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1. Einleitung
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1.1. Grundlagen WLAN und WLAN-Antennen
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Unter
dem Begriff Wireless-LAN (WLAN) Adapter versteht man ein informationstechnisches
Modul, mit dessen Hilfe man einen Computer mittels Funkwellen drahtlos
mit einem anderen Computer oder einem Computernetzwerk (i.d.R. über einen
sogenannten Access-Point) verbinden und über diese Verbindung Daten
auszutauschen kann. Ein solcher Adapter enthält Sende- und Empfangselektronik, eine
geeignete Antenne bzw. ein Antennenelement sowie entsprechende Elektronik,
die die aufbereiteten Daten an einem genormten Anschluss für die Verbindung
zum Computer bereitstellt.
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Die
Richtlinien der Übertragung
(Übertragungsverfahren,
Geschwindigkeit, Trägerfrequenz etc.)
sind in der Normenfamilie IEEE 802.11 des „Institute of Electrical and
Electronics Engineers" festgelegt.
Innerhalb dieser Normenfamilie existieren verschiedene im Lauf der
Jahre weiterentwickelte Unternormen, die jeweils ein bestimmtes
Trägerfrequenzband
und eine bestimmte maximale Datentransferrate bezeichnen. Der momentan
weltweit am weitesten verbreitete Standard ist der 2003 verabschiedete
IEEE 802.11g, der eine Datentransferrate von max. 54 MBit/s und
ein Träger-Frequenzband von
2,400 bis 2,485 GHz festlegt. Im Jahr 2006 wurde der neue Standard
IEEE 802.11n verabschiedet, der Datenübertragungsraten bis max. 600
Mbit/s gewährleisten
soll.
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Jeder
WLAN-Adapter besitzt eine Antenne. Die WLAN-Antenne dient zum Senden
und Empfangen der elektromagnetischen Wellen, in die zu übertragende
Daten umgewandelt werden. Unterschiedliche WLAN-Antennen besitzen
unterschiedlich gute Sende- und Empfangseigenschaften. Zum Vergleich benutzt
man den Begriff des Antennengewinns, der angibt, wie viel Leistung
eine Antenne in ihrer Hauptrichtung bezogen auf eine Vergleichsantenne
sendet oder empfängt.
Die Einheit für
den Antennengewinn ist das Dezibel (dB) – dieser wird durch viele verschiedene
Faktoren wie z.B. den Öffnungs-
bzw. Abstrahlwinkel, Länge
und Fläche
der Antenne sowie Länge
und Beschaffenheit des Antennenkabels beeinflusst.
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Es
ist bereits bekannt, dass gängige WLAN-Adapter
eine limitierte Reichweite haben, da die integrierten Antennen nur
moderate Sende- und Empfangsleistung besitzen. Weiterhin wird die
Reichweite durch die gesetzliche Begrenzung der Sendeleistung auf
100 mW (+20dBm) EIRP (Effective Isotropic Radiated Power – Abstrahlleistung
gemessen an der Antenne) limitiert. Eine Erhöhung der Sendeleistung würde die
Reichweite theoretisch steigern, verstößt aber gegen geltendes Recht.
Weiterhin ist diese Maßnahme
bei ungünstigen
topologischen Verhältnissen
wenig sinnig, da auch bei erhöhter Sendeleistung
weiterhin Eigenschaften und Standort der Antenne maßgeblich
sind. Daher kann eine Verbesserung der Reichweite in vielen Fällen nur
durch ideale Platzierung der Antenne und/oder die Verbesserung der
Antennenparameter realisiert werden.
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Eine
Möglichkeit,
stabile WLAN-Verbindungen über
größere Entfernungen
zu realisieren, besteht im Einsatz von Richtantennen. Richtantennen erreichen
den Antennengewinn und die damit besseren Sende- und Empfangseigenschaften
im Wesentlichen durch eine Bündelung
der Strahlung in Wirkrichtung (wie bei einem Scheinwerfer). Der
Antennengewinn entsteht somit aus einer Reduzierung der Leistung
in anderen Richtungen – die
Gesamtleistung bleibt dabei unverändert.
