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Die
Erfindung betrifft eine dielektrische Antennenstruktur, die insbesondere
für tragbare
Funkvorrichtungen geeignet ist.
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Eine
dielektrische Antenne bedeutet einen Resonator, bei dem das wesentliche
dielektrische Element an mehreren Seiten offen ist, so dass elektromagnetische
Energie frei in die Umgebung emittiert wird, während die Struktur mitschwingt.
Dielektrische Antennen sind vorteilhaft bei sehr hohen Frequenzen,
weil die Leiterverluste bei ihnen klein sind. Zusätzlich sind
sie von sehr kleiner Größe im Vergleich
zu anderen Strukturen, die ähnliche
elektromagnetische Eigenschaften haben.
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Das
Versorgen einer dielektrischen Antenne mit elektromagnetischer Energie
kann auf mehrere verschiedene Weisen durchgeführt werden. Der innere Leiter
einer kurzen koaxialen Versorgungsleitung kann nach innerhalb des
dielektrischen Elementes verlängert
werden. In diesem Fall ist der Nachteil, dass selbst schmale Luftspalte,
die zwischen dem Versorgungsleiter und der dielektrischen Masse
zurückbleiben,
die Resonanzfrequenz und Bandbreite der Antenne beachtlich verändern können. Für die Versorgung
kann ein offenes Ende eines Wellenleiters oder eines anderen Apperturstrahlers
verwendet werden. Der Nachteil von diesen sind die relative Komplexität ihrer
Struk tur und resultierenden Herstellungskosten. Als eine Versorgungsleitung
kann auch eine Übertragungsleitung
verwendet werden, die aus einem Mikrostreifen auf einer Schaltungsplatte
und aus einer Erdungsebene auf der entgegengesetzten Seite der Schaltungsplatte
gebildet ist, so dass der Mikrostreifen sich nach unterhalb des
dielektrischen Elementes erstreckt, das auf der Schaltungsplatte
montiert ist. Selbst hier sind die kleinen Luftspalte, die leicht
zwischen dem Mikrostreifen und dem dielektrischen Element zurückbleiben
können, der
Nachteil.
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Unter
anderem ist aus dem Artikel "Use
of parasitic strip to produce circular polarization and increased
bandwidth for cylindrical dielectric resonator antenna" (ELECTRONICS LETTERS,
29. März 2001,
Vol. 37, Nr. 7) eine Versorgungsanordnung einer dielektrischen Antenne
bekannt, wobei der Mikrostreifen, der für die Versorgung verwendet
wird, direkt auf der Oberfläche
eines dielektrischen Elementes liegt. Diese Anordnung ist in der 1 gezeigt.
Es ist eine Schaltungsplatte 110 gezeigt, auf deren oberen Oberfläche die
leitende Erdungsebene GND ist. Oben auf der Schaltungsplatte ist
ein zylindrisches dielektrisches Element 120 mit einem
Boden gegen die Erdungsebene montiert. Der Dielektrizitätskoeffizient
des dielektrischen Materials ist zum Beispiel 13. Der Versorgungsstreifen 131 liegt
eng an der Seitenoberfläche
des dielektrischen Elementes parallel zur Achse des Zylinders. Die
Dimensionen der Teile sind so gestaltet, dass, wenn der Versorgungsstreifen
mit einer Quelle mit einer gegebenen Frequenz verbunden ist, eine
Resonanz in dem dielektrischen Element erzeugt wird und die Struktur
als ein Strahler arbeitet. Zusätzlich
ist an der Seitenoberfläche
des dielektrischen Elementes ein parasitärer zweiter Mikrostreifen 132 vorgesehen,
der in der Zeichnung am unteren Ende mit der Erdungsebene verbunden
ist. Dank des Effektes dieses zweiten Mikrostreifens wird eine zweite
Resonanzfrequenz für
die Struktur erhalten, welche zweite Resonanzfrequenz ziemlich nahe zu
der Frequenz der oben genannten Resonanz oder weiter entfernt davon
eingerichtet werden kann, so dass die entsprechenden Bänder getrennt
sind.
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Aus
dem Artikel A Dielectric Reonator on a Microstrip Antenna, Yung
et al., IEEE 1993, ist eine Mikrostreifenantenne bekannt, die einen
kreisartigen Strahlungsstreifen auf einem quadratischen dielektrischen
Substrat hat. Zusätzlich
enthält
die Antenne einen weiteren Strahler, der ein zylindrisches dielektrisches
Teil ist. Der Durchmesser dieses Teiles ist beachtenswert kleiner
als die Seite des Substrates des Mikrostreifens. Der Ort des zylindrischen
Teiles kann gewählt
werden, um die gesamte Antenne einzustellen. Der zylindrische dielektrische
Strahler hat keinen Versorgungsleiter an seiner Oberfläche. Wenn
er mitschwingt, erhält
er Energie vom Feld der Mikrostreifenantenne.
