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Die Erfindung betrifft einen Ringleitungsstrahler unter einer schalenförmigen Antennenschutzhaube (ESD-Schutzhaube) aus dielektrischem Kunststoff für den Empfang zirkular polarisierter Satellitenfunksignale.
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Der Empfang von Satellitenfunksignalen geschieht im Beispiel des SDARS-Satellitenrundfunks bei einer Frequenz von circa 2,33 GHz mit der Freiraum-Wellenlänge λ = 12,8 cm in zwei benachbarten Frequenzbändern jeweils mit einer Bandbreite von 4 MHz mit einem Abstand der Mittenfrequenzen von 8 MHz. Die Signale werden von unterschiedlichen Satelliten mit einer in einer Richtung zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle abgestrahlt. Ähnliche Satelliten-Rundfunksysteme befinden sich zurzeit in der Planung. Demzufolge werden zum Empfang zirkular polarisierte Antennen in der entsprechenden Drehrichtung verwendet. Die Satelliten des Global Positioning System (GPS) strahlen bei der Frequenz von etwa 1575 MHz ebenfalls in einer Richtung zirkular polarisierte Wellen aus, so dass die genannten Antennenformen grundsätzlich u. a. auch für diesen Dienst gestaltet werden können.
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Für den mobilen Empfang von zirkular polarisierten Satellitensignalen der Satelliten-Rundfunkdienste SDARS bzw. XM oder z. B. dem Navigationssystem GPS – auf Fahrzeugen werden solche Antennen bevorzugt auf dem Fahrzeugdach eingesetzt. Häufig dient dabei das metallische Fahrzeugdach als erweiterte elektrisch leitende Grundfläche für derartige Antennen. Ebenfalls ist es vorgesehen, eine Antenne für den Empfang zirkular polarisierter Satellitenfunksignale unter einer schalenförmige Antennenschutzhaube aus dielektrischem Kunststoff unterzubringen. Hierbei ist die Schalen-Öffnungsseite mit einer mit der Antennenschutzhaube mechanisch verbundenen elektrisch leitenden Grundplatte abgedeckt, welche auf der Außenhaut eines Kraftfahrzeugs im Wesentlichen horizontal orientiert positioniert ist.
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Die Randlinie der Öffnung der schalenförmigen Antennenschutzhaube 1a sowie die leitende Grundfläche 6 verläuft in einer Ebene, welche für die folgende Beschreibung in horizontaler Lage als Bezugsebene definiert wird. Die Antennenschutzhaube 1a wird somit für den Aufbau oberhalb dieser Bezugsebene vorgesehen.
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Die Satellitenantenne umfasst wenigstens einen, durch eine im Abstand h < λ/10 parallel zur leitenden Grundplatte 6 verlaufend angeordnete geschlossene Ringleitung gebildeten Ringleitungsstrahler 1 mit am Umfang des Ringleitungsstrahlers 1 mit am Umfang des Ringleitungsstrahlers 1 verteilt angeschlossenen und zur leitenden Grundplatte 6 hin verlaufenden, linearen im Wesentlichen vertikalen Strahlern 4, 4a–d. Hierbei ist mindestens einer der linearen Strahler an seinem unteren Ende über eine Kapazität 15 mit der elektrisch leitenden Grundplatte 6 und ein anderer im Wesentlichen vertikaler Strahler über eine Kapazität 15d mit dem Antennenanschluss 5 verbunden.
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Eine derartiger Ringleitungsstrahler ist bekannt aus der
DE 10 2009 040 910 und in
1 als Stand der Technik dargestellt. Der dargestellte Ringleitungsstrahler ist aus Blech geschnitten und anschließend durch Biegung in die dargestellte Form gebracht. Die Anordnung einer derartigen Antenne unter einer schalenförmigen Antennenschutzhaube
1a aus Plastikmaterial ist bekannt aus der
DE 10 2013 005 001 . Die schalenförmige Antennenschutzhaube dient sowohl als Schutz der Antenne vor Feuchtigkeit als auch vor elektrostatischer Entladung (ESD-Schutz). Die dort beschriebene Satellitenantenne ist ringförmig gestaltet und auf der Bodenplatte, welche die Öffnung der Antennenschutzhaube
1a abschließt, befestigt. Eine ähnliche Art der Befestigung auf der Bodenplatte ist bei der Verwendung von Patchantennen als zirkular polarisierte Satellitenantennen üblich.
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Ausschlaggebend für die Akzeptanz der Technologie einer Antenne für Fahrzeuge ist neben der Funktionalität der Antenne vor allem der wirtschaftliche Aufwand, der sowohl mit der Herstellung der Antenne als auch deren Implementierung auf dem Fahrzeug verbunden ist.
