platine) 320 so hergestellt werden,
daß sie
eine Antenne 310 und elektronische Bauelemente 315 umfaßt. Die
Leiterplatte 320 besteht aus einem herkömmlichen Kunststoff bzw. Kunstharz.
In einer Ausführungsform
wird die Leiterplatte 320 so gebildet, daß sie in
einem elektronischen Gerät
mit kleinem, beschränktem
Rauminhalt untergebracht werden kann. Die Leiterplatte 320 kann
beispielsweise 4 bis 10 Zentimeter lang mal 2 bis 8 Zentimeter breit
und ein paar Millimeter bis 4 Zentimeter hoch sein. Dieses Gebilde
könnte
in relativ kleinen schnurlosen Geräten untergebracht werden, z.
B. in einem Zeigegerät,
einem Steuergerät oder
einem Datenübertragungsgerät. Dieses
Gebilde ist auch für
eine schnurlose Basisstation geeignet, die einen Empfän ger oder
Sender-Empfänger
enthalten könnte,
der mit einem Computer verbunden ist, beispielsweise dem Computer 110.
Die schnurlose Basisstation kann einen kleinen Innenraum aufweisen,
dessen Abmessungen beispielsweise 4 bis 10 Zentimeter Länge und
Breite und 1 bis 4 Zentimeter Höhe
betragen.
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Die elektronischen Bauelemente 315 können herkömmliche
elektronische Bauelemente sein, die in der Lage sind, mindestens
eine von verschiedenen elektronischen Funktionen auszuführen. Die
elektronischen Bauelemente 315 können beispielsweise Empfangs-
oder Sende-/Empfangselektronik nach USB-Standard umfassen, die Hochfrequenzsignale (HF-Signale)
empfängt
und/oder erzeugt. In einem anderen Beispiel können die elektronischen Bauelemente 315 Steuergeräte-Verarbeitungselektronik umfassen,
mit der die mechanischen Vorgänge
an der Maus in ein entsprechendes elektrisches Signal zur Interaktion
mit dem Computer 110 umgesetzt werden. Diese elektrischen
Signale können
dann unter Verwendung von HF-Signalen an ein reziprok arbeitendes
Gerät übertragen
werden. Die Antenne 310 empfängt und/oder überträgt die HF-Signale. Die elektronischen
Bauelemente 315 sind über
einen Draht oder ein anderes Signalübertragungsbauelement 325,
z. B. einen elektrischen Stecker, miteinander gekoppelt.
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Die elektronischen Bauelemente 315 können innerhalb
des Innenraums der Leiterplatte („PCB") 320 angeordnet werden. Die
Antenne 310 kann so ausgestaltet werden, daß sie an
bzw. sehr nahe an jeder Außenkante
der Leiterplatte 320 aufgedruckt (bzw. geätzt oder
angebracht) wird. Bei dieser Ausgestaltung bildet die Antenne 310 eine
An tennenschleife. In einer Ausführungsform
wird die Leiterplatte 320 so gefertigt, daß ein dünner Bereich,
der die Antenne 310 enthält, im wesentlichen nahe an
den Außenkanten
abgeschnitten (bzw. eingeschnitten) wird. In einer Ausführungsform
weist der dünne
Bereich beispielsweise eine Breite von etwa 1 Millimeter bis 1 Zentimeter
auf, gemessen von der Außenkante bis
zur Innenkante des dünnen
Bereichs. Durch das Einschneiden der Leiterplatte 320 auf
diese Weise kann ein Teil der Leiterplatte 320, der die
Antenne enthält,
weitgehend von den elektronischen Bauelementen 315, die
bei Betrieb der elektronischen Bauelemente 315 HF-Signalstörungen im
Hinblick auf die Antenne 310 verursachen können, getrennt
(oder abgeteilt oder „geöffnet") werden.
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Ein Vorteil der Auslegung der Leiterplatte 320 besteht
darin, daß sie
den Einbau einer Antenne 310 und elektronischer Bauelemente 315 auf
der Leiterplatte 320 innerhalb eines allgemeinen Fertigungsverfahrens
ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Leiterplatte 320 auf
geeignete Weise in einen Teil mit der Antenne 310 und einen Teil
mit den elektronischen Bauelementen unterteilt werden kann. So kann
dieselbe anfängliche
Leiterplatte 320 für
die Herstellung beider Bauelemente benutzt werden, was zu einer
Erhöhung
der Fertigungsausbeute von einer anfänglichen Leiterplatte und zur Reduzierung
des Ausschusses beim Fertigungsprozeß und somit zur Reduzierung
der Fertigungsstückkosten
beiträgt.
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3B ist
eine grafische Darstellung der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antennensystems.
