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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Antenne für zirkular polarisierte Wellen
gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1. Eine solche Antenne hat die Struktur einer so genannten
Patch-Antenne, die sich zur Anbringung an einem Fahrzeug oder dergleichen
eignet.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Eine
Kraftfahrzeugantenne hat den Vorteil, dass Senden oder Empfangen
unter Verwendung von zirkular polarisierten Wellensignalen erfolgt,
was die Steuerung polarisierter Richtungen von Wellen auch während der
Bewegung eines Fahrzeugs erübrigt.
Aus diesem Grund wird im großen
Umfang eine kleine Antenne für
zirkular polarisierte Wellen mit einer Patch-Antennen-Struktur für Kraftfahrzeugantennen
verwendet.
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6 ist
eine Draufsicht eines herkömmlichen
Beispiels für
eine Antenne für
zirkular polarisierte Wellen dieser Art (vgl. z.B. die
japanische ungeprüfte Patentanmeldungs-Veröffentlichung 200-151261 (Seite
2,
5)). Bei der in
6 gezeigten
Antennenvorrichtung, hier als Antenne für zirkular polarisierte Wellen
bezeichnet, ist ein Abstrahl-Leiter (eine Patch-Elektrode)
3 auf
einer Oberfläche
eines dielektrischen Substrats mit Hilfe einer Metallschicht-Erzeugungstechnik,
beispielsweise Drucken oder dergleichen, ausgebildet, außerdem ist ein
(nicht gezeigter) Masseleiter auf dem größten Teil der anderen Oberfläche des
dielektrischen Substrats
2 vorgesehen. Der Abstrahl-Leiter
3 besitzt
etwa quadratische Form und besitzt degenerative Trennelemente
4 und
5,
gebildet durch Abschneiden paarweise Ecken des Leiters, die zueinander
gegenphasig angeordnet sind. Ein Ende eines Speisestifts
6 läuft durch
das dieleketrische Substrat
2 und den Masseleiter und ist
mit einem vorbestimmten Einspeisepunkt in dem Abstrahl-Leiter
3 verlötet, während das andere
Ende des Speisestifts
3 mit einer (nicht gezeigten) Speiseschaltung
verbunden ist.
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In
der Antennenvorrichtung 1 mit diesem Grundaufbau werden
Signale mit vorbestimmter Hochfrequenz über den Speisestift an den
Abstrahl-Leiter 3 geleitet, so dass dieser Funkwellen abstrahlt.
In dem Abstrahl-Leiter 3 ist die Resonanzlänge des
Resonanzmodus in der Diagonalrichtung, in der die degenerativen
Trennelemente 4 und 5 vorhanden sind, kürzer als
die Resonanzlänge
des Resonanzmodus in der anderen orthogonalen Richtung, die senkrecht
auf der Diagonalen steht. Folglich wird die Größe (die Abschnittsfläche) der
degenerativen Trennelemente 4 und 5 passend so
eingestellt, dass eine Phasendifferenz von etwa 90° zwischen
den beiden Resonanzmoden vorhanden ist und dementsprechend ein synthetisierter
dominanter Modus beider Resonanzmoden angeregt wird. Dies ermöglicht es
der Antennenvorrichtung 1, als Antenne für zirkular
polarisierte Wellen zu fungieren.
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Die
oben erläuterte
herkömmliche
Antenne für
zirkular polarisierte Wellen (die Antennenvorrichtung 1),
ist derart aufgebaut, dass sich der Abstrahl-Leiter 3 auf
einer Fläche
des dielektrischen Substrats 2 befindet und der Speisestift 6 mit
dem Abstrahl-Leiter verbunden ist. Diesem Aufbau haftet das Problem
an, dass die Antennenvorrichtung 1 dieser Art nicht billig
hergestellt werden kann, weil das dielektrische Substrat 2 mit
geringem dielektrischen Verlust teuer ist. Darüber hinaus erweist sich auch der
Vorgang des Ausbildens des Abstrahl-Leiters 3 mit Hilfe
der Metallschicht-Fertigungstechnik als kompliziert. Insbesondere
dann, wenn die Resonanzfrequenz hoch ist, muss ein dielektrisches
Material mit extrem geringem dielektrischen Verlust als Material
für das
dielektrische Substrat 2 verwendet werden, um den Wirkungsgrad
der Antenne zu garantieren. In diesem Fall ist das dielektrische
Material äußerst kostspielig
und führt
zu hohen Materialkosten insgesamt. Wenn z.B. eine Antenne für zirkular
polarisierte Wellen mit einer Resonanzfrequenz von 5,8 GHz für ein elektronisches
Gebührensammelsystem (ETC;
electronic toll collection) mit Hilfe der oben angesprochenen Technik
hergestellt wird, kann die Antennenvorrichtung äußerst teuer werden.
