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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenanordnung, die eine
gefaltete Struktur umfasst, die erste und zweite Abschnitte hat,
die eine Übertragungsleitung
definieren, und eine Funkkommunikationsvorrichtung, die eine solche
Anordnung enthält.
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Stand der
Technik
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Endgeräte zur Verwendung
in Funkkommunikationssystemen, zum Beispiel MobiLtelefon-Handapparate,
werden in zunehmendem Maße kleiner
und kleiner. Daher besteht ein Bedarf am Bereitstellen kleinerer
Antennen, ohne Strahlungsleistung oder Effizienz zu opfern. Eine
weitere Anforderung ist, Antennen bereitzustellen, die in der Lage sind,
in einer Reihe von unterschiedlichen Funksystemen, zum Beispiel
GSM (globales System für
Mobilkommunikation), UMTS (universelles Mobiltelekommunikationssystem)
und Bluetooth zu arbeiten.
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Es
ist eine Reihe von kompakten Antennenanordnungen bekannt, zum Beispiel
Wendel- und Mäanderantennen,
letztere wie zum Beispiel in der internationalen patentanmeldung
WO 97/49141 offenbart. Die Patentanmeldung WO 97/49141 offenbart
verschiedene Ausführungsformen
von Mäanderantennen.
Eine grundlegende Ausführungsform
umfasst einen flexiblen dielektrischen Filmträger, auf dem eine Mäanderantenne
bereitgestellt wird. Im Fall einer einzigen Mäanderantenne, umfasst ein Ende der
Mäanderleitung
einen Einspeisepunkt und das andere Ende ist ein freies Ende. In
einer Variante, die zum Empfangen von zwei unterschiedlichen Frequenzen
geeignet ist, werden nicht identische duale Mäanderleitungselemente auf dem
flexiblen Substrat bereitgestellt. Die Mäander der entsprechenden Mäanderleitungselemente
sind von unterschiedlicher Länge,
Tonhöhe
und Amplitude und sie sind nicht mit einer Übertragungsleitung verbunden.
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WO
97/49141 offenbart ein Mäanderantennenelement,
das alleine oder in Verbindung mit einer einziehbaren Peitschenantenne
verwendet werden kann. Wenn es mit der Peitschenantenne verwendet wird,
wird das Mäanderantennenelement
auf einem flexiblen Filmträger
bereitgestellt, der in einen Zylinder geformt werden kann, der um
die Peitschenantenne herum angeordnet ist. Die Patentschrift offenbart
eine Ausführungsform
(3A), die zwei parallel angeordnete,
nicht identische Mäanderantennenelemente
auf einem Träger
umfasst. Die zwei Mäanderantennenelemente
sind an einem Ende miteinander verbunden und ein gemeinsamer Punkt
ist mit einem gemeinsamen Einspeiseanschluss verbunden. Die anderen
Enden der Mäanderantennenelemente sind
frei.
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US 4,381,566 offenbart das
Ersetzen von zwei sich entgegengesetzt erstreckenden geradlinigen
Dipolelementen durch zwei Mäanderleitungselemente,
die sich seitlich voneinander erstrecken. Jedes der Mäanderleitungselemente
hat einen Einspeisepunkt und ein freies Ende. Dadurch, dass die
Antennenelemente mäanderförmig sind,
haben sie eine verteilte konstante Impedanz, wodurch die Notwendigkeit
von Pupinspulen vermieden wird. Es werden Ausführungsformen (
12 und
13) offenbart, in denen die freien Enden
der Mäanderleitungselemente in
einer Ausführungsform
durch eine direkte symmetrische Leiterbahn und in einer anderen
Ausführungsform
durch eine mäanderförmige direkte
Leiterbahn verbunden sind, wodurch die Antenne als Wende-Dipolantenne
verwendet werden kann.
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EP-A1-0
650 214 offenbart eine λ/4
Antenne, die einen Satz von teilweise überlappenden Schleifen, die
sich von einer Antennenbasis weg erstrecken, umfasst. Es wird eine
Ausführungsform
(2) offenbart, die einen zweiten Satz von teilweise überlappenden
Schleifen hat, die in Spiegelsymmetrie mit dem ersten Satz verbunden
sind. Ein entsprechendes Ende von jedem Satz ist mit einem gemeinsamen
Einspeisepunkt verbunden. Die anderen Enden von jedem Satz sind
wahlweise miteinander verbunden, um einen kontinuierlichen Leiter
zu bilden, der eine Länge
von λ/2
hat.