Die Leiterplatte 320 enthält die elektronischen Bauelemente 315 sowie
eine Antenne (allgemein 330). Die Antenne 330 ähnelt funktio nell der
oben beschriebenen Antenne 310. In dieser Ausführungsform
umfaßt
die Antenne 330 einen ersten Teil 330a und einen
zweiten Teil 330b. Der erste Teil 330a kann zuerst
auf die Leiterplatte 320 gedruckt werden. Dieser Abschnitt
wird dann vom Rest der Leiterplatte 320 wie oben beschrieben
abgetrennt. Der zweite Teil 330b kann ein Antennendraht
sein, der beispielsweise dem oben beschriebenen Antennendraht ähnelt.
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Der erste Teil 330a der
Antenne enthält
ein erstes Ende 330a(1) und ein zweites Ende 330a(2). Der
zweite Teil 330b der Antenne enthält ebenfalls ein erstes Ende 330b(1) und
ein zweites Ende 330b(2). In einer Ausführungsform ist das erste Ende 330a(1) des
ersten Teils 330a mit dem zweiten Ende 330b(2) des
zweiten Teils 330b verbunden, und das zweite Ende 330a(2) des
ersten Teils 330a ist mit dem ersten Ende 330b(1) des
zweiten Teils 330b der Antenne verbunden. Es sei erwähnt, daß die Verbindungen
auch auf verschiedene andere Weisen erfolgen können, zum Beispiel umgekehrt.
Der zweite Teil 330b der Antenne ist auf einer anderen
kartesischen Ebene als der erste Teil 330a der Antenne
angeordnet. So kann sich der zweite Teil 330b beispielsweise auf
im wesentlichen derselben X-Ebene und Y-Ebene wie der erste Teil 330a befinden,
jedoch auf einer anderen Z-Ebene als der erste Teil 330a der
Antenne. Es sei erwähnt,
daß die
Antenne 330 zwar zwei (oder mehr) Teile umfassen kann,
jedoch logisch wie eine einzige Antenne funktioniert.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht
darin, daß sie
eine flexible Antennenschleife aufweist, bei der die Gesamtgröße (bzw.
Länge)
der Antenne dadurch erhöht
wird, daß ein
Teil der Antennenschleife in einen anderen Raum eines dreidimensionalen,
kartesi schen geometrischen Raums verlegt wird. Die Länge der
Antennenschleife wird beispielsweise dadurch erhöht, daß der erste Teil 330a der
Antenne durch den zweiten Teil 330b der Antenne verlängert wird. Außerdem wird
die Länge
(bzw. Größe) der
Antennenschleife auch dadurch erhöht, daß der Antennenschleife zusätzliche
Windungen hinzugefügt
werden. So kann der zweite Teil 330b der Antenne zum Beispiel
zwei oder mehrere Windungen umfassen, die die Antennenfläche erhöhen, was
zu einer Steigerung der Signalempfangs- und Signalübertragungsqualität beiträgt.
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Die Erfindung ist für Geräte vorteilhaft,
die beispielsweise im Frequenzbereich von unter etwa 100 MHz arbeiten
und nur eine kleine Fläche
bzw. einen kleinen Rauminhalt aufweisen, in dem eine Antenne angeordnet
werden kann. Da die Erfindung die Verwendung niedrigerer Frequenzen
in solch räumlich
beschränkten
Geräten
ermöglicht,
gibt es wiederum weitere Vorteile wie z. B. reduzierten Leistungsbedarf
und reduzierte Komplexität
des elektrischen Schaltkreises. Diese Vorteile ermöglichen
weitere Kosteneinsparungen bei der Entwicklung und Fertigung solcher
Geräte.
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4A ist
eine grafische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antennensystems.
Generell enthält
eine Leiterplatte (bzw. Platine) (allgemein 420) elektronische
Bauelemente (allgemein 415) und eine Antenne (allgemein 410).
Die Leiterplatte 420 besteht aus einem herkömmlichen
Kunststoff bzw. Kunstharz. Diese Leiterplatte 420 mit dem
Antennensystem kann wie die weiter oben beschriebene Leiterplatte 320 ebenfalls so
konstruiert werden, daß sie
in verschiedenen Gehäusen
unterschiedlicher Form und Größe untergebracht
werden kann, z. B. in einem elektronischen Gerät mit einem kleinen, beschränkten Rauminhalt. Die
Leiterplatte 420 mit dem Antennensystem ist zum Beispiel
für ein
Empfangs- oder Sende-/Empfangsgerät geeignet,
das mit einem Computer, beispielsweise dem Computer 110,
zur kommunikativen Kopplung (z. B. Übertragung von HF-Signalen)
mit einem schnurlosen Peripheriegerät verbunden ist.