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Nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zeigt die
DE 197 22 506 A eine Antenne
für zirkular
polarisierte Wellen, die von einer Struktur abgeleitet ist, bei der
die vier Fußstücke an den
vier Ecken eines Quadrats angeordnet sind, folglich symmetrisch
bezüglich
zweier orthogonaler Symmetrielinien sind. Um zirkular polarisierte
Wellen abzustrahlen, werden zwei Wellen mit einer Phasenverschiebung
von 90° zugeführt. Zu
diesem Zweck muss die oben angesprochene symmetrische Struktur modifiziert
werden. Die spezielle Art der Modifizierung ist allerdings in der
Druckschrift nicht angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Berücksichtigung der obigen Probleme
im Stand der Technik. Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine
Antenne für
zirkular polarisierte Wellen anzugeben, die eine Patch-Antennen-Struktur
aufweist, die billig hergestellt werden kann, und die sich durch
hohe Zuverlässigkeit
auszeichnet.
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Um
das obige Ziel zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung eine
Antenne für
zirkular polarisierte Wellen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die
Antenne für
zirkular polarisierte Wellen ist so ausgebildet, dass sie eine versetzte
Anordnung aufweist, bei der die vier Fußstücke zum Haltern der Strahlungsleiterplatte
nicht in regelmäßigen Intervallen
angeordnet sind. Das erste und das zweite Fußstück befinden sich in enger Nachbarschaft
zueinander, und das dritte und das vierte Fußstück sind ebenfalls relativ eng
benachbart, so dass eine vorbestimmte Differenz der Resonanzlänge der
beiden Resonanzmoden orthogonal zueinander eingestellt werden kann.
Insbesondere ist die Resonanzlänge
eines Resonanzmodus entlang einer Symmetrieachse des ersten und
des zweiten Fußstücks und
des dritten und des vierten Fußstücks länger als
die Resonanzlänge
des Resonanzmodus entlang einer Symmetrieachse des ersten und dritten
Fußtücks und
des zweiten und vierten Fußstücks. Dementsprechend
werden Größe und Versatz
jedes der Fußstücke passend so
eingestellt, dass eine Phasendifferenz von etwa 90° zwischen
den beiden Resonanzmoden erzielt wird. Dies geschieht in der Weise,
dass sich die Antennenvorrichtung als Antenne für zirkular polarisierte Wellen
treiben lässt.
Da außerdem
die Strahlungsleiterplatte, der Speisestift und die vier Fußstücke sämtlich durch
Pressen von Metallblech geformt werden können, lässt sich die Antenne für zirkular
polarisierte Wellen sehr billig fertigen, da keine Notwendigkeit
besteht, ein teures dielektrisches Material zu verwenden. Außerdem kann bei
der Antenne für
zirkular polarisierte Wellen die Strahlungsleiterplatte von den vier
Fußstücken in
einer stabilen Lage gehalten werden, und die Kennwerte der Antenne
können
vor einer Beeinträchtigung
durch Ungleichmäßigkeit
des dielektrischen Materials, durch mangelnde Genauigkeit des gedruckten
Musters etc. bewahrt werden. Hierdurch ist es möglich, in einfacher Weise eine hohe
Zuverlässigkeit
zu erreichen.
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In
der Antenne für
zirkular polarisierte Wellen mit dem obigen Aufbau besitzt die Strahlungsleiterplatte
vorzugsweise ein äußeres Erscheinungsbild einer
im wesentlichen quadratischen Form, deren Diagonalen zwei geraden
Linien entsprechen. In diesem Fall sind die jeweiligen Fußstücke an solchen Stellen
angeordnet, die von Mittelpunkten der jeweiligen Seiten der Strahlungsleiterplatte
mit im wesentlichen quadratischer Form abweichen. In anderen Worten:
das erste und das zweite Fußstück befinden sich
an Stellen nahe dem einen Ende der einen Diagonalen des Quadrats,
während
das dritte und das vierte Fußstück sich
an Stellen nahe dem anderen Ende der Diagonalen befinden. Wie oben
erläutert wurde,
wird, wenn die Strahlungsleiterplatte aus Metallblech mit quadratischem
Erscheinungsbild ausgebildet wird, die Gestaltung recht einfach,
sie kann durch Stanzen und Biegen in effizienter Weise erfolgen.
