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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antennensystem und eine Sendeanordnung. Antennensysteme und Sendeanordnungen werden beispielsweise in schlüssellosen Zugangssystemen (”Keyless Entry Systems”), z. B. im Automotivbereich, verwendet. Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn beispielsweise Sendeantennen für schlüssellose Zugangssysteme im Bereich der Resonanzfrequenz des Antennensystem eine möglichst konstante Impedanz bei gleichzeitig hohem reaktiven Anteil aufweisen, da sich die Resonanzfrequenz durch äußere Einflüsse wie z. B. durch Temperaturänderungen oder durch in der Nähe des Antennensystems befindliche Metallgegenstände verändern kann. Bei herkömmlichen Antennen ist es zwar möglich, eine ausreichend konstante Impedanz durch Serienschaltung eines Widerstandes zu erreichen, allerdings sinken gleichzeitig der reaktive Anteil der Impedanz und der Gütefaktor. Es besteht daher ein Bedarf an einer verbesserten Lösung.
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Hierzu sieht die vorliegende Erfindung ein Antennensystem gemäß Patentanspruch 1, eine Sendeanordnung gemäß Patentanspruch 13 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Sendeanordnung gemäß Patentanspruch 16 vor.
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Das Antennensystem umfasst zumindest eine erste Antenne mit einer ersten Wicklung, sowie eine zweite Antenne mit einer zweiten Wicklung. Die erste Wicklung ist elektrisch mit der zweiten Wicklung gekoppelt. Im Falle von weiteren Antennen des Antennensystems gilt auch für die weiteren Antennen, dass sie jeweils eine Wicklung aufweisen und mit den restlichen Antennen des Antennensystems gekoppelt sind.
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Eine Kopplung zwischen der ersten Antenne und der zweiten Antenne sowie den optionalen weiteren Antennen kann dadurch erfolgen, dass die erste, die zweite sowie die optionalen weiteren Antennen des Antennensystems elektrisch parallel geschaltet werden. Durch das Parallelschalten von zwei oder mehr Antennen wird die Induktivität des Antennensystems im Vergleich zu den Induktivitäten einer Einzelantenne reduziert. Falls die Antennen des Antennensystems unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, besitzt das Antennensystem eine Bandpasscharakteristik. Dadurch ist die zur Versorgung des Antennensystems bereitzustellende Generatorspannung, die in einem bestimmten Frequenzintervall der Generatorspannung zur Erzeugung eines vorgegebenen Stroms (beispielsweise 1A) durch das Antennensystem erforderlich ist, über das gesamte Frequenzintervall betrachtet, geringer als bei einer herkömmlichen Antenne. Um also bei verschiedenen Frequenzen jeweils ein Sendesignal bestimmter Sendeleistung abzustrahlen, ist die hierfür erforderliche maximale Generatorspannung geringer als bei einer herkömmlichen einfachen Antenne. Hierdurch kann darauf verzichtet werden, einen Wechselspannungsgenerator einzusetzen, bei dem die Amplitude der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von einer Größe geregelt werden kann, welche durch das Antennensystem beeinflusst wird, d. h. es kann ein Generator gewählt werden, der eine Ausgangsspannung mit konstanter Amplitude bereitstellt. Selbstverständlich kann gleichwohl eine Regelung dieser Amplitude vorgesehen sein.
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Anstelle einer Kopplung durch Parallelschaltung kann eine Kopplung zwischen der ersten Antenne, der zweiten Antenne sowie der optionalen weiteren Antennen des Antennensystems auch in einer induktiven Kopplung der Wicklungen dieser Antennen bestehen. Im Falle einer induktiven Kopplung der Wicklungen von zwei oder mehr Antennen kann die Kopplung rein induktiv erfolgen, so dass diese Wicklungen galvanisch voneinander getrennt sind.
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Mischformen der genannten Kopplungen sind ebenfalls möglich. So können beispielsweise zwei oder mehr Antennen des Antennensystems sowohl elektrisch parallel geschaltet und außerdem ihre Wicklungen induktiv gekoppelt werden.
