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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine strahlende Einrichtung, die
elektromagnetische Signale empfangen und/oder emittieren soll, umfassend
mindestens zwei Empfangs- und/oder Übertragungsmittel elektromagnetischer
Signale des schlitzverbundenen Antennentyps und mit einem gemeinsamen Schlitz
und Verbindungsmitteln zum Verbinden mindestens eines der Mittel
zum Empfangen und/oder Übertragen
mit Mitteln zum Verarbeiten von elektromagnetischen Signalen.
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Auf
dem Gebiet der "Innen"-Kommunikation sind
Funkstrecken erforderlich, um verschiedene Einrichtungen in einem
Haus zu verbinden. Dazu werden Mittel zum Empfangen und/oder Übertragen elektromagnetischer
Signale oder Antennen von dem getaperten End-Fire-Schlitztyp verwendet.
Solche Antennen, die hauptsächlich
von einem getaperten Schlitz gebildet werden, der auf einem Metallsubstrat realisiert
ist, werden üblicherweise
als Vivaldi-Antennen
oder LISA (Linear Tapered Slot Antenna) bezeichnet. Sie können leichter
in die Einrichtungen integriert werden, da sie in der Ebene des
Substrats abstrahlen. Wenn mehrere Antennen dieses Typs verwendet
werden, beispielsweise in einem Netz, wird der Anschluß der strahlenden
Einrichtung schnell komplex.
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Das
Dimensionieren einer Vivaldi-Antenne ist dem Fachmann wohlbekannt.
Es kann in drei in
1 gezeigte Teile unterteilt
werden, nämlich
die Dimensionierung der Antenne A1 (Vivaldi-Profil), die Dimensionierung
der Verbindungsleitung
2, die mit einem Anschlußport P
verbunden ist, und die Dimensionierung des Übergangs Leitung
2/Schlitz
F1, was ermöglicht,
daß die
Energie von Leitung
2 auf die Antenne A1 übertragen
wird. Um die korrekte Kopplung von Energie zwischen der Leitung
2 und
dem Schlitz F1 sicherzustellen, ist es notwendig, eine Position
in spezifischen geometrischen Bedingungen hinsichtlich der relativen
Position der Verbindungsleitungen
2 und der Schlitze F1
der Antennen A1 zu erhalten. Ein Beispiel ist beispielsweise in
dem Dokument
US 6,246,377 angegeben.
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Es
gibt zwei Techniken, um Vivaldi-Antennen A1 und A2 in einem Netz
zu plazieren. Eine in 2 gezeigte erste Technik beinhaltet,
sie durch die gleiche Leitung 2 in Reihe zu schalten. Die
Länge der Leitung
zwischen den beiden Übergängen Leitung 2/Schlitz
F bestimmt die Phasendifferenz zwischen den von zwei aufeinanderfolgenden
Antennen A1 und A2 übertragenen
oder empfangenen Signalen. Indem ein ungerades Vielfaches der Leitungslänge der
geführten
Halbwellenlänge
unter der beispielsweise gemäß der Microstrip-Leitungstechnik
realisierten Verbindungsleitung genommen wird, nämlich L = nLm/2 (n = 2k + 1,
mit k = eine ganze Zahl), sind die übertragenen Felder E1 und E2
symmetrisch bezüglich
der Symmetrieachse der beiden Antennen A1 und A2. Für eine derartige
Reihenschaltung ist das Koppeln an die Antennen A1 und A2 unter
dem Gesichtspunkt der Amplitude und der Frequenzphasendifferenz
verschieden. Diese ist auf unterschiedliche Leitungslängen zwischen
einem Verbindungsport P und jeder der Antennen A1 und A2 zurückzuführen.
