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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Ifd. Nr. 62/472 968 (Anwaltsregisternr. 1500-G16050-PR), eingereicht am 17. März 2017 und mit dem Titel ”Antenna System for Head Mounted Virtual Reality Device”, und der US-Patentanmeldung Ifd. Nr. 15/668 431 (Anwaltsregisternr. 1500-G16050-US), eingereicht am 3. August 2017 und mit dem Titel ”Antenna System for Head Mounted Display Device”, die hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen sind.
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Zum Schutz als und der Gegenstand des Gebrauchsmusters sind gemäß den Anforderungen der Gebrauchsmusterverordnung nur Geräte, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, aber keine Verfahren. Falls in der Beschreibung auf Verfahren Bezug genommen wird, dienen diese Bezugnahmen lediglich zum Erläutern des Geräts oder der Geräte, für die Schutz mit den beigefügten Ansprüchen angestrebt wird.
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HINTERGRUND
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Gebiet der Offenbarung
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf am Kopf angebrachte Anzeigevorrichtungen (HMD-Vorrichtungen) und insbesondere auf Antennensysteme für HMD-Vorrichtungen.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Typischerweise ist eine am Kopf angebrachte Anzeigevorrichtung (HMD-Vorrichtung) mit einer oder mehreren externen Datenquellen zum Streamen von Video- oder Graphikinhalt zur Unterstützung einer eindringlichen Erfahrung von erweiterter Realität (AR) oder virtueller Realität (VR) verbunden, die durch die HMD-Vorrichtung erleichtert wird. Vorher wurde die Verbindung zwischen einer externen Datenquelle und der HMD-Vorrichtung über eine verdrahtete Anbindung vorgesehen. Solche Kabelverbindungen sind jedoch relativ schwer und ermüden folglich den Benutzer oder hemmen anderweitig die Beweglichkeit des Benutzers. An sich beseitigen einige HMD-Vorrichtungen die verdrahtete Verbindung zugunsten einer Verbindung eines drahtlosen lokalen Netzes (WLAN) mit der externen Datenquelle über eine invertierte F-Antenne oder Monopolantenne in der HMD-Vorrichtung. HMD-Vorrichtungen werden überdies zunehmend dazu konfiguriert, drahtlose Verbindungen zwischen der HMD-Vorrichtung und verschiedenen persönlichen Vorrichtungen wie z. B. einem Laptop-Computer, einem Smartphone, einem Audiosystem usw. oder einer in der Hand gehaltenen Steuereinheit über ein drahtloses persönliches Netz (WPAN) zu unterstützen, das durch eine an der HMD-Vorrichtung montierte WPAN-Antenne unterstützt wird.
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Häufig kann eine ausreichende Isolation zwischen einer invertierten F-Antenne oder Monopolantennen, die für WPAN- und WLAN-Zwecke in allgemeinen Systemen verwendet werden, durch eines oder mehrere erhalten werden von: Vorsehen eines ausreichenden Abstandes zwischen den zwei Antennen; Betreiben der zwei Antennen mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen; oder Konfigurieren der zwei Antennen so, dass sie nicht gleichzeitig arbeiten (das heißt zeitmultiplexiert sind). Diese Lösungen sind jedoch in HMD-Vorrichtungsimplementierungen typischerweise nicht ausführbar. Die typischen Abmessungen einer HMD-Vorrichtung ermöglichen im Allgemeinen nicht, dass invertierte F/Monopol-Antennen ausreichend getrennt sind, um eine angemessene Isolation zu schaffen. Das Zeitmultiplexen zwischen den zwei Antennen in einer HMD-Vorrichtung ist ebenso häufig unerwünscht, da dies die effektiven Bandbreiten beider Antennen signifikant begrenzen würde. Hinsichtlich der Trennung der Antennen im Frequenzspektrum würde diese Methode die Anzahl von Typen von Vorrichtungen begrenzen, mit denen die HMD-Vorrichtung verbinden könnte. Zur Erläuterung, während mit IEEE 802.11 kompatible WLAN-Antennen entweder im Band mit 2,4 Gigahertz (GHz) oder im Band mit 5 GHz arbeiten können, arbeiten mit Bluetooth kompatible WPAN-Antennen in nur dem Band mit 2,4 GHz, und folglich würde die Begrenzung der WLAN-Antenne auf nur das Band mit 5 GHz verhindern, dass die WLAN-Antenne mit Zugangspunkten und anderen zu WLAN befähigten Vorrichtungen verbindet, die nur im Band mit 2,4 GHz arbeiten.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Offenbarung kann durch Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden und ihre zahlreichen Merkmale und Vorteile können für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich gemacht werden. Die Verwendung derselben Bezugszeichen in verschiedenen Zeichnungen gibt ähnliche oder identische Elemente an.
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1 ist ein Diagramm, das ein HMD-System unter Verwendung von an einer HMD montierten Antennen eines drahtlosen lokalen Netzes (WLAN) und drahtlosen persönlichen Netzes (WPAN), die eine effektive Antennenisolation während der gleichzeitigen Verwendung schaffen, gemäß einigen Ausführungsformen darstellt.
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2 ist ein Diagramm, das eine linksseitige perspektivische Vorderansicht einer WPAN-Antenne einer HMD-Vorrichtung des Systems von 1 gemäß einigen Ausführungsformen darstellt.
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3 ist ein Diagramm, das eine hintere perspektivische Ansicht der WPAN-Antenne von 2 gemäß einigen Ausführungsformen darstellt.
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4 ist ein Diagramm, das eine untere perspektivische Ansicht der WPAN-Antenne von 2 gemäß einigen Ausführungsformen darstellt.
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5 ist ein Diagramm, das eine perspektivische Draufsicht der WPAN-Antenne von 2 gemäß einigen Ausführungsformen darstellt.
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6 ist ein Diagramm, das eine hintere perspektivische Ansicht der WPAN-Antenne von 2, wobei eine hintere Metallblechstruktur entfernt ist, gemäß einigen Ausführungsformen darstellt.