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Aus
dem Artikel A New Inverted F Antenna with a Ring Dielectric Resonator,
Chen et al., IEEE Transactions on Vehicular Technology, Nr. 4, Juli 1999,
ist eine invertierte F-Antenne (IFA) bekannt, deren Strahlungsdraht
von einem dielektrischen Zylinder umgeben ist. Der Zylinder erhöht die elektrische
Länge des
Strahlungsdrahtes, so dass die physikalische Länge der Antenne von 30 mm auf
ungefähr
14 mm verkürzt
ist. Zusätzlich
fungiert der dielektrische Zylinder als ein Resonator und daher
als ein Hilfsstrahler. Verglichen mit einer üblichen IFA ist die Bandbreite
der Antenne vergrößert. Der
Versorgungsleiter der Antenne ist nicht angeordnet, um in einem
Betriebsband der Antenne mitzuschwingen.
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Aus
dem Dokument
EP 0587 247 ist
eine Kombination einer Mikrostreifenantenne und einer dielektrischen
Antenne bekannt. Der Strahlunsstreifen liegt auf einem dielektrischen
Substrat, das eine Erdungsebene an einer entgegengesetzten Seite
hat. Der Strahlungsstreifen verbreitert sich zuerst und verengt
sich dann vom Versorgunsleiter aus betrachtet, um die Bandbreite
der Antenne zu verbreitern. Der dielektrische Strahler besteht aus
zwei dielektrischen Blöcken
oberhalb der Mikrostreifenantenne. Mittels zwei Blöcken werden
Extraresonanzen angeregt, um die Bandbreite der Antenne zu verbreitern. Die gesamte
Strahlungsstruktur liegt in einem leitenden Gehäuse, das an seiner einen Seite
offen ist. Der Versorgungsleiter der Antenne liegt auf dem Substrat des
Strahlungsstreifens und ist nicht angeordnet, um in einem Betriebsband
der Antenne mitzuschwingen.
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Aus
dem Artikel Reduced size metallized dielectric resonator antennas),
Mongia, IEEE 1997, ist eine dielektrische Antenne bekannt, deren
Größe mittels
einer Metallplatte auf dem dielektrischen Strahler verringert ist.
Der Versorgungsleiter der Antenne ist nicht angeordnet, um in einem
Betriebsband der Antenne mitzuschwingen.
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Aus
dem Dokument
DE 19837 266 ist
eine dielektrische Antenne bekannt, die eine leitende Schicht in
dem Symmetrielevel des dielektrischen Strahlers hat, um die Kopplung
zwischen dem Strahler und seiner Versorgungsleitung zu verbessern.
Der Versorgungsleiter ist nicht angeordnet, um in einem Betriebsband
der Antenne mitzuschwingen.
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Eine
gemeinsamer Nachteil bei bekannten dielektrischen Antennen ist ihre
relativ kleine Bandbreite. Bei einer Struktur gemäß der 1 kann
die Bandbreite mittels des zweiten Mikrostreifens vergrößert werden,
aber in der Praxis wird die relative Bandbreite nicht über 10 Prozent
vergrößert.
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Das
Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile, die mit dem Stand der
Technik verbunden sind, zu verringern. Folglich ist die dielektrische
Antenne gemäß der Erfindung
durch das gekennzeichnet, was in den unabhängigen Ansprüchen 1 und
2 angegeben ist. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Die
Grundidee der Erfindung ist folgendermaßen: Der Versorgungsleiter
einer dielektrischen Antenne ist so geformt, dass er gleichzeitig
selbst als ein Strahler innerhalb des selben Frequenzbereiches wie
der dielektrische Resonator fungiert.
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Die
Resonanzfrequenzen des Versorgungsleiters und des dielektrischen
Elementes sind vorteilhafterweise so nahe aneinander angeordnet,
dass ein gemeinsames Betriebsband gebildet ist. Der Versorgungsleiter
ist vorteilhafterweise an einer Oberfläche des Elementes angeordnet.