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Lange
Antennenkabel zwischen Antenne und WLAN-Empfangs-/Sendeeinheit führen wiederum
zu Verlusten – man
spricht von Dämpfung.
Je länger
das Kabel ist, desto größer ist
die resultierende Dämpfung.
Diesem Problem lässt
sich durch den Einsatz einer aktiven Richtantenne begegnen. Hier
befindet sich die Sende- und Empfangselektronik sowie entsprechende
Elektronik, die die aufbereiteten Daten an einem genormten Anschluss
für die
Verbindung zum Computer bereitstellt, in unmittelbarer Nähe bzw.
direkt am Antennenelement. Durch eine sehr kurze Innenverkabelung
mit vernachlässigbaren Verlisten
entfällt
die durch lange Antennenkabel und dazugehörige Steckverbindungen entstehende Dämpfung.
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Das
gesamte WLAN-Antennenmodul besitzt daher nur ein Daten- und kein
Antennenkabel und kann damit direkt an eine passende Schnittstelle
des Computers angeschlossen werden. Bei Verwendung eines USB-Anschlusses
(der fast ausschließlich
verwendeten Schnittstelle für
aktive WLAN-Antennen) kann die Kabellänge problemlos 5 Meter und
mehr betragen. Mit entsprechenden Verstärkerelementen können Kabellängen bis
zu 45 Meter realisiert werden.
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Richtantennen
müssen
jedoch relativ genau platziert und in Richtung der Gegenstation
ausgerichtet werden. Nur dann kann eine optimale Verbindung gewährleistet
werden.
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1.2. WLAN-Praxis: Beschränkungen
und Probleme des mobilen Einsatzes
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Bei
zunehmender Mobilität
nutzen mehr und mehr Menschen mobile Computer (Laptops/Notebooks/Palmtops
etc.) und möchten
dabei uneingeschränkt
Zugang zum Internet und damit verbundenen Diensten haben. Geräte mit eingebautem WLAN-Adapter
ermöglichen
dies, in vielen Situationen kann jedoch keine sichere oder nur eine
sehr langsame Verbindung hergestellt werden, da die eingebauten
Antenneneinheiten aus Platzgründen
in Ihrer Größe und damit
auch in Ihrer Leistungsfähigkeit beschränkt sind.
Zusätzlich
sind WLAN-Knoten oft ungünstig
platziert und in Ihrem direkten Umfeld – z.B. in einem Café – nicht
an jeder Stelle gleich gut zu empfangen
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In
solchen Fällen
können
aktive WLAN-Richtantennensysteme auch unter widrigen Umständen (große Entfernung
zum nächsten
Einwahlknoten, Hindernisse zwischen Laptop und Einwahlknoten etc.)
eine sichere und schnelle Verbindung gewährleisten. Hierbei ist es aber
essentiell, dass die Antenne schnell, sicher und weitestgehend stabil
befestigt sowie einfach und ohne großen Aufwand ausgerichtet werden
kann. Zudem muss das verwendete Gerät kompakte Abmessungen und möglichst
geringes Gewicht besitzen.
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2. Marktlage Aktive WLAN USB-Richtantennen
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Bei
annährend
allen aktiven Richtantennen auf dem Markt sind Justierung und Ausrichtung
aufwendig und oft nur mit Werkzeug durchzuführen. Durch den hohen Antennengewinn
ist die Abstrahlleistung an der Antenne (EIRP) zudem meist höher als
der in Deutschland zugelassene Grenzwert von 100 mW (20dBm).
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Die
Schrift
DE 20 2007000346.3 beschreibt eine
Aktive USB WLAN-Richtantenne in einem Modulgehäuse, die eine Befestigungs-
und Ausrichtungseinheit bestehend aus einem flexiblen Schwanenhals
und Saugnapf-Fuß besitzt.
Mit dieser Einheit kann die Antenne schnell befestigt und leicht
justiert werden. Durch die Möglichkeit,
die Sendeleistung elektronisch zu drosseln, ist der Betrieb in Deutschland
zulässig.
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Ein
mobiler Einsatz ist bei diesem Gerät möglich, wegen den Abmessungen
und dem größeren Gewicht
der Einheit jedoch eingeschränkt
und hauptsächlich
dem Einsatz in KFZs oder in Gebäuden
vorbehalten. Ein Mitführen
des Gerätes
z.B. in einer Laptop-Tasche ist kaum möglich.
