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GEBIET DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch eine Antennenanordnung
mit mindestens einer sowie einer weiteren Antenne.
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STAND DER TECHNIK
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Die
häufigste
Antennentyp für
GPS-Anwendungen ist eine Streifenleiterantenne, die so genannte "Patch"-Antenne. Der Hauptnachteil
der Streifenleiterantennen sind deren verhältnismäßig hohe Fertigungskosten.
Ein weiterer Nachteil der Streifenleiterantennen ist ihre große Einbauhöhe, da sie
auch eine Masseebene und ein zwischenliegendes Dielektrikum benötigen.
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Andere
zirkular polarisierte Antennen, die billiger herzustellen sind,
sind einige Arten von Wendel- oder Doppelschleifenantennen. Der
Nachteil dieser Antennenart ist, dass sie in der Bandbreite und
im Antennengewinns nicht mit Patch-Antennen vergleichbar sind. Eine
schmale Bandbreite ist für GPS-Antennen
wichtig, um das Rauschen sowie Störungen bspw. aus in der Nähe liegenden
Handy-Funkantennen abzuschwächen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist gerichtet auf eine Antennenvorrichtung
insbesondere für
GPS-Anwendungen, die billiger herzustellen ist als bekannte Antennen
und im Vergleich zu ihnen eine schmale Bandbreite aufweist.
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Nach
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft diese eine Antennenvorrichtung,
wie sie im Anspruch 1 beschrieben ist.
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Die
Erfindung ist auch gerichtet auf eine Antennenvorrichtung nach Anspruch
23, bei der diese mit einer anderen Antenne kombiniert ist.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in deren kostengünstiger
Herstellung.
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Ein
anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist deren schmale Bandbreite,
die sie für GPS-Anwendungen
geeignet macht.
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Ein
noch anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ihre im Vergleich
zu bekannten Antennen geringe Einbauhöhe.
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Ein
Vorteil einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die einen Reflektor aufweist, ist ihr im
Vergleich zu einer Antenne ohne Reflektor höherer Gewinn.
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Ein
Vorteil der Antennenanordnung ist, dass die erfindungsgemäße Antennenvorrichtung
sich problemlos mit einer weiteren Antennenvorrichtung zusammenfassen
lässt,
ohne die Bauhöhe
der Anordnung zu beeinträchtigen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ohne Reflektor;
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2 zeigt
eine Perspektivdarstellung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung mit Reflektor;
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3 zeigt
eine Perspektivdarstellung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung mit einem alternativen Reflektoraufbau;
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4 zeigt
eine alternative Lage des Einspeiseschlitzes in der Ausführungsform
der 1;
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5a und 5b zeigen
eine Drauf- und eine Rückansicht
einer vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit eingebautem Verstärker;
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6 zeigt
im Schnitt eine flexible Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in einem Hand-Fernsprechgerät;
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7a und 7b zeigen
zwei Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung
mit geschlossenem Mäander-Schlitz;
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8 zeigt
eine erfindungsgemäße Antennenvorrichtung
mit einem Schlitz in einer ersten alternativen Gestalt;
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9 zeigt
eine erfindungsgemäße Antennenvorrichtung
mit einem Schlitz einer weiteren alternativen Gestalt;
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10a und 10b zeigen
eine alternative Methode, eine der Ausführungsform nach 1 ähnliche
Antennenvorrichtung zu realisieren;
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11 zeigt
eine Antennenanordnung aus einer PIFA-Antenne für den GSM-Betrieb und einer GPS-Antenne;
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12 zeigt
eine Antennenanordnung aus einer Kombination einer GSM-Patch-Antenne mit
einer GPS-Antenne; und
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13 zeigt
eine Antennenanordnung aus einer Kombination einer verlängerten
Schleifenantenne für
den GSM-Betrieb mit einer GPS-Antenne.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die 1 zeigt
in der Draufsicht eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung 10.
Die Antennenvorrichtung 10 weist ein dielektrisches Substrat 11 vorzugsweise
als Platine mit einer gedruckten Schaltung auf. Das dielektrische
Substrat kann aus einem biegsamen Material gefertigt sein, wie an
Hand der 6 beschrieben. Das Substrat
ist auf der Oberseite mit einer elektrisch leitfähigen Schicht – vorzugsweise
einem Metallbelag – versehen.
