DE4406404A1 - Determining position and movement of object, esp. for vehicle position sensor - Google Patents

Determining position and movement of object, esp. for vehicle position sensor

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Abstract

A transmitter/receiver unit has two transmitter/receiver modules (1,2) aligned in different directions. At least partially overlapping different regions of the object are illuminated by the two modules at different aspect angles. Signals of different frequencies are emitted by the two modules and reflected signals received with Doppler frequency shifts. At least one of the modules receives the scattered Doppler shifted signal from the other module. The Doppler frequencies and at least one Doppler frequency difference are determined and evaluated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Lage und Bewegung eines Objekts relativ zu einer Sende-Empfangs-Einrichtung.The invention relates to a method and an arrangement to determine the position and movement of an object relative to a transceiver.

Derartige Verfahren und Anordnungen sind insbesondere vorgesehen als Geschwindigkeits- und Lage-Sensoren in Kraftfahrzeugen, um die Momentangeschwindigkeit eines Fahrzeugs ohne Verfälschung durch Schlupf der Räder und darüberhinaus aktuelle Werte für z. B. Bodenfreiheit oder Neigung des Fahrzeugs zu gewinnen.Such methods and arrangements are particular intended as speed and position sensors in Motor vehicles to the instantaneous speed of a Vehicle without adulteration by slipping the wheels and moreover current values for z. B. ground clearance or Tendency of the vehicle to win.

Bekannt ist beispielsweise eine Anordnung mit einer sogenannten Janus-Antenne, welche mittels zweier Sende- Empfangs-Antennen in und entgegen der Fahrtrichtung eines Fahrzeugs schräg zur Fahrbahnoberfläche elektromagnetische Wellen abstrahlt und die dopplerverschobenen reflektierten Wellen empfängt und daraus die Momentangeschwindigkeit be­ stimmt.An arrangement with a is known, for example  so-called Janus antenna, which uses two transmitters Receiving antennas in and against the direction of travel Vehicle obliquely to the road surface electromagnetic Waves emitted and the Doppler shifted reflected Waves receive and from it the instantaneous speed Right.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, welche mit geringem Aufwand die Gewinnung dieser und wei­ terer Information ermöglicht.The object of the present invention is a method and to provide an arrangement of the type mentioned at the beginning, which with little effort the extraction of these and white enables more information.

Die Erfindung und vorteilhafte Ausführungen und Weiterbil­ dungen derselben sind in den Patentansprüchen beschrieben.The invention and advantageous embodiments and educ The same are described in the claims.

Das Verfahren basiert auf der Messung mindestens dreier Dopplerfrequenzen mittels einer Anordnung mit zwei Sende- Empfangs-Modulen, die Signale unterschiedlicher Frequenzen aussenden und das Objekt, dessen Relativbewegung bestimmt werden soll, unter unterschiedlichen Aspektwinkeln be­ leuchten und die jeweils vom eigenen Sendesignal um eine Dopplerfrequenz verschobenen reflektierten Signale empfan­ gen. Darüberhinaus empfängt zumindest ein Modul, vorzugs­ weise aber beide Module, die gestreuten Sendesignale des jeweils anderen Moduls, welche durch Frequenzumsetzung mit der lokalen Sendefrequenz zu Signalen im Bereich der Dif­ ferenzfrequenz zwischen den beiden Sendefrequenzen führen, wobei diese Signale um eine Differenz-Dopplerfrequenz ge­ gen die Differenzfrequenz versetzt sind. Aus der Kenntnis der beiden Dopplerfrequenzen im Basisband und einer oder beiden Differenz-Dopplerfrequenzen im Band um die Differenzfrequenz können die Geschwindigkeit, Bewegungs­ richtung, Neigungswinkel und Abstand des Objekts relativ zu der Anordnung ermittelt werden. Darüberhinaus kann durch Auswertung der Leistungsverteilung in den Spektren der Empfangssignale eine Grobklassifikation des Meßobjekts vorgenommen werden.The method is based on the measurement of at least three Doppler frequencies by means of an arrangement with two transmission Reception modules, the signals of different frequencies send out and the object whose relative movement determines be, from different angles light up and each of its own transmission signal by one Doppler frequency shifted reflected signals received In addition, at least one module receives, preferably but both modules, the scattered transmission signals of the each other module, which by frequency conversion with the local transmission frequency to signals in the area of the dif lead frequency between the two transmission frequencies, these signals ge around a differential Doppler frequency are offset against the difference frequency. From knowledge of the two Doppler frequencies in the baseband and one or two difference Doppler frequencies in the band around Differential frequency can be the speed, movement  Direction, angle of inclination and distance of the object relative to be determined for the arrangement. Furthermore, can by evaluating the power distribution in the spectra a rough classification of the measurement object of the received signals be made.

