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Die
vorliegende Erfindung betrifft Streifenleitungsantennen. Eine solche
Antenne weist eine Anschlussfläche
auf, die typischerweise durch Ätzen
einer Metallschicht gebildet wird. Sie wird von den Spezialisten
auf Englisch als "Microstrip
Patch Antenna" bezeichnet,
was "Streifenleitungsantenne
mit Anschlussfläche" bedeutet.
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Die
Streifenleitungstechnik ist eine planare Technik, die gleichzeitig
für die
Herstellung von Signalübertragungsleitungen
und auch für
die Herstellung von Antennen Anwendung findet, die eine Kopplung
zwischen derartigen Leitungen und den abgestrahlten Wellen vornehmen.
Sie verwendet leitende Streifen und/oder Anschlussflächen ("Patches"), die auf der oberen
Fläche
eines dünnen
dielektrischen Substrats gebildet werden, welches sie von einer
leitenden Masseschicht trennt, die sich über die untere Fläche dieses
Substrats erstreckt. Ein solches Patch ist typischerweise größer als
ein solcher Streifen, und seine Formen und Abmessungen stellen wichtige Merkmale
der Antenne dar. Die Form des Substrats ist typischerweise die einer
rechteckigen ebenen Folie mit konstanter Dicke. Doch dies ist in
keiner Weise eine Verpflichtung. Insbesondere ist bekannt, dass eine
Veränderung
der Dicke des Substrats nach einem Exponentialgesetz die Möglichkeit
bietet, die Bandbreite einer solchen Antenne zu vergrößern, und
dass die Form der Folie von einem Rechteck abweichen kann. Die elektrischen
Feldlinien verlaufen zwischen dem Streifen oder dem Patch und der
Masseschicht und durchqueren dabei das Substrat. Diese Technik unterscheidet
sich von verschiedenen anderen Techniken, die ihrerseits leitende
Elemente auf einem dünnen
Substrat einsetzen, nämlich:
- – die
auf Dreischichtenstreifenleitungen basierende Technik, die allgemein
unter der englischen Bezeichnung "Stripline" bekannt ist und bei der eine Leitungsbahn
zwischen der unteren Masseschicht und einer oberen Masseschicht
enthalten ist, wobei letztere im Fall einer Antenne einen Spalt
aufweisen muss, um eine Kopplung mit abgestrahlten Wellen zu ermöglichen;
- – die
auf Schlitzleitungen basierende Technik, bei der sich das elektrische
Feld zwischen den beiden Teilen einer leitenden Schicht aufbaut,
die auf der oberen Fläche
des Substrats gebildet wird, und wobei diese Teile voneinander durch
einen Schlitz bzw. Spalt getrennt sind, wobei dieser im Fall einer
Antenne typischerweise in eine größere Aussparung münden muss,
welche eine Kopplung mit abgestrahlten Wellen erleichtert, indem
zum Beispiel eine Resonanzstruktur gebildet wird; und
- – die
auf Koplanarleitungen basierende Technik, bei der sich das elektrische
Feld auf der oberen Fläche
des Substrats und symmetrisch zwischen einerseits einem zentralen
Leitungsstreifen und andererseits zwei leitenden Bereichen aufbaut, die
auf beiden Seiten dieses Bandes liegen, von dem sie jeweils durch
zwei Spalte getrennt sind. Im Fall einer Antenne wird dieser Leitungsstreifen typischerweise
an ein größeres Patch
angeschlossen, um eine Resonanzstruktur zu bilden, die eine Kopplung
mit den abgestrahlten Wellen ermöglicht.
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Was
die Ausführung
der Antennen betrifft, wird die Darstellung im weiteren Verlauf
manchmal zur Vereinfachung nur auf den Fall einer an einen Sender
angeschlossenen Sendeantenne beschränkt. Dies ist jedoch so zu
verstehen, dass die beschriebenen Vorrichtungen auch im Fall von
mit einem Empfänger
verbundenen Empfangsantennen Anwendung finden könnten. Aus demselben Grund wird
angenommen, dass das Substrat die Form einer horizontalen Folie
aufweist.
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In
einer zunächst
schematischen Weise kann eine Unterscheidung zwischen zwei grundlegenden
Typen von Resonanzstrukturen getroffen werden, die nach der Streifenleitungstechnik
ausgeführt
werden können.
Ein erster Typ kann als "Halbwelle" bezeichnet werden.
Die Antenne ist dann eine sogenannte "Halbwellen" oder "elektrische" Antenne. Wenn man annimmt, dass eine
Abmessung ihres Patchs eine Länge
darstellt und sich in einer als "längs" bezeichneten Richtung
erstreckt, ist diese Länge
etwa der Hälfte
der Wellenlänge
einer elektromagnetischen Welle, die sich in dieser Richtung in der
von der Masse, dem Substrat und dem Patch gebildeten Leitung ausbreitet.
Die Kopplung mit den abgestrahlten Wellen erfolgt an den Enden dieser
Länge,
wobei sich diese Enden in den Bereichen befinden, in denen die Amplitude
des im Substrat herrschenden elektrischen Feldes maximal ist.
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Ein
zweiter Typ von Resonanzstrukturen, die nach derselben Technik realisiert
werden können, kann
als "Viertelwelle" bezeichnet werden.
Bei der Antenne handelt es sich in diesem Fall um eine sogenannte "Viertelwellen-" oder "magnetische" Antenne. Sie unterscheidet
sich von einer Halbwellenantenne einerseits durch die Tatsache,
dass ihr Patch eine Länge
von etwa einem Viertel der Wellenlänge hat, wobei diese Länge des
Patchs und diese Wellenlänge
wie weiter oben definiert sind, und andererseits durch die Tatsache,
dass ein starker Kurzschluss an einem Ende dieser Länge zwischen
der Masse und dem Patch in der Weise hergestellt wird, dass er eine Resonanz
vom Typ einer Viertelwelle erzeugt, bei der ein Knoten des elektrischen
Feldes durch diesen Kurzschluss festgelegt ist. Die Kopplung mit
den abgestrahlten Wellen erfolgt am anderen Ende dieser Länge, wobei
dieses andere Ende in dem Bereich liegt, in dem die Amplitude des
elektrischen Feldes durch das Substrat maximal ist.