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Offenbarung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Kompaktantenne
zu schaffen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Antennenanordnung
bereitgestellt, die erste und zweite benachbart angeordnete physisch
verkürzte
Abschnitte, einen Kurzschluss, der ein entsprechendes erstes Ende
der ersten und zweiten Abschnitte miteinander verbindet, und Mittel zur
Speisung der ersten und zweiten Abschnitte umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass die ersten und zweiten Abschnitte eine gefaltete Struktur bilden,
die eine Übertragungsleitung
definiert, dadurch dass die Mittel zur Speisung der ersten und zweiten
Abschnitte erste und zweite Einspeisepunkte an einem zweiten Ende
der ersten und beziehungsweise zweiten Abschnitte zur Verbindung
mit den entsprechenden ersten und zweiten Signalquellen umfassen,
und wobei die Schaltmittel an die ersten und zweiten Einspeisepunkte
gekoppelt sind, die einen von den Punkten mit der Erde verbinden,
wenn der andere Einspeisepunkt an seine entsprechende Signalquelle (106, 108)
gekoppelt ist.
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Die
ersten und zweiten Abschnitte müssen nicht
exakt parallel sein, zum Beispiel könnten sie eine sich verjüngende Übertragungsleitung
bilden. Auf die gleiche Weise müssen
die ersten und zweiten Abschnitte nicht exakt symmetrisch sein aber
sie müssen
ungefähr
die gleiche Route nehmen, so dass eine Übertragungsleitung definiert
wird.
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Eine
solche Anordnung ermöglicht
die Verwendung von einem entsprechenden Einspeisepunkt der Einspeisepunkte
für jede
Betriebsart. Unterschiedliche Betriebsarten können aus Sende- und Empfangsfunktionen,
unterschiedlichen Systemen (zum Beispiel GSM und UMTS), unterschiedlichen Frequenzbändern oder
irgendeiner Kombination dieser Arten bestehen. Durch die Verwendung
eines separaten Einspeisepunkts für jede Betriebsart ist es wesentlich
einfacher, in allen Arten optimale Belastung und Effizienz bereitzustellen.
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Dachkapazität kann zwischen
den ersten und zweiten Abschnitten bereitgestellt werden, wodurch
die Antennenleistung verbessert und eine einheitlichere Stromverteilung
durch die gefaltete Struktur bereitgestellt wird. Zusätzliche
Kurzschlusselemente können
verwendet werden, um die Impedanz der Anordnung zu verändern.
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Die
relative Impedanz, die durch die Einspeisungen angelegt wird, kann
verändert
werden, indem die Leiter der ersten und zweiten Abschnitte mit unterschiedlicher
Breite angeordnet werden, oder indem einer der Abschnitte derart
eingerichtet wird, dass er mehrere parallel verbundene Leiter umfasst.
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Die
Antennenanordnung kann getrennte Bauelemente umfassen, insbesondere,
wenn sie auf einem Substrat wie beispielsweise PCB oder LTCC hergestellt
ist. Solche Bauelemente können
die Stromverteilung auf der gefalteten Struktur variieren oder eine
Schaltfunktion ausführen.
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Multibandbetrieb
kann durch Verdoppelung der gefalteten Struktur in einer reduzierten
Größenordnung
innerhalb des gleichen Volumens erreicht werden.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Funkkommunikationsvorrichtung
bereitgestellt, die eine gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellte Antennenanordnung umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung gründet
auf der Erkenntnis, die im bisherigen Stand der Technik nicht vorhanden
war, dass durch Falten einer Mäanderleitung
oder einer anderen physisch verkürzten
elektrischen Antenne verbesserte Leistung in einem reduzierten Volumen
bereitgestellt werden kann.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun als Beispiel unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
grundlegende, gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellte Antennenanordnung zeigt;
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2 eine
Antennenanordnung zeigt, die Dachkapazität hat;
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3 eine
Antennenanordnung zeigt, die Abschnitte von unterschiedlicher Impedanz
hat, die durch Variierungen der Bahnbreite bereitgestellt wird;
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4 eine
Antennenanordnung zeigt, die Abschnitte von unterschiedlicher Impedanz
hat, die durch die Aufnahme zusätzlicher
Bahnen bereitgestellt wird;
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5 eine
Antennenanordnung zeigt, die getrennte Bauelemente enthält;
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6 eine
geschaltete Antennenanordnung zeigt; und
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7 eine
Multiband-Antennenanordnung zeigt.
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In
den Zeichnungen wurden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um
entsprechende Merkmale anzuzeigen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Unter
Bezugnahme auf 1 umfasst eine grundlegende
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Faltantenne 100, die erste
und zweite Mäanderleitungsabschnitte 102, 104 umfasst.