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Das
Ziel ist daher, eine aktive USB WLAN-Richtantenne mit sehr kompakten
Abmessungen zu konstruieren, die für den mobilen Einsatz insbesondere
an Notebooks optimiert ist. Dennoch sollte sie sich leicht ausrichten
lassen und ähnlich
leistungsstark wie das in Schrift
DE 20 2007000346.3 beschriebene
Gerät sein.
Die Sendeleistung sollte ebenfalls regulierbar sein, um die Ausgangsleistung an
die gesetzlichen Grenzwerte im jeweiligen Land anzupassen.
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3. Beschreibung „Aktive Mini-WLAN-Richtantenne mit
Schwanenhals-USB-Stecker"
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Die
vorgestellte Erfindung kombiniert einen USB WLAN-Adapter aktuellen
Standards – z.B.
nach IEEE 802.11g – mit
einem speziell gefertigten Richtantennenelement in einem kompakten
Gehäuse,
an dem ein flexibler Schwanenhals mit endständigem USB-Stecker befestigt
ist. Diese Gesamtheit wird im folgenden, u.A. in den Schutzansprüchen, auch
als Modul bezeichnet.
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Viele
handelsübliche
aktive USB WLAN-Richtantennen sind nur begrenzt für den mobilen
Einsatz geeignet. Dies liegt einerseits an der Notwendigkeit, eine
Richtantenne auf die Gegenstation mehr oder minder genau auszurichten.
Die Mehrzahl der verfügbaren
Geräte
besitzt recht aufwendige und nur mit Werkzeug zu handhabende Montage- und
Ausrichtungseinheiten, in jedem Fall sind diese aber verhältnismäßig groß und schwer.
Weiterhin sind die verwendeten Gehäuse der Aktivantennen oft sperrig,
zudem sind die Geräte
durch lange USB-Anschlusskabel unpraktisch in der Handhabung Diese Probleme
werden dadurch gelöst,
dass durch Schutzanspruch 1 Datenverbindung, Montage- und Ausrichtungseinheit
in einer Struktur zusammengefasst sind. Das kompakte und flexible
Schwanenhalselement mit USB-Stecker dient zuerst einmal zur Fixierung
der Erfindung am PC/Notebook. Durch Schutzanspruch 3 wird hierbei
sichergestellt, dass der Schwanenhals bei verbundenem USB-Stecker stabil
und tragfähig
genug ist, das Gehäuse
mit der eigentlichen Richtantenne in Position zu halten. Schliesslich
ermöglicht
Schutzanspruch 2 auch die für
eine mobile Richtantenne essentielle Ausrichtung auf die Gegenstation,
die schnell und ohne Werkzeug durch Biegen des Schwanenhalselementes
in die gewünschte
Position erzielt werden kann.
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Aktive
USB WLAN-Richtantennen verletzen durch den hohen Gewinn des eingesetzten
Antennenelements oft die geltenden Vorschriften in Bezug auf die
maximal zulässige
Abstrahlleistung an der Antenne (EIRP). Beim mobilen Einsatz – insbesondere über die
Landesgrenzen hinaus – stellt
sich zusätzlich
das Problem unterschiedlicher Grenzwerte in unterschiedlichen Ländern.
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Durch
Einsatz der in Schutzanspruch 4 bezeichneten Elektronik lässt sich
diese Problem lösen. Durch
eine elektronische Drosselung der Sendeleistung auf einen vom Benutzer
per Software einstellbaren Wert kann die Abstrahlleistung in den
zugelassenen Bereich gebracht werden. Dabei wird selbst bei Drosselung
der Sendeleistung durch die verbesserten Abstrahleigenschaften des
in Schutzanspruch 5 bis 12 näher
bezeichneten Richtantennenelements die Verbindungs-Reichweite bzw. Übertragungsgeschwindigkeit
des Gerätes
im Vergleich zu handelsüblichen WLAN-Adaptern deutlich erhöht. In Ländern mit
höheren
Grenzwerten als Deutschland können durch
das einfache Hochfahren der Sendeleistung nochmals größere Verbindungs-Reichweiten
bzw. höhere Übertragungsgeschwindigkeiten
realisiert werden, was für
den flexiblen Einsatz in verschiedenen Lindern essentiell ist.
