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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Antennen zur Anbringung an Oberflächen, zur Verwendung bei Hochfrequenzvorrichtungen
wie beispielsweise Zellulartelefonen, GPS-Ortungssystemen und anderen HF-Anwendungen.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung
von leitfähigen
Strukturen auf Substraten.
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Stand der
Technik
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Es gibt gegenwärtig viele Anwendungen, wo eine
HF-Antenne bereitgestellt
wird, um Kommunikation zu ermöglichen – beispielsweise
Zellulartelefone, GPS-Systeme,
drahtlose Datennetze und dergleichen. In manchen Fällen wird
die Antenne mit der Vorrichtung mitgeliefert, beispielsweise als
Stummelantenne an einem Zellulartelefon. In anderen Fällen ist
es jedoch notwendig, eine extern angeschlossene Antenne bereitzustellen.
Weiterhin ist es bei Anwendungen wie beispielsweise der Verwendung
von Zellulartelefonen im Auto wünschenswert,
eine zusätzliche
Antenne bereitzustellen, um die Signalstärke zu erhöhen. Herkömmliche Antennen für diesen
Zweck sind im allgemeinen extern am Fahrzeug angebracht worden.
Das steigert das Windgeräusch,
ist mutwilliger Zerstörung
ausgesetzt und beeinträchtigt
das Aussehen des Fahrzeugs.
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Bei jeder derartigen Antennenanwendung müssen verschiedene
Fragen in Betracht gezogen werden. Abgesehen von Berücksichtigung
der oben erwähnten
Probleme sollte die Antenne eine maximale Wirkfläche bieten und dabei im Idealfall
optisch unauffällig
sein. Sie sollte einfach zu installieren und trotzdem elektrisch
und strukturell zuverlässig
sein.
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Es ist vorgeschlagen worden, eine
Antenne durch haftende Anbringung einer Antennengruppe an der Innenseite
eines Fensters eines Kraftfahrzeuges bereitzustellen. In dem Shoemaker
erteilten US-Patent Nr. 5363114 ist eine serpentinenartige Flachantenne
beschrieben, die haftend an einer Trägerschicht angebracht wird
und die dann haftend an einer geeigneten Fahrzeugoberfläche angebracht wird.
Die Antenne ist als eine serpentinenartig strukturierte Anordnung
offenbart.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine verbesserte Antenne zur Anbringung an ebenen Oberflächen bereitzustellen.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Nach einem Aspekt biete die vorliegende
Erfindung eine Flachantenne mit einem aus zwei quadratischen leitfähigen Elementen
gebildeten rechteckigen leitfähigen
Element, wobei die quadratischen leitfähigen Elemente innerhalb des
Rechtecks durch einen mittig befindlichen Rückleiter definiert sind, wobei
jedes quadratische leitfähige
Element an einem Ende mit einem Verbinderelement und am anderen Ende
mit dem Rückleiter
verbunden ist, wobei die Abmessungen der quadratischen leitfähigen Elemente so
gewählt
sind, daß sie
den Gewinn für
ausgewählte Hochfrequenzen
maximieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne weiterhin ein
oder mehrere innerhalb der quadratischen Elemente angeordnete, zusätzliche
quadratische leitfähige
Elemente umfaßt, wobei
jedes zusätzliche
quadratische leitfähige
Element an einem Ende mit dem entsprechenden quadratischen leitfähigen Element
verbunden ist und auf einer Seite durch den Rückleiter definiert wird.
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Selbstverständlich soll der Begriff flach
sowohl flache Oberflächen
als auch glatt gekrümmte Oberflächen wie beispielsweise
die Form einer Fahrzeugwindschutzscheibe bedeuten.
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Die erfindungsgemäße Antennenanordnung besitzt
gegenüber
bestehenden Konstruktionen eine Anzahl von Vorteilen. Die Zielanwendungen,
bei denen die Antenne haftend an einer bestehenden Oberfläche wie
beispielsweise einem Fenster angebracht wird, erfordern nicht, daß die leitfähigen Elemente selbst
strukturell starr sind, wodurch die Verwendung einer sparsam strukturierten
Geometrie ermöglicht wird.