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Die
leitfähige
Schicht ist zu einem Außenbereich 12 und
einem Innenbereich 13 unterteilt, die voneinander von einem
als geschlossener Pfad geführten
Schlitz 14 isoliert sind. Der Schlitz verläuft in diesem
Beispiel im Wesentlichen auf einem rechtwinkligen Pfad in der leitfähigen Schicht
und hat eine erste Seite 15 der Länge L, die größer ist
als eine Länge
d einer zweiten Seite, die rechtwinklig zur ersten Seite 15 liegt.
Die Länge
L beträgt
etwa eine halbe Wellenlänge
auf der Sende- bzw.
Empfangs-Sollfrequenz. Die Länge
d ist vorzugsweise sehr viel kürzer
als die Länge
L. Die Länge
d der zweiten Seite muss größer sein
als die doppelte Breite w des Schlitzes. Ist d < 2w, liegt kein elektrisch leitfähiger Innenbereich 13 vor
und arbeitet die Antennenvorrichtung nicht bestimmungsgemäß. Die Breite
w des geschlossenen Schlitzes liegt vorzugsweise im Bereich einiger
Millimeter.
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Vorzugsweise
mittig in der ersten Seite 15 ragt ein Einspeiseschlitz 17 aus
dem geschlossenen Schlitz 14 heraus und in diesem Beispiel
im Wesentlichen rechtwinklig in den Außenbereich 12 hinein. Die
Länge des
Einspeiseschlitzes lässt
sich zur Feinabstimmung der Antennenfrequenz verwenden; seine Breite
ist etwa gleich der Breite w des rechtwinklig abgehenden Schlitzes 15.
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An
die Antennenvorrichtung 10 ist eine Einspeise- und eine
Erdungs- bzw. Masseeinrichtung in Form eines Koaxialkabels 1 anzuschließen. Die
Signalleitung 2 des Koaxialkabels 1, also die
Einspeiseeinrichtung, ist in diesem Beispiel an einen Einspeisepunkt 19 auf
dem Außenbereich 12 der
leitfähigen Schicht
nahe und auf einer Seite des Einspeiseschlitzes 17 angeschlossen.
Die Abschirmung 3 des Koaxialkabels 1, also sein
Masseanschluss, ist in diesem Beispiel an einen Massepunkt 18 auf
dem Außenbereich 12 nahe
und gegenüber
dem Einspeisepunkt 19 des Einspeiseschlitzes 17 angeschlossen.
Andere Arten der Einspeisung und des Masseanschlusses werden an
Hand der weiteren Ausführungsformen
offenbart.
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Die 2 zeigt
als Perspektive eine zweite Ausführungsform
einer Antennenvorrichtung 20. Die Antennenvorrichtung 20 weist
ein dielektrisches Substrat 1 auf, das einen elektrisch
leitfähigen
Belag trägt,
den ein geschlossener Schlitz 14, der mit einem Einspeiseschlitz 17 wie
in 1 beschrieben versehen ist, zu einem Außenbereich 12 und
einem Innenbereich 13 unterteilt. Die Antennenvorrichtung 20 weist
weiterhin einen Reflektor 21 auf, d. h. eine Metallfläche in einem
Abstand D vom dielektrischen Substrat 11. Der Raum 22 zwischen
dem Substrat 11 und dem Reflektor kann mit einem dielektrischen
Material gefüllt
sein. Die Länge
L des geschlossenen Schlitzes 14 muss u. U. justiert werden,
um den Einfluss des dielektrischen Materials auszugleichen.
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Durch
Hinzufügen
eines Reflektors zum an Hand der 1 beschriebenen
Antennenaufbau lässt
sich der Antennengewinn erhöhen.
In diesem Beispiel ist der Raum 22 mit einem festen dielektrischen
Material als Teil des Antennenaufbaus gefüllt. Bei Verwendung eines dielektrischen
Materials mit höherem ε-Wert lässt sich
der Abstand D verringern, so dass der Raumbedarf der Antennenvorrichtung sinkt.
