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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Empfangen und/oder
Senden von elektromagnetischen Wellen mit Strahlungsdiversität, welche
auf dem Gebiet der drahtlosen Übertragungen
anwendbar ist, insbesondere in dem Fall von Übertragungen in geschlossenen
oder halbgeschlossenen Umgebungen wie drahtlosen Hausnetzwerken,
in Turnhallen, in Fernsehstudios, in Vorführräumen o.ä., aber auch in den drahtlosen
Kommunikationssystemen, die für
das Antennensystem einen minimalen Platzbedarf – wie in der Mobilfunktelefonie – erfordern.
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In
den bekannten hochratigen drahtlosen Übertragungssystemen erreichen
die von dem Sender übertragenen
Signale den Empfänger
auf einer Mehrzahl unterschiedlicher Wege. Bei ihrer Kombination
am Empfänger
rufen die Phasenunterschiede zwischen den verschiedenen Strahlen,
die unterschiedlich lange Strecken zurückgelegt haben, eine Interferenzfigur
hervor, die Schwunderscheinungen (Fading) oder eine beträchtliche
Verschlechterung des Signals verursachen kann. Ferner ändert sich der
Standort der Schwunderscheinungen (Fading) im Laufe der Zeit in
Abhängigkeit
der Umgebungsveränderungen
wie der Anwesenheit neuer Gegenstände oder durchlaufender Personen.
Diese durch die Mehrwegausbreitung bedingten Schwunderscheinungen
(Fading) können
beträchtliche
Verschlechterungen nicht nur der Qualität des empfangenen Signals,
sondern auch der Leistungen des Systems zur Folge haben.
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Die
am häufigsten
verwendete Technik zur Bekämpfung
der Schwunderscheinungen (Fading) ist eine Technik der so genannten
räumlichen
Diversität.
Diese Technik besteht unter anderem darin, ein Paar Antennen mit
breiter räumlicher
Abdeckung wie zwei Antenne des Typs Patchantenne, welche mit einem
Schalter verbunden sind, einzusetzen. Die zwei Antennen sind um
eine Länge
beabstandet, welche λ0/2 übersteigen
oder gleich sein muss, wobei λ0
die Wellenlänge
ist, welche der Betriebsfrequenz der Antenne entspricht. Mit diesem
Antennentyp kann gezeigt werden, dass die Wahrscheinlichkeit sehr
gering ist, dass die zwei Antennen sich gleichzeitig in einem Schwund
(Fading) befinden. Ferner kann mit dem Schalter der Strang ausgewählt werden,
welcher mit der den höchsten
Signalpegel aufweisenden Antenne verbunden ist, indem das empfangene
Signal über
eine Prüfschaltung
untersucht wird. Der Hauptnachteil dieser Lösung ist jedoch, dass sie relativ
sperrig ist, da sie einen minimalen Abstand zwischen den strahlenden
Antennen erfordert, um eine ausreichende Dekorrelation der durch
jedes strahlende Element gesehenen Kanalantworten zu gewährleisten.
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Verschiedene
Lösungen
wurden vorgeschlagen, um den Platzbedarf des Antennensystems zu verringern
und dabei eine ausreichende Diversität sicherzustellen. Manche Lösungen wurden
Gegenstand mehrerer Patentanmeldungen, welche im Namen der Thomson
multimedia Licensing S.A. eingereicht wurden. Sie bestehen insbesondere
darin, mehrere Antennen des Typs Schlitzantenne einzusetzen, welche
durch Leitung-Schlitz-Übergänge gespeist
werden und mit Mitteln versehen sind, mit welchen eine Strahlungsdiversität erzielbar
ist, insbesondere mit Dioden, mit welchen Antennen in Abhängigkeit
des empfangenen Signalpegels aufeinander geschaltet werden können.
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In
dem Artikel „diversity
antenna for external mounting on wireless handsets", IEEE, Vol. 49,
Nr. 5, Mai 2001 wurde weiterhin auf dem Gebiet der Mobilfunktelefonie
vorgeschlagen, einen Schlitz λ/4
mit einem Monopol zu verbinden, um ein System mit Strahlungsdiversität zu realisieren.
