HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine flache, verkürzte
Streifenleitungsantenne für große Bandbreiten, die an einer Seite
verkürzt ist und an einem mobilen Objekt in einem
Mobilkommunikationssystem angebracht und mit verbesserten
Strahlneigungs- und Impedanzanpassungscharakteristika versehen werden
kann.
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Eine verkürzte Streifenleitungsantenne (shorted
microwave strip antenna = SMSA) ist eine um die Hälfte
verkleinerte Version einer normalen Steckantenne und hat einen
kleinen, leichtgewichtigen und flachen Aufbau. Wegen dieser
Vorteile ist eine SMSA als Antenne geeignet, die an einem
mobilen Objekt in einem Mobilkommunikationssystem angebracht
wird. Im allgemeinen weist eine SMSA auf: eine
Erdungsleitungsbahn, an der ein Speiseanschluß angebracht ist, eine
Strahlungsleitungsbahn, die der Erdungsleitungsbahn mit einer
Zwischenschicht aus Luft oder einem ähnlichen Dielektrikum
gegenüberliegt, und eine Verbindungsleitungsbahn, die am
verkürzten Ende dieser beiden Leitungsbahnen senkrecht zu deren
Oberflächen angeordnet ist, um sie miteinander zu verbinden.
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Bei der vorstehend beschriebenen Art von SMSA wird eine
X- und eine Y-Achse in einer allgemeinen Ebene der
Strahlungs- und der Erdungsleitungsbahn (wobei die Y-Achse entlang
der allgemeinen Ebene der Verbindungsleitungsbahn verläuft)
sowie eine Z-Achse in der allgemeinen Ebene der
Verbindungsleitungsbahn angenommen, die senkrecht zur X- und Y-Achse
steht. In der SMSA kommt es dann zur Emission infolge einer
Wellenquelle, die sich in der Nähe einer bestimmten Seite der
Strahlungsleitungsbahn entwickelt, die parallel zur Y-Achse
liegt und nicht verkürzt ist. Ist die Größe der
Erdungsleitungsbahn unendlich, so ist die SMSA in der X-Z-Ebene unter
der Bedingung ungerichtet, daß Z größer als Null ist; ist sie
endlich, erfährt die SMSA eine maximale Richtwirkung in der
Nähe der Z-Achse. Ist die Strahlungsleitungsbahn z. B. im
wesentlichen in der Mitte der Erdungsleitungsbahn angeordnet,
so ist die Richtwirkung derart, daß die Richtung des
Emissionsmaximums gegenüber der Z-Richtung geneigt ist, was zu
einer geringeren Verstärkung in Z-Richtung führt. Dies liegt
darin begründet, daß sich die Wellenquelle der SMSA nicht in
der Mitte der Erdungsleitungsbahn befindet. Ein bekannter Weg
zum Beseitigen solcher Strahlneigungen besteht darin, die
Erdungsleitungsbahn im wesentlichen doppelt so lang wie die
Strahlungsleitungsbahn in X-Richtung auszulegen. Dadurch wird
jedoch verhindert, daß sich die Größe der SMSA, verglichen
mit einer normalen Streifenleitungsantenne (microstrip
antenna = MSA), merklich verringert. Häufig ergeben sich daher
Schwierigkeiten, eine SMSA in einem mobilen Objekt, z. B.
einem Kraftfahrzeug, einzubauen.
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Außerdem kann bei einer SMSA mit relativ kleiner
Verbindungsleitungsbahn Strom in den Mantel eines Kabels fließen,
das am Speiseanschluß angeschaltet ist. Dadurch würde die
Impedanzanpassungscharakteristik der Antenne instabil und die
Richtwirkung gestört.