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Alternativ
kann eine nicht regelbare Elektronik mit festem Sendeleistungswert
eingesetzt werden, die sich für
den Einsatz in Ländern
mit entsprechenden Grenzwerten eignet.
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Das
in Schutzanspruch 5 bis 12 näher
bezeichnete Richtantennenelement bündelt die Strahlen mit einem
Reflektorblech ähnlich
einem Scheinwerfer horizontal und vertikal in Wirkrichtung. Dadurch
lässt sich
bei korrekter Ausrichtung eine Verbindung auch über große Entfernungen realisieren bzw.
die Qualität
der Verbindung deutlich erhöhen, woraus
eine erhöhte
Datentransferrate resultiert. Essentiell ist dabei, dass wie in
Schutzanspruch 5 beschrieben die Gesamtlänge des Drahtes, aus dem das
eigentliche Antennenelement gefertigt ist, der verwendeten Wellenlänge λ oder einem
ganzzahligen Vielfachen davon entspricht. Das Antennenelement kann
z.B. in der Form von eines Quadrates (Quad), einem Ring (Loop) oder
einer anderen in Bezug auf die Abstrahlcharakteristika günstigen
Form eingesetzt werden.
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Beim
Einsatz von aktiven USB WLAN-Richtantennen ist der genaue Abstand
zwischen Antennenelement und Reflektorblech entscheidend für die gewünschten
guten Sende- und Empfangseigenschaften. Durch den in Schutzanspruch
6 erwähnten Abstand
werden ideale Abstrahlparameter realisiert. Dieser Abstand muss
exakt eingestellt werden und auch konstant blieben, daher müssen Antennenelement
und Reflektorblech dauerhaft und sicher fixiert werden. Nach Möglichkeit
sollte aber auf Abstandshalter verzichtet werden, da diese das Gewicht
der Erfindung erhöhen,
was für
den mobilen Einsatz hinderlich ist. Durch die in Schutzanspruch
7 beschriebene Fixierung wird auf zusätzliche Bauteile verzichtet,
dennoch ist eine sichere Befestigung und dadurch ein konstanter
Abstand zwischen Antennenelement und Reflektor gewährleistet.
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Die
kompakte Bausweise der Erfindung ist essentiell für den mobilen
Einsatz. Daher muss die Innenarchitektur des Moduls für optimale
Leistung auf kleinstem Raum ausgelegt sein. Durch Schutzanspruch
8 kann der verwendete WLAN-Sender/Empfänger exakt in das Modulgehäuse unterhalb
des Reflektorbleches eingepasst und zusätzlich fixiert sowie die notwendige
Innenverkabelungen (Verbindung von Antennenelement und Elektronik)
vorgenommen werden.
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Zusätzlich wird
dabei durch Schutzanspruch 9 sichergestellt, dass eventuell entstehende
Abwärme
der Elektronik gleichmässig
an das Reflektorblech abgegeben wird, welches somit gleichzeitig
als Kühlkörper fungiert.
Dies verhindert eine Überhitzung der
Elektronik und gewährleistet
einwandfreie Funktion auch bei hohen Umgebungstemperaturen.
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Bei
der Konstruktion von HF-Antennen stellen jegliche Antennenkabel
ein Problem dar, da durch die auftretende Dämpfung des Kabels der Antennengewinn
wieder reduziert wird. Dennoch darf die Innenverkabelung nicht zu
kurz sein, da das Kabel sonst möglicherweise
stark geknickt innerhalb des Gehäuses
verläuft.
Diese Belastungen des Kabels können
dessen Lebensdauer verringern. Durch die in Schutzanspruch 10 beschriebene
Kabelkonfiguration werden nur geringe Verluste erreicht, gleichzeitig wird
die in Schutzanspruch 11 beschriebene schonende Kabelführung ermöglicht.
Die Verbindung von HF-Antennenkabel und Antennenelement muss dabei
für einwandfreie
Funktion der Richtantenne wie in Schutzanspruch 12 beschrieben erfolgen.