Die Antenne kann dadurch auch eine relativ große Wirkfläche aufweisen, da sie auf einer
Oberfläche
angebracht und nicht freistehend ist. Da weiterhin Elemente sowohl
horizontal als auch senkrecht angeordnet sind, kann die Antenne
entweder senkrecht polarisierte oder horizontal polarisierte Signale gut
empfangen, was bei Anwendungen vorteilhaft ist, bei denen Zerstreuung
aufgrund von Gebäuden
und anderen Strukturen auftritt.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform
besitzt die Antenne auch den Vorteil, keine Impedanzanpassungselektronik
zu erfordern. Eine einfache quadratische Antenne mit den Proportionen
eines der die Antenne bildenden quadratischen Elemente mit 1 mm
breiten und 25 Mikrometer dicken Leitern weist eine Impedanz von
ca. 100 Ohm auf. Da die vorliegende Antennenanordnung im Effekt
zwei Impedanzen dieser Größe parallel
zueinander aufweist beträgt
die Impedanz ca. 50 Ohm und die erfindungsgemäße Antenne kann daher direkt
an ein standardmäßiges 50-Ohm-Kabel
angeschlossen werden. Diese Verringerung der Impedanz ist eine Eigenschaft der
Konstruktion.
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Die vorliegende Erfindung stellt
auch eine Antenne nach Anspruch 6 bereit, wobei die quadratischen
leitfähigen
Elemente durch ein Verfahren mit folgenden Schritten bereitgestellt
worden sind:
Aufdrucken einer gewünschten Leiterstruktur auf
das Substrat unter Verwendung leitfähiger Tinte; und
galvanisches
Aufbringen weiteren leitfähigen
Materials auf die Leiterstruktur unter Verwendung der aus leitfähiger Tinte
gebildeten Struktur als Elektrode bei einem galvanischen Beschichtungsprozeß.
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Das leitfähige Material kann zweckdienlicherweise
Kupfer sein. Die Parameter des galvanischen Beschichtungsprozesses
werden von dem ausgewählten
Prozeß abhängig sein,
sollten aber derart sein, daß sie
eine hinreichende Kupferstärke bereitstellen,
aber nicht so viel, daß zu
viel Kupfer abgelagert wird und die Struktur für einen materialbedingten Ausfall
anfällig
wird. Die Erfinderin hat festgestellt, daß eine Stärke von ca. 25 Mikrometern
für die Zellulartelefonanwendung
geeignet ist.
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Die Struktur wird geeigneterweise
unter Verwendung eines Siebdruckprozesses gedruckt. In der Praxis
kann eine große
Lage flexiblen Materials gedruckt und unter Verwendung eines geeigneten Werkzeugs
geschnitten werden, um viele Antennengruppen bereitzustellen.
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Nach der Beschichtung wird vorzugsweise ein
doppelseitiger vorzugsweise lichtdurchlässiger Haftfilm angebracht,
um einen Mechanismus zum Haften an der gewünschten Oberfläche bereitzustellen,
sowie Korrosion des Kupfers zu hemmen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es wird nunmehr eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine
Draufsicht einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine
schematische Darstellung der Verbindung der Vorrichtung der 1, um den Anschluß mehrerer
Vorrichtungen zu ermöglichen;
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3 eine
Explosionsdarstellung der Verbinderanordnung; und
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4 ein
Flußdiagramm
des Druckprozesses.
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Ausführliche
Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung wird hauptsächlich im
Bezug auf eine Vorrichtung beschrieben, die so konstruiert ist,
daß sie
haftend als Zusatzvorrichtung an einer Oberfläche angebracht wird. Man wird jedoch
erkennen, daß die
erfindungsgemäße Antennenkonstruktion
als Teil eines Artikels oder beispielsweise innerhalb eines Teils
eines Fahrzeuges oder eines Gehäuses
für eine
elektronische Vorrichtung ausgebildet sein könnte.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die zur Verwendung als Mehrbandantenne
auf den Bändern
für Zellulartelefonfrequenzen,
GPS-Frequenzen (Global
Positioning Satellite) und PCS-Frequenzen
(Personal Communication System) geeignet ist.
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Die Antenne 30 ist
allgemein rechteckförmig und
ist mit vier Elementen 12, 13, 17 und 18 ausgebildet.