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In
der Praxis können
verschiedene Resonanztypen in derartigen Antennen aufgebaut werden. Diese
Typen hängen
insbesondere ab:
- – von der Konfiguration der
Patches, wobei letztere insbesondere Spalte aufweisen können, die eventuell
abstrahlend sind;
- – vom
eventuellen Vorhandensein und der Positionierung von Kurzschlüssen sowie
von den für diese
Kurzschlüsse
repräsentativen
elektrischen Modellen, wobei letztere nicht immer, nicht einmal ungefähr, vollkommenen
Kurzschlüssen
gleichgestellt werden können,
deren Impedanzen gleich Null sind;
- – und
von den Kopplungsvorrichtungen, die in diese Antennen aufgenommen
wurden, um ihre Resonanzstrukturen mit einem Signalverarbeitungsorgan
wie einem Sender koppeln zu können,
sowie von der Positionierung dieser Vorrichtungen.
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Außerdem können für eine gegebene
Antennenkonfiguration mehrere Resonanzmodi auftreten und eine Nutzung
der Antenne mit mehreren, diesen Modi entsprechenden Frequenzen,
ermöglichen.
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Die
Kopplung einer solchen Antenne mit einem Signalverarbeitungsorgan
wie beispielsweise einem Sender erfolgt typischerweise nicht nur über eine
in diese Antenne eingebaute Kopplungsvorrichtung, sondern auch mit
Hilfe einer Anschlussleitung, die außerhalb dieser Antenne liegt
und die Kopplungsvorrichtung mit dem Signalverarbeitungsorgan verbindet.
Wenn man eine funktionelle Gesamtreihe betrachtet, zu der das Signalverarbeitungsorgan,
die Anschlussleitung, die Kopplungsvorrichtung und die Resonanzstruktur
gehören,
müssen
die Kopplungsvorrichtung und die Anschlussleitung so ausgeführt sein,
dass diese Reihe über
ihre gesamte Länge
eine einheitliche Impedanz aufweist, wodurch störende Reflexionen vermieden
werden, die einer guten Kopplung entgegenstehen.
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Im
Fall einer Sendeantenne mit Resonanzstruktur haben die Kopplungsvorrichtung,
die Anschlussleitung und die Antenne jeweils folgende Funktionen:
Die Funktion der Anschlussleitung besteht darin, ein Hochfrequenz- oder Ultrahochfrequenzsignal
des Senders bis an die Klemmen der Antenne zu transportieren. Entlang
einer solchen Leitung breitet sich das Signal in Form einer fortschreitenden
Welle aus, ohne zumindest im Prinzip bemerkbare Änderungen seiner Eigenschaften
zu erfahren. Die Funktion der Kopplungsvorrichtung besteht darin,
das von der Anschlussleitung gelieferte Signal so umzuwandeln, dass
dieses Signal eine Resonanz der Antenne erregt, das heißt, dass
die Energie der fortschreitenden Welle, die dieses Signal trägt, auf
eine stationäre
Welle übertragen
wird, die sich in der Antenne mit den durch letztere definierten Eigenschaften
aufbaut. Was die Antenne betrifft, so überträgt sie die Energie dieser stehenden
Welle an eine in den Raum abgestrahlte Welle. Das vom Sender gelieferte
Signal erfährt
so eine erste Umwandlung, wobei es von der Form einer fortschreitenden
in die einer stehenden Welle übergeht,
und anschließend
eine zweite Umwandlung, die ihm die Form einer abgestrahlten Welle
gibt. Im Fall einer Empfangsantenne nimmt das Signal dieselben Formen
in denselben Organen an, die Umwandlungen erfolgen jedoch in umgekehrter
Reihenfolge und Richtung.
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Die
Anschlussleitungen können
nach einer anderen als der planaren Technik ausgeführt sein, zum
Beispiel in Form von Koaxialleitungen.
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Antennen,
die nach Planaren Techniken ausgeführt sind, sind in verschiedenen
Gerätetypen
enthalten. Diese Geräte
sind insbesondere tragbare Funktelefone, Basisstationen für diese
Telefone sowie Kraftfahrzeuge und Flugzeuge oder Luftraketen. Im
Fall eines tragbaren Funktelefons ermöglicht der durchgehende Charakter
der unteren Masseschicht dieser Antenne, auf einfache Weise die
Strahlungsleistung zu begrenzen, die vom Körper des Benutzers des Gerätes aufgenommen
wird. Im Fall von Kraftfahrzeugen und vor allem bei Flugzeugen oder Raketen,
deren Außenfläche aus
Metall ist und die ein gekrümmtes
Profil aufweisen, mit dessen Hilfe ein geringer Luftwiderstand erzielt
werden kann, kann die Antenne mit diesem Profil in der Weise gleichförmig sein,
dass kein zusätzlicher
störender
Luftwiderstand auftritt.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP 0 749 176 beschreibt
eine Streifenleitungsantenne, wobei diese Antenne Folgendes aufweist:
- – ein
ebenes dielektrisches Substrat;
- – einen
Leiter, der eine Masseebene auf der unteren Fläche dieses Substrats bildet;
- – drei
leitende Bereiche, die sich auf der oberen Fläche des Substrats erstrecken
und von denen jeder eine längliche
Form hat, was der Antenne die Form eines doppelten Cs oder eines
dreiarmigen Leuchters verleiht;
- – eine
Antennenkopplungsvorrichtung, die allen leitenden Bereichen gemeinsam
ist.
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Der
in der Mitte des "Leuchters" gelegene Bereich
weist einen Knoten des elektrischen Feldes auf, der durch eine Reihe
von Kurzschlüssen
zur Masseebene hin fixiert ist, wobei diese Reihe von Kurzschlüssen entlang
der Symmetrieachse dieses Bereichs angeordnet ist.