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Um
die beschriebene Aktiv-Richtantenne in größeren Stückzahlen herstellen zu können, ist
es von großer
Bedeutung, möglichst
alle Teile industriell fertigen zu können und das Modul in wenigen
Arbeitsschritten aus wenigen Einzelteilen zu konstruieren. Daher
ist es sinnvoll, das flexible Schwanenhalselement durch die in Schutzanspruch
14 erwähnte Einheit
zu realisieren. Diese handelsübliche USB-Verlängerung
mit Schwanenhals besitzt bei der in Schutzanspruch 15 beschriebenen
Länge gute Flexibilität und ist
dennoch in der Lage, das Modulgehäuse mit der eigentlichen Richtantenne
zu tragen. Durch die in Schutzanspruch 13 beschriebene Positionierung
des USB-Anschlusses des eingebauten WLAN-Senders/Empfängers kann das Schwanenhalselement
mit einem Handgriff am Modulgehäuse befestigt
werden. Dies ist auch für
die Fertigung großer
Stückzahlen
wichtig. Die in Schutzanspruch 16 beschriebene Fixierung gewährleistet
zusätzlich
eine dauerhafte und stabile Verbindung. Diese Lötverbindung kann wahlweise
auch unterbleiben, was es ermöglicht,
Modulgehäuse
und Schwanenhalselement voneinander zu trennen und z.B. in einer
Laptop-Tasche noch leichter und ggf. getrennt zu verstauen.
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Das
in Schutzanspruch 17 beschriebene kompakte Gehäuse nimmt die Elektronik sowie
die Antenneneinheit mit ihren Bestandteilen auf und wird nach Abschluss
der Montage mit Klebstoff verschlossen, was zusätzliche Stabilität gewährleistet.
Die Verwendung eines Gehäuses
aus 2 Halbschalen erlaubt einen einfachen und übersichtlichen Fertigungsprozess.
Das gewählte
Gehäusematerial
(Plastik) dämpft
die Abstrahlleistung praktisch nicht und ist gleichzeitig leicht
und stabil.
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Neu
an der vorgestellten Erfindung ist zusammenfassend die Kombination
eines handelsüblichen,
in der Sendeleistung regelbaren USB WLAN-Adapters – z.B. nach
IEEE 802.11g – mit
einem speziell gefertigten Richtantennenelement in einem kompakten
Gehäuse
mit sehr geringem Gewicht und Abmessungen – an diesem befestigt ist dabei
ein flexibles Schwanenhalselement mit USB-Stecker, dass gleichzeitig
sowohl zur Verbindung der Aktiv-Richtantenne
mit dem PC als auch zur Fixierung und Ausrichtung des Modulgehäuses dient.
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4. Erläuterungen
zu den Zeichnungen
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Einsatz
und Konzeption der beschriebenen Erfindung sind in den unter Punkt 6 aufgeführten 1-9 dargestellt.
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Es
zeigen:
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1:
Das Modul, bestehend aus Gehäuse (1)
und dem daran mittels der USB-Buchse (3) befestigten flexiblen
Schwanenhalselement (2) mit endständigem USB-Stecker (4).
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Die
Erfindung ist perspektivisch von der Seite dargestellt, das Schwanenhalselement
ist hier in ganzer Länge
und gebogen gezeigt.
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2:
Das Modul, bestehend aus Gehäuse (1)
und dem daran mittels der USB-Buchse (3) befestigten flexiblen
Schwanenhalselement (2). H1 und B1 entsprechen Höhe und Breite
des Gehäuses
und können
z.B. 63 mm und 21 mm betragen.
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Die
Erfindung ist mit Blick auf die kurze Seite des Gehäuses (1)
dargestellt.
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3:
Das Modul, bestehend aus Gehäuse (1)
und dem daran mittels der USB-Buchse (3) befestigten flexiblen
Schwanenhalselement (2). L1 und H1 entsprechen Länge und
Höhe des
Gehäuses
und können
z.B. 60 mm und 63 mm betragen.
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Die
Erfindung ist mit Blick auf die lange Seite des Gehäuses (1)
dargestellt.