Die gezeigten Abschnitte 102, 104 sind vom "Zick-Zack-Typ" aber andere Formen
sind möglich, zum
Beispiel Wendel- oder Rechteckwellen (letzteres wie in WO 97/49141
gezeigt). Das Hauptkriterium für die
Konstruktion von Mäanderleitungen
ist, dass die horizontalen Stromkomponenten (d.h., diejenigen, die
senkrecht zu den Achsen der Abschnitte 102, 104 sind)
sich aufheben, wohingegen die vertikalen Stromkomponenten dies nicht
tun. Die Antenne muss nicht vollständig symmetrisch sein, vorausgesetzt, dass
beide Seiten 102, 104 der Falz ungefähr die gleiche
Route nehmen und hierdurch eine Übertragungsleitung
definieren. Die Gründe
für diese
Anforderung werden aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich
werden.
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Die
ersten und zweiten Einspeisepunkte 103, 105 werden
an den freien Enden der ersten und beziehungsweise zweiten Abschnitte 102, 104 bereitgestellt
und es werden Signale von den ersten und zweiten Quellen 106, 108 eingespeist.
Wenn die erste Quelle 106 verwendet wird, ist die zweite
Quelle 108 durch eine Diode 110 mit der Erde verbunden. Auf
die gleiche Weise ist die erste Quelle, wenn die zweite Quelle 108 verwendet
wird, durch Schaltmittel (nicht gezeigt) mit der Erde verbunden.
Das Schalten könnte
durch eine Reihe von Alternativen zur Diode 110, z.B. einen
auf einem Chip ausgeführten
Transistor oder sogar durch einen passiven LC-Resonanzkreis oder ähnliches,
wenn die Quellen 106, 108 bei unterschiedlichen
Frequenzen arbeiten, bewerkstelligt werden.
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Die
in 1 gezeigte Konfiguration ermöglicht die Verwendung von kostengünstigen
Schaltern mit geringer Verzerrung, wie in unserer ebenfalls anhängigen unveröffentlichten
Patentanmeldung Nr. 0025709.7 (Anmelder-Referenz PHGB000145) im Vereinigten
Königreich
offenbart. Die Antenne kann auch mit vielfachen Einspeisungen versehen
werden, wodurch der Betrieb mit einem verteilten Multiplexer ermöglicht wird,
wie in unserer ebenfalls anhängigen
unveröffentlichten
internationalen Patentanmeldung PCT/EPO1/06760 (Anmelder-Referenz PHGB000083)
offenbart.
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Das
elektrische Verhalten der Faltantenne 100 kann als eine Überlagerung
von unsymmetrischen Strömen,
die in den zwei Abschnitten 102, 104 in die gleiche
Richtung fließen,
und symmetrischen Strömen,
die in den zwei Abschnitten 102, 104 in entgegengesetzte
Richtungen fließen,
betrachtet werden. Strahlung wird nur durch die unsymmetrischen Ströme erzeugt.
Die Impedanz der Strahlungsbetriebsart entspricht ungefähr vier
Mal der Impedanz einer nicht gefalteten Struktur der gleichen Gesamtlänge, was
es der niedrigen Impedanz einer kurzen Antenne typischerweise ermöglicht,
in ungefähr
50 Ohm umgewandelt zu werden. Die Impedanz der symmetrischen Betriebsart
entspricht ungefähr
zwei Mal derjenigen einer Kurzschluss-Übertragungsleitung geeigneter
Länge.
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Die
Gesamtimpedanz, die die Antenne 100 aufweist, ist die parallele
Kombination der Impedanzen der zwei Betriebsarten. Dadurch, dass
die elektrische Länge
von jedem Abschnitt 102, 104 zu weniger als einem
Viertel einer Wellenlänge
gemacht wird, ist die Impedanz der symmetrischen Betriebsart diejenige
einer Kurzschluss-Stichleitung, die eine Länge von weniger als einem Viertel
einer Wellenlänge,
nämlich
induktiv, hat. Diese Impedanz kann daher verwendet werden, um die
kapazitive Reaktanz der symmetrischen Betriebsart abzustellen.
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Aus
diesem Grund stellt die grundlegende Ausführungsform eine Kompaktantenne
bereit, die eine kürzere
Länge als
eine gleichwertige nicht gefaltete Antenne hat und effizientes Schalten
und Mehrfrequenzbetrieb (über
mehrere Einspeisungen) unterstützt.