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7 ist ein Diagramm, das eine linksseitige perspektivische Ansicht einer WLAN-Antenne der HMD-Vorrichtung des Systems von 1 gemäß einigen Ausführungsformen darstellt.
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8 ist ein Diagramm, das eine hintere perspektivische Ansicht der WLAN-Antenne von 7 gemäß einigen Ausführungsformen darstellt.
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9 ist ein Diagramm, das eine perspektivische Ansicht der WLAN-Antenne von 7, wobei eine hintere Metallblechstruktur entfernt ist, gemäß einigen Ausführungsformen darstellt.
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10 ist ein Diagramm, das ein Gehäuse einer HMD-Vorrichtung des Systems von 1, wobei die WPAN-Antenne von 2 und die WLAN-Antenne von 7 daran montiert sind, gemäß einigen Ausführungsformen darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1–10 stellen Beispielsysteme und Beispieltechniken zum Erleichtern von gleichzeitigen WPAN- und WLAN-Kommunikationen an einer HMD-Vorrichtung mit angemessener Antennenisolation dar. In mindestens einer Ausführungsform umfasst eine HMD-Vorrichtung ein Gehäuse, das so konfiguriert ist, dass es am Gesicht eines Benutzers angebracht wird, mit einer oder mehreren augennahen Anzeigen, die darin montiert sind, für die Anzeige von VR- oder AR-Inhalt für den Benutzer. Die HMD-Vorrichtung umfasst ferner eine WPAN-Antenne, die in einem mittleren Bereich des Gehäuses (das heißt einem Bereich des Gehäuses, der auf die Sagittalebene des Kopfs des Benutzers ausgerichtet ist, wenn es daran angebracht ist) montiert ist, und zwei WLAN-Antennen, die in jeweiligen seitlichen Umfangsbereichen des Gehäuses (das heißt in Bereichen des Gehäuses, die zur mittleren Ebene des Kopfs des Benutzers distal sind) montiert sind. Die zwei WLAN-Antennen können zusammen betrieben werden, um eine Dualkanal-Mehrfacheingangs-Mehrfach-WLAN-Antennenstruktur (Dualkanal-MIMO-WLAN-Antennenstruktur) zu schaffen. Im Betrieb können eine oder beide der WLAN-Antennen betrieben werden, um drahtlos Video/Graphik-Inhalt von einem Notebook-Computer, Servercomputer oder einer anderen Datenquelle für die Anzeige an der einen oder den mehreren augennahen Anzeigen der HMD-Vorrichtung zu streamen. Gleichzeitig kann die WPAN-Antenne betrieben werden, um drahtlos mit verschiedenen Vorrichtungen in der nahen Umgebung der HMD-Vorrichtung zu kommunizieren, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf eine oder mehrere in der Hand gehaltene Steuereinheiten, die der HMD-Vorrichtung zugeordnet sind, persönliche Benutzervorrichtungen wie z. B. ein Notebook-Computer, ein rechenfähiges tragbares Telefon (das heißt ein ”Smartphone”) und dergleichen.
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Die Montage der WPAN-Antenne im mittleren Bereich des Gehäuses, während die zwei WLAN-Antennen in den distalen seitlichen Umfangsbereichen des Gehäuses montiert sind, schafft eine effektive Optimierung des physikalischen Abstandes, der die zwei WLAN-Antennen voneinander trennt, und des physikalischen Abstandes, der jede der WLAN-Antennen von der WPAN-Antenne trennt, in Anbetracht der einschränkenden Abmessungen des Gehäuses selbst. An sich optimiert diese spezielle Montagekonfiguration effektiv die Antennenisolation zwischen den Antennen aufgrund der Signaldämpfung über den Abstand.
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Um die Isolation zwischen den drei Antennen weiter zu verbessern, können überdies eine oder beide der WPAN-Antenne und der WLAN-Antenne unter Verwendung von Patch-Richtantennen implementiert werden, die orthogonale Strahlungsmuster im Vergleich zu den Monopol- oder invertierten F-Antennen bereitstellen, die herkömmlich in HMD-Vorrichtungen verwendet werden, und folglich den Vorteil einer verbesserten Antennenisolation aufgrund ihrer gerichteten Strahlungsmuster schaffen, während auch im Wesentlichen die Menge an Strahlung verringert wird, die in der Richtung des Kopfs des Benutzers emittiert wird, und dadurch ein potentielles Gesundheitsbesorgnis verringert wird. In einigen Ausführungsformen werden ferner die Patch-Richtantennen unter Verwendung einer dreidimensionalen (3D) Masseebene implementiert, in der eine planare Masseebene und leitfähige Seitenwände elektrisch gekoppelt sind, um effektiv ein offenendiges leitfähiges polygonales 3D-Prisma oder eine 3D-Masseebene unter der Strahlungsstruktur der Patch-Richtantenne zu bilden, was dazu dient, die Richtungsabhängigkeit des Strahlungsmusters der Patch-Richtantenne zu verbessern, während die in der Richtung des Kopfs des Benutzers emittierte Strahlung weiter verringert wird.