Das vorgeschlagene System ist jedoch eine relativ komplexe dreidimensionale
Struktur.
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Das
am 28. März
1995 veröffentlichte
Dokument US-A-5 402 136 (Goto Naohisa et al) offenbart eine Vorrichtung
zum Empfangen und zum Senden von elektromagnetischen Wellen mit
einer Monopol-Antenne und mehreren Antennen des Typs Nutenantenne.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine neue Lösung für eine Vorrichtung zum
Empfangen und/oder zum Senden von elektromagnetischen Wellen mit
Strahlungsdiversität
vorzuschlagen, welche eine äußerst kompakte
Struktur aufweist und dabei Strahlungsdiagramme mit einer sehr guten
Komplementarität
liefert. Sie ermöglicht es
ebenfalls, eine Vorrichtung zum Empfangen und/oder zum Senden von
elektromagnetischen Wellen mit Strahlungsdiversität zu erzielen,
deren Herstellungskosten relativ gering sind.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend eine Vorrichtung
zum Empfangen und/oder zum Senden von elektromagnetischen Wellen
mit Strahlungsdiversität,
welche auf einem gemeinsamen Substrat mindestens eine durch eine
geschlossene Krümmung
gebildete, elektromagnetisch mit einer ersten Versorgungsleitung
gekoppelte Antenne des Typs Schlitzantenne und eine eine parallel zu
dem Substrat verlaufende Strahlung aufweisende Antenne, wie einen
Monopol, eine im Transversalmodus arbeitende Wendel o.ä., welche
im Inneren der Antenne des Typs Schlitzantenne angeordnet ist und mit
einer zweiten Versorgungsleitung verbunden ist, aufweist, wobei
die erste und die zweite Versorgungsleitung über ein Schaltmittel mit Mitteln
zur Nutzung der elektromagnetischen Wellen verbunden sind.
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Die
oben beschriebene Vorrichtung zum Empfangen und/oder zum Senden
von elektromagnetischen Wellen macht sich die Tatsache zunutze, dass
die Antennen des Typs Schlitzantenne mit einem durch eine geschlossene
Krümmung
gebildeten Schlitz – nachfolgend „Antennen
des Typs Schlitzantenne" – sowie
die Antennen des Typs Monopol-Antenne oder Helix-Antenne mit im
Transversalmodus arbeitender Wendel nahezu omnidirektionale Strahlungsdiagramme
mit Minima aufweisen, welche sich jeweils in der Substratebene für die Antenne
des Typs Schlitzantenne befinden und nach der Monopol- oder der
Wendel-Achse für
die andere Antenne liegen. Das Schalten einer Antenne auf die andere
ermöglicht
es somit, die Kanalantwort durch die Antenne zu ändern und somit von einem Diversitätsgewinn zu
profitieren.
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Gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
ist die erste Versorgungsleitung in Mikrostreifentechnologie oder
in Koplanartechnologie realisiert. Ferner weist die erste Versorgungsleitung
eine Länge
zwischen ihrem Ende und dem Punkt der elektromagnetischen Kopplung
auf, welche Kλm/4
gleich ist, wobei k eine ungerade Ganzzahl ist und λm die Länge der unter
der Versorgungsleitung bei der zentralen Betriebsfrequenz geleiteten
Welle ist, wobei λm
= λ0/√εreff, wobei λ0 die Wellenlänge im Vakuum
und εreff die effektive Permittivität der Leitung
ist. Die zweite Versorgungsleitung ist in Mikrostreifentechnologie oder
durch eine Koaxialleitung realisiert. Wenn die Leitung in Mikrostreifentechnologie
realisiert ist, wird eine Verbindung an der Antenne des Typs Schlitzantenne
zwischen dem Außenteil
und dem Innenteil des Schlitzes gebildet, wobei diese Verbindung
beispielsweise durch eine leitende Einlage gebildet ist, welche eine
Breite aufweist, die zwei- bis dreimal der Breite der in Mikrostreifentechnologie
realisierten Leitung gleich ist, um den Betrieb der erregenden Mikrostreifenleitung
nicht zu stören.