Die Struktur kann zusätzlich
parasitäre
Leiter enthalten.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist, dass für eine ihr gemäße Antenne
eine größere Bandbreite
als für
entsprechende Antennen des Standes der Technik erhalten wird. Außerdem ist
es ein Vorteil der Struktur gemäß der Erfindung,
dass die Luftspalte zwischen dem Versorgungsleiter und dem dielektrischen
Element sowie die resultierenden Änderungen in den elektrischen
Eigenschaften vermieden werden. Ferner ist es ein Vorteil der Erfindung,
dass die ihr gemäße Struktur
einfach ist und die Herstellungskosten ziemlich niedrig sind.
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Die
Erfindung ist unten unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen
genauer beschreiben, worin
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1 ein
Beispiel einer dielektrischen Antenne gemäß dem Stand der Technik darstellt,
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2 ein
Beispiel einer dielektrischen Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt,
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3 ein
Beispiel der Bandcharakteristika der Antenne gemäß der 2 darstellt,
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4 ein
Beispiel des Reflexionskoeffizienten der Antenne gemäß der 2 darstellt,
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5a ein
anderes Beispiel der dielektrischen Antenne gemäß der Erfindung darstellt,
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5b die
Antenne von 5a von der Schaltungsplatte
abgelöst
darstellt,
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6 ein
drittes Beispiel der Antenne gemäß der Erfindung
darstellt,
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7 ein
viertes Beispiel der Antenne gemäß der Erfindung
darstellt, und
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8 ein
Beispiel einer Vorrichtung darstellt, die mit einer Antenne gemäß der Erfindung
versehen ist.
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Die 1 wurde
bereits oben mit Bezugnahme auf die Beschreibung des Standes der
Technik erklärt.
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Die 2 stellt
ein Beispiel der Antennenstruktur gemäß der Erfindung dar. Die Antennenstruktur 200 enthält eine
Erdungsebene GND an der oberen Oberfläche einer Schaltungsplatte 210 und ein
dielektrisches Element 220, das die Form eines rechtwinkligen
Prismas hat, das in der Ecke der Schaltungsplatte angeordnet ist.
Das dielektrische Element bildet zusammen mit der Erdungsebene einen
dielektrischen Resonator. Bei diesem Beispiel ist die erste Seitenoberfläche 221 des
dielektrischen Elements, welche Seitenoberfläche parallel zum ersten Rand
E1 der zwei Ränder
ist, die die Ecke der Schaltungsplatte 210 bilden, jedoch
entgegengesetzt zu der Seitenoberfläche, die durch den Rand E1
begrenzt ist, und senkrecht zu der Erdungsebene GND, mit einer leitenden
Schicht beschichtet, die mit der Erdungsebene verbunden ist. In ähnlicher
Weise ist die zweite Seitenoberfläche 222 die parallel
zu dem zweiten Rand E2 der die zwei Ränder bildenden Ecke der Schaltungsplatte 210 ist,
jedoch entgegengesetzt zu der Seitenoberfläche, die von dem Rand E2 begrenzt
ist, und senkrecht zu der Erdungsebene GND, mit einer leitenden
Schicht beschichtet, die mit der Erdungsebene verbunden ist. Nun ähnelt die Form
des elektrischen Feldes, das in dem dielektrischen Element in dem
Resonanzzustand erzeugt wird, der Form eines elektrischen Feldes,
das in einem Element erzeugt werden würde, das von der Ecke aus betrachtet
in der Richtung der leitenden Seitenoberflächen breiter ist, und hat nicht
die leitenden Seitenoberflächen.
Dies bedeutet, dass mittels der leitenden Seitenoberflächen die
Größe eines
Resonators, der bei einer gegebenen Frequenz mitschwingt, verringert
werden kann.
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Bei
dem Beispiel der 2 ist der Versorgungsleiter 231 der
Antenne ein streifenähnlicher Leiter
an der oberen Oberfläche 223 des
dielektrischen Elementes 220. Das erste Ende des Versorgungsleiters,
das in jenem Ende der oberen Oberfläche liegt, das der zweiten
Seitenoberfläche 222 zugewandt
ist, ist mit einem Antennenport (nicht dargestellt) mittels eines
Zwischenleiters 235 verbunden. Bei diesem Beispiel enthält der Versorgungsleiter vier
rechtwinklige Bögen,
so dass dort ein Muster gebildet ist, das einem Rahmen ähnelt, der
an einer Ecke offen ist. Ein wesentliches Merkmal ist die elektrische
Länge des
Versorgungsleiters. Gemäß der Erfindung
ist diese Länge
eingerichtet, um so zu sein, dass die Resonanzfrequenz des Versorgungsleiters ziemlich
nahe der Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators ist, so
dass die Frequenzbänder entsprechend
den zwei Resonanzfrequenzen ein gemeinsames Betriebsband bilden.