Die zwei Elemente 12 und 13 sind mit dem Außenteil 16 des
Verbinderelements 20 verbunden. Die zwei Elemente 17 und 18 sind
innerhalb der Elemente 13 bzw. 12 vorgesehen und
sind auf ähnliche
Weise mit dem Außenteil 16 des
Verbinderelements 20 verbunden. Das Mittelelement 14 bildet
die gemeinsame Seite des durch jedes der Elemente 12, 13, 17 und 18 gebildeten
Quadrats und ist mit der Mittelkomponente 15 des Verbinders 20 verbunden.
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Diese Konstruktion beruht auf einer
Erkenntnis, daß für viele
Anwendungen ein Empfang auf mehreren Bändern nützlich ist und auch das mehrfache
Oberwellen des 900-MHz-Bandes
in die Nähe anderer
Bänder
fallen, in diesem Fall des GPS-Bandes bei 1575 MHz und PCS-Bandes
bei 1800–2000 MHz.
Die Elemente 12 und 13 weisen für 900 MHz
+/- 50 MHz geeignete Abmessungen auf. Mit den zusätzlichen
Elementen 17 und 18 wird die richtige Resonanz
auf den GPS- und PCS-Bändern
berücksichtigt.
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Eine ganze Wellenschleife ist ein
einfaches Quadrat. Es ist bekannt, das der Gewinn einer Ganzwellenschleife
gegenüber
einem isotropen (Punktquellen-)Strahler 3 dB beträgt. Wenn
zwei derartige Schleifen gleichzeitig gespeist werden, würde der
Gewinn zusätzlich
3 dB betragen. Bei Betrachtung der Schleifen 12 und 13 jedoch
beträgt
der realisierte Gewinn 4,5 dB, da das Mittelelement 14 beiden
Schleifen gemeinsam ist. Unter Verwendung derselben Methodik beträgt der theoretische
Gewinn 6 dB für
das GPS-Band und 7,5 dB für
das PCS-Band. Man
wird verstehen, daß es
im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich ist, gegebenenfalls weitere
zusätzliche
Elemente innerhalb der Elemente 17, 18 zu haben,
um zusätzliche
Bandabdeckung für
gewisse Anwendungen bereitzustellen.
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Die Antennenabmessungen sind in 1 dargestellt. Die Leiterbahnen
sind wünschenswerterweise
ca. 1 mm breit und ca. 30 Mikrometer dick einschließlich der
leitfähigen
Tinte und des Kupfers. Obwohl die Ecken rechwinklig dargestellt
sind, können sie
wenn gewünscht
abgerundet sein. Die Antennenelemente sind auf einer in gestricheltem
Umriß dargestellten
Schicht 11 aus geeigneten flexiblen Material angebracht.
Dies kann ein beliebiges geeignetes Substrat wie beispielsweise
durchsichtiges Polyester oder ein beliebiges für flexible Platinen benutztes
Material sein. Es wird bevorzugt, daß das Material lichtdurchlässig ist, besonders
für den
Gebrauch im Fahrzeug, um die Sichtbehinderung zu minimieren. Bei den
besprochenen Anwendungen ist die Folie geeigneterweise zwischen
75 und 300 Mikrometer dick.
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Die annähernde Länge der Elemente der Antenne
kann aus der folgenden Formel bestimmt werden: L
= K/F,wobei L die Länge,
F die Frequenz und K eine Konstante ist, die sich mit den dielektrischen
Eigenschaften des den Leiter umgebenden Materials ändert. Im Fall
der beschriebenen Ausführungsform
müssen
die dielektrischen Eigenschaften des Substrats in Betracht gezogen
werden. Man wird erkennen, daß in Gebrauch,
die dielektrischen Eigenschaften der behafteten Oberfläche, zum
Beispiel des Windschutzscheibenglases ebenfalls für die Konstante
K und infolge dessen für
die Länge
L relevant sein werden.
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Bei der Bestimmung eines zweckdienlichen Herstellungsverfahrens
für die
vorliegende Erfindung traten Schwierigkeiten auf und es wurden mehrere Probleme
offenbar. Das für
flexible Platinen aus Materialien wie beispielsweise Polyester benutzte
Standardverfahren besteht in der Verwendung von Siebdruck von leitfähiger Tinte
aus silberbasierenden Polymer, zum Beispiel Acheson Electrodag 477SS.