Um zudem die durch das Vorhandensein der leitenden Verbindung bedingte Störung in
dem Schlitz der Antenne des Typs Schlitzantenne zu minimieren, ist
diese Verbindung in einer Ebene eines elektrischen Kurzschlusses
für den Schlitz
realisiert, welche somit die Ebene ist, in der sich die die Antenne
des Typs Monopol- oder Helix-Antenne erregende Mikrostreifenleitung
und die Antenne des Typs Schlitzantenne kreuzen.
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Gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
ist die Schlitzantenne durch einen Ringschlitz, welcher kreisförmig ist
oder durch eine geschlossene Krümmung
gebildet ist, deren Umfang k'λs gleich
ist, wobei k' eine
Ganzzahl ist und λs
die Wellenlänge
in dem Schlitz bei der Betriebsfrequenz ist, und/oder durch einen
mehreckigen, wie beispielsweise quadratischen oder rechteckigen
Schlitz gebildet. Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung
zum Empfangen und/oder zum Senden von elektromagnetischen Wellen
mit Strahlungsdiversität
mehrere Antennen des Typs Schlitzantenne aufweisen, welche derart
ineinander geschachtelt sind, dass das Betriebsband erweitert wird oder
Multiband-Anwendungen ermöglicht
werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der Beschreibung verschiedener, anhand der beigefügten Zeichnungen
erläuterten
Ausführungsformen.
Es zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 und 3 eine
Schnittansicht beziehungsweise eine Draufsicht der ersten Ausführungsform;
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4 und 5 eine
perspektivische Darstellung des Strahlungsdiagramms des Monopols und
des Strahlungsdiagramms des Schlitzes für eine Vorrichtung gemäß 1 bis 3;
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6 eine
Kurve, welche die Parameter S in dB in Abhängigkeit der Frequenz zwischen
den verschiedenen „Ports" für eine Vorrichtung
gemäß den 1 bis 3 angibt;
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7.
eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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8 eine
mit der Kurve von 6 identische Kurve für die zweite
Ausführungsform;
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9 und 10 die
Strahlungsdiagramme des Schlitzes und des Monopols für eine Vorrichtung gemäß 7.
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Um
die Beschreibung zu vereinfachen, werden die gleichen Elemente mit
identischen Bezugszeichen angegeben.
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Wie
in den 1 bis 3 dargestellt, ist die Vorrichtung
zum Empfangen und/oder zum Senden von elektromagnetischen Wellen
im Wesentlichen durch eine Antenne des Typs Schlitzantenne 1,
welche durch eine geschlossene Krümmung, insbesondere durch einen
Ringschlitz gebildet ist, und durch eine eine parallel zur Ebene
des Schlitzes verlaufende Strahlung aufweisende Antenne 2,
und zwar in der dargestellten Ausführungsform durch einen Monopol gebildet.
Der Monopol 2 ist im Zentrum des Ringschlitzes 1 angeordnet.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung weist spezifischer – wie in
den 2 und 3 dargestellt – ein Substrat
aus einem dielektrischen Material 3 auf, dessen Oberseite
metallisiert wurde. Der Ringschlitz 1 ist durch Entmetallisierung
der metallischen Schicht 4 gemäß einem Kreis realisiert, dessen
Durchmesser von der Betriebswellenlänge der Vorrichtung abhängt, insbesondere
ist der Umfang gleich k'λs, wobei λs die Wellenlänge in dem
Schlitz bei der Betriebsfrequenz und k' eine Ganzzahl ist.
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Ferner
ist eine kreisförmige Öffnung 5 mit
einem Durchmesser D im Zentrum des Ringschlitzes vorgesehen. Diese Öffnung nimmt
in ihren zentralen Teil den Monopol 2 auf, welcher ebenfalls
das Substrat 3 durchquert. Unter dem Monopol 2 ist
auf der Unterseite des Substrats 3 ein metallischer ringförmiger Befestigungspatch 5 vorgesehen.