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Das
Koaxialkabel 1 ist an der Seite des Substrats 11 mit
der Antennenvorrichtung 20 verbunden. Die Abschirmung 3 ist – entweder
direkt oder indirekt über
einen Verbinder (nicht gezeigt) – an den Außenbereich 12 des
leitfähigen
Belags gelegt. Die Signalleitung 2 ist mit einem Anschlusspunkt 23 verbunden, und
zwar über
einen Wellenleiter 24 auf der Rückseite des Substrats 11,
entgegengesetzt zu der Seite, die den leitfähigen Belag trägt. Der
Anschlusspunkt 23 ist mit einem Einspeisepunkt 19 auf
dem Außenbereich 12 des
leitfähigen
Belags elektrisch verbunden. Die Verbindung 25 erfolgt
bspw. mit einem Durchsteiger oder Stift im Substrat 11.
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Die
Signalleitung 2 ist in diesem Beispiel über eine Streifenleitung 24 als
Wellenleiter – gestrichelt
angedeutet – zwischen
dem Rand des Substrats 11 und dem Kontaktpunkt 23 angeschlossen. Dadurch
vereinfacht sich die Fertigung erheblich – insbesondere bei Verwendung
eines festen Dielektrikums im Raum 22. Die Signalleitung 2 lässt sich
an den Wellenleiter direkt oder indirekt über einen Verbinder (nicht
gezeigt) anschließen.
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Die 3 zeigt
eine Antennenvorrichtung 30 in einer dritten Ausführungsform,
bei der der Reflektor 31 anders als bei einer Antennenvorrichtung 10, wie
in 1 beschrieben, realisiert ist.
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Der
Reflektor 31 ist Teil eines Abschirmkästchens. Das Abschirmkästchen 32 hat
zwei Seitenwandflächen 33 vorzugsweise
der gleichen Höhe
h. Die Höhe
der Seitenwandflächen
kann in einigen Anwendungen differieren – bspw. um eine Schräge zum Reflektor 31 zu
erreichen. Die Seitenwände 33 sind auf
zwei gegenüberliegenden
Seiten des Reflektors 31 vorzugsweise rechtwinklig mit
diesem verbunden, so dass ein U-förmiges Abschirmkästchen entsteht. Die
Seitenwandflächen 33 sind
vorzugsweise ein integraler Bestandteil des Reflektors und aus dem
gleichen Werkstoff wie dieser hergestellt. Das Abschirmkästchen 32 ist
vorzugsweise aus einem einzigen Blechstück zur Sollgestalt – vergl. 3 – gebogen.
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Das
Substrat 11 ist oben auf den Seitenwandflächen 33 angebracht,
und der leitfähige
Außenbereich
kann in elektrischem Kontakt mit dem Abschirmkästchen stehen. Die elektrische
Verbindung kann durch Löten
hergestellt sein. In diesem Beispiel ist der Raum 34 mit
Luft als Dielektrikum ausgefüllt.
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Die 4 zeigt
in der Draufsicht eine Antennenvorrichtung 40, bei der
der Einspeiseschlitz anders als in der 1 angeordnet
ist. Die Antennenvorrichtung weist ein dielektrisches Substrat 11 mit einem
elektrisch leitfähigen
Belag auf der Oberseite auf. Der leitfähige Belag ist zu einem leitfähigen Außenbereich 12 und
einem leitfähigen
Innenbereich 13 unterteilt, die ein geschlossener Schlitz 14 trennt,
wie bereits zur 1 beschrieben.
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Der
geschlossene Schlitz 14, der eine rechtwinklige Gestalt
aufweist, ist mit einer kurzen Seite 16 der Länge d und
einer längeren
Seite 15 der Länge
L ausgeführt.
In dieser Ausführungsform
ist an der kurzen Seite 16 – vorzugsweise mittig – ein Einspeiseschlitz 41 angeordnet.
Ein Koaxialkabel 1 mit einer Signalleitung 2 und
einer Abschirmung 3 ist an einen Einspeisepunkt 19 bzw.
einen Massepunkt 18 angeschlossen. Der Einspeisepunkt 19 ist
auf einer, der Massepunkt 18 auf einer gegenüberliegenden
Seite des Einspeiseschlitzes 41 angeordnet. Die Länge des
Einspeiseschlitzes 41 muss u. U. im Verhältnis zur
Länge des
Einspeiseschlitzes 17 der 1 verändert werden,
um die gleiche Frequenz wie die Antennenvorrichtung der 1 zu
erreichen.