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Die
leitenden Bereiche sind voneinander durch Spalte relativ großer Breite
(0,7 cm bei einer Wellenlänge
von 3,3 cm) getrennt, was die Möglichkeit bietet,
für eine
gegebene Wellenlänge
eine Antenne mit einer geringeren Größe als die der bekannten Antennen
zu verwirklichen. Allerdings kann diese Antenne nicht in geeigneter
Weise auf mehreren Frequenzen arbeiten, zum Beispiel in einem Multiband-Funktelefon.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere den Fall, dass eine
Antenne dieser Art die folgenden Eigenschaften aufweisen muss:
- – Sie
muss eine Multifrequenzantenne sein, dass heißt, sie muss in effizienter
Weise auf mehreren Betriebsfrequenzen senden und/oder empfangen können;
- – Sie
muss mit Hilfe einer einzigen Anschlussleitung für sämtliche Betriebsfrequenzen
an ein Signalverarbeitungsorgan angeschlossen werden können;
- – Und
es darf hierfür
nicht erforderlich sein, einen Frequenzmultiplexer oder -demultiplexer
einzusetzen.
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Mehrere
bekannte Antennen sind als Streifenleitungsantennen ausgeführt und
haben die oben genannten Eigenschaften. Sie werden nachfolgend erörtert:
Eine
erste bekannte Antenne wird in der Patentschrift US-A-4,766,440
(Gegan) beschrieben. Das Patch 10 dieser Antenne weist einen gekrümmten Spalt
in U-Form auf, der durchgehend ist und vollständig im Innern dieses Patchs
liegt. Dieser Spalt strahlt ab und lässt einen zusätzlichen
Resonanzmodus der Antenne zutage treten. Er ermöglicht außerdem durch eine geeignete
Wahl seiner Form und seiner Abmessungen die Frequenzen der Resonanzmodi
auf gewünschte
Werte zu bringen, was die Möglichkeit
bietet, zwei Modi mit gekreuzter Linearpolarisation miteinander
zu verbinden, um eine Welle mit Kreispolarisation zu senden. Die
Speiseleitung endet in einer Kopplungsvorrichtung, bei der es sich
um eine Streifenleitung handelt, wie sie hier genauer dargestellt ist,
von der jedoch auch gesagt wird, dass sie koplanar ist, und zwar
weil der Mikrostreifen in der Ebene des Patchs verläuft und
zwischen zwei seiner Aussparungen eindringt. Dieses Gerät ist mit
Impedanzumwandlungsvorrichtungen ausgestattet, um es an die verschiedenen
Eingangsimpe danzen anzupassen, die von der Leitung den verschiedenen
genutzten Resonanzfrequenzen als Betriebsfrequenzen präsentiert
werden.
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Diese
erste bekannte Antenne weist insbesondere folgende Nachteile auf:
- – Da
es sich um eine Halbwellenantenne handelt, kann ihre Längsabmessung
für den
Fall störend sein,
dass eine Miniaturisierung gewünscht
wird.
- – Die
Notwendigkeit, Impedanzumwandlungsvorrichtungen vorzusehen, kompliziert
die Ausführung.
- – Die
präzise
Einstellung der Resonanzfrequenzen auf gewünschte Werte ist schwer zu
realisieren.
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Eine
zweite bekannte Antenne wird in der Patentschrift US-A-4,692,769
(Gegan) beschrieben. Ihr Patch weist einen Spalt auf, der in einem
Kreisbogen oder einem Geradensegment im Innern des Patchs verläuft. Dieser
Spalt lässt
einen zusätzlichen Resonanzmodus
zutage treten. Die Enden des Spalts in Kreisbogenform weisen Erweiterungen
auf, mit deren Hilfe der Eingangsimpedanz der Antenne für die verschiedenen
Betriebsfrequenzen derselbe Wert gegeben werden kann. Diese zweite
bekannte Antenne weist insbesondere die folgenden Nachteile auf:
- – Den
oben beschriebenen, mit dem Halbwellentyp verbundenen Nachteil.
- – Die
Polarisationen der auf den beiden Resonanzfrequenzen der Antenne
gesendeten Wellen sind notwendigerweise gekreuzt, was die Ausführung bestimmter
Telekommunikationssysteme, die diese Antenne einsetzen, komplizieren
kann.
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Eine
dritte bekannte Antenne wird in der Patentschrift US-A-4,771,291
(LO u. a.) beschrieben. Ihr Patch weist Spalte auf, die jeweils
nach Geradensegmenten im Innern des Patchs verlaufen. Diese Spalte
ermöglichen,
den Abstand zwischen den beiden Betriebsfrequenzen zu verringern.
Mit Hilfe von punktuellen Kurzschlüssen kann dieser Abstand zusätzlich verringert
werden. Sie bestehen aus Leitern, die das Substrat durchqueren.
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Diese
dritte bekannte Antenne weist insbesondere die folgenden Nachteile
auf:
- – Den
oben beschriebenen, mit dem Halbwellentyp verbundenen Nachteil.
- – Der
Einbau von punktuellen Kurzschlüssen kompliziert
die Ausführung
bzw. Herstellung der Antenne.
- – Gleiches
gilt für
die Speisung der Antenne durch eine Koaxialleitung.
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Die
vorliegende Erfindung hat insbesondere folgende Zeile:
- – die
Abmessungen einer Multifrequenzantenne zu begrenzen;
- – eine
einfache und präzise
Anpassung der Betriebsfrequenzen dieser Antenne zu ermöglichen; und
- – die
Möglichkeit
zu bieten, eine einzige und leicht in ihrer Impedanz anpassbare
Vorrichtung für mehrere
Arbeitsfrequenzen zu nutzen.