Wie insbesondere in der 3 dargestellt, wird der Ringschlitz 1 gemäß der von
Knorr beschriebenen Methode durch eine mit „Port 1" verbundene Mikrostreifenleitung 6 erregt. Diese
Mikrostreifenleitung 6 ist auf der Unterseite des Substrats
ausgebildet. Zwischen ihrem freien Ende 6' und dem Punkt der elektromagnetischen
Kopplung mit dem Schlitz 2 weist sie eine Länge Lm =
kλm/4 auf,
wobei λm
die Wellenlänge
unter der Leitung und k eine ungerade Ganzzahl ist.
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In
der dargestellten Ausführungsform
wird der Monopol 2 ebenso durch eine Mikrostreifenleitung 7 erregt.
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Wie
in 3 dargestellt, ist zwischen der Innenscheibe und
dem den Ringschlitz 1 bildenden Außenkranz eine Verbindung hergestellt,
um eine Kontinuität
der Masse-Ebene für
die den Monopol 2 erregende Mikrostreifenleitung 7 sicherzustellen.
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Diese
Verbindung wird mit Hilfe einer leitenden Einlage 8 mit
einer Breite w hergestellt, welche ausreichend ist (Breite gleich
ca. zwei- bis dreimal Breite der erregenden gedruckten Leitung),
um den Betrieb der erregenden Mikrostreifenleitung nicht zu stören. Um
die Störung
des Ringschlitzes durch das Vorhandensein dieser metallischen Einlage
zu minimieren, ist diese in einer Ebene eines elektrischen Kurzschlusses
für den
Schlitz ausgebildet, welche somit die Ebene sein wird, in der sich
die den Monopol erregende Leitung und der Ringschlitz kreuzen.
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Wie
in den 4 und 5 dargestellt, weisen der Ringschlitz 1 und
der Monopol 2 Strahlungsdiagramme auf, welche nahezu omnidirektional
und insofern relativ komplementär
sind, als die Minima m sich jeweils in der Substratebene (vorliegend
nach der Achse ox) für
den Ringschlitz befinden und nach der Monopol-Achse (vorliegend
nach der Achse oz) für
letzteren liegen. Somit ermöglicht
es die Schaltung von einem Port zum anderen (mit Hilfe einer dem
Fachmann wohl bekannten Schaltvorrichtung wie eines Schalters, welcher
zwischen den Versorgungsleitungen 6 und 7 und
dem Teil zur Signalverarbeitung angeordnet ist und von einem Steuerungssignal
wie dem Signalpegel, dem Störabstand
o.ä. gesteuert
wird), die Kanalantwort durch die Antenne zu ändern und somit von einem Diversitätsgewinn
zu profitieren. Wenn nämlich
die Dominante des empfangenen Signals nach der Achse ox ankommt,
was gleich bedeutend mit dem Empfang eines schwachen Signals durch
den mit dem Schlitz verbundenen Zugang wäre, sind durch Schaltung auf
den mit dem Monopol verbundenen Zugang alle Chancen gegeben, ein
Signal mit einem signifikanten Pegel zu empfangen unter Berücksichtigung
der Tatsache, dass die Richtung ox einem Maximum für das Monopoldiagramm
entspricht. Eine symmetrische Überlegung kann
in dem Fall angestellt werden, in dem das dominante Signal nach
der Achse oz – beispielsweise
in dem Fall einer mehrstufigen Kommunikation – ankommt.
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In
diesem Fall bleibt die Kopplung zwischen dem Ringschlitz 1 und
dem Monopol 2 gering unter Berücksichtigung
- i)
der Komplementarität
der Strahlungsdiagramme (die Richtungen der Maxima des einen liegen in
der Richtung der Minima des anderen),
- ii) der Orthogonalität
der von dem Schlitz und von dem Monopol emittierten Felder.
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Man
kann somit minimale gegenseitige Störungen zwischen den zwei strahlenden
Elementen erwarten, obwohl sie nahezu denselben physikalischen Raum
belegen.