Natürlicherweise
ist die Breite eines Bandes, das mittels Doppelresonanzen gebildet
ist, größer als
die Bandbreite eines dielektrischen Resonators alleine.
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In
dieser Beschreibung und in den angefügten Ansprüchen bedeutet die "Bodenoberfläche" eines Elementes
jene Oberfläche
des Elementes, die gegen die Schaltungsplatte fällt. Entsprechend bedeutet
die "Oberseitenoberfläche" eines Elementes die
Oberfläche,
die entgegengesetzt zu der "Bodenoberfläche" ist. Somit haben
die Ausdrücke "Oberseitenoberfläche", "Bodenoberfläche" und "Seitenoberfläche" nichts mit den Verwendungspositionen
der fraglichen Vorrichtung zu tun.
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Die 3 offenbart
ein Beispiel der Frequenzcharakteristika einer Antenne gemäß der Erfindung.
Das Ergebnis gilt für
die Struktur, die in der 2 dargestellt ist, wenn sich
die Erdungsebene GND nicht nach unterhalb des dielektrischen Ele mentes 220 erstreckt.
In der Zeichnung ist eine Kurve 31 des Reflexionskoeffizienten
S11 als eine Funktion der Frequenz angegeben. Zwischen den Frequenzen 2,2
GHz und 2,3 GHz gibt es eine Resonanzspitze, die durch den dielektrischen
Resonator verursacht ist. Um die Frequenz 2,5 GHz gibt es eine andere
Resonanzspitze, die durch den Versorgungsleiter verursacht ist.
In der Kurve ist zu sehen, dass, wenn der Wert -6 dB des Reflexionskoeffizienten
als das Kriterium für
den Bandrand verwendet wird, das Betriebsband der Antenne ungefähr 2,00
GHz – 2,66
GHz ist. Folglich ist die absolute Bandbreite B 660 MHz und ist
die relative Bandbreite 28%. Dies ist grob verdoppelt im Vergleich
mit den Werten, die mittels entsprechenden bekannten Antennen erzielt
werden.
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Die 4 stellt
unter Verwendung eines Smith-Diagrammes die Qualität des Abgleiches
derselben Antenne dar, auf die in der 3 Bezug
genommen wurde. Die Kurve 41 zeigt, wie der komplexe Reflexionskoeffizient
als eine Funktion der Frequenz geändert wird. Der Kreis 42,
der durch gepunktete Linien gezeichnet ist, zeigt eine Grenze, innerhalb
welcher die Größe des Reflexionskoeffizienten
kleiner als 0,5, d.h. -6 dB, ist. Aus der Kurve 41 ist zu
sehen, dass die Antennenstruktur noch verbessert werden kann. Eine
optimale Situation hinsichtlich der Bandbreite ist erreicht, wenn
die Schleife, die in der Reflexionskoeffizientenkurve enthalten
ist, vollständig
innerhalb des Kreises 42 ist.
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Die 3 und 4 stellen
Messergebnisse dar. Die Strahlungsmuster, die durch Simulation erhalten
wurden, belegen, dass bezüglich
der Richtungscharakteristika die exemplarische Struktur gut für Funkvorrichtungen
geeignet ist, deren Position in einer zufälligen Weise geändert wird.
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Die 5a und
b stellen ein anders Beispiel der Antennenstruktur gemäß der Erfindung
dar. Die 5a zeigt eine perspektivische
Ansicht der Antenne. Auch in diesem Fall enthält die Antennenstruktur eine
Erdungsebene GND an der Oberseiten- Oberfläche einer Schaltungsplatte 510 und
ein dielektrisches Element 520, das die Form eines rechtwinkligen
Prismas hat, das in der Ecke der Schaltungsplatte angeordnet ist.