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Um
diese Ziele zu erreichen, ist ihr Gegenstand insbesondere eine Multifrequenzstreifenleitungsantenne,
die Folgendes aufweist:
- – ein ebenes dielektrisches
Substrat;
- – einen
Leiter, der eine Masseebene auf der unteren Fläche dieses Substrats bildet;
- – mehrere
leitende Bereiche, die sich auf der oberen Fläche des Substrats erstrecken
und von denen jeder eine längliche
Form hat und mit einer Basis verbunden ist, was der Antenne die
Form eines mehrarmigen Leuchters verleiht;
- – eine
Antennenkopplungsvorrichtung, die allen leitenden Bereichen gemeinsam
ist;
und dadurch gekennzeichnet, dass diese leitenden Bereiche
voneinander durch Spalte mit einer Breite getrennt sind, die sehr
deutlich geringer ist als die Nutzungswellenlängen der Antenne;
dass
die leitenden Bereiche gegenseitig in ausreichendem Maße entkoppelt
sind, um die Möglichkeit zu
schaffen, dass sich verschiedene Resonanzen in jeweils verschiedenen
Flächen
aufbauen, die von diesen Bereichen gebildet werden, wobei diese
Resonanzen zumindest ungefähr
dem Viertelwellentyp entsprechen;
und dass jeder dieser Bereiche
einen Knoten des elektrischen Feldes besitzt, der von mindestens
einem Kurzschluss zur Masseebene hin festgelegt ist, und dass dieser
Kurzschluss in der Nähe
der genannten Basis des "Leuchters" liegt.
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Verschiedene
Aspekte der vorliegenden Erfindung sind mit Hilfe der nachfolgenden
Beschreibung und den beigefügten
schematischen Abbildungen leichter zu verstehen. Wenn dasselbe Element auf
mehreren dieser Abbildungen dargestellt ist, wird es dort mit denselben
Kennzeichnungsziffern und/oder -buchstaben bezeichnet.
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1 stellt eine perspektivische
Ansicht eines Kommunikationsgerätes
der, das eine erste nach dieser Erfindung ausgeführte Antenne enthält.
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2 stellt eine Draufsicht
der Antenne von 1 dar.
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3 stellt eine Vorderansicht
derselben Antenne dar.
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4 ist ein Schaubild der
Veränderung
eines Reflexionskoeffizienten in Dezibel am Eingang derselben Antenne
in Abhängigkeit
von der in MHz angegebenen Frequenz.
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5 stellt eine Draufsicht
einer zweiten nach dieser Erfindung ausgeführten Antenne dar.
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Die
erste Antenne nach der vorliegenden Erfindung weist zunächst einmal
eine Resonanzstruktur auf, die ihrerseits die folgenden Elemente
aufweist:
- – Ein
dielektrisches Substrat 2, das zwei einander gegenüberliegende
Hauptflächen
aufweist, die sich in den in dieser Antenne definierten Richtungen
erstrecken und horizontale Richtungen DL und DT bilden, wobei diese
Richtungen vom betrachteten Bereich der Antenne abhängen können. Dieses
Substrat kann unterschiedliche Formen aufweisen, wie zuvor erläutert. Seine
beiden Hauptflächen
bilden jeweils eine untere Fläche
S1 und eine obere Fläche
S2. Eine weitere Richtung ist ebenfalls in dieser Antenne definiert.
Sie bildet einen Winkel zu jeder dieser horizontalen Richtungen
und stellt eine vertikale Richtung DV dar. Der gebildete Winkel
ist typischerweise ein rechter Winkel. Doch diese vertikale Richtung
kann zu den horizontalen Richtungen auch andere Winkel bilden, und
sie kann auch vom betrachteten Bereich abhängen. Das Substrat weist mehrere Schnittflächen auf,
wie zum Beispiel die Fläche S3,
welche jeweils eine Kante der unteren Fläche mit einer entsprechenden
Kante der oberen Fläche
verbinden und diese vertikale Richtung enthalten.
- – Eine
leitende untere Schicht, die sich auf dieser unteren Fläche erstreckt
und eine Masse 4 dieser Antenne bildet.
- – Eine
leitende obere Schicht, die sich auf einer Teilfläche dieser
oberen Fläche
oberhalb der Masse 4 in der Weise erstreckt, das sie eine
Anschlussfläche 6 des
Typs bildet, der weltweit durch das englische Wort "Patch" bezeichnet wird.
Dieser Patch hat eine für
diese Antenne spezifische Konfiguration. Er hat auch eine Länge und
eine Breite, die sich in den beiden genannten horizontalen Richtungen
erstrecken und eine Längsrichtung
DL bzw. eine Querrichtung DT bilden, wobei die letztgenannte Richtung
parallel zur Schnittfläche
S3 verläuft.
Obwohl sich die Wörter "Länge" und "Breite" üblicherweise
auf zwei zueinander senkrecht stehende Dimensionen eines rechteckigen
Objekts beziehen, wobei die Länge größer als
die Breite ist, ist dies hier so zu verstehen, dass der Patch 6 von
einer solchen Form abweichen könnte,
ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen. Insbesondere können die Richtungen
DL und DT einen von 90 Grad abweichenden Winkel bilden, die Kanten
dieses Patchs können
nicht geradlinig sein, und seine sogenannte "Länge" kann kürzer als
seine sogenannte "Breite" sein. Die eine dieser
Kanten liegt an der Schnittlinie der oberen Fläche S2 und der Schnittfläche S3.
Sie verläuft
folglich in der Querrichtung DT. Sie bildet eine hintere Kante 10 und
definiert in der Längsrichtung
DL eine Richtung nach hinten DB, die zu dieser hinteren Kante zeigt,
sowie eine Richtung nach vorn DF, die dieser nach hinten zeigenden
Richtung entgegengesetzt ist. Außerdem bildet die Konfiguration
dieses Patchs 6 mindestens einen Spalt F1 im Innern dieses Patchs.
Das Vorhandensein dieses Spalts lässt mindestens eine zusätzliche Resonanz
in der Gruppe der Resonanzen dieser Antenne zutage treten. Diese
Gruppe schließt
mehrere Resonanzen ein, die jeweils mehreren Betriebsmodi und mehreren
Betriebsfrequenzen dieser Antenne entsprechen. Sie kann auch für den Einsatz
der Antenne nicht genutzte Resonanzen einschließen.