Für die Erfindung ist nur eine Auswertung von Frequenzen, insbesondere Dopplerfrequenzen erforderlich, hingegen keine Phasen- oder Amplitudenmessung, so daß die Anordnung mit geringem Aufwand ausgeführt werden kann.For the invention, only an evaluation of frequencies is especially Doppler frequencies required, however no phase or amplitude measurement, so the arrangement can be carried out with little effort.

Wesentlich bei der vorliegenden Erfindung ist die Verwen­ dung zweier unterschiedlicher Sendefrequenzen in räumlich getrennten Sende-Empfangs-Modulen und in zumindest einem Modul der Empfang gestreuter Strahlung des (jeweils) ande­ ren Moduls. Hierfür sind die Antennendiagramme der beiden Module so auszurichten, daß die auf dem Objekt, z. B. der Fahrbahn von den beiden Diagrammen ausgeleuchteten Berei­ che sich zumindest teilweise überdecken. Vorzugsweise ist die Breite (gemessen z. B. als Halbwertsbreite) des Anten­ nendiagramms des einen Moduls klein gegenüber der Breite des Antennendiagramms des anderen Moduls. Damit unmittel­ bar korreliert ist das Größenverhältnis der ausgeleuchte­ ten Bereiche. Durch die verschiedenen Sendefrequenzen und den Empfang von gestreuter Strahlung des anderen Moduls in dem einen Modul kann neben den Doppelfrequenzen der ge­ trennt betriebenen Sende-Empfangs-Module zumindest eine Differenz-Dopplerfrequenz ermittelt werden, welche eine wesentlich weitergehende Informationsgewinnung ermöglicht.What is essential in the present invention is the use two different transmission frequencies in spatial terms separate transmit / receive modules and in at least one Module of receiving scattered radiation from (each) other module. For this are the antenna diagrams of the two Align modules so that the on the object, for. B. the Road area illuminated by the two diagrams at least partially overlap. Preferably the width (measured e.g. as half width) of the antenna The diagram of the one module is small compared to the width the antenna pattern of the other module. So immediately The size ratio of the illuminated area is correlated bar areas. Due to the different transmission frequencies and the reception of scattered radiation from the other module in one module can in addition to the double frequencies of the ge separates operated transmit / receive modules at least one Differential Doppler frequency can be determined, which is a enables much more extensive information acquisition.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch einge­ hend veranschaulicht. Dabei wird beispielhaft der bevor­ zugte Anwendungsfall in einem Straßenfahrzeug zugrundege­ legt, bei welchem zwei Sende-Empfangs-Module 1 und 2, fest an einem Fahrzeug angeordnet und in Fahrtrichtung vonein­ ander beabstandet sind. Der Abstand der Module ist mit d, die Verbindungsgerade zwischen den beiden Modulen mit L bezeichnet. Die mit R₁ und R₂ bezeichneten Haupt­ strahlrichtungen der schraffiert gezeichneten Antennendia­ gramme A1 bzw. A2 der Sende-Empfangs-Antennen