Aus diesem Grund lassen sich die Fertigungskosten weiter verringern,
um eine sehr billige Antenne für
zirkular polarisierte Wellen zu erhalten.
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Bei
einem speziellen Fertigungsverfahren können die vier Fußstücke sich
von der Innenseite von Ausschnitten aus erstrecken, die von der äußeren Umfangskante
der Strahlungsleiterplatte in Richtung der Mitte ausgeschnitten
werden. Als weiteres spezielles Fertigungsverfahren kann an den
Spitzen der vier Fußstücke ein
Kondensator angebracht werden. Als Beispiel kann sich der Kondensator
in diesem Fall zusammensetzen aus einem dielektrischen Substrat,
dessen Oberseite an vier Punkten mit Lötstellen versehen ist, und
dessen Bodenseite mit einer Masseelektrode ausgestattet ist. Der
Kondensator kann an dem Masseleiter platziert werden, um die Spitzen
der vier Fußstücke an den
zugehörigen
Lötstellen
azulöten.
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Da
die Antenne für
polarisierte Wellen gemäß der Erfindung
eine Versetzungsanordnung aufweist, bei der die vier Fußstücke zum
Haltern der Strahlungsleiterplatte nicht in regelmäßigen Intervallen
angeordnet sind, dienen die vier Fußstücke als degenerative Trennelemente,
weil eine vorbestimmte Differenz in der Resonanzlänge zwischen
den beiden Resonanzmoden der Strahlungsleiterplatte orthogonal zueinander
erzeugt wird. Da außerdem
die Strahlungsleiterplatte, der Speisestift und die vier Fußstücke sämtlich durch
Pressen eines Metallblechstücks ausgebildet
werden können,
besteht keine Notwendigkeit zur Verwendung eines teuren dielektrischen Werkstoffs.
Folglich ist es möglich,
eine Antenne für zirkular
polarisierte Wellen zu schaffen, die sich bei äußerst geringem Kostenaufwand
und gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit
fertigen lässt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Antennenvorrichtung nach einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung,
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2 ist
eine Draufsicht auf die Antennenvorrichtung nach 1,
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3 ist
eine Schnittansicht der Antennenvorrichtung nach 1,
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4 ist
eine Draufsicht auf eine Antennenvorrichtung nach einer zweiten
Ausführungsform
der Erfindung,
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5 ist
eine Schnittansicht der Antennenvorrichtung nach 5,
und
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6 ist
eine Draufsicht auf eine Antennenvorrichtung einer herkömmlichen
Ausgestaltung.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben. 1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Antennenvorrichtung (einer Antenne
für zirkular
polarisierte Wellen) gemäß einer ersten
Ausführungsform
der Erfindung; 2 ist eine Draufsicht auf die
Antennenvorrichtung, und 3 ist eine Schnittansicht der
Antennenvorrichtung.
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Die
in den 1 bis 3 gezeigte Antennenvorrichtung 10 besteht
aus einer Strahlungsleiterplatte 11, einem Speisestift 12 und
vier Fußstücken 13 bis 16.
All diese Teile sind durch Pressen eines Metallblechstücks ausgebildet,
danach werden sie auf das Substrat 18 auf der Oberseite,
wo ein Masseleiter 17 vorgesehen ist, platziert. Die Strahlungsleiterplatte 11 besitzt
ein äußeres Erscheinungsbild, welches im
wesentlichen einem Quadrat entspricht, und sie besitzt Fußstücke 13 bis 16,
die sich von der Außenumfangskante
nach unten erstrecken. Die Fußtücke 13 bis 16 werden
gebildet durch Biegen von Zungenstücken an vier Punkten des Umfangsbereichs
der Strahlungsleiterplatte 11 rechtwinklig in Richtung
des Substrats 18. Untere Enden der einzelnen Fußstücke 13 bis 16 sind
in die entsprechenden Montagelöcher 19 des
Substrats 18 eingesetzt und dort angelötet. Wie aus 3 ersichtlich
ist, sind die einzelnen Fußstücke 13 bis 17 gegenüber dem
Masseleiter 17 isoliert, um elektrisch offene Anschlüsse zu bilden.