- – Schließlich einen
Kurzschluss C2, der den Patch 6 elektrisch leitend mit
der Masse 4 verbindet. Dieser Kurzschluss wird in der Schnittfläche S3 gebildet,
die typischerweise eben ist und somit eine Kurzschlussebene darstellt.
Er zwingt die Resonanzen der Antenne, zumindest ungefähr dem Viertelwellentyp
zu entsprechen.
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Die
Antenne weist außerdem
eine Kopplungsvorrichtung auf, die im engeren Sinne die Form einer
Kopplungsleitung hat. Diese Vorrichtung weist einerseits einen Hauptleiter
auf, der aus zwei Abschnitten C1 und C3 besteht und in einem inneren Anschlusspunkt 18 an
den Patch 6 angeschlossen ist. Sie weist andererseits einen
ebenfalls zusammengesetzten Masseleiter auf, der mit diesem Hauptleiter
zusammenarbeitet und der weiter unten beschrieben wird. Er bildet
die gesamte oder einen Teil einer Anschlussbaugruppe, mit der die
Resonanzstruktur der Antenne an ein Signalverarbeitungsorgan 8 angeschlossen
wird, zum Beispiel um ausgehend von diesem Organ eine oder mehrere
Resonanzen zu erreichen für
den Fall, dass es sich um eine Sendeantenne handelt. Zusätzlich zu
dieser Vorrichtung weist die Anschlussbaugruppe typischerweise eine
Anschlussleitung wie C4, C5 auf, die außerhalb der Antenne liegt und
die zwei Leiter aufweist. An einem Ende dieser Leitung auf der Seite dieser
Antenne sind diese beiden Leiter jeweils mit zwei Anschlussleitern
verbunden, die zur Kopplungsvorrichtung gehören und die so betrachtet werden können, dass
sie zwei Klemmen der Antenne bilden. Am anderen Ende dieser Leitung
sind ihre beiden Leiter mit jeweils zwei Klemmen des Signalverarbeitungsorgans
verbunden. Diese Leitung kann insbesondere dem koaxialen Typ, dem
Streifenleitungstyp oder dem koplanaren Typ entsprechen. Für den Fall, dass
die betrachtete Antenne eine Empfangsantenne darstellt, überträgt eben
diese Baugruppe die von dieser Antenne empfangenen Signale an das
Signalverarbeitungsorgan. Die verschiedenen Elemente dieser Baugruppe
haben jeweils die zuvor definierten Funktionen.
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Das
Signalverarbeitungsorgan ist in der Lage, bei denjenigen der Resonanzfrequenzen
zu arbeiten, welche die sogenannten Betriebsfrequenzen der Antenne
bilden. Es kann zusammengesetzt sein und in diesem Fall ein Element
aufweisen, das permanent auf jede dieser Betriebsfrequenzen abgestimmt
ist. Es kann auch ein abstimmbares Element aufweisen.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist auch ein Kommunikationsgerät, das eine
Antenne gemäß dieser
Erfindung und ein genanntes Signalverarbeitungsorgan aufweist, das
an diese Antenne durch eine genannte Anschlussbaugruppe angeschlossen
ist.
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Die
als Beispiel gegebene Antenne ist eine Bifrequenzantenne, das heißt, dass
sie mindestens zwei Resonanzen erzeugen kann, so dass sie nach zwei
Modi arbeiten kann, die zwei Betriebsfrequenzen entsprechen. Zu
diesem Zweck wird in dem Patch 6 ein Spalt gebildet, der
nach vorn hin außerhalb
dieses Patchs mündet.
Er bildet einen in Längsrichtung
verlaufenden Trennspalt F1. Die von diesem Spalt eingenommene Längsausdehnung
definiert in diesem Patch einen vorderen Bereich Z2, Z1, Z12, wobei
der Spalt selbst in diesem Bereich einen Primärbereich Z1 von einem Sekundärbereich
Z2 trennt. Ein hinterer Bereich ZA erstreckt sich zwischen diesem
vorderen Bereich und der vorderen Kante 10. Vorzugsweise
ist dieser hintere Bereich in der Längsrichtung DL kürzer und
bevorzugt deutlich kürzer
als dieser vordere Bereich.
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Der
innere Anschlusspunkt 18 liegt außerhalb des Sekundärbereichs,
und vorzugsweise befindet er sich im Primärbereich Z1. Ein Betriebsmodus stellt
in diesem Fall einen Primärmodus
dar, in dem sich eine stehende Welle dank einer Ausbreitung von fortschreitenden
Wellen in beide Richtungen dieser Längsrichtung oder einer ihr
benachbarten Richtung ausbreitet, wobei sich diese Wellen in einer
Fläche ausbreiten,
welche diesen Primärbereich
und diesen hinteren Bereich einschließt und dabei den Sekundärbereich
Z2 in etwa ausschließt.
Ein anderer Betriebsmodus stellt einen Sekundärmodus dar, in dem sich eine
stehende Welle dank einer Ausbreitung fortschreitender Wellen in
denselben beiden Richtungen aufbaut, wobei sich diese Wellen in
einer anderen Fläche
ausbreiten, welche den Primär-
und den Sekundärbereich
und den hinteren Bereich einschließt.
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Im
Rahmen dieser Anordnung hat der hintere Bereich ZA eine erste Funktion,
die darin besteht, den Sekundärbereich
mit dem Primärbereich
zu koppeln, um den Aufbau des zweiten Modus zu ermöglichen.
Er hat eine zweite Funktion, die darin besteht, dem auf der hinteren
Kante vorhandenen Kurzschluss die Möglichkeit zu geben, seine Rolle
in jedem der beiden Bereiche zu spielen. Die Antenne entspricht
dann zumindest näherungsweise
für jede Betriebsfrequenz
dem Viertelwellentyp.