der beiden Module 1 und 2 bilden Winkel b1 bzw. b2 mit der Verbin­ dungsgeraden L. Die Verbindungsgerade nimmt gegenüber einer Linie LO, die parallel zu der Fahrbahnoberfläche 3 in Fahrtrichtung (Pfeil) verläuft und/oder eine Normallage für die Verbindungsgerade L darstellt, im skizzierten Bei­ spiel einen Neigungswinkel -n ein. Der Abstand des ersten Moduls 1 von der Fahrbahn ist mit h bezeichnet. Das Anten­ nendiagramm A1 des ersten Moduls 1 weist nur eine geringe Halbwertbreite c1 auf und leuchtet einen Bereich F1 der Fahrbahn 3 aus. Das Antennendiagramm A2 des zweiten Moduls 2 ist deutlich breiter und leuchtet einen Ausschnitt F2 der Fahrbahn aus. Die Ausschnitte F1 und F2 überdecken sich zumindest teilweise, wobei die einzelnen Winkel so bemessen und aufeinander abgestimmt sind, daß bei zulässi­ gen Extremwerten von h und n sich F1 und F2 noch soweit überdecken, daß von Modul 2 unter dem Winkel b2m in Rich­ tung R2m ausgesandte und an der Fahrbahn gestreute Strah­ lung von Modul 1 noch in zur Auswertung ausreichender Lei­ stung empfangen wird. Die Richtungen R₁ und R2m bilden unterschiedliche Winkel (b1-n), (b2m+n) gegen die Bewe­ gungsrichtung. Als Breite c1, c2 der Antennendiagramme können z. B. in üblicher Weise deren Halbwertbreiten ange­ sehen werden. The invention is illustrated below with reference to Ausführungsbei play with reference to the figures. In this case, the preferred application in a road vehicle is used as an example, in which two transceiver modules 1 and 2 are fixed to a vehicle and are spaced apart from one another in the direction of travel. The distance between the modules is denoted by d, the straight line between the two modules by L. The designated with R₁ and R₂ main beam directions of the hatched antenna diagrams A1 and A2 of the transmit-receive antennas of the two modules 1 and 2 form angles b1 and b2 with the straight line L. The connecting line takes a line LO, the runs parallel to the road surface 3 in the direction of travel (arrow) and / or represents a normal position for the connecting straight line L, in the example outlined an inclination angle -n. The distance of the first module 1 from the road is denoted by h. The antenna diagram A1 of the first module 1 has only a small half-width c1 and illuminates an area F1 of the roadway 3 . The antenna diagram A2 of the second module 2 is significantly wider and illuminates a section F2 of the road. The sections F1 and F2 overlap at least partially, with the individual angles being dimensioned and coordinated with one another so that at permissible extreme values of h and n, F1 and F2 overlap to such an extent that module 2 under the angle b2m in the direction R 2m radiation emitted and scattered on the road by module 1 is still received in sufficient power for evaluation. The directions R₁ and R 2m form different angles (b1-n), (b2m + n) against the direction of movement. The width c1, c2 of the antenna diagrams can e.g. B. the half-widths can be seen in the usual way.