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In dieser Ausführungsform kann die Leiterplatte 420 so
gefertigt werden, daß ein
Teil 420a von ihr eingeschnitten (oder weggeschnitten)
ist. Der eingeschnittene Teil 420a der Leiterplatte macht
es möglich,
Teil 420a der Leiterplatte oberhalb ihres restlichen Teils 420b zu
montieren. In einer Ausführungsform
enthalten der eingeschnittene Teil 420a und der restliche
Teil 420b die elektronischen Bauelemente 415.
Eine erste Gruppe von elektronischen Bauelementen 415a kann
auf der oberen und/oder unteren Oberfläche des eingeschnittenen Teils 420a angebracht
werden. Weiterhin wird der eingeschnittene Teil 420a oberhalb
des Bereichs (bzw. weitgehend huckepackartig auf dem Bereich) des
restlichen Teils 420b montiert, der eine zweite Gruppe
elektronischer Bauelemente 415b enthalten kann. Elektrische
Drähte
oder Stecker 425 verbinden die elektrischen Bauelemente 415a, 415b und
können
auch mit der Antenne 410 verbunden sein.
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Der eingeschnittene Teil 420a der
Leiterplatte trennt (bzw. „öffnet") diesen Teil 420a der
Leiterplatte 420 von ihrem Rest. Weiterhin wird die Leiterplatte 420 auf
eine An und Weise eingeschnitten, daß ein dünner Bereich (beispielsweise
etwa 1 Millimeter bis 1 Zentimeter breit) nahe an den Außenkanten
der Leiterplatte 420 verbleibt. In diesem dünnen Bereich wird
ein erster Teil 410a der Antenne angeordnet. Der erste
Teil
410a der Antenne kann entlang oder innerhalb dieses
dünnen
Bereichs aufgedruckt (bzw. geätzt
oder angebracht) werden.
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Die Antenne 410 umfaßt den ersten
Teil 410a und kann auch einen oder mehrere weitere Teile
umfassen, z. B. einen zweiten Teil 410b. Der zweite Teil 410b kann
ein Antennendraht sein, der beispielsweise dem weiter oben beschriebenen
Antennendraht ähnelt.
Der erste Teil 410a der Antenne umfaßt ein erstes Ende 410a(1) und
ein zweites Ende 410a(2). Der zweite Teil 410b der
Antenne umfaßt
ebenfalls ein erstes Ende 410b(1) und ein zweites Ende 410b(2).
In einer Ausführungsform
ist das erste Ende 410a(1) des ersten Teils 410 mit
dem zweiten Ende 410b(2) des zweiten Teils 410b verbunden,
und das zweite Ende 410a(2) des ersten Teils 410a ist
mit dem ersten Ende 410b(1) des zweiten Teils 410b der Antenne
verbunden. Es sei erwähnt,
daß in
anderen Ausführungsformen
andere Verbindungskombinationen benutzt werden können, zum Beispiel umgekehrt.
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Der zweite Teil 410b der
Antenne ist in einer anderen kartesischen Ebene als der erste Teil 410a der
Antenne angeordnet. So kann sich der zweite Teil 410b beispielsweise
auf im wesentlichen derselben X-Ebene und Y-Ebene wie der erste
Teil 410a befinden, jedoch auf einer anderen Z-Ebene als
der erste Teil 410a der Antenne. Es sei erwähnt, daß die Antenne 410 zwar
zwei (oder mehr) Teile umfassen kann, jedoch logisch wie eine einzige
Antenne funktioniert. Der zweite Teil 410b der Antenne 410 kann außerdem eine
oder mehrere Windungen in der Antennenschleife aufweisen.
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4B zeigt
eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Leiterplatte 420.
In dieser Ansicht ist eine Ausführungsform
der Windungen des Teils des Antennendrahts, der sich nicht auf der
Leiterplatte 420 befindet, als 410b, 410c und 410d dargestellt. 4D zeigt noch eine andere
Ausführungsform
(d. h. die fünfte)
der Erfindung, bei der die Leiterplatte 470 einen kleineren
eingeschnittenen Teil (z. B. ein Drittel) aufweist, der im wesentlichen
huckepackartig über
dem Rest der Leiterplatte 470 montiert ist. In dieser Ausführungsform
kann das Antennensystem 410 in der vertikalen Ebene (z.
B. der Z-Ebene) erweitert werden, um die Größe der Antennenschleife zu
erhöhen,
obwohl nur eine kleine zweidimensionale horizontale Ebene (z. B.
die X-Y-Ebene) für die anfängliche
Antennenschleife zur Verfügung
steht.
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4C veranschaulicht
eine vierte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Antennensystems.
In der vierten Ausführungsform
enthält
eine Leiterplatte 450 elektronische Bauelemente 455 weitgehend
auf einem Teil (z. B. einer Hälfte)
der Leiterplatte und eine Antenne (allgemein 460) auf einem separaten
Teil (z. B. der anderen Hälfte),
der von den elektronischen Bauelementen 455 entfernt ist.