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Eine
in 3 gezeigte zweite Technik besteht daraus, sie
parallel zu schalten. Die Differenz bei der Länge zwischen L1 und L2 ermöglicht es,
die Phasendifferenz zwischen den übertragenen Feldern E1 und
E2 zu bestimmen. Indem gleiche Längen
genommen werden oder derart, daß |L1 – L2| =
n·Lm (wobei
n eine ganze Zahl ist), sind die übertragenen Felder E1 und E2
wie in 3 gezeigt. Diese Verbindungstechnik ergibt eine
ausgewogene Verbindung, erfordert aber eine komplexere Verbindungsschaltung.
Wenn insbesondere die Anzahl der Antennen zunimmt, nehmen die Abmessungen
des Verbindungsnetzes zu und seine Implementierung erfordert manchmal
die Verwendung von Komponenten. Folglich nehmen die Kosten der Struktur
zu.
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Eine
im Dokument
EP 0,301,216 dargelegte Lösung besteht
darin, die beiden Übergänge Leitung/Schlitz
durch einen einzelnen Übergang
Leitung
2/Schlitz FC zu ersetzen, indem die beiden Schlitze miteinander
verbunden werden, wie in
4 gezeigt. Daher gibt es nur
einen einzigen Übergang
Leitung
2/Schlitz FC und der Schlitz FC endet in einer
Antenne, A1 und A2, an jedem seiner beiden Enden. Die gekoppelte
Energie der Leitung
2 zum schlitz FC ist gleichmäßig auf
die Antennen A1 und A2 gerichtet.
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Eine
derartige strahlende Einrichtung weist jedoch ein festgelegtes Strahlungsmuster
auf, das insbesondere eine Null in der Symmetrieachse der Antennen
besitzt, wenn die Leitung 2 den Schlitz in einer gleichen
Entfernung von A1 und A2 schneidet. Derartige Eigenschaften können sich
innerhalb des Rahmens von Anwendungen, die eine starke Isotropie
in der strahlenden Einrichtung erfordern, als sehr abträglich herausstellen.
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Die
Europäische
Patentanmeldung
EP
1 267 446 A1 beschreibt eine elektromagnetische-Signal-Empfangs- und/oder Übertragungseinrichtung mit
einer Strahlungsdiversität
bei der Funkübertragung
zu geschlossenen oder halb geschlossenen Umgebungen.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
eine strahlende Einrichtung vor, die ein Strahlungsmuster präsentiert,
das mit einer einfachen Verbindung dynamisch rekonfiguriert werden
kann.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlungseinrichtung wie in
dem Einleitungsabschnitt beschrieben, wobei die Verbindungsmittel
zwei mit Verarbeitungsmitteln verbundene Verbindungsleitungen enthalten,
wobei die beiden Leitungen von einem offenen Kreis abgeschlossen
werden, der elektromagnetisch mit dem gemeinsamen Schlitz der beiden
Mittel für
Empfang und/oder Übertragung
gekoppelt ist, um das Einführen
einer Phasendifferenz zwischen den elektromagnetischen Signalen
der beiden Mittel für
Empfang und/oder Übertragung
zu ermöglichen, wenn
die Verbindung von einer Leitung unter Verwendung mindestens einer
in den Verbindungsleitungen vorhandenen Umschalteinrichtungen zu
der anderen umgeschaltet wird.
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Tatsächlich ermöglicht die
gemeinsame Verbindung, die durch zwei an einen für zwei Antennen gemeinsamen
Schlitz gekoppelte Leitungen zugelassen wird, daß das Strahlungsmuster der
strahlenden Einrichtung moduliert wird, indem von einer Leitung zur
anderen umgeschaltet wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
sind die Mittel für
Empfang und/oder Übertragung
in Paaren mit einem gemeinsamen Schlitz gruppiert, wobei die Verbindung
jedes Paars mit Hilfe von zwei Leitungen realisiert ist, die so
plaziert sind, daß sie
den gemeinsamen Schlitz in unterschiedlichen Entfernungen von der
Symmetrieachse des Paars von Mitteln für Empfang und/oder Übertragung
schneiden, um eine Phasendifferenz zwischen den Mitteln für Empfang und/oder Übertragung
des Paars einzuführen.