Sie würde
typischerweise als eine gedruckte Struktur, entweder als Teil einer
bestehenden Leiterplatte in einer Funk-Sende- und Empfangseinrichtung
oder als ein separates Modul ausgeführt. Dadurch, dass sie für jede Betriebsart
(zum Beispiel Sendung und Empfang) unabhängige Einspeisungen hat, kann
die Antenne mit einem schmaleren Band und aus diesem Grund kleiner
gemacht werden, während
die Konstruktion der Anpassungsschaltungen vereinfacht wird.
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Neue
Möglichkeiten
werden auch durch die Verwendung einer gedruckten Struktur bereitgestellt. 2 zeigt
eine Ausführungsform,
in der eine Antenne 200 ferner durch das Hinzufügen einer
Dachkapazität 202 verkürzt wird,
was ebenfalls die Antennenimpedanz verbessert und eine einheitlichere
Stromverteilung ergibt.
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Ein
Kurzschluss 204 wird auch zwischen den Abschnitten 102, 104 bereitgestellt,
wodurch (durch Ändern
der Länge
der Kurzschluss-Stichleitung) die Impedanz der symmetrischen Betriebsart
verändert wird,
ohne die Leistung der Strahlungs-Betriebsart negativ zu beeinträchtigen
(da entsprechende Punkte auf jedem der zwei Abschnitte 102, 104 der
Antenne in der Strahlungs-Betriebsart auf dem gleichen Potential
sind). Daher kann die Einspeiseimpedanz leicht durch Anpassen der
Position des Kurzschlusses 204 auf einen zweckdienlichen
Wert angepasst werden.
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Die
Antennenimpedanz an den Einspeisungen kann auch auf andere Arten
verändert
werden. Eine davon ist das Hinzufügen von unabhängigen Anpassungsschaltungen
an jedem Einspeisepunkt 103, 105, wodurch ein
effizienteres Anpassen und eine effizientere Breitbandanwendung
von jeder Einspeisung ermöglicht
werden. Ein anderes Verfahren ist das Ändern der relativen Impedanzen
von jeder Seite der Antenne durch Ändern der Bahnbreite oder des
Drahtdurchmessers oder der Anzahl von Bahnen oder Drähten.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
einer Antenne 300, in der für einen ersten Abschnitt 302 eine breitere
Bahn verwendet wird, während
die Breite des zweiten Abschnitts 104 unverändert bleibt.
Die Impedanz, die am ersten Einspeisepunkt 103 vorliegt,
wird daher im Verhältnis
zu derjenigen am zweiten Einspeisepunkt 105 reduziert.
Daher könnten
in einem Sende- und Empfangsgerät
die erste Einspeisung 103 mit einem Senderendverstärker und
die zweite Einspeisung 105 mit einem rauscharmen Empfängerverstärker verbunden
werden, wodurch bessere Betriebsbedingungen bereitgestellt werden.
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4 zeigt
eine alternative Ausführungsform
einer Antenne 400, in der zwei Bahnen 402 parallel
für einen
ersten Abschnitt verwendet werden, die auf ähnliche Weise am ersten Einspeisepunkt 103 eine
im Vergleich zum zweiten Einspeisepunkt 105 reduzierte
Impedanz aufweist. Es ist klar, dass eine große Reihe von Variationen möglich ist,
die auf die bestimmten Anforderungen einer gegebenen Anwendung zugeschnitten
werden können.
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Ein
weiterer Vorteil einer Antenne, die einfach als eine gedruckte Struktur
auf einem Substrat hergestellt werden kann, wie beispielsweise gedruckte
Leiterplatten PCB (Printed Circuit Board), LTTC (Low Temperature
Co-fired Ceramic) oder ähnliches, ist
die Möglichkeit,
getrennte Bauelemente innerhalb der Antennenstruktur aufzunehmen. 5 zeigt
eine Antenne 500, die konzentrierte passive Bauelemente 502, 504 umfasst,
um die Antennenstromverteilung zu variieren.
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Es
könnten
auch Schaltbauteile in die Antennenstruktur aufgenommen werden,
die zum Beispiel einen Betrieb in mehreren Betriebsarten durch Schalten
von Teilen der Antennenstruktur in und außer Betrieb ermöglichen. 6 zeigt
ein Beispiel einer doppelt abgestimmten Antenne 600, die
auf der Antenne von 1 basiert. Die ersten und zweiten
Abschnitte 102, 104 sind durch einen Nebenschlussschalter 610 verbunden
und sind auch mit weiteren Mäanderleitungsabschnitten 602, 604 durch
erste und zweite Serienschalter 612, 614 verbunden.