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Die
Konfigurationen des Patchs und der Kopplungsvorrichtung und insbesondere
die Längsposition
des inneren Anschlusspunktes 18 werden so gewählt, dass
ein zuvor festgelegter, gewünschter Wert
der Impedanz auftritt, der von der Antenne für das Signalverarbeitungsorgan
oder, noch typischer, für
eine Anschlussleitung präsentiert
wird, welche dieses Organ mit dieser Vorrichtung verbindet. Diese Impedanz
wird nachfolgend als Impedanz der Antenne bezeichnet. Im Fall einer
Sendeantenne wird sie üblicherweise
als Eingangsimpedanz bezeichnet. Ihr gewünschter Wert ist vorteilhafterweise
gleich der Impedanz der Anschlussleitung. Dies ist der Grund, warum
vorzugsweise die Position des Anschlusspunktes der Antennenimpedanz
für die
verschiedenen Betriebsfrequenzen etwa denselben Wert verleiht.
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Es
ist im allgemeinen nützlich,
dass die Betriebsfrequenzen zuvor festgelegte gewünschte Werte
haben. Diese Werte können
vorteilhafterweise durch eine geeignete Wahl der jeweiligen Längsabmessungen
des Primärbereichs
Z1 und des Sekundärbereichs
Z2 erzielt werden. Aus diesem Grund sind im Rahmen der vorliegenden
Erfindung diese beiden Abmessungen typischerweise unterschiedlich.
Daraus ergibt sich, dass die vordere Kante des Patchs folglich notwendigerweise
von einer quer verlaufenden geraden Linie abweicht.
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In
dem in besonderer Weise beschriebenen Fall bildet die Konfiguration
des Patchs 6 vorzugsweise außerdem einen Spalt, der in
Querrichtung DT verläuft.
Dieser Spalt bildet einen Quertrennspalt F2, der diesen Primärbereich
teilweise vom hinteren Bereich ZA trennt. Vorzugsweise verbindet
er sich am hinteren Ende mit dem in Längstrennspalt F1.
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Die
Konfiguration des Patchs 6 bildet ferner vorteilhafterweise
mindestens einen Spalt F3, der im Primärbereich Z1 in Längsrichtung
DL verläuft.
Vorzugsweise verläuft
dieser Spalt ausgehend Quertrennspalt F2 nach vorn. Er kann als
Frequenzsenkungsspalt bezeichnet werden, denn seine Aufgabe ist
es, die Betriebsfrequenzen in einem mit seiner Länge steigenden Maße zu senken.
Er ermöglicht
so nicht nur, die Länge
des Patchs zu begrenzen, die erforderlich ist, um zuvor festgelegte
gewünschte
Werte der Betriebsfrequenzen zu erhalten, sondern auch, diese Frequenzen
dank einer geeigneten Abstimmung der Länge dieses Spalts einzustellen.
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Die
Antenne weist vorzugsweise eine Symmetrieebene auf, die sich in
Längsrichtung
DL und in vertikaler Richtung DV erstreckt, wobei die Linie dieser
Ebene in der oberen Fläche
des Substrats eine Symmetrieachse A für den Patch 6 bildet.
Wenn zwei Elemente bezogen auf die Symmetrieachse oder -ebene zueinander
symmetrisch sind, ist die in den Kennzeichnungen enthaltene Zahl
für das,
was auf den Abbildungen rechts dargestellt ist, gleich der entsprechenden
Zahl dessen, was links dargestellt ist, jedoch jeweils um 10 erhöht. Die
Kopplungsvorrichtung und der Primärbereich Z1 erstrecken sich
in der Nähe
der Achse A, und die Konfiguration des Patchs bildet zwei genannte
Längstrennspalte
F1, F11 auf beiden Seiten dieses Primärbereichs. Der Sekundärbereich
umfasst dann zwei Teile, Z2, Z12, die jeweils jenseits dieser zwei
Spalte liegen.
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Unter
diesen Bedingungen weist die Gesamtheit der Trennspalte F1, F2,
F11, F12 die Form eines "U" auf. Die Arme und
die Basis dieses Us verlaufen in Längs- bzw. in Querrichtung.
Diese Basis weist einen axialen Abschnitt 20 auf, der sich
auf beiden Seiten der Achse erstreckt, um den Primärbereich
Z1 über
einen axialen Teil des hinteren Bereichs ZA mit dem Kurzschluss
C2, C12 zu verbinden.
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Nach
einer vorteilhaften Anordnung weist die Kopplungsleitung, welche
die Kopplungsvorrichtung der Antenne bildet, einen Leiter auf, der
zur oberen leitenden Schicht gehört.
Genauer ausgedrückt, dringt
ein Abschnitt C1 des genannten Hauptleiters in Längsrichtung DL in die Fläche des
Patchs 6 ein. Er verläuft
zwischen einem hinteren Ende in der Nähe der hinteren Kante 10 und
einem vorderen Ende, das den inneren Anschlusspunkt 18 bildet.
Dieser Abschnitt des Hauptleiters weist die Form eines Streifens
bzw. Bandes auf und kann als horizontaler Kopplungsstreifen bezeichnet
werden. Wie an sich bekannt ist, ist dieser Streifen seitlich durch
zwei Aussparungen begrenzt. In der vorliegenden Erfindung sind diese
beiden Aussparungen jedoch in Richtung DT eng genug und in der Richtung
DL lang genug, um jeweils als zwei Längsspalte F4, F14 betrachtet
zu werden. Diese beiden Spalte trennen diesen Streifen vom Patch 6 ab
und werden hier als Kopplungsspalte bezeichnet. Die Wahl ihrer Breite hängt davon
ab, dass die Parameter der Leitung, deren Hauptleiter dieser Kopplungsstreifen
ist, vorteilhaft festgelegt werden können, indem diese Leitung als
koplanare Leitung gestaltet wird, die fähig ist, die Antenne auf der
Länge dieser
Leitung auf verteilte Weise zu erregen, und nicht als eine dem Mikrostreifentyp
entsprechende Leitung, welche die Aufgabe hat, die Antenne nur am
Ende dieser Leitung zu erregen; der Masseleiter dieser koplanaren
Leitung ist in diesem Fall prinzipiell nach der Art einer koplanaren Leitung
aufgebaut, und zwar von den Teilen des Patchs, die seitlich auf
beiden Seiten dieses Streifens jenseits der beiden Spalte F4 und
F14 liegen, und nicht von der Masse der Antenne wie bei einer Mirkostreifenleitung.