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1 stellt ein System 100 auf HMD-Basis zum Bereitstellen von AR- oder VR-Inhalt für einen Benutzer gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dar. Das System 100 umfasst eine HMD-Vorrichtung 102 und eine oder mehrere externe Datenquellen 104. Die HMD-Vorrichtung 102 umfasst ein Gehäuse 106 zum Anbringen am Kopf 108 eines Benutzers. Das Gehäuse 106 enthält verschiedene elektronische und optische Komponenten, die verwendet werden, um visuellen Inhalt für den Benutzer anzuzeigen, Audioinhalt an den Benutzer auszugeben, und eine Lage der HMD-Vorrichtung 102 zu verfolgen, wie z. B. eine oder mehrere augennahe Anzeigen 112, eine Trägheitsmesseinheit (IMU) 114 mit einem oder mehreren Sensoren auf Trägheits/Bewegungs-Basis, ein Verarbeitungsuntersystem 116, einen oder mehrere Bildsensoren 118, 120 sowie ein oder mehrere Audiolautsprecher, Linsen oder andere optische Elemente und dergleichen (nicht dargestellt). Um drahtlose Kommunikationen mit der einen oder den mehreren externen Datenquellen 104 zu erleichtern, enthält das Gehäuse 106 ferner ein Paar von WLAN-Antennen 122, 124 und eine WLAN-Steuereinheit 126, die als Schnittstelle zwischen den WLAN-Antennen 122, 124 und dem Verarbeitungsuntersystem 116 dient. Um drahtlose Kommunikationen mit einer oder mehreren nahen Vorrichtungen über eine WPAN-Verbindung zu erleichtern, enthält das Gehäuse 106 auch eine WPAN-Antenne 128 und eine WPAN-Steuereinheit 130, die an einer Schnittstelle zwischen der WPAN-Antenne 128 und dem Verarbeitungsuntersystem 116 dient. Solche nahe Vorrichtungen können beispielsweise eine oder ein Paar von drahtlosen in der Hand gehaltenen Steuereinheiten 132, 134 für die HMD-Vorrichtung 102, ein Mobiltelefon, einen Notebook-Computer und dergleichen umfassen.
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Als allgemeiner Überblick über den Betrieb des Systems 100 arbeitet die HMD-Vorrichtung 102 zum Anzeigen von visuellem Inhalt über die eine oder die mehreren augennahen Anzeigen 112 und Ausgeben von Audioinhalt über einen oder mehrere Lautsprecher (nicht dargestellt). Der visuelle und der Audioinhalt werden von der externen Datenquelle 104 bezogen, die beispielsweise einen entfernten Server, einen lokalen Notebook-Computer oder Desktop-Computer und dergleichen umfassen kann. Der visuelle und der Audioinhalt werden zum Verarbeitungsuntersystem 116 über eine WLAN-Verbindung gestreamt, die über die WLAN-Steuereinheit 126 und eine oder beide der WLAN-Antennen 122, 124 hergestellt wird, die zusammen als Dualkanal-MIMO-WLAN-Antenne arbeiten können. Die WLAN-Steuereinheit 126 und die WLAN-Antennen 122, 124 können irgendeine von einer Vielfalt oder eine Kombination von WLAN-Spezifikationen implementieren, wie z. B. eine oder mehrere der Spezifikationen IEEE 802.11a/b/g/n/ac/ad (auch als WiFi-Spezifikationen bekannt), um mit einem entsprechenden drahtlosen Zugangspunkt drahtlos zu verbinden. Wenn die Videodaten über die WLAN-Verbindung empfangen werden, führen ein oder mehrere Prozessoren (nicht dargestellt) des Verarbeitungsuntersystems 116 eine Software aus, die in einem oder mehreren Arbeitsspeichern (nicht dargestellt) gespeichert sind, um die empfangenen Videodaten zu verarbeiten, werden verarbeitet, um Sequenzen von Bildrahmen wiederzugeben, die dann an der augennahen Anzeige 112 angezeigt werden.
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Gleichzeitig führt das Verarbeitungsuntersystem 116 eine Software aus, um kontinuierlich eine Lage der HMD-Vorrichtung 102 zu aktualisieren, wobei die Lage eine oder beide einer Position oder Orientierung der HMD-Vorrichtung 102 umfassen kann. Als Teil dieses Prozesses kann das Verarbeitungsuntersystem 116 Positions-/Trägheits-Informationen von einem Magnetometer, Gyroskop, einer GPS-Schnittstelle oder einem anderen Sensor der IMU 114 verwenden. Ferner kann das Verarbeitungsuntersystem 116 eine Bilderwelt von einem oder mehreren der Abbildungssensoren 118, 120 sowie Tiefeninformationen von einem oder mehreren Tiefensensoren verwenden, um räumliche Merkmale in der Umgebung der HMD-Vorrichtung 102 zu bestimmen, und verschiedene visuelle Telemetrietechniken verwenden, um die Bestimmung der Lage zu erleichtern. Die aktuelle Lage der HMD-Vorrichtung 102 wird typischerweise vom Verarbeitungsuntersystem 116 verwendet, um die Perspektive einer Szene zu steuern, von der die Sequenzen von Bildern wiedergegeben werden, um eine eindringliche AR- oder VR-Erfahrung für den Benutzer bereitzustellen.
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In einigen Ausführungsformen verwendet das System 100 eine oder beide der drahtlosen in der Hand gehaltenen Steuereinheiten 132, 134, um einem Benutzer zu ermöglichen, Gestenbefehle und eine andere Benutzereingabe zu liefern, um den Betrieb des Systems 100 zu steuern. An sich umfassen die in der Hand gehaltenen Steuereinheiten 132, 134 typischerweise eine IMU mit einem oder mehreren Positions-/Trägheits-Sensoren, um die Bedienung der in der Hand gehaltenen Steuereinheit durch den Benutzer zu detektieren, um solche Gestenbefehle zu detektieren. Um den Bedarf an verdrahteten Verbindungen zwischen den in der Hand gehaltenen Steuereinheiten 132, 134 und der HMD-Vorrichtung 102 zu beseitigen, können die in der Hand gehaltenen Steuereinheiten 132, 134 stattdessen WPAN-Antennen verwenden, um eine WPAN-Verbindung mit der WPAN-Antenne 128 und der WPAN-Steuereinheit 130 herzustellen und die Sensordaten zum Verarbeitungsuntersystem 116 über die WPAN-Verbindung für IMU-Sensorfusion und Gestendetektionsverarbeitung zu übermitteln. Die WPAN-Antenne 128 und die WPAN-Steuereinheit 130 können so konfiguriert sein, dass sie mit einer oder mehreren einer Vielfalt von WPAN-Spezifikationen wie z. B. einer Bluetooth-Spezifikation und einer IEEE 802.15 Spezifikation kompatibel sind.