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Die 5a, 5b zeigen
eine Drauf- bzw. Rückansicht
einer Antennenvorrichtung 50 für GPS-Anwendungen, die mit
einem Verstärker
und einem Filter zusammengefasst ist. Die Antennenvorrichtung 50 der 5a ist ähnlich der
Draufsicht der 1. Die Antennenvorrichtung 50 ist
mit einem dielektrischen Substrat 11 mit einem elektrisch
leitfähigen
Belag ausgeführt,
der in einen leitfähigen
Außenbereich 12 und
einen leitfähigen
Innenbereich 13 unterteilt ist, und zwar mittels eines
rechteckig geführten
geschlossenen Schlitzes 14 elektrisch getrennt, der an
einem Ende der längeren
Seiten einen Einspeiseschlitz 17 aufweist. Auf einer Seite
des Einspeiseschlitzes 17 ist ein Einspeisepunkt 19,
auf einer dem Einspeisepunkt 19 gegenüber liegenden Seite des Einspeiseschlitzes 17 ein
Massepunkt 18 vorgesehen. Eine Erdungseinrichtung ist an
einen Verbindungspunkt 51 am Rand des Außenbereichs 12 angeschlossen.
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Die 5b zeigt
die Rückseite
des dielektrischen Substrats 11 der Antennenvorrichtung 50.
Ein Wellenleiter 52 verläuft zwischen dem Rand des Substrats 11 und
einer integrierten Schaltung und/oder diskreten Bauteilen 53 bspw.
eines – bevorzugt rauscharmen – Verstärkers und/oder
eines Filters. Die integrierte Schaltung und/oder die diskreten
Bauteile 53 sind ihrerseits mit einem Einspeiseanschluss 54 über einen
Wellenleiter 55 angeschlossen. Bevorzugt verläuft der
Wellenleiter 55 von der integrierten Schaltung 53 zum
Einspeiseanschluss 54 über
die Rückseite
des Einspeiseschlitzes 17, so dass die Eigenschaften der
Antenne verbessert werden.
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Der
Einspeiseanschluss 54 ist mit dem Einspeisepunkt 19 auf
der anderen Seite des Substrats 11 bspw. mittels eines
Durchsteigers oder eines Stifts verbunden. Die Masseanschluss- und
die Einspeiseeinrichtung können
zwischen den Massepunkt 51 bzw. den Wellenleiter 52 gelegt
werden.
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Die 6 zeigt
im Schnitt eine nachrichtentechnische Einrichtung 6 mit
einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung 60.
In diesem Beispiel weist die Antennenvorrichtung ein flexibles Substrat 61,
das in das Gerät 6 der
Gestalt seines Deckels folgend eingebaut ist, sowie einen Reflektor 62 mit
Seitenwandflächen 63 auf.
Der Reflektor 62 ist am Substrat dessen Gestalt folgend,
also im Wesentlichen parallel zu ihm angebracht, so dass ein Raum 64 entsteht.
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Die
Gestalt des geschlossenen Schlitzes lässt sich ohne Verlust wesentlicher
Eigenschaften der Antennenvorrichtung vielfältig ändern. Im Folgenden ist eine
Anzahl verschiedener Gestaltungen gezeigt und wird an Hand der Figuren
diskutiert.
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Die 7a zeigt
eine Antennenvorrichtung 70 mit einem Schlitz 71,
der als geschlossener Mäander
geführt
ist. Die kurze Seite 72 des Schlitzes 71 ist in
diesem Fall weitestmöglich
verringert, um den Raumbedarf klein zu halten. Die elektrische Länge der
längeren
Seite 73 ist etwa gleich der Länge L in 1,
sofern die Antennenvorrichtung auf die gleiche Frequenz abgestimmt
ist. Durch Hinzufügen
des Mäanders
zum Rechteckschlitz in 1 lässt sich die körperliche
Länge L2 des Schlitzes verringern, L2 < L, so dass man
eine kleinere Vorrichtung 70 erhält.
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Die 7b zeigt
eine andere Ausführungsform
einer Antennenvorrichtung 75 in Form eines geschlossenen
Mäanders.
In dieser Ausführungsform ist
die kurze Seite 76 kürzestmöglich, und
ein Einspeiseschlitz 77 befindet sich an einer der kurzen Seiten 76.