Diese Leitung wird nachfolgend als horizontale koplanare Leitung
bezeichnet.
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Sie
würde die
Möglichkeit
bieten, die Antenne über
ein elektromagnetisches Signal zu koppeln, welches von der externen
Anschlussleitung am hinteren Ende dieser horizontalen koplanaren
Leitung zwischen zwei Klemmen, die dieser horizontalen koplanaren
Leitung und der Antenne gemeinsam sind, angelegt oder erfasst wird,
wobei diese beiden Klemmen von diesem Masseleiter dieser Leitung
beziehungsweise vom hinteren Ende dieses Streifens gebildet werden.
Doch zumindest im Fall von Geräten wie
bestimmten Funktelefonen würde
die Ausführung der
Verbindung zwischen der Kopplungsvorrichtung und dieser externen
Leitung über
derartige Leiter, die in der Ebene des Patchs liegen, die Herstellung
dieser Geräte
komplizieren.
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Insbesondere
verläuft
die fragliche horizontale koplanare Leitung entlang der Achse A.
Sie tritt in den axialen Abschnitt 20 der Basis des Us
ein, wobei dieser Abschnitt durch die beiden Kopplungsspalte F4
und F14 begrenzt ist. Wie zuvor gesagt, wird die Position des vorderen
Endes 18 ihres Hauptleiters so festgelegt, dass sie der
Impedanz der Antenne einen gewünschten
Wert gibt. Diese Impedanz hängt
jedoch auch noch von anderen Parametern wie den Breiten des Kopplungsstreifens
C1 und der Kopplungsspalte sowie von der Art des Substrats ab.
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Nach
einer anderen vorteilhaften Anordnung ist der genannte Kurzschluss
ein zusammengesetzter Kurzschluss, der zwei Kurzschlussleiter C2
und C12 aufweist. Diese beiden Leiter verlaufen in vertikaler Richtung
DV, wobei sie zwischen sich einen freien Abstand lassen. Jeder von
ihnen verbindet die Masse 4 der Antenne mit dem Patch 6.
-
Die
Antennenkopplungsleitung weist außerdem Anschlussleiter auf,
die auf der Schnittfläche
S3 gebildet werden und die eine vertikale koplanare Leitung bilden
können.
Eine solche Leitung setzt sich insbesondere aus den folgenden Leitern
zusammen:
- – Einem
Hauptleiter C3, der in vertikaler Richtung DV zwischen einem unteren
Ende und einem oberen Ende in dem zwischen den beiden Kurzschlussleitern
gelassenen Abstand verläuft.
Dieses obere Ende wird mit dem hinteren Ende des Hauptleiters C1
der koplanaren horizontalen Leitung verbunden. Dieser Hauptleiter
der vertikalen koplanaren Leitung bildet gleichzeitig den genannten
ersten Anschlussleiter, eine erste Klemme der Antenne und einen
vertikalen Abschnitt des Hauptleiters der Kopplungsleitung.
- – Und
aus zwei genannten Masseleitern dieser Leitung, die mit dem Leiter
C3 zusammenarbeiten und von den zwei Kurzschlussleitern C2 und C12 gebildet
werden. Diese beiden Kurzschlussleiter bilden gleichzeitig gemeinsam
eine zweite Klemme der Antenne.
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Im
Fall eines Gerätes
mit begrenzten Abmessungen erleichtert der Umstand, dass diese Anschlussleiter
auf der Schnittfläche
S3 gebildet werden, ganz erheblich die Herstellung eines Anschlusses
zwischen einerseits der zur Antenne gehörenden Kopplungsvorrichtung,
die auf der Oberfläche
des Gerätes
gebildet wird, und andererseits einer Anschlussleitung, welche diese
Vorrichtung mit einem Signalverarbeitungsorgan verbindet. Wenn dieses Organ
im Innern dieses Gerätes
liegt, kann diese Leitung die Form einer Koaxialleitung annehmen,
die in der Nähe
der Antenne senkrecht zu deren Ebene verläuft. In anderen Fällen erleichtert
diese Anordnung der Anschlussleiter den Anschluss der Antenne an von
einer Hauptplatine getragene Leiter, auf deren einer Seite das Substrat
der Antenne zuvor befestigt wurde; die Anschlussleitung verläuft in diesem
Fall typischerweise, zumindest in der Nähe der Antenne, parallel zu
deren Längsrichtung.
Im übrigen
kompliziert die Ausführung
derartiger Anschlussleiter, welche Klemmen der Antenne auf der Schnittfläche des Substrats
bilden können,
die Herstellung der Antenne nur in einer vernachlässigbaren
Weise. Einerseits nämlich
ist die Ausführung
der Kurzschlussleiter notwendig, damit die hergestellte Antenne
dem Viertelwellentyp entspricht. Andererseits kann der erste Anschlussleiter
durch ein Verfahren hergestellt werden, das der Herstellung der
Kurzschlussleiter zumindest ähnlich
ist, und in den meisten Fällen
auch im Verlauf desselben Fertigungsschrittes.
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Ferner
werden nach einer vorteilhaften Anordnung, welche für die als
Beispiel angegebene erste Antenne spezifisch ist, sämtliche
Anschlussleiter der Kopplungsvorrichtung gemeinsam durch die folgenden
Schritte hergestellt:
- – Bildung einer vertikalen
leitenden Schicht auf der Schnittfläche S3; und
- – Ätzen dieser
Schicht, um gleichzeitig die beiden Kurzschlussleiter C2 und C12
und den ersten Anschlussleiter C3 herzustellen. Diese Leiter bilden dann
zwei Kurzschluss-Streifen bzw. einen vertikalen Kopplungsstreifen.
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Vorzugsweise
nehmen die Anschlussleiter nur einen Teil der hinteren Kante 10 ein.
In der im Beispiel angegebenen Antenne handelt es sich etwa um denselben
Anteil wie den des Primärbereichs
Z1.