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Ebenso ist es möglich, zwei Gruppen von Antennen mit jeweils wenigstens zwei zueinander parallel geschalteten Antennen vorzusehen und außerdem die Wicklungen einer jeden Antenne einer der Gruppen mit der Wicklung oder den Wicklungen zumindest einer, mehrerer oder aller Antennen der anderen Gruppe rein induktiv zu koppeln. In diesem Fall wäre die Wicklung einer jeden Antenne der einen Gruppe gegenüber der Wicklung einer jeden Antenne der anderen Gruppe galvanisch getrennt.
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Weiterhin kann eine jede Antenne – unabhängig vom Aufbau der anderen Antennen des Antennensystems – einen mit der Wicklung der betreffenden Antenne in Reihe geschalteten Serienwiderstand und/oder einen Serienkondensator aufweisen. Sofern bei einer Antenne sowohl ein Serienwiderstand als auch ein Serienkondensator vorgesehen ist, sind auch diese zueinander in Reihe geschaltet. Die Reihenfolge, in der die Wicklung, ein Serienkondensator und ein Serienwidertand in Reihe geschaltet sind, kann dabei beliebig gewählt werden.
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Mit Hilfe eines solchen Antennensystems lässt sich in Verbindung mit einer Versorgungseinheit, die einen Wechselspannungsgenerator zur Bereitstellung einer Wechselspannung umfasst, eine Sendeanordnung erzeugen. Der Wechselspannungsgenerator ist so ausgebildet, dass die Frequenz der von ihm bereitgestellten Wechselspannung aus mindestens zwei verschiedenen Frequenzen ausgewählt werden kann. Eine derartige Sendeanordnung kann beispielsweise bei schlüssellosen Zugangssystemen z. B. im Automotive Bereich eingesetzt werden. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn es sich bei der Sendeanordnung um ein tragbares Gerät handelt, dessen Energieversorgung durch Batterien, z. B. Knopfzellen, oder durch Akkus erfolgen kann.
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Eine solche Sendeanordnung kann vorteilhaft so betrieben werden, dass die Amplitude der von dem Wechselspannungsgenerator bereitgestellten Wechselspannung nicht in Abhängigkeit von der Frequenz der Wechselspannung geregelt werden muss. Hierdurch kann auf eine derartige Regelung verzichtet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
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1 ein Schaltbild einer Sendeanordnung mit einem Antennensystem, das eine Parallelschaltung mit zwei Antennen umfasst, die über einen Widerstand und einen Kondensator an eine Versorgungseinheit angeschlossen ist;
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2 eine Sendeanordnung, die sich von der Sendeanordnung gemäß 1 dadurch unterscheidet, dass auf dem Kondensator, über den die parallel geschalteten Antennen an die Versorgungseinheit angeschlossen sind, verzichtet wurde;
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3 eine Sendeanordnung mit einem Antennensystem, das zwei parallel geschaltete Antennen umfasst, von denen jede eine Wicklung aufweist, die mit einem Widerstand und einem Kondensator der betreffenden Antenne in Reihe geschaltet ist;
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4 eine Sendeanordnung mit einem Antennensystem, das zwei Antennen umfasst, deren Wicklungen induktiv miteinander gekoppelt sind;
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5 eine Sendeanordnung mit einem Antennensystem, das zwei Antennen umfasst, deren Wicklungen induktiv über einen Kern miteinander gekoppelt sind;
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6 zwei parallel gewickelte Wicklungen zweier Antennen eines Antennensystems;
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7 zwei parallel gewickelte Wicklungen zweier Antennen eines Antennensystems, die über einen Kern induktiv miteinander gekoppelt sind;
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8 zwei nebeneinander angeordnete Wicklungen zweier Antennen eines Antennensystems, die über einen Kern induktiv miteinander gekoppelt sind;
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9 eine Sendeanordnung mit einem Antennensystem, das eine erste Gruppe mit parallel geschalteten Antennen umfasst, sowie eine zweite Gruppe von Antennen, deren Wicklungen rein induktiv mit Wicklungen der ersten Antennen gekoppelt sind;
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10 der Verlauf der Amplitude der Generatorspannung einer Sendeanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum Verlauf der Amplituden der Generatorspannungen zweier herkömmlicher Sendeanordnungen in Abhängigkeit von der Frequenz bei gleichem Stromfluss durch die Antennen im Falle eines Bandpassverhaltens; und
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11 für eine Sendeanordnung mit einem Antennensystem umfassend zwei gemäß der vorliegenden Erfindung parallel geschaltete Antennen die Amplitude der Generatorspannung gegenüber der Abweichung von der Resonanzfrequenz der betreffenden Antenne im Vergleich zum Spannungsverlauf der Generatorspannung bei einer Sendeanordnung mit einer herkömmlichen Antenne.