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In
diesem Fall ist eine Leitung beispielsweise auf der Symmetrieachse
der Antennen zentriert, und die andere ist um ein Viertel der Wellenlänge versetzt.
Eine Phasendifferenz von 180° wird
dann zwischen den von den beiden Antennen des Paars übertragenen
Signalen eingeführt.
Somit weist das Strahlungsmuster nicht länger irgendwelche Nullpunkte
in der Achse auf.
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Gemäß einer
Ausführungsform
sind die Paare durch eine Gruppe von zwei Paaren gruppiert, die durch
die gleichen zwei Verbindungsleitungen verbunden sind, wobei eine
feste Phasendifferenz auf einer der Leitungen für die Verbindung eines der
beiden Paare eingeführt
worden ist.
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Diese
Ausführungsform
ermöglicht
beispielsweise die Steuerung von vier Antennen mit zwei Leitungen.
Beispielsweise beträgt
die feste Phasendifferenz 180°.
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Gemäß einer
Ausführungsform
sind die Mittel für
Empfang und/oder Übertragung
in Gruppen von N Mitteln für
Empfang und/oder Übertragung gruppiert
durch Verbinden der N Schlitze mit einem gemeinsamen Schlitz mit
N Verzweigungen, wobei Verbindungsleitungen, voneinander isoliert,
N' auf dem gemeinsamen
Schlitz zentrierte und in einer versetzten Weise in Rotation bezüglich der
Verzweigungen des gemeinsamen Schlitzes angeordnete Verzweigungen
bilden.
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Diese
Ausführungsform
ermöglicht
eine vereinfachte Verbindung vieler Antennen. Sie kann beispielsweise
vorteilhafterweise in einem mehrschichtigen Substrat verwendet werden,
wo jede Leitung eine separate Ebene in Patentanspruch nimmt.
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Es
ist vorteilhaft, eine gerade Zahl N zu wählen. Es ist auch vorteilhaft,
N' = N zu wählen. Auf
diese Weise ist die Rotationsverschiebung derart, daß die Leitungen
jeweils in jedem zwischen den Verzweigungen des gemeinsamen Schlitzes
ausgebildeten Winkelsektor eingefügt werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
sind die Mittel für
Empfang und/oder Übertragung
gleichmäßig um einen
zentralen Punkt herum beabstandete Antennen vom Vivaldi-Typ.
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Solche
Antennen werden üblicherweise
verwendet und sind dem Fachmann wohlbekannt. Die Erfindung wird
vorteilhafterweise mit diesen Antennen realisiert, kann aber auch
durch jede Art von Antennen realisiert werden, die durch einen Übergang Leitung/Schlitz verbunden
sind, beispielsweise gedruckte Dipole, LTSA(Linear Tapered Slot
Antenna)-Einrichtungen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
werden die Verbindungsleitungen durch Microstrip-Leitungen oder
koplanare Leitungen gebildet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
enthält
die Umschalteinrichtung mindestens eine Diode.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
enthält
die Umschalteinrichtung einen diskreten Schalter zum selektiven
Aktivieren einer Verbindungsleitung oder der anderen.