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Die 8 zeigt
eine Antennenvorrichtung 80 mit einem geschlossenen Schlitz 81 in
Rechteckgestalt mit abgerundeten Ecken und einem Einspeiseschlitz 82 an
einer Seite. Dieser Einspeiseschlitz 82 ragt vom geschlossenen
Schlitz 81 auswärts,
wie schon beschrieben, aber unter einem Winkel von etwa 45°.
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Die 9 zeigt
eine Antennenvorrichtung 90 mit geschlossenem Schlitz 91 in
elliptischer Gestalt und einem – wie
oben beschrieben – auswärts ragenden
Einspeiseschlitz 92 an beliebiger Stelle des geschlossenen
Pfads.
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Die 10a, 10b zeigen
Alternativen zur Realisierung der Antennenvorrichtung 100 ähnlich der
der 1. Die 10a zeigt
in der Draufsicht ein dielektrisches Substrat 101 mit einem
elektrisch leitfähigen
Belag 102, der mit einer Öffnung 103 in Gestalt
eines Rechtecks und einem Einspeiseschlitz 104 versehen
ist. Die 10b zeigt die Rückseite des
Substrats 101 mit einem elektrisch leitfähigen Belag 105 in
Gestalt eines Rechtecks. Das Rechteck 105 ist kleiner als
die entsprechende Auslassung im Belag auf der Oberseite, wie in
den 10a, 10b gestrichelt
gezeigt.
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Die 11 zeigt
eine Antennenvorrichtung 110 als PIFA-Antenne ("Planar Inverted F-Antenna") 111 für den GSM-Betrieb
mit einer erfindungsgemäßen GPS-Antenne 112.
In diesem Beispiel ist die PIFA-Antenne mit einem Substrat ausgeführt, das
einen leitfähigen
Belag 113 trägt,
an den eine Einspeisung 114 und eine Masseleitung 115 für GSM-Signale
angeschlossen sind; letztere ist an eine Masseebene 116 gelegt.
Die GPS-Antenne 112 ist im leitfähigen Belag 113 angeordnet,
wie bereits beschrieben. Sie ist mit einer Masse 117 und
einem Einspeisepunkt 118 versehen, an die eine GPS-Anwendung angeschlossen
werden kann.
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Die 12 zeigt
eine Antennenvorrichtung 120 aus einer GSM-Patch-Antenne 121 und
einer erfindungsgemäßen GPS-Antenne 122.
Die Patch-Antenne weist eine leitfähige Fläche 123 auf einem
dielektrischen Material 124 auf. Die leitfähige Fläche ist mit
einer Einspeiseleitung 125 für GSM-Signale und mit einer
Masseebene 126 versehen. Die GPS-Antenne 122 ist
im leitfähigen
Belag 123 angeordnet, wie oben beschrieben. Sie ist mit
einer Masse 127 und einem Einspeisepunkt 128 ausgeführt, an
die eine GPS-Anwendung angeschlossen werden kann.
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Die
13 zeigt
eine Antennenvorrichtung
130 mit einer verlängerten
Schleifenantenne
131, wie in der Patentanmeldung
SE0000289-9 ausgeführt (die
hiermit als Druckschrift genannt ist), sowie einer erfindungsgemäßen GPS-Antenne
132.
Die verlängerte
Schleifenantenne
131 weist ein Substrat auf, das einen
Metallbelag trägt.
Der Metallbelag ist mit einem Schlitz
133 in zwei separate
leitfähige
Bereiche unterteilt, wo die GPS-Antenne
132 realisiert werden
kann. Die verlängerte
Schleifenantenne weist weiterhin ein umgefaltetes Metallstück
134 auf, das
mit den getrennten leitfähigen
Bereichen verbunden ist. Für
GSM-Signale ist eine Einspeiseeinrichtung
135 mit einer
und eine Masseeinrichtung
136 mit der anderen Seite des
Schlitzes
134 verbunden. Die GPS-Antenne
132 ist
im leitfähigen
Bereich realisiert, wie oben beschrieben. Die GPS-Antenne ist mit
einer Masse
137 und einem Einspeisepunkt
138 versehen, an
die eine GPS-Anwendung angeschlossen werden kann, wie oben an Hand
der
2 beschrieben.