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Aufgrund der sehr eng tolerierten Strahlungs-Richtdiagramme von Satellitenantennen sind die Toleranzen zur Herstellung solcher Antennen extrem klein. Ebenso ist bei zirkular polarisierten Antennen, welche nach einem anderen Wirkungsprinzip arbeiten, wie zum Beispiel-Patchantennen, die Einhaltung nicht nur der mechanischen Abmessungen sondern auch der dielektrischen Eigenschaften des Antennenkörpers ein Problem. Bei dem vorliegenden Ringleitungsstrahler 1 ist insbesondere die Einhaltung der mechanischen Maße von besonderer Bedeutung.
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Problematisch ist auch die Aufbewahrung des aus Blech geschnittenen und anschließend gebogenen Ringleitungsstrahlers 1 als Massengut bei der Serienherstellung. Eine die Form bewahrende Lagerung der Blechstruktur ist extrem aufwändig und eine schädliche Verformung der Struktur durch das Handling aufgrund der extrem engen Toleranzen ist nur sehr schwer zu vermeiden.
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Naturgemäß führen diese Forderungen an die Genauigkeit zu erhöhten Herstellungskosten der Antennen.
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Mit der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Aufgabe verbunden, eine Antenne für den Empfang zirkular polarisierter Satellitenfunksignale unter einer schalenförmigen Antennenschutzhaube aus dielektrischem Kunststoff zu gestalten, welche bei kleinerem wirtschaftlichen Aufwand eine einfachere Implementierung auf dem Fahrzeug bei hoher Funktionssicherheit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bei einer Antenne nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs durch die kennzeichnenden Merkmale gelöst.
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Die Merkmale lauten:
- – die Antennenschutzhaube 1a besteht aus einer im Inneren teilweise hohle Schale aus dielektrischem Kunststoff, welche mit ihrer Schalen-Öffnungsseite mechanisch mit der elektrisch leitenden Grundplatte verbunden ist
- – die Antennenstruktur 2 ist vor der Herstellung der mechanischen Verbindung zwischen der elektrisch leitenden Grundfläche 6 und der Antennenschutzhaube 1a in die Antennenschutzhaube 1a formschlüssig eingebracht
- – die Einbringung der Antennenstruktur 2 in die Antennenschutzhaube 1a ist in der Weise formgenau, dass bei Herstellung der mechanischen Verbindung zwischen der elektrisch leitenden Grundfläche 6 und der Antennenschutzhaube 1a der Abstand 11 zur Bildung der jeweils geforderten Kapazität zwischen den kapazitiven Flächenelektroden 5a–5d und der elektrisch leitenden Grundfläche 6 genau eingehalten ist.
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Der erfinderische Gedanke besteht unter anderen insbesondere darin, die leicht verformbare Antennenstruktur 2 aus Blech formgenau und insbesondere zeitlich stabil in die in ihrem Inneren entsprechend geformte Antennenschutzhaube 1a einzubringen. Der besondere Vorteil der Erfindung ist dadurch gegeben, dass die Maßhaltigkeit durch die in Kunststoff gepresste Form der Antennenschutzhaube 1a leicht einzuhalten ist. Moderne Kunststoffe sind in ihren Eigenschaften auch unter extremen Witterungsbedingungen langzeitig stabil. Der notwendige feste Formschluss zwischen der Antennenschutzhaube 1a und der leitenden Grundfläche 6 ist nach dem gegebenen Stand der Technik stets herstellbar. Die für die Funktion des Ringleitungsstrahlers 1 notwendige Maßhaltigkeit kann somit durch den entsprechend geformten Kunststoffkörper im Inneren der Antennenschutzhaube 1a hergestellt werden, an welchen sich die Antennenstruktur 2 klemmend anschmiegt. Zur Halterung der Antennenstruktur 2 kann darüber hinaus eine Rasternase 26 im Kunststoff der Antennenschutzhaube 1a vorgesehen sein.