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In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Elemente mit gleicher Funktion.
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1 zeigt eine Sendeanordnung mit einem Wechselspannungsgenerator G, der dazu ausgebildet ist, eine Wechselspannung U mit konstanter Amplitude und/oder konstanter Frequenz bereitzustellen. Die Versorgungseinheit 2 kann neben dem Wechselspannungsgenerator G einen optionalen Serienwiderstand R0 zur Strombegrenzung umfassen.
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Die Sendeanordnung kann dabei Bestandteil eines fahrzeugseitigen Teils einer schlüssellosen Zugangsanordnung bzw. Startanordnung eines Kraftfahrzeugs sein. Insbesondere kann die Sendeanordnung dazu dienen, LF/Niederfrequenz-Signale (z. B. mit einer Frequenz von 125 KHz) an einen mobilen Identifikationsgeber zu senden, um diesen aufzufordern, mit dem fahrzeugseitigen Teil der Zugangsanordnung/Startanordnung in Kommunikation zu treten. Dabei soll mittels einem oder mehreren Funksignalen eine Identifikationsinformation vom Identifikationsgeber an den fahrzeugseitigen Teil zur Berechtigungsprüfung übertragen werden.
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Die Versorgungseinheit 2 dient dazu, ein Antennensystem 10 mit elektrischer Energie zu versorgen und dadurch ein von dem Antennensystem 10 abgestrahltes Sendesignal zu erzeugen. Das Antennensystem 10 umfasst zwei elektrisch zueinander parallel geschaltete Antennen 11 und 12, von denen jede eine Spule mit einer Wicklung 31 bzw. 32 aufweist. Die zugehörigen Induktivitäten der Spulen sind mit L1 bzw. L2 bezeichnet. Das Antennensystem 10 umfasst außerdem einen optionalen Widerstand R und einen optionalen Kondensator C, die mit den parallel geschalteten Antennen 11 und 12 und damit mit einer jeden der Antennen 11 und 12 in Reihe geschaltet sind. Jede der beiden Antennen 11 und 12 weist eine Resonanzfrequenz auf, wobei diese Resonanzfrequenzen verschieden sind. Hierdurch besitzt das gesamte Antennensystem eine Bandpasscharakteristik.
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Alternativ können die Resonanzfrequenzen jedoch auch gleich gewählt werden. Bei verschiedenen Resonanzfrequenzen liegen die reaktiven Anteile der Impedanzen der einzelnen Antennen 11 und 12 im Frequenzraum quasi nebeneinander, so dass sich der reaktive Anteil der Impedanz des Antennensystems 10 im Vergleich zu den einzelnen Antennen 11 und 12 über einen relativ großen Frequenzbereich erstreckt. Auf diese Weise kann der reaktive Anteil eines Antennensystems 10 durch Kopplung von mehr als zwei Antennen 11, 12 mit jeweils verschiedenen Resonanzfrequenzen auch noch auf einen größeren Frequenzbereich ausgedehnt werden.
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Die in 2 gezeigte Antennenanordnung unterscheidet sich von der Antennenanordnung gemäß 1 dadurch, dass auf den optionalen Kondensator C verzichtet wurde.