Außerdem
sind die vier Fußstücke 13 bis 16 mechanisch
an dem Substrat 18 festgelegt und ermöglichen, dass die Strahlungsleiterplatte 11 in
einer im wesentlichen parallel zu dem Masseleiter 11 verlaufenden
Lage gehalten wird. Außerdem
erstreckt sich ein Speisestift 12, ausgebildet durch Schneiden und
Aufrichten der Strahlungsleiterplatte 11 an einem Einspeisepunkt,
nach unten und ist in einem Durchgangsloch 20 des Substrats 18 angelötet. Im
Ergebnis kann, da der Speisestift 12 mit einer (nicht gezeigten)
Speiseschaltung an der Bodenfläche
des Substrats 18 verbunden ist, ein vorbestimmtes Hochfrequenzsignal über den
Speisestift 12 in die Strahlungsleiterplatte 11 eingespeist
werden.
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Die
Antennenvorrichtung 10 ist gekennzeichnet durch eine relative
Lagebeziehung zwischen den vier Fußstücken 13 bis 16,
die die Strahlungsleiterplatte 11 abstützen. Die jeweiligen Fußstücke 13 bis 16 sind
nicht in regelmäßigen Intervallen
angeordnet. Speziell sind das erste und das zweite Fußstück 13 und 14 von
den vier Fußstücken 13 bis 16 relativ
eng nebeneinander angeordnet, und sie liegen symmetrisch mit Liniensymmetrie
bezüglich
der Diagonalen „A" der Strahlungsleiterplatte 11.
Das dritte und das vierte Fußstück 15 und 16 liegen
relativ dicht nebeneinander, und beide Fußstücke 15 und 16 sind
ebenfalls im Wesentlichen in Liniensymmetrie bezüglich der Diagonalen „A" angeordnet. In anderen
Worten: das erste und das zweite Fußstück 13 und 14 sind
an Stellen nahe dem Ende der Diagonalen „A" angeordnet, während das dritte und das vierte
Fußstück 15 und 16 an
Stellen angeordnet sind, die dem anderen Ende der Diagonalen „A" zuneigen. Darüber hinaus sind
das erste und das dritte Fußstück 13 und 15 in Liniensymmetrie
bezüglich
der anderen Diagonalen „B" der Strahlungsleiterplatte 11 angeordnet,
während
das zweite und das vierte Fußstück 14 und 16 etwa
in Liniensymmetrie bezüglich
der Diagonalen „B" angeordnet sind.
Aus diesem Grund ist der Abstand von den einander abgewandten Enden
der Diagonalen „B" den benachbar ten
Fußstücken größer als
der Abstand von den einander abgewandten Enden der Diagonalen „A" den benachbarten
Fußstücken. Darüber hinaus
bildet eine Gerade „C", die die Mitte der
Strahlungsleiterplatte 11 mit dem Einspeisestift 12 verbindet,
einen Winkel von etwa 45° in
Bezug auf die beiden Diagonalen „A" und „B".
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In
der Antennenvorrichtung 10 sind, wie oben beschrieben wurde,
die jeweiligen Fußstücke 13 bis 16,
die von der Außenumfangskante
der Strahlungsleiterplatte 11 wegstehen, an Stellen angeordnet,
die um vorbestimmte Entfernungen von den Mittelpunkten der jeweiligen
Seiten der Strahlungsleiterplatte 11 versetzt sind. Dies
geschieht derart, dass die vier Fußstücke 13 bis 16 als
degenerative Trennelemente fungieren können und eine vorbestimmte Differenz
in der Resonanzlänge
zwischen zwei Resonanzmoden der Strahlungsleiterplatte 11 orthogonal zueinander
bewirken können.
Insbesondere ist die Resonanzlänge
des Resonanzmodus entlang der Diagonalen „A" länger
als diejenige des Resonanzmodus entlang der Diagonalen „B". Die Größe und der Abstand
jedes der Fußstücke 13 bis 16 wird
vorab passend so eingestellt, dass die Phasendifferenz zwischen
den beiden Resonanzmoden etwa 90° beträgt. Aus
diesem Grund kann die Antennenvorrichtung 10 als Antenne
für zirkular
polarisierte Wellen betrieben werden.
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Da
sämtliche
Elemente wie die Strahlungsleiterplatte 11, der Einspeisestift 12 und
die vier Fußstücke 13 bis 16 durch
Pressen eines Metallblechstücks
geformt werden können,
lässt sich
die Antennenvorrichtung 10 mit sehr geringem Kostenaufwand fertigen,
da keine Notwendigkeit besteht, ein teures Dialektrikum zu verwenden.