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Bei einem Ringleitungsstrahler 1 nach dem Stand der Technik in 1 ist die Einhaltung der Kapazitätswerte durch die Elektroden 5a, 5b, 5c, 5d im Hinblick auf die Antennenimpedanz und das Strahlungsdiagramm von großer Bedeutung. Die hierfür notwendige Sicherstellung des richtigen Abstands 11 (siehe 3) der kapazitiven Flächenelektroden 7a–7d von der leitenden Grundfläche 6 bzw. von der den Antennenanschluss 10 bildenden Gegenelektrode ist durch die Maßhaltigkeit der Antennenschutzhaube 1a auf einfache Weise gegeben. Hierbei ergibt sich der besondere Vorteil der Erfindung in der Weise, dass neben der genauen Einhaltung des für die Kapazität 5a–5d zwischen den kapazitiven Flächenelektroden 7a–7d und der elektrisch leitenden Grundfläche 6 notwendigen Abstands 11 auch der Anschluss der Antennenstruktur 2 an den Antennenanschluss 10 kapazitiv, d. h. ohne Lötverbindung hergestellt ist, wenn die Antennenschutzhaube 1a mit der leitenden Grundfläche 6 mechanisch verbunden wird. Insbesondere für die Massenherstellung bewirkt diese kapazitive Realisierung der Verbindung der Antennenstruktur 2 mit der weiterführenden Schaltung auf der Grundfläche 6 – welche in der Regel durch eine Leiterplatte realisiert ist – einen wesentlichen Kostenvorteil.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung beschrieben.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Antennenstruktur 2 über ein Schienensystem aus Führungsrillen 9 in die Antennenschutzhaube 1a eingeschoben. Bei Biegung der strahlenförmigen Blechstreifen 4a–4d nach unten um den Biegewinkel der vertikalen Strahler 15 von etwa 90° gegenüber der Ebene der Ringstruktur 3 entsteht naturgemäß ein Überstand 12, welcher etwa der Stärke des Blechs entspricht. Zur Führung der vertikalen Strahler 4a–4b können hierfür in der Antennenschutzhaube 1a auf dem Kunststoffkörper der Antennenschutzhaube 1a mehrere vertikaler Innenflächen gestaltet sein, welche geradlinige vertikale und in genauer Parallelität zueinander verlaufende Führungsrillen 9 aufweisen, sodass über die Höhe der Antennenstruktur 2 ein Schienensystem bis hin zum Öffnungsrand 11 der Antennenschutzhaube 1a gebildet ist, wobei die Führungsrillen 9 in ihren Positionen an die Abmessungen der Ringstruktur (3) und in ihrer Breite an die Breite der die vertikalen Strahler 4a–4d bildenden Blechstreifen angepasst sind, durch welche die vertikalen Strahler 4a–4d beim Einschieben der Antennenstruktur 2 formgenau geführt sind.
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Die Kapazitäten 5a, 5b, 5c, 5d sind jeweils durch eine kapazitive Flächenelektroden 7a–7d und einer hierzu jeweils parallelen flächigen Gegenelektrode in der Ebene der Grundplatte 6 gegenüberliegend gebildet. Der Kapazitätswert der Kapazitäten 5a, 5b, 5c, 5d ist jeweils durch den Abstand 11 mitbestimmt.
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Bei einem Ringleitungsstrahler 1 nach dem Stand der Technik in 1 ist die Einhaltung der Kapazitätswerte 5a, 5b, 5c, 5d durch die kapazitive Flächenelektroden 7a–7d im Hinblick auf die Antennenimpedanz und das Strahlungsdiagramm der Satellitenantenne von großer Bedeutung. Die hierfür notwendige Sicherstellung des richtigen Abstands 11 (siehe 3) der kapazitive Flächenelektroden 7a–7d von der leitenden Grundfläche 6 bzw. von der den Antennenanschluss 10 bildenden Gegenelektrode ist durch die Maßhaltigkeit der Antennenschutzhaube 1a auf einfache Weise gegeben. Zur kapazitiven Verbindung eines vertikalen Strahlers 4d an seinem unteren Ende mit dem Antennenanschluss 10 in der Ebene der Grundplatte 6 ist eine von dieser elektrisch isolierte flächige Gegenelektrode gebildet.
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Zur Sicherstellung der fehlerfreien Entformung beim Pressen der schalenförmigen Haube sollen alle im Inneren der schalenförmigen Antennenschutzhaube 1 liegenden Flächenteile sowie alle auf der Außenfläche der schalenförmigen Antennenschutzhaube 1 liegenden Flächenteile zu der horizontalen Bezugsebene einen Winkel von nicht mehr als 89,5° als Entformungsschräge einnehmen.
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Es ist offenbart, dass der aus der Vorfertigung hergestellte Biegewinkel der vertikalen Strahler 15 zur Erzeugung einer Vorspannung gegenüber der Ebene der Ringstruktur 3 bis auf wenige Winkelgrade kleiner eingestellt ist als 90°, also zum Beispiel 87°. Durch Einschieben der Antennenstruktur 2 in das durch die Führungsrillen 9 gebildete Schienensystem im Inneren der Antennenschutzhaube 1a sind die vertikalen Strahler in die gewünschte Winkelposition von 90° gegenüber der Ebene der Ringstruktur 3 gedrückt.