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Um
sich der guten Funktionsweise einer Vorrichtung zum Senden/zum Empfangen
wie der oben beschriebenen zu vergewissern, wurde diese vollständig für einen
Betrieb bei der Zentralfrequenz von ca. 5.8 GHz dimensioniert und
anschließend
mit Hilfe der Simulationssoftware HFSS von Ansoft simuliert. Mit
Bezug auf die schematischen Darstellungen der 1 bis 3 weist
das durch einen Ringschlitz 1 und einen Monopol 2 gebildete
System die folgenden Abmessungen auf:
- • Rint = 6.4 mm (Innenradius des Schlitzes),
- • Rext = 6,8 mm (Außenradium des Schlitzes),
- • Ws = 0.4 mm (Breite des Schlitzes, Ws = Rext – Rint)
- • Wm1 = 0.3 mm (Breite der den Schlitz versorgenden
Mikrostreifenleitung),
- • lm1 = 8.25 mm (Länge der den Schlitz zwischen dem
Port 1 und dem Leitung-Schlitz-Übergang versorgenden
Mikrostreifenleitung),
- • lm1' =
8.25 mm (Länge
der den Schlitz zwischen dem Leitung-Schlitz-Übergang und dem Ende der in
offener Schaltung vorliegenden Leitung versorgenden Mikrostreifenleitung),
- • D
= 2 mm (Durchmesser der Entmetallisierung im Zentrum des Schlitzes),
- • L
= 13.21 mm (Länge
des Monopols),
- • ☐ =
30 mm (Durchmesser der Masse-Ebene),
- • ☐Monopol = 1 mm (Durchmesser des den Monopol bildenden
Metalldrahts),
- • Wm2 = 0.2 mm (Breite der den Monopol versorgenden
Mikrostreifenleitung),
- • lm2 = 8.4 mm (Länge der den Monopol zwischen dem
Port 2 und dem Leitung-Schlitz-Übergang versorgenden
Mikrostreifenleitung),
- • lm2' =
8.8 mm,
- • Einlage:
1.2 mm Länge
(d.h. 3 % der Schlitzlänge),
- • ein
metallischer Patch mit einem Durchmesser von 2 mm ist unter dem
Monopol angeordnet (er ermöglicht
es, den Monopol einfacher mit seiner Versorgungsleitung zu verschweißen).
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Das
verwendete Substrat ist ein 4003-Rogers-Substrat mit einer relativen
Permittivität ☐r = 3.38 und einer Dicke h = 0.81 mm.
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6 zeigt
die Ergebnisse der Simulation der Reflexionskoeffizienten am Eingang
der den Ringschlitz (S11) und dem Monopol (S22) versorgenden Leitungen
sowie den Kopplungskoeffizienten (S21) zwischen den 2 Ports 1 und
2. Es kann eine gute Anpassung der 2 Antennen sowie eine Isolierung
zwischen den zwei Zugängen
festgestellt werden, welche trotz der extremen Nähe der zwei strahlenden Elemente,
nämlich
des Schlitzes 1 und des Monopols 2, besser ist
als 19 dB.
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In
diesem Fall sind die am Monopol- beziehungsweise Ringschlitzzugang
erzielten Strahlungsdiagramme diejenigen, die in den 4 und 5 dargestellt
sind. Trotz einer leichten Verzerrung des Diagramms des Monopols
lässt sich
feststellen, dass das Antennensystem wie gewünscht funktioniert, d.h. mit
nahezu omnidirektionalen Diagrammen, welche mit Minima nach der
Achse oz für
den Monopol und nach der Achse oz für den Ringschlitz komplementär sind.