Die Differenzfrequenz Δf = fs1-fs2 zwischen den beiden Suchfrequenzen ist klein gegenüber den Sendefrequenzen. Die Sendefrequenz des Moduls 1 sei mit fs1, die des Moduls 2 mit fs2 bezeichnet. Die Empfangssignale E1 bzw. E2 der Module enthalten bei einer Bewegung des Fahrzeugs (bzw. der Anordnung) mit den Modulen relativ zu der Fahrbahn 3 in Pfeilrichtung mit einer Geschwindigkeit v Anteile bei­ der Sendesignale mit von der Geometrie der Anordnung und der Relativbewegung abhängigen Dopplerfrequenzverschiebun­ gen.The difference frequency Δf = fs1-fs2 between the two search frequencies is small compared to the transmission frequencies. The transmission frequency of module 1 is denoted by fs1, that of module 2 by fs2. The received signals E1 and E2 of the modules contain, when the vehicle (or the arrangement) moves with the modules relative to the carriageway 3 in the direction of the arrow at a speed v, in the transmission signals with Doppler frequency displacements dependent on the geometry of the arrangement and the relative movement .

Die Empfangssignale werden vorzugsweise in an sich ge­ bräuchlicher Art mit der lokalen Sendefrequenz des jewei­ ligen Moduls umgesetzt. Dabei entstehen insbesondere Si­ gnale bei den Dopplerfrequenzen im Basisband und im Be­ reich der Differenzfrequenz zwischen den Sendefrequenzen.The received signals are preferably in itself customary with the local transmission frequency of the respective implemented module. This creates Si in particular gnale with the Doppler frequencies in the baseband and in the Be range of the difference frequency between the transmission frequencies.

Entsprechend der endlichen Breite der Antennendiagramme insbesondere bei A2 variiert der für das Maß der Dopple­ frequenzverschiebung wesentliche Winkel zwischen Strah­ lungsrichtung und Bewegungsrichtung über die Diagramm­ breite, insbesondere C2. Im folgenden seien für die da­ durch verbreiterten Dopplerspektren lediglich deren Linienmittenfrequenz betrachtet.According to the finite width of the antenna diagrams especially for A2, this varies for the size of the double frequency shift essential angle between beam Direction and direction of movement via the diagram wide, especially C2. The following are there for them due to broadened Doppler spectra, only their Line center frequency considered.

Der von Modul 1 aus Richtung R1 empfangene Anteil des ei­ genen reflektierten Sendesignals (fs1) führt zu einem Dopplersignal bei der Dopplerfrequenz fD1 im Basisband. Der vom Modul 2 aus Richtung R2 empfangene Anteil dessen eignen reflektierten Sendesignals (fs2) führt zu einem Dopplersignal bei der Dopplerfrequenz fD2. Der vom Modul 2 aus Richtung R2m empfangene Anteil der vom Modul 1 in Richtung R₁ gesandten Strahlung der Sendefrequenz fs1 wird auf eine erste Zwischenfrequenz f12 = Δf + ΔfD1 umgesetzt, wobei Δf = fs1-fs2 die Differenzfrequenz zwischen den Sen­ defrequenzen fs1 und fs2 und ΔfD1 eine erste gesuchte Dif­ ferenz-Dopplerfrequenz ist. In entsprechend reziproker Weise führt ein vom Modul 1 aus Richtung R2m empfangener Anteil der vom Modul 2 in Richtung R2m ausgesandten Strah­ lung der Sendefrequenz fs2 auf eine zweite Zwi­ schenfrequenz f21 = Δf - ΔfD2 mit ΔfD2 als zweiter Diffe­ renz-Dopplerfrequenz. Die Differenz-Dopplerfrequenzen ΔfD1, ΔfD2 sind klein gegenüber der Differenzfrequenz Δf. Durch Kombination der beiden Zwischenfrequenzen kann als weitere Differenz-Dopplerfrequenz eine vom Wert der Diffe­ renzfrequenz Δf unabhängige Größe ΔfD = f12 - f21 = ΔfD1 + ΔfD2 gewonnen werden, wodurch Schwankungen der Fre­ quenzdifferenz Δf nicht mehr in das Ergebnis eingehen. In Fig. 2 sind die amplitudenstärksten Dopplersignalanteile der beiden Empfangssignale E1 und E2 über der Frequenz als diskrete Linien eingetragen.The portion of the own reflected transmission signal (fs1) received by module 1 from direction R1 leads to a Doppler signal at the Doppler frequency fD1 in the baseband. The portion of its own reflected transmission signal (fs2) received by module 2 from direction R2 leads to a Doppler signal at Doppler frequency fD2. The portion of the radiation received by the module 2 from the direction R 2m of the radiation of the transmission frequency fs1 sent from the module 1 in the direction R₁ is converted to a first intermediate frequency f12 = Δf + ΔfD1, where Δf = fs1-fs2 is the difference frequency between the frequency defs FS1 and FS2 and ΔfD1 is a first searched Dif fer Doppler frequency. In accordance with a reciprocal way, a 2m from the direction R from the module 1 received proportion of 2m from the module 2 in the direction R emitted Strah performs averaging the transmission frequency fs2 to a second interim's frequency f21 = .DELTA.f - ΔfD2 with ΔfD2 as the second Diffe Renz Doppler frequency. The difference Doppler frequencies ΔfD1, ΔfD2 are small compared to the difference frequency Δf. By combining the two intermediate frequencies, a variable ΔfD = f12 - f21 = ΔfD1 + ΔfD2, which is independent of the value of the difference frequency Δf, can be obtained as a further differential Doppler frequency, so that fluctuations in the frequency difference Δf are no longer included in the result. In FIG. 2, the amplitude strongest Doppler signal components of the two reception signals are added to the frequency as discrete lines E1 and E2.