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WPAN- und WLAN-Spezifikationen ermöglichen häufig den Betrieb im gleichen Frequenzspektrum. Zur Erläuterung sehen viele der IEEE 802.11 WLAN-Spezifikationen den Betrieb im Spektrum mit 2,4 GHz vor, das dasselbe Spektrum ist, das durch die Bluetooth- und IEEE 802.15 WPAN-Spezifikationen festgelegt ist.
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Da es aufgrund der Datenübertragungsraten, die für die HMD-Vorrichtung 102 erforderlich sind, unausführbar ist, die Operationen der WLAN-Antennen 122, 124 und der WPAN-Antenne 128 unter Verwendung dieser Antennen zeitlich zu multiplexen, kann folglich die zeitliche und spektrale Koexistenz der Antennen 122, 124, 128 zu Interferenzproblemen und den Datenfehlerraten, die sich daraus ergeben, führen. Die relativ kleinen Abmessungen des Gehäuses 106 verbieten die herkömmliche Lösung für Interferenzprobleme durch die signifikante räumliche Trennung zwischen den Antennen 122, 124, 128.
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Die HMD-Vorrichtung 102 mildert solche Interferenzprobleme durch eine zweigleisige Methode: (1) Verwendung von effektiven Patch-Richtantennen, um gerichtete Strahlungsmuster bereitzustellen, die die Interferenz verringern und die Strahlung in Richtung des Kopfs des Benutzers verringern; und (2) eine spezielle Positionierung der Antennen 122, 124, 128, um den Abstand zwischen den Antennen 122, 124, 128 zu optimieren, während auch das gerichtete Strahlungsmuster der WPAN-Antenne 128 verwendet wird, um effektiv mit den drahtlosen in der Hand gehaltenen Steuereinheiten 132, 134 in ihrem erwarteten Umfang von Positionen zu kommunizieren, während sie in Gebrauch sind, und die gerichteten Strahlungsmuster der WLAN-Antennen 122, 124 verwendet werden, um den Dualkanal-MIMO-Betrieb zu schaffen. Simulationen haben demonstriert, dass diese zweigleisige Methode eine Antennenisolation von ungefähr 31 Dezibel (dB) in einer typischen HND-Konfiguration bereitstellen kann, die den Isolationsschwellenwert von 25 dB überschreitet, der als Minimum identifiziert ist, das für den effektiven koexistenten Antennenbetrieb geeignet ist.
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Im Hinblick auf die Verwendung einer Patch-Richtantenne für eine oder mehrere der Antennen 122, 124, 128 verwendet in einigen Ausführungsformen die Patch-Richtantenne eine leitfähige Masseebene und leitfähige Seitenwände, die zur leitfähigen Masseebene im Wesentlichen orthogonal sind und mit der leitfähigen Masseebene elektrisch gekoppelt sind, um effektiv eine 3D-Masseebenenstruktur unterhalb der Strahlungselementstruktur der Patch-Richtantenne zu bilden. Das heißt, die leitfähige Masseebene und die Seitenwände bilden einen offenendigen leitfähigen Kasten (oder eine andere 3D-Struktur), der tatsächlich als Hochfrequenz-Faraday-Käfig (HF-Faraday-Käfig) für die Strahlungselemente der Antenne dient. Unter Verwendung einer solchen 3D-Masseebene anstelle einer herkömmlichen flachen/planaren Masseebene kann die Größe der Antenne auf unter die Hälfte der Wellenlänge der Mittenfrequenz (das heißt weniger als λ/2) aufgrund der Streufelder an den Seitenwänden der 3D-Masseebene verringert werden. Überdies ist diese 3D-Masseebenenstruktur beim Dämpfen der Strahlung in der Richtung des Kopfs des Benutzers wirksam. Beispiele von Implementierungen auf der Basis der 3D-Masseebene der Antennen 122, 124, 128, werden nachstehend mit Bezug auf 2–10 beschrieben.
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Hinsichtlich der speziellen Positionierung der Antennen 122, 124, 128 in Bezug auf das Gehäuse 106 der HMD-Vorrichtung 102 haben die Erfinder entdeckt, dass die Positionierung der WPAN-Antenne 128 in einem mittleren Bereich 138 des Gehäuses 106, so dass die WPAN-Antenne 128 im Wesentlichen um die Sagittalebene 140 des Benutzers an der oberen Kante des Gehäuses 106 zentriert ist, während die WLAN-Antennen 122, 124 in seitlichen distalen Bereichen 142, 144 jeweils angeordnet sind, so dass die WLAN-Antennen 122, 124 nahe den jeweiligen seitlichen Kanten des Gehäuses 106, und insbesondere in einigen Implementierungen in der seitlichsten Ausdehnung der seitlichen Kanten der unteren Hälfte des Gehäuses 106 angeordnet sind. In einer solchen Konfiguration kann ein effektives Gleichgewicht zwischen dem Maximieren des Abstandes zwischen den WLAN-Antennen 122, 124 und der Abstände zwischen den WLAN-Antennen 122, 124 und der WPAN-Antenne 128 erreicht werden, während auch ein breites Blickfeld und eine gleichmäßige Strahlung für die drahtlose Kommunikation zwischen der WPAN-Antenne 128 und den drahtlosen in der Hand gehaltenen Steuereinheiten 132, 134 bereitgestellt werden, wenn sie vor dem Benutzer angeordnet sind, wie es erwartet wird, und die Oberflächenwellenerzeugung erleichtert wird, um den Bereich hinter dem Kopf des Benutzers zu erreichen. Eine Beispielimplementierung dieser speziellen Positionierung wird nachstehend mit Bezug auf 10 genauer beschrieben.