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Andere
Charakteristiken und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich bei der Lektüre der
Beschreibung verschiedener Ausführungsformen,
wobei die Beschreibung unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen
erfolgt. Es zeigen:
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1 eine
Blockdiagrammansicht der Verbindung einer Antenne des Schlitz-/Leitung-Kopplungstyps
gemäß dem Stand
der Technik,
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2 eine
Blockdiagrammansicht der Reihenschaltung von zwei Antennen des Schlitz-/Leitung-Kopplungstyps
gemäß dem Stand
der Technik,
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3 eine
Blockdiagrammansicht der Parallelschaltung von zwei Antennen des
Schlitz-/Leitung-Kopplungstyps gemäß dem Stand der Technik,
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4 eine
Blockdiagrammansicht der vorteilhaften Parallelschaltung von zwei
Antennen des üblichen
Schlitz-/Leitung-Kopplungstyps gemäß dem Stand der Technik,
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5a und 5b Blockdiagrammansichten
von Verbindungsmitteln von zwei in der vorliegenden Erfindung verwendeten
Antennen,
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6a, 6b und 6c die
Strahlungsmuster der Einrichtung von 5 als
Funktion des Winkels zwischen zwei Antennen,
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7a und 7b einen
Fall einer strahlenden Einrichtung mit 2N Antennen und einem entsprechenden
Schaltungsdiagramm,
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8 eine
Blockdiagrammansicht einer Ausführungsform
der Erfindung mit zwei Paaren von Antennen,
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9 eine
Blockdiagrammansicht einer Ausführungsform
der Erfindung mit einer Anzahl N = 4 Antennen,
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10 ein
Schnitt einer strahlenden Einrichtung, wie in 9 vorgeschlagen
und
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11 eine Reliefansicht der mit einer strahlenden
Einrichtung wie in 9 gezeigt erhaltenen Strahlungsmuster.
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5a und 5b zeigen
eine erste Ausführungsform
der Erfindung. In diesen Figuren sind zwei Antennen A1 und A2 verbunden
und werden von den gleichen Übergängen Leitung
(L1 oder L2)/Schlitz FC gespeist. Gemäß der Position der Leitungen
L1 und L2, angschlossen an einen Port P, am Schlitz, kann eine Phasendifferenz
zwischen dem von A1 gesendeten Signal E1 und dem von A2 gesendeten
Signal E2 definiert werden. Diese Phasendifferenz ist auf eine Differenz
bei der Entfernung zwischen dem Leitung/Schlitz-Übergang und den Antennen A1
und A2 zurückzuführen.
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Dadurch
kann man unterschiedliche Muster entsprechend der Position des Leitung/Schlitz-Übergangs
erhalten.
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Wenn
jedoch der Winkel zwischen den beiden Antennen A1 und A2 90° beträgt, werden
zwei in 6b ausgeprägte Strahlungsmuster erhalten.
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In
dieser Figur ist zu sehen, daß,
wenn die Leitung L1 den Schlitz in gleichem Abstand von den Antennen
A1 und A2 kreuzt, das einer Verbindung durch die Leitung L1 entsprechende
Muster D1 eine Null in der Achse aufweist, da die gesendeten Signale
von der gleichen Amplitude und in Phase auf der Ebene der Antennen
A1 und A2 sind, aber negativ in Phasenopposition entlang dieser
Achse rekombinieren. Die Leitung L2 ist jedoch um ein Viertel der
geführten
Wellenlänge
in dem Schlitz Ls/4 versetzt, wodurch eine Phasendifferenz von 90° eingeführt werden
kann. Somit wird eine Phasendifferenz von 180° auf dem an der Antenne A2 ankommenden
Signal im Vergleich zu dem an der Antenne A1 ankommenden Signal
eingeführt.
Die von den beiden Antennen gesendete Strahlung rekombiniert somit
konstruktiv entlang der Achse. Somit weist das der Leitung L2 entsprechende
Muster D2 nicht länger
irgendeine Null entlang der Achse auf.
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Die 5a und 5b differieren
durch die Implementierung der Umschalteinrichtung 3 zwischen
den beiden Leitungen L1 und L2. Die Umschalteinrichtung ermöglicht,
den Anschluß einer
Leitung zu einer anderen umzuschalten und folglich eine Struktur
mit einem unterschiedlichen Strahlungsmuster zu erhalten.
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In 5a enthält die Umschalteinrichtung 3a Dioden
am Ende der Leitungen L1 und L2, um das Koppeln an eine Leitung
zum gleichen Zeitpunkt zu gestatten, wo es auf der anderen verboten
ist.