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Die Sendeanordnung gemäß 3 umfasst ebenfalls zwei elektrisch zueinander parallel geschaltete Antennen 11 und 12. Jede der Antennen 11 und 12 weist eine Reihenschaltung aus einer Wicklung 31 bzw. 32, einem Widerstand R1 bzw. R2 und einen Kondensator C1 bzw. C2 auf. Die Reihenschaltung aus der Wicklung 31, dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 ist somit Bestandteil der ersten Antenne 11, die Reihenschaltung aus der Wicklung 32, dem Widerstand R2 und dem Kondensator C2 Bestandteil der Antenne 12. Die Parallelschaltung aus den beiden Antennen 11 und 12, d. h. das Antennensystem, ist an die Versorgungseinheit 2 angeschlossen.
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Während bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 3 die unterschiedlichen Antennen 11, 12 des Antennensystems 10 jeweils elektrisch parallel geschaltet und an die Versorgungseinheit 2 angeschlossen sind, ist bei der in 4 gezeigten Sendeanordnung nur die erste Antenne 11 elektrisch leitend mit der Versorgungseinheit 2 verbunden, während die zweite Antenne 12 lediglich induktiv mit der ersten Antenne 11 gekoppelt, jedoch galvanisch von dieser getrennt ist. Die Kopplung zwischen den Antennen 11 und 12 erfolgt dabei durch induktive Kopplung der Wicklungen 31 bzw. 32 der beiden Antennen 11 bzw. 12. Um die Kopplungsstärke zu erhöhen, können die Wicklungen 31 und 32 optional auf einen gemeinsamen Kern 30 gewickelt sein, was in 5 gezeigt ist.
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Wie in 6 gezeigt ist, können die beiden Wicklungen 31 und 32 zweier induktiv miteinander gekoppelter Antennen 11 bzw. 12 parallel gewickelt sein, so dass die mit den Wicklungen 31, 32 jeweils gebildeten Spulen gleiche Induktivitäten L1 bzw. L2 aufweisen. Dasselbe gilt entsprechend auch dann, wenn die Kopplung zwischen den parallel gewickelten Wicklungen 31 und 32 entsprechend 7 mit Hilfe eines Kerns 30 erfolgt. Bei der Anordnung gemäß 7 besteht die mit der Wicklung 31 gebildete Spule aus der Wicklung 31 und dem Kern 30, die aus der Wicklung 32 gebildete Spule aus der Wicklung 32 und dem Kern 30.
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Alternativ zu den in den 6 und 7 erläuterten Beispielen ist es jedoch nicht zwingend erforderlich, dass die beiden Wicklungen 31 und 32 parallel gewickelt sind und/oder gleiche Windungszahlen aufweisen.
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Gemäß einem weiteren, in 8 gezeigten Beispiel können die Wicklungen 31 und 32 der zwei Antennen 11 bzw. 12 auch nebeneinander angeordnet sein, d. h. es liegt kein Raumbereich vor, der sowohl von der Wicklung 31 als auch von der Wicklung 32 umwickelt ist. Bei einer solchen Anordnung ist die Kopplung zwischen den Wicklungen 31 und 32 schwächer ausgeprägt als bei den Anordnungen gemäß den 6 und 7. Die Kopplung kann jedoch unter Verwendung eines optionalen, gemeinsamen Kerns 30, auf den die beiden Wicklungen 31 und 32 gewickelt sind, angepasst werden. Abweichend von der Darstellung gemäß 8 kann jedoch auch jede der Wicklungen 31, 32 auf einen eigenen Kern gewickelt sein.
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Anhand der vorangehenden Figuren wurde erläutert, dass ein Antennensystem gemäß der vorliegenden Erfindung zwei oder mehr miteinander gekoppelte Antennen 11, 12 aufweisen kann. Die Kopplung kann dabei durch elektrisches Parallelschalten der Antennen erfolgen, aber auch durch induktive Kopplung der Wicklungen der Antennen. Eine Mischung dieser Kopplungsarten ist ebenfalls möglich. Als weiteres Beispiel hierfür zeigt 9 eine Sendeanordnung mit einem Antennensystem 10.