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Weiterhin ist offenbart, dass der aus der Vorfertigung hergestellte Elektrodenwinkel 14 zur Erzeugung einer Vorspannung gegenüber der elektrisch leitenden Grundfläche 6 bis auf wenige Winkelgrade kleiner eingestellt ist als 90°, ebenfalls also zum Beispiel 87°. Zur Justierung des Elektrodenwinkels 14 auf 90° ist hierfür im Inneren der Antennenschutzhaube 1a ein Justierungsstempel 16 mit zwei Anschlägen geformt, von denen der obere Anschlag 17 die Ringstruktur 3 nieder hält und der untere Anschlag 18 die kapazitive Flächenelektrode 7a–7d in der Weise nieder drückt, dass deren Parallelität zur elektrisch leitenden Grundfläche 6 eingestellt ist. Zusätzlich ist über den Abstand zwischen dem unteren Anschlag 17 des Justierungsstempels 16 und dessen auf der leitenden Grundfläche 6 aufsitzendem Ende der geforderte Abstand 11 genau eingehalten.
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Hiermit ist auf besonders wirtschaftliche Weise sichergestellt, dass die Antennenstruktur 2 nach dem Einschieben in die Antennenschutzhaube 1a die richtige Form und damit die zu erwartenden elektrischen Daten langzeitig hält. Moderne Kunststoffe verfügen über einen extrem geringen Wärmedehnungskoeffizient von zum Beispiel 65·10–6 1/°C. Auf dieser Basis ist die geforderte Konstanz der Kapazitäten 5a–5d hinreichend gegeben.
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Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Die zugehörigen Figuren zeigen im Einzelnen:
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Fig. 1:
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Ringleitungsstrahler 1 nach dem Stand der Technik bestehend aus der aus Blech geschnittenen und durch Biegung geformte Antennenstruktur 2 über der elektrisch leitenden Grundfläche 6
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Fig. 2:
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Vorschlag zur formdefinierten Fixierung der Antennenstruktur 2 in der Antennenschutzhaube 1a durch umgebende Führungsrillen 9 und im Inneren der Antennenschutzhaube 1a geformte Justierungsstempel 16. Ein scharfer Stanzgrat auf der Blech-Unter/Innen-seite erleichtert das Einschieben der als Blech-„Beine” ausgeführten vertikalen Strahler 4a–4d in die Führung. Der aus der Vorfertigung hergestellte Elektrodenwinkel 14 ist im Beispiel auf etwa 87° und der Biegewinkel der vertikalen Strahler 15 gegenüber der Ebene der Ringstruktur 3 ebenfalls auf etwa 87° eingestellt. Diese beiden Winkel werden durch Einführen der Antennenstruktur 2 in die Antennenschutzhaube 1a mithilfe der in 2 dargestellten Methode der Justierung auf den endgültigen Winkel von 90° gebracht.
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Fig. 3.
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Fixierung der Antennenstruktur 2 in der Antennenschutzhaube 1a nach der Erfindung durch Führung der leicht überstehenden vertikalen Strahler 4a–4d in den vertikal verlaufenden Führungsrillen 9 sowie Fixierung der kapazitiven Flächenelektroden 7 durch deren Niederhalten mithilfe eines Justierungsstempels 16. Der Justierungsstempel 16 als Teil der inneren Form der aus Kunststoff gepressten Antennenschutzhaube 1a ist mit zwei Anschlägen 17, 18 versehen, von denen der obere Anschlag 17 die Ringstruktur 3 nieder hält und der untere Anschlag 18 die kapazitive Flächenelektrode 7 in der Weise nieder drückt, dass deren Parallelität zur elektrisch leitenden Grundfläche 6 eingestellt ist. Über den Abstand zwischen dem unteren Anschlag 17 des Justierungsstempels 16 und dessen auf der leitenden Grundfläche 6 aufsitzendem Ende ist der geforderte Abstand 11 genau eingehalten Diese Wirkung wird durch die Länge des Justierungsstempels 16 an seinem unteren Ende durch Aufpressen auf die elektrisch leitende Grundfläche 6 erreicht. Durch die unter 2 beschriebene Voreinstellung des Biegewinkels der vertikalen Strahler 15 sowie des Elektrodenwinkels 14 auf 87° ist die Antennenstruktur 2 aufgrund der Blech-Elastizität mechanisch vorgespannt und in ihrer Form nach Einschieben in die Antennenschutzhaube 1a langzeitig vollkommen stabil.