Da außerdem
die Strahlungsleiterplatte 11 der Antennenvorrichtung 10 aus einem
Metallblech mit dem äußeren Erscheinungsbild
eines Quadrats geformt wird, ist der Entwurf einfach, und durch
Stanzen und Biegen kann eine effiziente Herstellung erfolgen, so
dass die Fertigungskosten weiter reduziert werden können.
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Außerdem kann
in der Antennenvorrichtung 10 die Strahlungsleiterplatte 11 durch
die vier Fußstücke 13 bis 16 in
einer stabilen Lage gehalten werden, so dass die Kennwerte der Antenne 10 an
einer Beeinträchtigung
durch Ungleichmäßigkeit
eines Direktrikums, eine Ungleichmäßigkeit in dem gedruckten Muster
etc. verhindert werden kann. Aus diesem Grund ist es möglich, eine
hohe Zuverlässigkeit
zu garantieren.
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4 ist
ein Grundriss einer Antennenvorrichtung (eine Antenne für zirkular
polarisierte Wellen) nach einer Ausführungsform der Erfindung, und 5 ist
eine Schnittansicht der Antennenvorrichtung nach 4.
In den 4 und 5 sind gleiche wie in den 1 bis 3 mit
entsprechenden Bezugszeichen versehen, und auf eine neuerliche Beschreibung
dieser Teile wird verzichtet.
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In
einer in den 4 und 5 gezeigten Antennenvorrichtung 20 erstrecken
sich vier Fußstücke 13 bis 16 ausgehend
von den Innenseiten von Ausschnitten 11a bis 11d,
die von der Außenumfangskante
der Strahlungsleiterplatte 11 in Richtung der Plattenmitte
geschnitten sind, nach unten. An den Spitzen der Fußstücke 13 bis 16 ist
jeweils ein Kondensator 21 angebracht, welcher so aufgebaut
ist, dass die Lötstellen 23a bis 23d an
vier Punkten auf der Oberseite mit einem dialektrischen Substrat 22 verlötet sind
und eine Masseelektrode 24 sich auf der Bodenfläche des
dialektrischen Substrats 22 befindet. Die Spitzen der vier
Fußstücke 13 bis 16 sind
an die entsprechenden Lötstellen 23a bis 23d gelötet, wodurch
die Strahlungsleiterplatte 11 an dem Masseleiter 17 des
Substrats 18 platziert und fixiert ist, wobei sich dazwischen
der Kondensator 21 befindet. Darüber hinaus läuft ein
unteres Ende des Einspeisestifts 12 durch das dialektrische
Substrat 22 und ist in dem Durchgangsloch 20 des
Substrats 18 angelötet.
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In
der in oben beschriebener Weise aufgebauten Antennenvorrichtung 20 erstrecken
sich die vier Fußstücke 13 bis 16 ausgehend
von der Strahlungsleiterplatte 11 in Richtung des dialektrischen Substrats 22 und
sind an den Lötstellen 23a bis 23d angebracht
und festgelötet.
Allerdings liegen die Lötstellen 23a bis 23d dem
Masseleiter 17 mit dem dazwischen liegendem dialektrischem
Substrat 22 gegenüber.
Damit wird zwischen den Lötstellen 23a bis 23d einerseits
und dem Masseleiter 17 andererseits ein zusätzlicher
Kondensator (z.B. Kondensator 21) gebildet. Dementsprechend
wird die Resonanzfrequenz der Strahlungsleiterplatte 11 klein
im Vergleich zu dem Fall, dass kein zusätzlicher Kondensator vorhanden
ist. Die Größe der Strahlungsleiterplatte 11, die
für die
Resonanzschwingung bei einer spezifizierten Frequenz erforderlich
ist, lässt
sich also verringern. Dies hat Vorteile insofern, als die Antennenvorrichtung
klein baut.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen wurden
für den
Fall beschrieben, dass die Strahlungsleiterplatte 11 ein äußeres Erscheinungsbild aufweist,
welches im Wesentlichen einem Quadrat entspricht. Selbst wenn allerdings
die Strahlungsleiterplatte das Erscheinungsbild eines regelmäßigen Polygons
oder das Erscheinungsbild eines Kreises hat, sind die vier Fußstücke, die
sich von der Außenumfangskante
der Strahlungsleiterplatte aus erstrecken, in unregelmäßigen Intervallen
gegeneinander versetzt, so dass es möglich ist, eine Antennenvorrichtung
zu schaffen, die als Antenne für
zirkular polarisierte Wellen fungiert, gleichzeitig billig ist und hohe
Zuverlässigkeit
aufweist.