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Das Antennensystem 10 weist eine Gesamtzahl von N Antennen 11-1, 11-2, ... 11-N1, 12-1, 12-2, ... 12-N2 auf, von denen eine erste Gruppe I mit einer Anzahl von N1 Antennen 11-1, 11-2, ... 11-N1 elektrisch zueinander parallel geschaltet ist. Außerdem ist eine zweite Gruppe II von N2 Antennen 12-1, 12-2, ... 12-N2 vorgesehen, von denen jede über ihre Wicklung 32-1, 32-2, ... 32-N2 mit einer, mehreren oder allen Wicklungen 31-1, 31-2, ... 31-N1 der Antennen 11-1, 11-2, ... 11-N1 der ersten Gruppe I induktiv gekoppelt ist.
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Unter der Nebenbedingung, dass N ≥ 2 ist, können N1 ≥ 1 und N2 ≥ 0 in beliebigen Kombinationen gewählt werden. Mit N = 2, N1 = 2 und N2 = 0 ergibt sich somit die Anordnung gemäß 3 (abgesehen von der in 3 fehlenden induktiven Kopplung der Wicklungen 31 und 32 über einen Kern 30), mit N = 2, N1 = 1 und N2 = 1 die Anordnung gemäß 5.
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Die einzelnen Wicklungen 32-1, 32-2, ... 32-N2 der Antennen 12-1, 12-2, ... 12-N2 der zweiten Gruppe II müssen dabei nicht notwendiger Weise über einen gemeinsamen Kern 30 gekoppelt sein. Vielmehr kann jede der Wicklungen 32-1, 32-2, ... 32-N2 der Antennen 12-1, 12-2, ... 12-N2 der zweiten Gruppe II auf einer der anhand der 6 bis 8 erläuterte Weise mit einer, mehreren oder allen Wicklungen 31-1, 31-2, ... 31-N1 der Antennen 11-1, 11-2, ... 11-N1 der ersten Gruppe I induktiv gekoppelt sein, und zwar unabhängig davon, auf welche Weise die induktive Kopplung der Wicklungen 32-1, 32-2, ... 32-N2 der anderen Antennen 12-1, 12-2, ... 12-N2 der zweiten Gruppe II mit einer, mehreren oder allen Wicklungen 31-1, 31-2, ... 31-N1 der Antennen 11-1, 11-2, ... 11-N1 der ersten Gruppe I erfolgt. Somit kann ein Antennensystem 10 beispielsweise auch zwei oder mehr Kerne aufweisen, mittels denen jeweils die Wicklung 32-1, 32-2, ... 32-N2 einer anderen Antenne 12-1, 12-2, ... 12-N2 der zweiten Gruppe II induktiv mit einer Wicklung einer Antenne der ersten Gruppe I gekoppelt ist.
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Eine jede der Antennen 11-1, 11-2, ... 11-N1, 12-1, 12-2, ... 12-N2 kann, unabhängig von der Ausgestaltung der anderen Antennen, neben ihrer Wicklung 31-1, 31-2, ... 31-N1, 32-1, 32-2, 32-N2 optional einen Kondensator C1-1, C1-2, ... C1-N1, C2-1, C2-2, ... C2-N2 und/oder einen Widerstand R1-1, R1-2, ... R1-N1, R2-1, R2-2, ... R2-N2 aufweisen, mit dem bzw. mit denen die Wicklung 31-1, 31-2, ... 31-N1, 32-1, 32-2, ... 32-N2 der betreffenden Antenne 11-1, 11-2, ... 11-N1, 12-1, 12-2, ... 12-N2 in Reihe geschaltet ist.
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Innerhalb der ersten Gruppe I können die Resonanzfrequenzen der einzelnen Antennen 11-1, 11-2, ... 11-N1 gleich, teilweise verschieden oder paarweise verschieden gewählt werden. Paarweise verschieden bedeutet, dass keine zwei Antennen der Gruppe dieselbe Resonanzfrequenz aufweisen. Unabhängig davon können auch innerhalb der zweiten Gruppe II die Resonanzfrequenzen der einzelnen Antennen 12-1, 12-2, ... 12-N2 gleich, teilweise verschieden oder paarweise verschieden gewählt werden.