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Gemäß einer
in der 7 dargestellten Variante wird der Monopol durch
eine am Port 2 verbundene Koaxialleitung erregt. In dieser
Variante 2 erfolgt die Erregung des Monopols auf der Seite
der Masse-Ebene 9 des Substrats. In diesem Fall ist die Masse-Ebene 9 auf
der Unterseite des Substrats 3 realisiert. Die durch den
Ringschlitz 1 gebildete Antenne ist in dieser Masse-Ebene
ausgebildet. Die durch eine Mikrostreifenleitung 6 gebildete
Versorgungsleitung ist dann von der Oberseite des Substrats realisiert,
wobei die Erregung wie in der vorigen Ausführungsform erfolgt. Für diese
Variante spezifische Simulationen wurden mit Hilfe der Software HFSS
von Ansoft bei einer besonderen Ausgestaltung durchgeführt, welche
wie folgt dimensioniert ist:
- • Rint = 6.4 mm (Innenradius des Schlitzes),
- • Rext = 6,8 mm (Außenradium des Schlitzes),
- • Ws = 0.4 mm (Breite des Schlitzes, Ws = Rext – Rint),
- • Wm1 = 0.3 mm (Breite der den Schlitz versorgenden
Mikrostreifenleitung),
- • lm1 = 8.25 mm (Länge der den Schlitz zwischen dem
Port 1 und dem Leitung-Schlitz-Übergang versorgenden
Mikrostreifenleitung),
- • lm1' =
8.25 mm (Länge
der den Schlitz zwischen dem Leitung-Schlitz-Übergang und dem Ende der in
offener Schaltung vorliegenden Leitung versorgenden Mikrostreifenleitung),
- • D
= 2 mm (Durchmesser der Entmetallisierung im Zentrum des Schlitzes),
- • L
= 12.4 mm (Länge
des Monopols),
- • ☐ =
30 mm (Durchmesser der Masse-Ebene),
- • ☐Monopol = 1 mm (Durchmesser des den Monopol bildenden
Metalldrahts).
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Das
verwendete Substrat ist ein 4003-Rogers-Substrat mit einer relativen
Permittivität ☐r = 3.38 und einer Dicke h = 0.81 mm.
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Die
Anpassungen an die zwei Zugänge
sowie die Isolierung zwischen den zwei Ports sind in 8 dargestellt.
Die Kurve S21 zeigt eine gute Isolierung, während die Kurven S11 und S22 eine
gute Anpassung an die Betriebsfrequenz von 5,8 GHz zeigen. Die 9 und 10 stellen
die Strahlungsdiagramme der oben beschriebenen Vorrichtung zum Empfangen
und/oder zum Senden von elektromagnetischen Wellen an dem Schlitz- beziehungsweise an
dem Monopolzugang dar. Es kann festgestellt werden, dass die Erregung
des Monopols durch eine Koaxialleitung, welche den Vorteil hat,
dass die Kreuzung zwischen der Leitung zur Erregung des Monopols
und der Schlitzantenne vermieden wird, eine bessere Isolierung (Isolierung über 22 dB)
als im Falle der Erregung durch eine Mikrostreifenleitung aufweist
und dass das Diagramm des Monopols nicht mehr verzerrt ist. Dieser
Vorteil wird auf Kosten einer komplexeren Antennenstruktur erzielt
(Schlitz- und Monopolzugang
auf entgegengesetzten Seiten des Substrats und unterschiedlichen
Typs; Koaxialleitung und Mikrostreifenleitung).
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Es
können
auch weitere Änderungen
eingebracht werden wie die Verwendung einer in ihrem Transversalmodus
funktionierenden Wendel anstelle des Monopols, die Verwendung eines
Doppel- oder Mehrfachschlitzes zur Erweiterung des Bandes oder für Multibandanwendungen,
die tangentiale Versorgung des Schlitzes statt einer Versorgung
des Knorr-Typs,
die Verformung des Ringschlitzes, um dessen Platzbedarf noch mehr
zu verringern, wobei der Schlitz auch eine quadratische, rechteckige
oder andere mehreckige Form aufweisen kann, ohne den Rahmen der
oben angegebenen Definition zu verlassen. Der Monopol oder die Wendel
können
ebenfalls durch gleichartige Antennen ersetzt werden, welche im
Zentrum der Schlitzantenne angeordnet sein können und eine parallel zum
Substrat verlaufende Strahlung aufweisen. Die Versorgungsleitung
der Antenne des Typs Schlitzantenne kann durch eine Leitung in Mikrostreifentechnologie
oder in Koplanartechnologie realisiert werden. Zudem kann die Antenne
des Typs Schlitzantenne mit Mitteln versehen werden, welche ihren
Betrieb in Kreuzpolarisationen ermöglichen, wie Nuten im Fall
eines Ringschlitzes.