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In 5b enthält die Umschalteinrichtung 3b zwischen
den beiden Leitungen L1 und L2 einen diskreten oder integrierten
Schalter, beispielsweise einen einpoligen Umschalter SPDT (Single
Pole Double Throw).
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Es
sei angemerkt, daß bei
der in 5 gezeigten Ausführungsform
eine der Leitungen auf der Symmetrieachse der Antenne zentriert
ist, wobei die andere Leitung außermittig sein kann. Es ist
jedoch auch möglich,
daß solche
Verbindungsleitungen beide außermittig
sind und in unterschiedlichen Abständen von den Antennen plaziert
sind. Dies insbesondere ermöglicht
die Steuerung der zwischen zwei Antennen in einer Einrichtung gemäß der Erfindung
eingeführten
Phasendifferenz und deshalb die Steuerung des globalen Strahlungsmusters.
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Das
Konzept der Diversität
von Strahlungsmustern wurde mit der in 5 gezeigten
Einrichtung in Simulation für
mehrere Werte des Winkels α validiert.
Die Ergebnisse hinsichtlich Strahlungsmuster sind in 6 angegeben. Es stellt sich heraus, daß unabhängig von
dem Winkel zwischen den Antennen eine effiziente Diversität mit Strahlungsnullen an
den Orten der Strahlungsmaxima gefunden wird, wenn die Verbindungsleitung
versetzt ist. Die Gestalt und der Ort der Maxima und Nullstellen
hängen
von dem Abstand und dem Winkel zwischen den Antennen ab. Diese geometrische
Phasendifferenz wird zu der elektrischen Phasendifferenz addiert.
Dieser für die
Erfindung spezifische Effekt ermöglicht,
daß die Einrichtung
so dimensioniert wird, daß man
die gewünschten
Muster erhält.
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Es
sei angemerkt, daß der Übergang
zwischen einer Leitung, beispielsweise einem Microstrip, und mehreren
Schlitzen korrekt arbeitet. Wenn zwei Antennen an dem gleichen Schlitz
kombiniert und durch die gleiche Leitung verbunden sind, führt dies
unter dem Gesichtspunkt des elektrischen Diagramms dazu, daß die Antennenimpedanzen
parallel gesetzt werden. Wenn wie in 7a gezeigt
die Anzahl der Antennen A erhöht
wird, umfaßt
der gemeinsame Schlitz Verzweigungen B, in Richtung derer die elektromagnetischen
Signale gekoppelt werden, wobei sich mehrere Verzweigungen B an
der gleichen Stelle auf der Ebene des Übergangsleitung L/gemeinsamer
Schlitz schneiden, der von den Verzweigungen B gebildet wird. Unter
dem Gesichtspunkt des in 7b gezeigten
Schaltungsdiagramms führt dies
dazu, daß die
Impedanzen ZA der Antennen in Reihe gesetzt
werden. Es ist deshalb möglich,
die Anzahl von durch eine gleiche Leitung L verbundenen Antennen
zu vermehren. Eine die Anzahl von Antennen der strahlenden Einrichtung
vermehrende Ausführungsform
der Erfindung ist in 8 gezeigt. Vier Antennen A1,
A2, A3, A4 sind in Paaren gruppiert, jeweils (A1, A4) und (A2, A3),
mit einem gemeinsamen Schlitz, jeweils FC1 und FC2. Eine derartige
Struktur, die eine Parallelschaltung darstellt, weist eine gute
Bandbreite auf und ermöglicht
deshalb den Betrieb bei verschiedenen Frequenzen. Eine Umschalteinrichtung 3 wird
von einem Schalter gebildet, der beispielsweise wie in 5b gezeigt, zwei
Dioden umfaßt
und ermöglicht,
daß die
Schlitze FC1 und FC2 mit der einen oder anderen der Leitungen L1
und L2 verbunden werden. Die Umschalteinrichtung 3 ist
an einen Verbindungsport angeschlossen, der selbst mit einem Signalspeise- und/oder -verarbeitungsmittel
verbunden ist.