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Abweichend von den anhand von 9 erläuterten Beispielen können zwei, mehrere oder alle Antennen 12-1, 12-2, ... 12-N2 der zweiten Gruppe II ergänzend auch elektrisch zueinander parallel geschaltet sein.
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Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung eines Antennensystems kann bei einer Sendeanordnung die Anzahl der N1 elektrisch leitend zueinander parallel geschalteter Antennen 11-1, 11-2, 11-N1 über einen optionalen Widerstand R und/oder einen optionalen Kondensator C an die Versorgungseinheit 2 angeschlossen werden.
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10 zeigt für eine gemäß 3 ausgebildete Sendeanordnung den Verlauf (a1) der Amplitude der Generatorspannung U in Abhängigkeit von der Frequenz der Generatorspannung U im Vergleich zum Verlauf der Amplituden der Generatorspannungen bei zwei herkömmlichen Sendeanordnungen mit jeweils nur einer einzigen Antenne, die jeweils dieselbe Resonanzfrequenz besitzen wie das Antennensystem gemäß 3. Die Generatorspannungen sind dabei so gewählt, dass bei der Resonanzfrequenz des Antennensystems (Kurve a1) gemäß der vorliegenden Erfindung bzw. bei der Resonanzfrequenz herkömmlicher Antennen (Kurven b1 bzw. c1) die Ströme durch das Antennensystem (Kurve a1) bzw. die Ströme durch die herkömmlichen Antennen (Kurven b1 bzw. c1) dieselben Amplituden aufweisen.
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Bei der Sendeanordnung zu Kurve (b1) weist die Antenne einen höheren Widerstand (niedriger Gütefaktor) auf als die Antenne der Sendeanordnung zu Kurve (c1).
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11 zeigt zu der Sendeanordnung gemäß 3 mit Kurve (a2) den Verlauf der Amplitude, wenn die Resonanzfrequenzen der Antennen 11 und 12 gleich gewählt werden, in Abhängigkeit von der Abweichung von der Resonanzfrequenz der betreffenden Antenne. Im Vergleich dazu zeigt Kurve (b2) den entsprechenden Spannungsverlauf an der Wicklung der herkömmlichen Antenne, auf die sich auch die Kurve (b1) in 10 bezieht. Durch die Parallelschaltung der Wicklungen ist die Gesamtinduktivität, bzw. Gesamtimpedanz, niedriger als die beiden jeweiligen Induktivitäten bzw. Impedanzen.
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Eine Sendeanordnung, wie sie vorangehend erläutert wurde, kann beispielsweise in einem tragbaren schlüssellosen Zugangssystem eingesetzt werden. Hierzu kann die Energieversorgung der Sendeanordnung mit Hilfe von Batterien, insbesondere Knopfzellen, oder Akkus erfolgen. Grundsätzlich sind ein Antennensystem oder eine Sendeanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch nicht auf den. Einsatz in schlüssellosen Zugangssystemen beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- C
- Kondensator
- C1
- Kondensator
- C2
- Kondensator
- C1-1...C1-N1
- Kondensator
- C2-1...C2-N2
- Kondensator
- G
- Wechselspannungsgenerator
- U
- Wechselspannung
- 2
- Versorgungseinheit
- R0
- Serienwiderstand
- R1
- Widerstand
- R2
- Widerstand
- R1-1...R1-N1
- Widerstand
- R2-1...R2-N2
- Widerstand
- 10
- Antennensystem
- 11
- Antenne
- 12
- Antenne
- 30
- Kern
- 31
- Wicklung
- 32
- Wicklung
- L1
- Induktivität
- L2
- Induktivität
- L1-1...L1-N1
- Induktivität
- L2-1...L2-N2
- Induktivität