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Wenn man sich nun 2–6 zuwendet, wird eine Beispielimplementierung der WPAN-Antenne 128 als Patch-Richtantenne unter Verwendung einer 3D-Masseebene gemäß einigen Ausführungsformen genauer beschrieben. In dieser Implementierung umfasst die WPAN-Antenne 128 eine Einspeisungsleitung 202, eine vordere Strahlungsoberfläche 204, eine hintere Masseebenenstruktur 206 und mehrere Seitenwände 208, 209, 210, 211. Die WPAN-Antenne 128 kann ferner Komponenten umfassen, um die Befestigung der WPAN-Antenne 128 am Gehäuse 106 der HMD-Vorrichtung 102 zu erleichtern, wie z. B. Montageansätze 213, 217. In Bezug auf diese Implementierung der WPAN-Antenne 128 stellt 2 eine perspektivische Vorderansicht 400 dar, 3 stellt eine hintere perspektivische Ansicht dar, 4 stellt eine perspektivische Draufsicht 400 dar, 5 stellt eine untere perspektivische Ansicht 500 dar und 6 stellt eine hintere perspektivische Ansicht 600 dar, wobei die Masseebenenstruktur 206 entfernt ist.
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Die vordere Strahlungsoberfläche 204 implementiert eine Patch-Struktur 212 mit einem planaren Strahlungselement, das aus einem oder mehreren Metallen oder anderen leitfähigen Materialien besteht. Wie durch die Ansicht 200 von 2 dargestellt, wird diese Beispielimplementierung der WPAN-Antenne 128 als kapazitiv gekoppelte Patch-Richtantenne implementiert und folglich umfasst die Patch-Struktur 212 einen Einspeisungs-Patch 214 (beispielsweise als Mikrostreifen implementiert) und einen Strahlungs-Patch 215, wobei der Einspeisungs-Patch 214 mit der Einspeisungsleitung 202 elektrisch gekoppelt ist und mit dem Strahlung-Patch 215 über einen dielektrischen Spalt zwischen den zwei Patches 214, 215 kapazitiv gekoppelt ist. Obwohl 2 und 4 eine spezielle Konfiguration für den Einspeisungs-Patch 214 und den Strahlungs-Patch 215 darstellen, kann irgendeine von einer Vielfalt von Konfigurationen verwendet werden, wie geeignet.
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Die Seitenwände 208–211 bestehen aus Metall oder umfassen eine oder mehrere Schichten aus Metallmaterial, die mechanisch gekoppelt sind, um eine polygonale Umfangsstruktur zu bilden (die in diesem Fall eine Struktur mit rechteckigem Rand ist). Die hintere Masseebenenstruktur 206 umfasst eine primäre planare Struktur 216, die an einem Ende der Seitenwände 208–211 angeordnet ist und die zu den Seitenwänden im Wesentlichen orthogonal ist. Die vordere Strahlungsoberfläche 204 ist wiederum am entgegengesetzten Ende der Seitenwände 208–211 angeordnet. Wie durch die Ansichten 200 und 400 dargestellt und genauer mit Bezug auf 10 dargestellt, kann die vordere Strahlungsoberfläche 204 nicht planar und konturiert sein, um sie an die Kontur des Bereichs des Gehäuses 106 anzupassen, an dem die WPAN-Antenne 128 montiert werden soll. Die Seitenwände 208–211, die primäre planare Struktur 216 und die vordere Strahlungsoberfläche 204 bilden folglich zusammen ein polygonales Prisma (in diesem Fall ein rechteckiges Prisma). Überdies bestehen die Seitenwände 208–211 und die primäre planare Struktur 216 aus einem oder mehreren Metallen oder beinhalten eine oder mehrere Metallschichten, die auf einem dielektrischen Substrat angeordnet sind, und sind derart ausgebildet, dass das Metall der Seitenwände 208–211 und das Metall der primären planaren Struktur 216 elektrisch gekoppelt sind und tatsächlich einen offenendigen Metallkasten oder ein anderes Prisma unterhalb der vorderen Strahlungsoberfläche 204 bilden. Das heißt, das Metall der Seitenwände 208–211 und der primären planaren Struktur 216 bildet eine 3D-Masseebene, die einen Abschnitt, der zur vorderen Strahlungsoberfläche 204 im Wesentlichen parallel ist, sowie Abschnitte, die zur vorderen Strahlungsoberfläche 204 im Wesentlichen orthogonal sind, aufweist.
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Diese 3D-Masseebenen-Konfiguration erleichtert die effektive Nutzung der WPAN-Antenne 128 in der HMD-Vorrichtung 102. Zum Einen ermöglichen die Streufelder, die durch die Seitenwände 208–211 in dieser 3D-Masseebene gebildet werden, dass die Gesamtabmessungen der WPAN-Antenne 128 unter einer Hälfte der Wellenlänge eines Signals mit der beabsichtigten Mittenfrequenz für die WPAN-Antenne 128 liegen. Die 3D-Konfiguration der Masseebene weist weitere Vorteile auf. Wie durch die Konfiguration von 2 dargestellt, hilft erstens die kapazitive Belastung von der Seitenwand, die Größe der Antenne auf weniger als die halbe Wellenlänge in ihrer elektrischen Länge zu verringern. Zweitens erzwingt die 3D-Konfiguration der Masseebene, dass die Felder meist in das Antennenmodul eingegrenzt sind; das heißt die Antenne ist in sich geschlossen. Außerdem verringert diese 3D-Konfiguration die Auswirkung von Anordnungstoleranzvariationen. Da die Antenne in sich geschlossen ist, ist sie schließlich immuner gegen Systemrauschen oder Desensibilisierung. Die Verwendung eines kapazitiven Einspeisungspunkts erleichtert überdies die Abstimmung der WPAN-Antenne 128 auf die gewünschte Mittenfrequenz selbst mit den kleineren Antennenabmessungen.