Mit Kenntnis der Frequenzen fD1, fD2 sowie ΔfD1 und/oder ΔfD2 und/oder ΔfD können die beispielhaft genannten Größen z. B. wie folgt bestimmt werden.With knowledge of the frequencies fD1, fD2 and ΔfD1 and / or ΔfD2 and / or ΔfD can be the quantities mentioned by way of example e.g. B. can be determined as follows.

Bewegungsrichtung V ≶ 0Direction of movement V ≶ 0

V < 0 für (Δf - ΔfD2) < Δf oder (Δf + ΔfD1) < Δf
V < 0 für (Δf - ΔfD2) < Δf oder (Δf + ΔfD1) < ΔfV <0 for (Δf - ΔfD2) <Δf or (Δf + ΔfD1) <Δf
V <0 for (Δf - ΔfD2) <Δf or (Δf + ΔfD1) <Δf

Neigungswinkel n ausInclination angle n off

mitWith

fD = (fD1 - fD2)/(fD1 + fD2)
K± = fs1 cos b1 ± fs2 cos b2
s± = fs1 sin b1 ∓ fs2 sin b2fD = (fD1 - fD2) / (fD1 + fD2)
K ± = fs1 cos b1 ± fs2 cos b2
s ± = fs1 sin b1 ∓ fs2 sin b2

Geschwindigkeit VSpeed V

Höhe hHeight h

h = d · sin b2m/(sin (b2m+n) [ctan (b2m+n) + ctan (b1-n)])
mit b2m aush = dsin b2m / (sin (b2m + n) [ctan (b2m + n) + ctan (b1-n)])
with b2m