Gemäß der Struktur,
die in der 2 dargestellt ist, sind dieselben
zwei Seitenoberflächen
mit einem leitenden Material beschichtet, das mit der Erdung verbunden
ist. Der Unterschied zur 2 ist, dass die Oberseitenoberfläche 523 des
dielektrischen Elementes nicht mit dem Versorgungsleiter des dielektrischen
Resonators versehen ist. Bei diesem Beispiel ist der Versorgungsleiter 531 an
der Bodenoberfläche
des dielektrischen Elementes. Dies ist in der 5b zu
sehen, wo das dielektrische Element 520 von der Schaltungsplatte 510 entfernt
und umgedreht ist, so dass die Bodenoberfläche sichtbar ist. Der Versorgungsleiter,
der gemäß der Erfindung auch
als ein Strahlungsresonator arbeitet, bildet nun ein Mäandermuster
in der Longitudinalrichtung des dielektrischen Elementes. Für die Versorgung
ist ein Ende des Mäandermusters
mit einem Kontaktfleck F2 versehen. Wenn das dielektrische Element
am Platz installiert ist, trifft der Kontaktfleck F2 mit dem Versorgungsstift
F1 zusammen, der sich durch die Schaltungsplatte erstreckt. (Zum
Zwecke der Einfachheit befasst sich diese Beschreibung nur mit der Antennenversorgung.
Natürlicherweise
ist die Antenne eine Zwei-Wege-Antenne, was bedeutet, dass der Versorgungsstift
auch ein Aufnahmestift ist.)
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Bei
diesem Beispiel ist die Bodenoberfläche des dielektrischen Elementes 520 auch
mit einem parasitären
Leiter 532 versehen. Wenn das dielektrische Element am
Platz installiert ist, fällt
das andere Ende des parasitären
Leiters mit einer Verlängerung der
Erdungsebene auf der Schaltunsplatte zusammen, so dass das andere
Ende des parasitären
Elementes mit der Erdung verbunden ist.
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Die 6 stellt
ein drittes Beispiel der Antennenstruktur gemäß der Erfindung dar. Die Antennenstruktur 600 enthält eine
Erdungsebene GND und ein dielektrisches Element 620. Bei
dem dielektrischen Element sind die entsprechenden zwei Sei tenoberflächen 621 und 622 wie
bei der Struktur der 2 mit einem leitenden Material
beschichtet, das mit der Erdung verbunden ist. Der Unterschied zu
den Strukturen der 2 und 5a, b
ist, dass der Antennenversorgungsleiter 631 nun an den
unbeschichteten Seitenoberflächen
des dielektrischen Elementes liegt. Bei diesem Beispiel liegt der
erste Teil des Versorgungsleiters an der Seitenoberfläche, die
entgegengesetzt zu der zweiten Seitenoberfläche 622 ist, und liegt
der zweite Teil an der Oberfläche,
die entgegengesetzt zu der ersten Seitenoberfläche 621 ist. Gemäß der Erfindung
dient der Versorgungsleiter gleichzeitig als ein Strahlungsleiter.
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Die 7 stellt
ein viertes Beispiel der Antennenstruktur gemäß der Erfindung dar. Die Antennenstruktur 700 enthält eine
Erdungsebene GND und ein dielektrisches Element 720. Bei
dem dielektrischen Element sind die entsprechenden zwei Seitenoberflächen 721 und 722 wie
bei der Struktur der 2 mit einem leitenden Material
beschichtet, das mit der Erdung verbunden ist, mit dem Unterschied, dass
die erste Seitenoberfläche 721 nur
teilweise beschichtet ist. Bei diesem Beispiel liegt der Versorgungsleiter 731,
der gemäß der Erfindung
gleichzeitig als ein Strahlungsleiter dient, in dem unbeschichteten
Bereich der ersten Seitenoberfläche 721.
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Die 8 stellt
eine Funkvorrichtung MS, zum Beispiel ein Mobiltelefon, dar. Innerhalb
der Funkvorrichtung gibt es eine Schaltungsplatte 810, wovon
die Oberseitenoberfläche
eine Erdungsebene wenigstens für
den Hauptteil ist. In der Ecke der Schaltungsplatte ist eine dielektrische
Antenne 800 gemäß der Erfindung
angeordnet.
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Oben
wurden einige Antennenstrukturen gemäß der Erfindung beschrieben.
Die Antennenstruktur kann von den beschriebenen abweichen. Die Form
des dielektrischen Elementes sowie die Form des Versorgungsleiters
kann stark variieren. Das Befestigen des Versorgungsleiters an der
Oberfläche des
dielektrischen Elementes kann auf viele verschiedene Weisen ausgeführt werden;
der Leiter kann zum Beispiel aus adhäsivem und elektrisch leitendem
Kunststoff hergestellt sein. Die Erfindung beschränkt in keiner
Weise die Herstellungsweise der Antenne. Somit kann die erfinderische
Idee auf viele verschiedene Weisen innerhalb des Umfangs angewandt
werden, der in den unabhängigen
Ansprüchen 1
und 2 definiert ist.