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Fig. 4.
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Darstellung einer Antennenanordnung 0 nach der Erfindung auf einem Fahrzeugdach in Seitenansicht als Schnitt in der Ebene der Fahrtrichtung. Die Antennenschutzhaube 1a (ESD-Haube) ist über einer Leiterplatte als elektrisch leitende Grundfläche 6 (nicht dargestellt) aufgebracht. Das Beispiel zeigt eine Ausführung der Justierungsstempel 16 mit seinen Anschlägen 17 und 18 und die Form der Führung der Antennenstruktur 2 im Inneren der Antennenschutzhaube 1a durch die beiden seitlich gekennzeichneten Führungsrillen 9. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verbleibt im Zentrum des Inneren der Antennenschutzhaube 1a Raum für vertikale Antennen 19, welche zum Beispiel vorzugsweise in Leiterplatten-Technologie gestaltet sein können.
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Fig. 5.
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Darstellung einer Antennenanordnung 0 nach der Erfindung auf einem Fahrzeugdach in Draufsicht auf einen horizontalen Schnitt. Beispielhafte Ausführung der Gestaltung des Inneren der Antennen Schutzhaube 1a mit einem Justierungsstempel 16 zum nieder halten der Ringstruktur 3 und für die Fixierung von deren Höhe 20 sowie der Justierung der kapazitiven Flächenelektroden 7a–7d. Auch diese Darstellung zeigt, wie oben beschrieben, dass im Zentrum des Inneren der Antennenschutzhaube 1a Raum für vertikale Antennen 19 besteht.
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Fig. 6.
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zeigt die die Antennen-Leiterplatte 23 als Träger der elektrischen Leiterstrukturen und der Bauelemente einer terrestrischen Antenne. Sie ist in einer vertikalen Ebene in Fahrtrichtung angeordnet. Leiterstrukturen für eine terrestrische Telefonantenne 24 können zum Beispiel auf diese Weise elektromagnetisch von der Satellitenantenne elektromagnetisch entkoppelt aufgedruckt werden. Zur Bildung einer terrestrischen Breitband-Kommunikationsantenne 22 – z. B. für LTE – sind auf beiden Seiten der Leiterplatte fächerartige Leiterstreifen angebracht sind, welche in einer Ebene quer zur Fahrtrichtung V-förmig ausgewinkelt sind.
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Fig. 7
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Schnitt in einer Seitenansicht in einer vertikalen Ebene quer zur Fahrtrichtung. Die fächerartigen Leiterstreifen der terrestrischen Breitband-Kommunikationsantenne 22 sind an die Antennen-Leiterplatte 24 angeschlossen, durch welche auch die terrestrische Telefonantenne 24 gebildet ist.
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Weiterhin ist zur Bildung einer terrestrischen Antenne für niedrigere Frequenzen in der Fortsetzung der vertikalen Zentrallinie des Ringleitungsstrahler 1 oberhalb der Antennenschutzhaube 1a eine stabförmige terrestrische Antenne 21 (zum Beispiel für AM/FM/DAB etc) angebracht ist, welche mit der Antennenschutzhaube 1a mechanisch und mit der Antennen-Leiterplatte 23 elektrisch verbunden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 0
- Antennenanordnung
- 1
- Ringleitungsstrahler
- 1a
- Antennenschutzhaube
- 2
- Antennenstruktur
- 3
- Ringstruktur
- 4a–4d
- strahlenförmigen Blechstreifen
- 4a–d
- vertikaler Strahler
- 5a–5d
- Kapazität
- 6
- elektrisch leitende Grundfläche
- 7a–7d
- kapazitive Flächenelektroden
- 8
- vertikaler Strahler
- 9
- vertikal verlaufende Führungsrillen
- 10
- Antennenanschluss
- 11
- Öffnungsrand
- 12
- Überstand
- 13
- scharfer Stanzgrat
- 14
- Elektrodenwinkel
- 15
- Biegewinkel der vertikalen Strahler
- 16
- Justierungsstempel
- 17
- oberer Anschlag
- 18
- unter Anschlag
- 19
- Raum für vertikale Antennen
- 20
- Höhe
- 21
- stabförmige terrestrische Antenne
- 22
- terrestrische Breitband-Kommunikationsantenne
- 23
- Antennen-Leiterplatte
- 24
- terrestrische Telefonantenne
- 25
- Satellitenantennen-Anschluss
- 26
- Rasternase
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009040910 [0006]
- DE 102013005001 [0006]