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Die WPAN-Antenne 128 kann unter Verwendung von irgendeiner einer Vielfalt von Techniken hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen werden beispielsweise die hintere Masseebenenstruktur 206 und die Seitenwände 208–211 als einzelne monolithische Struktur durch Stahlstich oder Pressen eines Metallblechs oder durch einen Metallgießprozess ausgebildet, was folglich Seitenwände 208–211 ergibt, die hauptsächlich oder vollständig aus Metall bestehen. Diese Methode kann jedoch zu einer übermäßig schweren Antenne 128 führen. In einigen Ausführungsformen und wie in 2–6 dargestellt, werden folglich die Seitenwände 208–210 und die vordere Strahlungsoberfläche 204 durch Ausbilden einer monolithischen nicht leitfähigen 3D-Struktur 602 (siehe 6) durch Thermoformen oder maschinelles Bearbeiten eines Kunststoff- oder anderen dielektrischen Materials und dann Plattieren der externen Oberflächen der nicht leitfähigen 3D-Struktur 602, die den Seitenwänden 208–211 und der vorderen Strahlungsoberfläche 204 entsprechen, mit einer oder mehreren strukturierten Schichten aus Metall unter Verwendung einer Laserdirektstrukturierungstechnik (LDS-Technik) oder einer anderen Metallplattierungstechnik hergestellt. Wie durch die Ansicht 600 von 6 dargestellt, die die Rückseite der WPAN-Antenne 128 darstellt, wobei die hintere Masseebenenstruktur 206 entfernt ist, kann die nicht leitfähige 3D-Struktur 602 interne Rippen oder ein Ablenkblech umfassen, um die mechanische Integrität der WPAN-Antenne 128 zu verbessern. Bei dieser Methode kann ferner die hintere Masseebenenstruktur 206 über Stahlstich eines Metallblechs ausgebildet werden. Die resultierende Metallblechstruktur kann dann am entsprechenden Ende der 3D-Struktur 602 befestigt werden.
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Um eine mechanische und elektrische Kopplung zwischen der Metallblechstruktur der hinteren Masseebenenstruktur 206 und den metallisierten externen Oberflächen der 3D-Struktur vorzusehen, kann die Metallblechstruktur mehrere Metallblechfederkontakte 220 um den Umfang verwenden, wobei die Federkontakte 220 dazu konfiguriert sind, mit entsprechenden Kontakteinkerbungen 222 in Eingriff zu kommen, die in den Seitenwänden 208–211 ausgebildet sind, wobei folglich die Metallblechstruktur an die 3D-Struktur 602 mechanisch gebunden wird, während auch mehrere elektrisch leitfähige Kontakte zwischen dem Metallblech der hinteren Masseebenenstruktur 206 und den metallisierten Seiten der Seitenwände 208–210 um den Umfang des Übergangs zwischen den Seitenwänden 208–10 und der hinteren Masseebenenstruktur 206 bereitgestellt werden. Überdies kann die Metallblechstruktur der hinteren Masseebenenstruktur 206 zusätzliche Federkontakte 224 umfassen, die dazu konfiguriert sind, eine Metallschicht oder Struktur des Gehäuses 106 der HMD-Vorrichtung 102 zu kontaktieren, wenn die WPAN-Antenne 128 daran montiert ist, wobei folglich die 3D-Masseebene am Gehäuse 106 elektrisch geerdet wird.
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7–9 stellen eine Beispielimplementierung der WLAN-Antenne 122 als invertierte F-Richtantenne (PIFA) unter Verwendung einer 3D-Masseebene gemäß einigen Ausführungsformen dar. Die WLAN-Antenne 124 kann in derselben Weise implementiert werden. In dieser Implementierung verwendet die WLAN-Antenne 122 eine 3D-Masseebene wie die Implementierung der WPAN-Antenne 128 von 2–6. Folglich umfasst die WLAN-Antenne 124 eine Einspeisungsleitung 702, eine Seitenstrahlungsoberfläche 704, eine Masseebenenstruktur 706, mehrere Seitenwände 708, 709 und Komponenten, um die Befestigung der WLAN-Antenne 122 am Gehäuse 106 der HMD-Vorrichtung 102 zu erleichtern, wie z. B. Montageansätze 710, 711, 713. In Bezug auf diese Implementierung der WPAN-Antenne 128 stellt 7 eine perspektivische Vorderansicht 700 dar, 8 stellt eine perspektivische Seitenansicht 800 dar und 9 stellt eine hintere perspektivische Ansicht 900 dar, wobei die Masseebenenstruktur 706 entfernt ist.
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Die vordere Strahlungsoberfläche 704 implementiert eine Patch-Struktur 712 mit einem planaren Strahlungselement, das aus einem oder mehreren Metallen oder anderen leitfähigen Materialien besteht. Wie durch die Ansicht 700 von 7 dargestellt, wird diese Beispielimplementierung der WLAN-Antenne 121 als PIFA implementiert und folglich umfasst die Patch-Struktur 212 einen Strahlungs-Patch 716, der mit der Einspeisungsleitung 702 elektrisch gekoppelt ist und von einem leitfähigen Randbereich 714 der vorderen Strahlungsoberfläche 704 durch einen dielektrischen Spalt elektrisch isoliert ist. Obwohl 7 eine spezielle Konfiguration darstellt, kann irgendeine von einer Vielfalt von Patch-Konfigurationen verwendet werden, wie geeignet.
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Die Seitenwände 708, 709 bestehen aus einem Metall oder umfassen eine oder mehrere Schichten aus Metallmaterial, die mechanisch gekoppelt sind, um eine polygonale Umfangsstruktur zu bilden (die in diesem Fall eine Struktur mit rechteckigem Rand ist). Die hintere Masseebenenstruktur 706 umfasst eine primäre planare Struktur, die an einem Ende der Seitenwände 708, 709 angeordnet ist und die zu den Seitenwänden im Wesentlichen orthogonal ist. Die vordere Strahlungsoberfläche 704 ist wiederum am entgegengesetzten Ende der Seitenwände 708, 709 angeordnet. Wied durch die Ansichten 700, 800 und 900 dargestellt und wie mit Bezug auf 10 genauer dargestellt, kann die vordere Strahlungsoberfläche 704 nicht planar und konturiert sein, um sie an die Kontur des Bereichs des Gehäuses 106 anzupassen, an dem die WLAN-Antenne 121 montiert werden soll.