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Vorzugsweise
werden die Breiten der Kopplungsstreifen und der Spalte, beispielsweise
der Kopplungsspalte, die auf beiden Seiten dieser Streifen liegen,
so gewählt,
dass die Kopplungsleitung, die von den vertikalen und horizontalen
koplanaren Leitungen gebildet wird, eine einheitliche und geeignete
Impedanz erhält,
die typischerweise 50 Ohm beträgt.
Die Impedanz der Antenne wird im übrigen durch die Wahl der Position
des inneren Anschlusspunktes 18 eingestellt.
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In
der als Beispiel angegebenen Ausführungsform ist die Anschlussleitung
außerhalb
der Antenne eine Koaxialleitung. Sie weist einen axialen Leiter
C4 auf. An einem ersten Ende der Leitung ist dieser axiale Leiter
an den Leiter C3 angeschlossen. Am anderen Ende der Leitung ist
er an eine erste Klemme des Signalverarbeitungsorgans 8 angeschlossen.
Auf der Länge
der Leitung ist er von einem leitenden Mantel C5 umgeben. Am ersten
Ende der Leitung wird dieser Mantel gleichzeitig an die beiden Kurzschlussleiter
C2 und C12 angeschlossen. Am anderen Ende der Leitung wird er an
die andere Klemme des Signalverarbeitungsorgans 8 angeschlossen,
das zum Beispiel aus einem Sender 8 besteht.
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Im
Rahmen einer Ausführungsform
einer dieser Erfindung entsprechenden Sendeantenne werden nachfolgend
verschiedene Zusammensetzungen und Werte als Zahlenbeispiel angegeben. Die
Längen
und Breiten werden jeweils in Längsrichtung
DL und Querrichtung DT angegeben.
- – Primär-Betriebsfrequenz:
940 MHz
- – Sekundär-Betriebsfrequenz:
870 MHz
- – Eingangsimpedanz:
50 Ohm
- – Zusammensetzung
und Dicke des Substrats: Epoxidharz mit einer relativen Permittivität er = 4,3 und einem Streufaktor tg d = 0,02,
Dicke 1,6 mm
- – Zusammensetzung
und Dicke der leitenden Schichten: Kupfer, 17 Mikron
- – Länge des
Primärbereichs
Z1: 26 mm
- – Breite
des Bereichs Z1: 29 mm
- – Länge der
Sekundärbereiche
Z2 und Z12: 30 mm
- – Breite
jedes dieser Bereiche: 5,5 mm
- – Länge des
hinteren Bereichs Z3: 2,5 mm
- – Länge des
Leiters C1 der horizontalen koplanaren Leitung: 25 mm
- – Breite
des Leiters C1 und des Hauptleiters C3 der vertikalen koplanaren
Leitung: 2,1 mm
- – Höhe des Leiters
C3: 0,8 mm
- – allen
Spalten gemeinsame Breite, wobei diese Breite für die in Querrichtung verlaufenden
Spalte F2 und F12 in horizontaler Richtung angegeben wird: 0,5 mm
- – Länge der
Frequenzabsenkungsspalte F3 und F13: 5 mm
- – Breite
des axialen Abstands 20: 7 mm
- – Breite
jedes der Kurzschlussleiter C2 und C12: 5 mm.
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Die
zweite Antenne, die als Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
angegeben wird, ist in 5 dargestellt
und verhält
sich grundsätzlich analog
zu der zuvor beschriebenen ersten Antenne. Wenn ein Element dieser
zweiten Antenne dieselben Funktionen hat wie ein Element dieser
ersten Antenne, wird es mit denselben Kennzeichnungsbuchstaben und/oder
-ziffern bezeichnet, allerdings werden die von diesen Ziffern gebildeten
Zahlen um hundert erhöht,
so dass sich der Primärbereich
Z101 dieser zweiten Antenne zum Beispiel analog zum Primärbereich
Z1 der ersten Antenne verhält.
Diese zweite Antenne unterscheidet sich von der ersten Antenne in folgenden
Punkten:
Zunächst
einmal wird sie für
den Fall hergestellt, dass drei Betriebsfrequenzen benötigt werden.
Der Patch 106 weist in diesem Fall außerdem zwei zueinander symmetrische
Tertiärbereiche
auf. Ein erster Spalt F101 in Form eines Us trennt teilweise den
Primärbereich
Z101 von den beiden Sekundärbereichen
Z102 und Z112. Er ist in einen zweiten Spalt F105 derselben Form
einbezogen, der in gleicher Weise die Sekundärbereiche von den Tertiärbereichen
Z103 und Z113 trennt.
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Sodann
besteht der Kurzschluss aus einem einzigen Leiter C102, der sich über die
gesamte Breite des Patchs 106 erstreckt, und die Kopplung zwischen
den Primär-,
Sekundär-
und Tertiärbereichen erfolgt
im hinteren Bereich ZA mit Hilfe des Axialabstands 120.
Schließlich
wird die Kopplung der Antenne von einer vertikalen Koaxialleitung
aus vorgenommen. Ein Abschlussabschnitt des Axialleiters C104 dieser
Leitung durchquert das Substrat 102 und wird im Primärbereich
Z101 an das Patch gelötet.
Er bildet so die Kopplungsvorrichtung der Antenne. Der leitende
Mantel C105 dieser Leitung wird an die nicht dargestellte Masse
der Antenne gelötet,
wobei diese Masse aus einer nicht dargestellten durchgehenden leitenden
Schicht besteht, welche die untere Fläche des Substrats 102 bedeckt.
Der Teil dieser Koaxialleitung, der unterhalb der Antenne verläuft, bildet
deren Anschlussleitung.
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Es
muss klar sein, dass die Anzahl der Betriebsfrequenzen einer Antenne,
die nach der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird, höher als drei sein kann, wobei
das Patch einer solchen Antenne dann zum Beispiel im Fall von vier
Frequenzen einen Primärbereich,
zwei Sekundärbereiche,
zwei Tertiärbereiche
und zwei Quartärbereiche
aufweist.
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Außerdem sind
die Konfigurationen des Patchs und des Kurzschlusses nicht notwendigerweise
symmetrisch.