Für die
gewöhnlichen
Anwendungen ist ein spezifischer Widerstand von ca. 0,01 Ohm/Quadrat
annehmbar. Bei Hochfrequenz-Funksignalen jedoch ist ein niedrigerer
spezifischer Widerstand wünschenswert
und die Verwendung massiver Kupferbahnen war angezeigt. Obwohl flexible
Platinen mit Kupferbahnen bei anderen Anwendungen benutzt werden,
ist das erzeugte fertige Produkt für die gegenwärtige Anwendung
nicht annehmbar. Das benutzte Material ist chemisch nicht für standardmäßige Platinen-Ätzprozesse
geeignet – besonders
hinsichtlich der verbleibenden Lichtdurchlässigkeit und des annehmbaren
Aussehens nach der Verarbeitung.
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Der erfindungsgemäße Prozeß wird durch das in 4 gezeigte Flußdiagramm
beschrieben. Zuerst wird die gewünschte
Druckvorlage vorbereitet. Im Gebrauch wird dies normalerweise viele – beispielsweise
20 – Antenneneinheiten
auf einem einzigen Blatt umfassen. Die Druckvorlage wird dann mit Siebdruck
unter Verwendung einer geeigneten leitfähigen Tinte auf dem Film aufgebracht.
Der Siebdruck muß zu
einem geeigneten Detailniveau ausgeführt werden – beispielsweise unter Verwendung
eines Edelstahl-Drucksiebes mit Raster 230. Dies wird dann
wie für
die Tinte erforderlich ausgehärtet
und getrocknet – beispielsweise
unter Verwendung eines Acheson Electrodag 477SS ca. 8 Minuten bei
150°C in
einem Konvektionsofen mit Förderband.
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Das Blatt wird dann in ein Galvanisierungsbad
gelegt, bei dem die Leiter so angeordnet sind, daß sie als
Ablagerungselektrode wirken. Die Lösung, die Zeit und der Strom
sind von dem bestimmten benutzten Prozeß abhängig. Es muß jedoch besondere Sorgfalt
mit den Strompegeln in der leitfähigen
Bahn ausgeübt
werden. Die galvanische Beschichtung sollte eine Schicht von genügender Dicke auf
der Bahn erzeugen, beispielsweise 25 Mikrometer. Damit wird eine
Antenne mit einem Bahnwiderstand von ca. 0,001 Ohm/Quadrat bereitgestellt
und das Substrat lichtdurchlässig
gelassen.
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Um eine helle und makellose Oberfläche herzustellen,
sind folgende Schritte wünschenswert.
Es sollte eine frische Elektrolytlösung, beispielsweise Cuprax
benutzt werden und sie sollte keinerlei Verschmutzung aufweisen,
beispielsweise durch vorhergehende Benutzung der Lösung. Bei
standardmäßiger galvanischer
Beschichtung kann ein gewisser Grad an Verschmutzung duldbar sein – dies ist
für die gegenwärtige Anwendung
nicht machbar.
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Der anfängliche Beschichtungsstrom
ist niedrig, beispielsweise ca. 4 Ampere für 5 Minuten. Grund dafür ist, daß auf der
leitfähigen
Tinte eine dünne
Kupferschicht abgelagert wird und wiederum den für normale galvanische Beschichtungsprozesse erforderlichen
höheren
Strom führt.
Wenn ein höherer
Strom benutzt wird, überhitzt
sich die leitfähige Tinte
und verursacht mögliche
Probleme. Die leitfähige
Tinte kann sich vom Substrat abheben oder Verfärbung oder Verbrennungsmarkierungen
hinterlassen. Der abschließend
benutzte Strom beträgt
8–10 Ampere
für weitere
10 Minuten.
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Dann wird ein doppelseitiger durchsichtiger Klebstoff
wie beispielsweise Laminierklebstoff von 3M auf die Kupferbahnseite
des Polyesterfilms aufgebracht. Dies bietet ein Mittel zur Anbringung
an der Befestigungsfläche
und hemmt die Kupferoxidierung. Dann wird eine geeignete Anordnung
wie beispielsweise eine Guillotine oder ein Messerwerkzeug zum Abtrennen
jeder Antennenvorrichtung vom Folienblatt benutzt.