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Wie bei der WPAN-Antenne 128 können die Seitenwände 708, 709 und die hintere Masseebenenstruktur 706 als einzelne monolithische Metallstruktur über Stahlstich eines Metallblechs oder Metallgießen oder Schmieden hergestellt werden, und an denen die vordere Strahlungsoberfläche 704 befestigt wird, oder wie durch die Implementierung von 7–9 dargestellt, können die Seitenwände 708, 709 und die vordere Strahlungsoberfläche 704 aus einer monolithischen nicht leitfähigen 3D-Struktur 902 (9) ausgebildet werden, wobei strukturierte Metallschichten auf den äußeren Oberflächen ausgebildet werden, und die hintere Masseebenenstruktur 706 aus einer stahlgestochenen Metallblechstruktur unter Verwendung von Federkontakten 720 am Umfang, um die Metallblechstruktur mit den Seitenwänden 708, 709 über entsprechende Kontakteinbuchtungen 722 mechanisch und elektrisch zu koppeln, die in den Seitenwänden 708, 708 ausgebildet sind, und unter Verwendung der Federkontakte 724 am Umfang, um eine elektrische Verbindung mit einer Metallschicht des Gehäuses 106 bereitzustellen, ausgebildet wird, wie nachstehend im Einzelnen beschrieben.
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10 stellt eine hintere Ansicht 1000 einer vorderen Platte 1002 des Gehäuses 106 der HMD-Vorrichtung 102 gemäß einigen Ausführungsformen dar. In dieser Ansicht wäre die dargestellte Oberfläche der vorderen Platte 1002 dem Benutzer zugewandt, wenn das Gehäuse 106 am Kopf des Benutzers angebracht ist. Wie gezeigt, ist die WPAN-Antenne 128 an der vorderen Platte 1002 montiert, so dass die hintere Masseebenenstruktur 206 nach hinten gewandt ist und die vordere Strahlungsoberfläche 204 (2) nach vorn gewandt ist. Die WPAN-Antenne 128 ist in einem oberen mittleren Bereich 1004 der vorderen Platte 1002 montiert, so dass die WPAN-Antenne 128 im Wesentlichen seitlich in der vorderen Platte 1002 zentriert ist (und folglich um die Sagittalebene 140 (1) des Benutzers zentriert ist, wenn die HMD-Vorrichtung 102 angebracht ist) und nahe einem oberen Umfang 1006 oder einer oberen Kante der vorderen Platte 1002 liegt. Dagegen ist die WLAN-Antenne 122 in einem rechten seitlichen Bereich 1008 der vorderen Platte 1002 montiert und die WLAN-Antenne 124 (in 10 nicht gezeigt) soll in einem linken seitlichen Bereich 1010 der vorderen Platte 1002 montiert sein, so dass die WLAN-Antennen 122, 124 nahe der rechten bzw. linken unteren Kante der vorderen Platte 1002 angeordnet sind, die sich an den maximalen Punkten des Abstandes vom zentralen Bereich 1004 entlang des Umfangs der vorderen Platte 1002 befinden. Folglich schafft die spezielle Anordnung der Platzierungen der WPAN-Antenne 128 und der WLAN-Antenne 122, 124 ein geeignetes Gleichgewicht des Aufrechterhaltens eines angemessenen Abstandes zwischen den WLAN-Antennen 122, 124 und zwischen jeder der WLAN-Antennen 122, 124 und der WPAN-Antenne 128 für die räumliche Isolation der Antennen 122, 124, 128 sowie des Erleichterns einer effektiven symmetrischen drahtlosen Abdeckung durch die WPAN-Antenne 128 für die drahtlosen in der Hand gehaltenen Steuereinheiten 132, 134 durch Anordnen der WPAN-Antenne 128 in einem mittleren Bereich der HMD-Vorrichtung 102 und des Erleichterns des effektiven MIMO-Betriebs der WLAN-Antennen 122, 124 durch Anordnen der WLAN-Antennen 122, 124 an den seitlichen Kanten der HMD-Vorrichtung 102.
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In einigen Ausführungsformen kann eine Metallschicht auf einem Teil oder allem der inneren Oberfläche 1012 der vorderen Platte 1002 beispielsweise über Metallplattieren oder Befestigen einer Metallfolie an der inneren Oberfläche 1012 angeordnet werden. Die Antennen 122, 124, 128 können dann einen Kontaktmechanismus verwenden, um ihre hinteren Masseebenen mit der Metallschicht der inneren Oberfläche 1012 elektrisch zu koppeln. Wie durch die Detailansicht 1014 gezeigt, die eine vergrößerte Seitenansicht der WLAN-Antenne 122 darstellt, die an der vorderen Platte 1002 montiert ist, wenn die WLAN-Antenne 122 so montiert ist, kontaktieren die Federkontakte 724 der hinteren Masseebenenstruktur 706 beispielsweise physikalisch die metallisierte innere Oberfläche 1012 der vorderen Platte 1002, wobei elektrisch leitfähige Pfade zwischen der metallisierten inneren Oberfläche 1012 und der hinteren Masseebenstruktur 706 gebildet werden. Die hintere Masseebenenstruktur 206 der WPAN-Antenne 128 ist ähnlich mit der metallisierten inneren Oberfläche 1012 der vorderen Platte 1002 über die Federkontakte 244 (2) elektrisch verbunden. Die elektrische Verbindung der hinteren Masseebenenstrukturen der Antennen 122, 124, 128 und der metallisierten inneren Oberfläche 1012 hat den Effekt der Erdung der Masseebenen dieser Antenne an derselben metallisierten Oberfläche der vorderen Platte 1002, um die parasitäre Resonanz zu verringern oder zu beseitigen, die die Antennenleistung verschlechtern kann. Um die Interferenz mit den Antennen 122, 124, 128 weiter zu vermeiden, kann die vordere Platte 1002 Öffnungen umfassen, durch die sich die Patch-Strahlungsoberflächen erstrecken können, wie z. B. die Öffnung 1024 in der vorderen Platte 1002 für die WLAN-Antenne 124 (nicht dargestellt), die in der Ansicht 1000 dargestellt ist.