Die Leiterplatte 450 und die elektronischen Bauelemente 455 ähneln im
Allgemeinen den weiter oben beschriebenen entsprechenden Bauelementen.
In der vierten Ausführungsform
ist die Antenne 460 auf einen offenen Teil der Leiterplatte 450 aufgedruckt.
Die Antenne kann außerdem
um zusätzliche
Teile, z. B. 460b und 460c, erweitert werden,
die zusätzliche Windungen
der Antennenschleife darstellen können. Diese zusätzlichen
Teile oder Windungen befinden sich auf einer anderen dreidimensionalen
kartesischen Ebene (z. B. einer Z-Ebene) als die erste Schleife
bzw. der erste Teil 460a, so daß die Länge (bzw. Größe) der
Rahmenantenne erhöht
wird.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht
darin, daß sie
eine flexible Antennenschleife aufweist, bei der die Gesamtgröße (bzw.
Länge)
der Antenne dadurch erhöht
wird, daß ein
Teil der Antennenschleife in einen anderen Raum eines dreidimensionalen,
kartesischen geometrischen Raums (z. B. eine separate oder andere
Z-Ebene) verlegt wird. Außerdem
können
der Antennenschleife zusätzliche
Windungen hinzugefügt
werden, um die Länge
der Antennenschleife zu erhöhen.
Die Erhöhung
der Länge
der Antennenschleife bietet den Vorteil, daß Nachrichtensignale unterhalb
von etwa 100 MHz, beispielsweise im 27 MHz-Bereich, übertragen
und empfangen werden können.
Die Erfindung macht es außerdem
möglich,
das Antennensystem entfernt von elektronischen Bauelementen zu platzieren,
die die Signalqualität
beeinträchtigen
können,
während
eine ausreichende Größe zur Gewährleistung
einer akzeptablen Signalübertragungs-
und – empfangsfähigkeit
bewahrt wird. Die Erfindung ist außerdem gut für Geräte von unterschiedlicher
Größe und Form
geeignet, insbesondere Geräte
mit beschränkten
(bzw. kleinen) Flächen
oder Rauminhalten.
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5 ist
ein Flußschaltbild
einer Ausführungsform
eines Verfahrens zur Entwicklung eines Antennensystems zur Verwendung
innerhalb eines Geräts
mit erfindungsgemäß beschränktem Raum. Das
Verfahren beginnt 510 mit einem ersten Teil einer Antennenschleife,
der mit Datenübertragungselektronik
verbunden und auf eine Leiterplatte aufgedruckt (bzw. geätzt) 515 wird.
Das Verfahren bestimmt 520, ob die Antennenschleife ein
ununterbrochener Draht sein soll. Wenn es kein ununterbrochener
Draht ist, wird der erste Teil der Antennenschleife mit einem zweiten
Teil der Antennenschleife verbunden 535. Wenn es ein ununterbrochener
Draht ist bzw. nachdem die Teile miteinander verbunden 535 wurden,
wird die Antennenschleife selbst und/oder der zweite Teil der Antennenschleife
in einem anderen geometrischen Raum als der erste Teil der Antennenschleife
fortgeführt 525.
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Das Verfahren bestimmt 530 dann,
ob der Antennenschleife Windungen hinzugefügt werden sollen. Ist dies
der Fall, so werden so lange Windungen hinzugefügt, bis keine weiteren Windungen
mehr gewünscht
werden. Das Verfahren hört
dann auf 540. Es sei erwähnt, daß der Ätzschritt ersetzt oder später im Verfahren
erfolgen kann, so daß das
Verfahren beispielsweise mit dem Anschließen eines Antennendrahts an
die Datenübertragungselektronik
beginnt.
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Die Offenbarung liefert einige Ausführungsformen
für Erstellung,
Auslegung und Fertigung eines erfindungsgemäßen Antennensystems. Nach Lektüre der Offenbarung
wird der Fachmann noch weitere Alternativverfahren und -auslegungen
für ein erfindungsgemäßes Antennensystem
erkennen. Obwohl bestimmte Ausführungsformen
und Anwendungen der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden,
versteht sich daher von selbst, daß die Erfindung nicht auf die
genaue Konstruktion und die Bauelemente begrenzt ist, die hier offenbart
wurden, und daß verschiedene,
dem Fachmann offensichtliche Modifizierungen, Änderungen und Variationen an
der Ausgestaltung, der Funktionsweise und den Einzelheiten des Verfahrens
und der Vorrichtungen nach der offenbarten Erfindung vorgenommen
werden können,
ohne von der Wesensart und dem Umfang der Erfindung gemäß den beigefügten Ansprüchen abzuweichen.