Anstelle einer Berechnungsvorschrift kann auch eine Ta­ belle mit entsprechenden Einträgen oder eine Kombination dieser Auswertemöglichkeiten treten.Instead of a calculation rule, a Ta belle with corresponding entries or a combination of these evaluation options occur.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bestimmung der Lage und Bewegung eines Objekts relativ zu einer Sende-Empfangs-Einrichtung mit zwei unterschiedlich ausgerichteten Sende-Empfangs-Modu­ len, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden Modulen sich zumindest teilweise überdeckende Bereiche des Objekts unter verschiedenen Aspektwinkeln ausgeleuchtet werden, daß von den beiden Modulen Signale unterschiedlicher Sen­ defrequenz ausgesandt und die jeweils vom eigenen Sendesi­ gnal um eine Dopplerfrequenz verschobenen reflektierten Signale empfangen werden, daß von mindestens einem der Mo­ dule darüberhinaus das von dem anderen Modul ausgesandte und um eine Differenzdopplerfrequenz verschobene gestreute Signal empfangen wird, daß die Dopplerfrequenzen und zu­ mindest eine Differenzdopplerfrequenz ermittelt und ausge­ wertet werden. 1. A method for determining the position and movement of an object relative to a transceiver with two differently aligned transmit-receive modules, characterized in that at least partially overlapping areas of the object are illuminated from different angles by the two modules That from the two modules signals of different Sen defrequency are sent and the reflected signals received by their own Sendesi signal shifted by a Doppler frequency are received, that from at least one of the modules the signal emitted by the other module and shifted by a difference Doppler frequency is received that the Doppler frequencies and at least one differential Doppler frequency are determined and evaluated. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von beiden Modulen die Signale des jeweils anderen Moduls empfangen und die jeweiligen Differenzdopplerfrequenzen ermittelt und ausgewertet werden.2. The method according to claim 1, characterized in that from both modules the signals from the other module received and the respective differential Doppler frequencies be determined and evaluated. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch kombinierte Auswertung der beiden Differenzdoppler­ frequenzen eine von der Frequenzdifferenz zwischen den beiden Sendefrequenzen unabhängige Größe ermittelt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that by combined evaluation of the two differential Doppler frequencies one of the frequency difference between the independent of the two transmission frequencies. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus der spektralen Verteilung der Dopplerfrequenzen und/oder der Differenzdopplerfrequenzen eine Klassifizierung des Objekts abgeleitet wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that from the spectral distribution of the Doppler frequencies and / or the differential Doppler frequencies a classification of the object is derived. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von einer in einem Fahrzeug angeordne­ ten Radaranordnung die Fahrbahnoberfläche angestrahlt wird und daß aus den Dopplerfrequenzen und mindestens einer Dopplerdifferenzfrequenz mehrere der Größen Bewegungsrich­ tung, Geschwindigkeit, Neigungswinkel, Höhe abgeleitet werden.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized characterized by being arranged in a vehicle The radar arrangement illuminates the road surface and that from the Doppler frequencies and at least one Doppler difference frequency several of the quantities motion direction direction, speed, angle of inclination, height derived become. 6. Radaranordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit zwei Sende-/Empfangs-Modulen, deren Anten­ nendiagramme schräg zur Fahrbahnoberfläche ausgerichtet sind und die Einrichtungen zur Ermittlung und Auswertung von Dopplerfrequenzverschiebungen in den Empfangssignalen enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sende- /Empfangs-Module in Fahrtrichtung des Fahrzeugs beabstan­ det angeordnet sind, daß die von den beiden Antennendia­ grammen ausgeleuchteten Fahrbahnbereiche sich zumindest teilweise überdecken, daß die Sendefrequenzen der beiden Module sich um eine Differenzfrequenz unterscheiden, daß beide Module die Dopplerverschiebung im reflektierten ei­ genen Sendesignal als Dopplerfrequenzen ermitteln, daß zu­ mindest eines der Module zum Empfang von gestreuter Strah­ lung des anderen Moduls eingerichtet ist und die Doppler­ verschiebung dieses Empfangssignals als Differenzdoppler­ frequenz ermittelt und daß die die Auswerteeinrichtungen die beiden Dopplerfrequenzen und mindestens eine Diffe­ renzdopplerfrequenz auswerten.6. Radar arrangement for performing the method according to Claim 1 with two transmit / receive modules, the antennas The diagrams are aligned at an angle to the road surface are and the facilities for identification and evaluation of Doppler frequency shifts in the received signals included, characterized in that the two transmission / Beabstan receiving modules in the direction of travel of the vehicle det are arranged that the of the two antenna slide at least gram illuminated lane areas  partially cover that the transmission frequencies of the two Modules differ by a difference frequency that both modules the Doppler shift in the reflected egg genes transmit signal as Doppler frequencies determine that too at least one of the modules for receiving scattered beams the other module is set up and the Doppler shift this received signal as a differential Doppler frequency determined and that the evaluation devices the two Doppler frequencies and at least one difference Evaluate the limit Doppler frequency. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Module zum Empfang gestreuter Strahlung des jeweils anderen Moduls eingerichtet sind und jeweils eine Diffe­ renzdopplerfrequenz ermitteln.7. Arrangement according to claim 6, characterized in that both modules for receiving scattered radiation from each other modules are set up and a Diff determine the limit Doppler frequency. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Ermittlung und Auswertung die beiden Differenzdopplerfrequenzen als Seitenlinien der Differenz­ frequenz zur Eliminierung der Abhängigkeit vom Absolutwert der Differenzfrequenz kombinieren.8. Arrangement according to claim 7, characterized in that the facilities for determining and evaluating the two Difference Doppler frequencies as side lines of the difference frequency to eliminate the dependency on the absolute value combine the difference frequency. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Antennendiagramms des einen Moduls klein ist gegen die des anderen Moduls.9. Arrangement according to one of claims 6 to 8, characterized characterized in that the width of the antenna pattern of the one module is small compared to the other module.
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