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4:
Das Reflektorblech (5) mit der Aussparung (10)
für den
USB-Anschluss des WLAN-Senders/Empfängers sowie der Aussparung (11)
für das
HF-Antennenkabel. L2 und B2 entsprechen Länge und Breite des Reflektorbleches
und können
z.B. 55 mm und 54 mm betragen. L3 und B3 entsprechen Länge und
Breite der Aussparung für den
USB-Anschluss und
können
z.B. 5 mm und 13 mm betragen. L4 und B4 entsprechen Länge und Breite
der Aussparung für
das HF-Antennenkabel und können
z.B. 4 mm und 35 mm betragen. Das Reflektorblech ist von oben dargestellt.
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5:
Das Antennenelement (12) in Quad-Bauweise. L1 und H1 entsprechen
dem Längs- und Querdurchmesser
des Antennenelements und können
z.B. 45 mm und 45 mm betragen. Das Antennenelement ist von oben
betrachtet dargestellt.
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6:
die Verbindung von HF-Antennenkabel (6) und Antennenelement
(12) im Detail. Die Abschirmung (7) des Kabels
ist mit dem einen Ende des Antennenelements (12a), der
Innenleiter (9) des Kabels mit dem anderen Ende des Antennenelements (12b)
verlötet.
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Die
Verbindungsstelle ist von oben betrachtet dargestellt.
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7:
das verwendete HF-Antennenkabel (6) im Detail. Zu sehen
ist die Abschirmung (7) des Kabels, der Innenleiter (9)
sowie die Ummantlung des Innenleiters (8). L5 ist die Länge des
verwendeten Kabels, die z.B. 60 mm betragen kann.
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Das
Kabel ist von oben betrachtet dargestellt.
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8:
das Reflektorblech (5) mit darunter befestigtem, hier schraffiert
dargestelltem WLAN-Sender/Empfänger
mit USB-Anschluss (13) in eingebautem Zustand im geöffneten
Gehäuse
(1). Der WLAN-Sender/Empfänger mit USB-Anschluss (13)
ist auf der Unterseite des Reflektorbleches (5) montiert.
Der USB-Stecker (14) am linken Ende des WLAN-Senders/Empfängers mit
USB-Anschluss (13) liegt in der dafür vorgesehenen Aussparung (10) im
Reflektorblech (5).
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Auf
den USB-Stecker (14) wird später die USB-Buchse (3)
des flexiblen Schwanenhals-Elements
(2) aufgesteckt und durch eine Lötverbindung fixiert.
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Am
rechten Ende des WLAN-Senders/Empfängers mit USB-Anschluss (13)
ist das HF-Antennenkabel
(6) befestigt; zu sehen ist auch die Aussparung (11)
im Reflektorblech, durch die das HF-Antennenkabel (6) bei
geschlossenem Gehäuse
auf die Oberseite des Reflektorbleches (5) zum hier nicht dargestellten
Antennenelement geführt
wird.
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Die
Elemente sind von oben betrachtet dargestellt.
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9:
das Reflektorblech mit darunter befestigtem WLAN-Sender/Empfänger mit
USB-Anschluss (13)
in eingebautem Zustand im geöffneten Gehäuse (1).
Das Reflektorblech (5) liegt der Abschirmung (15)
des WLAN-Senders/Empfängers
mit USB-Anschluss (13) direkt auf.
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Die
Elemente sind von der Seite dargestellt.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Flexibles
Schwanenhals-Element
- 3
- USB-Buchse
(des flexiblen Schwanenhals-Elements)
- 4
- USB-Stecker
(des flexiblen Schwanenhals-Elements)
- 5
- Reflektorblech
- 6
- HF-Antennenkabel
- 7
- Abschirmung
(des HF-Antennenkabels)
- 8
- Ummantlung
des Innenleiters (des HF-Antennenkabels)
- 9
- Innenleiter
(des HF-Antennenkabels)
- 10
- Aussparung
(im Reflektorblech)
- 11
- Aussparung
(im Reflektorblech)
- 12
- Antennenelement
- 13
- WLAN-Sender/Empfänger mit
USB-Anschluss
- 14
- USB-Stecker
(des WLAN-Senders/Empfängers
mit USB-Anschluss)
- 15
- Abschirmung
(des WLAN-Senders/Empfängers
mit USB-Anschluss)