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Wenn
die Verbindung von Leitung L1 zu Leitung L2 umschaltet, wird das
in der Antenne A3 vorliegende Signal E3 bezüglich des in der Antenne A2 vorliegenden
Signals E2 um 180° phasenverschoben,
was durch die Änderung
bei der Orientierung des Vektors E3 in 8 dargestellt
ist. Wenn die eingeführte
Phasendifferenz 180° beträgt, ändert sich dann
die Orientierung des Signals E3 in der Antenne A3, wie in 8 gezeigt.
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Das
Verhalten der elektromagnetischen Signale ist, wenn alles gleich
ist, für
die Antennen A4 und A1 ähnlich.
Um jedoch Phasenänderungen
zu erhalten, die die echte Beobachtung einer Strahlungsmusterdiversität ermöglichen,
wird eine feste Phasendifferenz von 180° auf Leitung L1 neben dem Antennenpaar
A1 und A4 realisiert.
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Eine
weitere Ausführungsform,
die eine Heraufsetzung der Anzahl von Antennen ermöglicht,
ist in 9 gezeigt. In dieser Figur sind vier Antennen A1,
A2, A3, A4 durch ihren gemeinsamen Schlitz FC in Form eines Sterns
mit vier Verzweigungen verbunden. Wie in 10 gezeigt,
sind sie beispielsweise in eine Masseebene M graviert. Eine erste
Speiseleitung L1 ist über
der Masseebene M auf einem ersten Substrat S1 angeordnet, und die
zweite Speiseleitung L2 ist über
der Masseebene M auf einem zweiten Substrat S2 angeordnet. Somit
sind die Leitungen voneinander isoliert. Diese Struktur ist vorteilhaft, wenn
ein preiswertes mehrschichtiges Substrat S verwendet wird, beispielsweise
das FR4. Diese Art von Substrat kann insbesondere verwendet werden, um
HF-Platinen zu realisieren.
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Ein
derartiges mehrschichtiges Substrat ermöglicht die Realisierung der
Verbindungsmittel auf dem gleichen Substrat ohne Verwendung zusätzlicher
Komponenten zwischen den beiden.
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Die
so erhaltene strahlende Einrichtung weist eine Arbeitsbandbreite
mit einer gleichmäßigen Verteilung
von Energie zwischen den Antennen auf, sowohl bei der Abstimmung
als auch bei der Übertragung.
Aufgrund der ausgezeicheneten intrinsischen Isolation der Verbindungen
erfordert diese Ausführungsform
keine zusätzlichen
Komponenten, um die Isolation zwischen den Leitungen bereitzustellen. Eine
gute Strahlungsdiversität
wird erhalten, wobei die für
jede der Leitungen erhaltenen Strahlungsmuster komplementär sind.
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11 zeigt die Strahlungsmuster Da und Db
in einer Reliefansicht der in 9 gezeigten
Quadrupol-Antennenstruktur.
Es sei angemerkt, daß diese
beiden erhaltenen Muster Da und Db, jeweils für eine der Leitungen L1 bzw.
L2, verschieden sind und ausgezeichnete Komplementarität zeigen.
Durch Umschalten von einer Leitung zur anderen steht somit eine
dynamisch konfigurierbare Strahlung zur Verfügung. Eine derartige Komplementarität von Mustern
ist auch in 6 bei zwei Dimensionen, aber
nur für
zwei Antennen, zu sehen.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und
der Fachmann erkennt die Existenz verschiedener Ausführungsformvarianten,
wie etwa beispielsweise die Vermehrung von gemäß dem Prinzip der Erfindung
verbundenen Antennen.