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Ein weiteres Problem betrifft das
Anbringen eines Verbinders an die fertige Folienantenne. Die bei
der bevorzugten Ausführungsform
benutzte lichtdurchlässige
Folie kann die mit beispielsweise Löten verbundenen hohen Temperaturen
nicht dulden. 3 zeigt
eine Explosionsansicht einer von der Erfinderin entwickelten Anordnung,
um die Verbindung zu ermöglichen.
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Das Element 20 ist der Verbindungsteil
der Kupferbahn. Man wird erkennen, daß dieser zwischen der Substratfolie 11 und
dem (nicht gezeigten) doppelseitigen Klebfilm gehalten wird und
die Kontakte daher nicht für
eine einfache Verbindung freigelegt sind. Unter das Element 20 wird
die Beilage 21 und über
das Element 20 die Buchse 22 gelegt. Leitfähige Nieten,
beispielsweise aus Messing, werden durch die Öffnungen
24, 25, 26, 27 in
der Beilage, durch das Element 20 und durch die entsprechenden Löcher in
der Buchse 22 eingeschoben. Dadurch wird eine elektrische
Verbindung zwischen dem Körper
der Buchse 22 und dem Außenteil 16 des Elements 20 bereitgestellt.
Eine weitere Niete dringt durch den Mittelteil 15 des Elements 20 in
den Mittelteil der Buchse 22 ein. Der Stecker 23 kann
dann beispielsweise durch eine kraftschlüssige mechanische Verbindung
leicht verbunden werden, um eine Kabelverbindung mit der Vorrichtung
zum Anschluß an
die Antenne bereitzustellen.
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2 zeigt
eine Verbindungsanordnung für eine
Vorrichtung gemäß der 1 – wobei mehrere Bänder empfangen
werden und es gewünscht
ist, diese mit getrennten Vorrichtungen zu verbinden. Beispielsweise
sind diese ein Zellulartelefon und ein GPS-Empfänger. Die Antenne 30 ist über die
Buchse 22 mit dem Stecker 23 am Kabel 24 verbunden.
Das Kabel 24 verbindet die Antenne mit der Antennen-Leistungsteilereinheit 25.
Diese bietet dann eine Verbindung 26 für ein Zellulartelefon und eine
Verbindung 27 für
einen GPS-Empfänger.
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Zur Verwendung eines Antennen-Leistungsteilers 25 geeignete
Vorrichtungen sind im Handel erhältlich.
Die Funktion dieser Vorrichtung besteht im Trennen der Ausgangsanschlüsse 26, 27 voneinander,
so daß die
jeweiligen Vorrichtungen einander nicht stören. In diesem bestimmten Zusammenhang würde man
sicherstellen wollen, daß die
Sendeenergie des Zellulartelefons nicht den Weg in den GPS-Empfänger findet.
Es ist wünschenswert,
daß der
Antennen-Leistungsteiler in der vorliegenden Anwendung einen Trennungsfaktor
von mindestens –25 dB
aufweist. Man wird erkennen, daß die
notwendige Trennung von den Vorrichtungen abhängig ist, die mit der Antenne 30 verbunden
werden sollen.
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Man wird verstehen, daß während die
vorliegende Erfindung hauptsächlich
im Zusammenhang mit einer in einem Fenster haftend angebrachten
Antenne im Fahrzeug beschrieben wird, viele andere Anwendungen bestehen.
Die erfindungsgemäße Antenne
könnte
haftend an einer internen oder externen Gebäudewand angebracht oder zum
Implementieren eines drahtlosen LAN oder sonstigen Datennetzes benutzt
werden. Mit Abänderungen
zur Berücksichtigung
von Bandänderungen
könnte
sie leicht für
mobile oder stationäre
Datenprotokollierung und – übertragung
benutzt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren könnte überall dort
angewandt werden, wo eine hochleitfähige Struktur erforderlich
ist, besonders wo ein lichtdurchlässiges Substrat benutzt wird.