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In einigen Ausführungsformen können bestimmte Aspekte der vorstehend beschriebenen Techniken durch einen oder mehrere Prozessoren eines Verarbeitungssystems implementiert werden, das eine Software ausführt. Die Software umfasst einen oder mehrere Sätze von ausführbaren Befehlen, die in einem nichttransitorischen computerlesbaren Speichermedium gespeichert oder anderweitig konkret enthalten sind. Die Software kann die Befehle und bestimmte Daten umfassen, die, wenn sie durch den einen oder die mehreren Prozessoren ausgeführt werden, den einen oder die mehreren Prozessoren beeinflussen, um einen oder mehrere Aspekte der vorstehend beschriebenen Techniken durchzuführen. Das nichttransitorische computerlesbare Speichermedium kann beispielsweise eine magnetische oder optische Plattenspeichervorrichtung, Halbleiter-Speichervorrichtungen wie z. B. einen Flash-Arbeitsspeicher, einen Cache, einen Direktzugriffsarbeitsspeicher (RAM) oder eine andere nichtflüchtige Arbeitsspeichervorrichtung oder andere nichtflüchtige Arbeitsspeichervorrichtungen und dergleichen umfassen. Die ausführbaren Befehle, die auf dem nichttransitorischen computerlesbaren Speichermedium gespeichert sind, können in einem Quellencode, Assembler-Sprachcode, Objektcode oder anderen Befehlsformat vorliegen, das durch einen oder mehrere Prozessoren interpretiert wird oder anderweitig ausführbar ist.
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Es ist zu beachten, dass nicht alle der vorstehend in der allgemeinen Beschreibung beschriebenen Aktivitäten oder Elemente erforderlich sind, dass ein Teil einer speziellen Aktivität oder Vorrichtung nicht erforderlich sein kann und dass eine oder mehrere weitere Aktivitäten durchgeführt werden können oder Elemente zusätzlich zu den beschriebenen enthalten sein können. Noch ferner ist die Reihenfolge, in der Aktivitäten aufgelistet sind, nicht notwendigerweise die Reihenfolge, in der sie durchgeführt werden. Die Konzepte wurden auch mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen beschrieben. Ein Fachmann auf dem Gebiet erkennt jedoch, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, wie in den nachstehenden Ansprüchen dargelegt. Folglich sollen die Patentbeschreibung und Figuren vielmehr in einer erläuternden als einer einschränkenden Hinsicht betrachtet werden und alle solchen Modifikationen sollen innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Offenbarung enthalten sein.
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Nutzen, andere Vorteile und Lösungen für Probleme wurden vorstehend im Hinblick auf spezielle Ausführungsformen beschrieben. Die Nutzen, Vorteile, Lösungen für Probleme und (ein) beliebige(s) Merkmal(e), die bewirken können, dass irgendein Nutzen, Vorteil oder irgendeine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, sollen jedoch nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal von irgendeinem oder allen der Ansprüche aufgefasst werden. Überdies sind die vorstehend offenbarten speziellen Ausführungsformen nur erläuternd, da der offenbarte Gegenstand in unterschiedlichen, aber äquivalenten Weisen modifiziert und ausgeführt werden kann, die für den Fachmann auf dem Gebiet mit dem Nutzen der Lehren hier ersichtlich sind. Keine anderen Begrenzungen sind für die Details der Konstruktion oder Auslegung, die hier gezeigt ist, als in den nachstehenden Ansprüchen beschrieben beabsichtigt. Daher ist offensichtlich, dass die vorstehend offenbarten speziellen Ausführungsformen geändert oder modifiziert werden können und alle solchen Veränderungen als innerhalb des Schutzbereichs des offenbarten Gegenstandes betrachtet werden. Folglich ist der hier angestrebte Schutz wie in den nachstehenden Ansprüchen dargelegt.
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In einem anderen Beispiel umfasst eine am Kopf angebrachte Anzeigevorrichtung (HMD-Vorrichtung) ein Gehäuse, das zum Anbringen an einem Gesicht eines Benutzers konfiguriert ist, mindestens eine Anzeige, die im Gehäuse montiert ist, eine Antenne eines drahtlosen persönlichen Netzes (WPAN), die in einem mittleren Bereich des Gehäuses montiert ist, und eine erste und eine zweite Antenne eines drahtlosen lokalen Netzes (WLAN), die an jeweiligen seitlichen Umfängen des Gehäuses angeordnet sind. Die WPAN-Antenne umfasst eine Patch-Richtantenne mit einer Einspeisungsleitung, einer dreidimensionalen (3D) Masseebene, die als mehrere leitfähige Seitenwände ausgebildet ist, und einer Masseebenenstruktur, die an einem ersten Ende der Seitenwände angeordnet ist, wobei die Masseebenenstruktur zu den mehreren Seitenwänden im Wesentlichen senkrecht ist. Die WPAN-Antenne umfasst auch eine Strahlungsoberfläche, die an einem zweiten Ende der Seitenwände entgegengesetzt zum ersten Ende angeordnet ist, wobei die Strahlungsoberfläche eine Patch-Antennenstruktur umfasst, die mit der Einspeisungsleitung gekoppelt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEEE 802.11 [0005]
- IEEE 802.11a/b/g/n/ac/ad [0021]
- IEEE 802.15 [0023]
- IEEE 802.11 [0024]
- IEEE 802.15 [0024]