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Wie
in 6 gezeigt, ist der Nebenschlussschalter 610 geschlossen
und die Serienschalter 612, 614 sind im offenen
Kreis, wodurch der obere Teil der Antenne außerhalb des Kreises ist. Das
Umkehren des Zustands von allen drei Schaltern leitet den Strom über die
weiteren Abschnitte 602, 604. Daher wird Dualbandbetrieb
für ein
beliebiges Paar von Bändern
ermöglicht.
Die Antenne 600 ist daher eine elektronische Entsprechung
einer LC-Trap-Peitschenantenne, wo ein LC-Resonanzkreis die effektive
Länge einer
Antenne bei ihrer Resonanzfrequenz ändert. Weitere Schalter könnten verwendet
werden, um Multibandbetrieb zu ermöglichen, sowie, um die Impedanz
der Antenne auf die gleiche Weise zu variieren, wie durch die Kurzschlussbahn 204 von 2 (ohne
Schaltfähigkeit)
bereitgestellt. Solches Schalten könnte auch verwendet werden,
um andere getrennte Bauelemente in und aus dem Kreis zu schalten.
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Die
Schalter 610, 612, 614 können unter
Verwendung von jeder Art von geeigneten Bauteilen ausgeführt werden.
Diese beinhalten Dioden sowie neuere Entwicklungen wie beispielsweise
Schalter mikro-elektro-magnetischer Systeme (MEMS). MEMS können auch
als variable Kondensatoren ohne die Nichtlinearitätsprobleme
verwendet werden, die mit herkömmlichen
variablen Kondensatoren verbunden sind.
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7 zeigt
eine weitere Ausführungsform,
in der eine Multibandantenne 700 durch Verdoppeln der Antennenstruktur
mit minimaler Änderung
des Volumens erreicht wird. Zusätzlich
zur ersten gefalteten Mäanderleitung,
die die ersten und zweiten Abschnitte 102, 104 umfasst,
umfasst die Antenne 700 eine weitere gefaltete Mäanderleitung,
die die dritten und vierten Abschnitte 702, 704 und
die dritten und vierten Einspeisepunkte 706, 708 umfasst.
Die veranschaulichte Konfiguration ist auf vier Bändern betriebsfähig. Wenn
die weitere Mäanderleitung
auf einer unterschiedlichen Schicht oder Seite des Substrats gedruckt
würde,
könnte
sie sogar die erste Mäanderleitung überlappen.
Wenn eine kleinere Anzahl von Einspeisepunkten erforderlich wäre, könnten die ersten
und dritten Einspeisepunkte 103, 703 oder die zweiten
und vierten Einspeisepunkte 105, 705 oder beide
Sätze von
Einspeisepunkten kombiniert werden.
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Alle
der vorhergehenden Techniken können leicht
kombiniert werden, um die Konstruktion von Antennen mit geringem
Volumen zu ermöglichen,
die für
eine große
Reihe von Anwendungen geeignet sind.
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Obgleich
die vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen sich auf eine
gefaltete Monopolantenne beziehen, in der jeder der Abschnitte 102, 104 eine
Achse hat, die eine einzige direkte Leitung umfasst, sind andere
Strukturen, zum Beispiel eine "L"-Form, möglich. Die einzige Einschränkung ist, dass
die Abschnitte 102, 104 einer ausreichend ähnlichen
Bahn folgen, indem sie typischerweise im Wesentlichen parallel sind,
um eine Übertragungsleitung zu
definieren.
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Die
Ausführungsformen
der vorhergehend beschriebenen vorliegenden Erfindung verwenden eine
Mäanderantenne 100.
Es könnten
indes stattdessen andere Typen von physisch verkürzten elektrischen Antennen
verwendet werden. Solche Antennen sind monopol- oder dipolartige
Antennen, die physisch kleiner sind als ihre elektrische Länge, und empfangen
vorwiegend das elektrische Feld. Ein Beispiel einer solchen alternativen
Antenne ist eine Wendelantenne.
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Vom
Lesen der vorliegenden Offenbarung werden für Fachleute andere Änderungen
ersichtlich sein. Solche Änderungen
können
andere Merkmale umfassen, die in der Konstruktion, Herstellung und Verwendung
von Antennenanordnungen und Bauelementen davon bereits bekannt sind
und die anstatt von oder zusätzlich
zu bereits hierin beschriebenen Merkmalen verwendet werden können.
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In
der vorliegenden Patentschrift und in den vorliegenden Ansprüchen schließt das Wort „ein" oder „eine", das einem Element
vorangeht, nicht das Vorhandensein von mehreren solchen Elementen aus.
Ferner schließt
das Wort „umfasst" nicht das Vorhandensein
von anderen Elementen oder Schritten als denjenigen die aufgelistet
werden, aus.