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In einer französischen Patentschrift, die am 5. April
1985 unter der Nummer 2,552,938 veröffentlicht wurde, wird
die Anordnung einer Streifenleitungsantenne mit einem
Dielektrikum beschrieben, das eine rechteckige metallisierte
Zwischenschicht von einer rechteckigen Grundplatte und einer
rechteckigen metallisierten Oberschicht trennt. Die Seele
eines Koaxialkabels verläuft durch die dielektrischen Schichten
bis zur metallisierten Oberschicht, und
Kurzschlußverbindungen sind zwischen Flächen der Zwischenschicht und der
benachbarten metallisierten Schichten jeweils an unterschiedlichen
Relativpositionen von deren Kanten vorgesehen, was zusammen
mit der Nichtausrichtung aller Kanten der Schichten eine
Anpassung der Elemente ermöglicht.
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Die US-A-4,123,758, veröffentlicht am 31. Oktober 1978,
beschreibt eine Kreisscheibenantenne mit einer parallel zur
kreisförmigen Grundplatte liegenden, kreisförmigen
Leiterscheibe,
einer Speiseplatte, mit der die Seele eines
Koaxialkabels verbunden ist, wobei die Kabelseele eine Erdungsplatte
durchläuft, die sich zwischen entsprechenden Punkten auf dem
Umfang der Leiterscheibe und der Grundplatte erstreckt und
wobei die Speiseplatte an einem gegenüberliegenden Punkt auf
dem Umfang' der Leiterscheibe oder der Grundplatte befestigt
ist.
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Ein Merkmal einer zu beschreibenden Ausführungsform
besteht darin, daß eine SMSA geschaffen wird, deren Größe
gering und deren Richtwirkung stabil ist.
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Andere Merkmale einer zu beschreibenden Ausführungsform
bestehen darin, daß sie verbesserte Strahlneigungs- und
Impedanzanpassungscharakteristika hat.
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In einer zu beschreibenden besonderen Ausführungsform
hat eine Streifenleitungsantenne, die an einer Seite verkürzt
ist, eine allgemein rechteckige Strahlungsleitungsbahn zum
Zuführen von abzustrahlender Leistung, eine erste
Erdungsleitungsbahn, die der Strahlungsleitungsbahn parallel
gegenüberliegt, eine allgemein rechteckige zweite Erdungsleitungsbahn,
die an einer Seite und senkrecht zur ersten
Erdungsleitungsbahn liegt und mit der Strahlungsleitungsbahn verbunden ist,
und eine dritte Erdungsleitungsbahn, die der zweiten
Erdungsleitungsbahn parallel gegenüberliegt und an einer Seite der
ersten Erdungsleitungsbahn und senkrecht zu dieser vorgesehen
ist, die der einen Seite gegenüberliegt.
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Nachstehend werden nunmehr bekannte Anordnungen zusammen
mit beispielhaft dargestellten Ausführungsformen der
Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen
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Fig. 1A und 1B eine Draufsicht bzw. Seitenansicht einer
bekannten normalen MSA;
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Fig. 1C ein Diagramm zum Erläutern der Richtwirkung der
MSA gemäß Fig. 1A und 1B;
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Fig. 2A und 2B eine schematische Draufsicht bzw.
Seitenansicht einer bekannten SMSA;
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Fig. 2C ein ähnliches Diagramm wie Fig. 1C zum
Darstellen der Richtwirkung der SMSA von Fig. 2A und 2B;
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Fig. 3A eine Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen
SMSA;
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Fig. 3B eine Seitenansicht der SMSA von Fig. 3A;
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Fig. 4 eine Perspektivansicht einer anderen
Ausführungsform der Erfindung;
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Fig. 5 ein Smith-Diagramm zum Vergleich der
Ausführungsform von Fig. 3A und 3B mit der von Fig. 4 im Hinblick auf
die tatsächlich gemessenen Werte der Impedanzcharakteristik;
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Fig. 6A und 6B eine Perspektivansicht bzw. Seitenansicht
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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Fig. 7 eine graphische Darstellung zum Vergleich der
Ausführungsform von Fig. 4 mit der von Fig. 6A und 6B im
Hinblick auf eine Reflexionsdämpfungscharakteristik;
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Fig. 8 eine Perspektivansicht einer Abwandlung der
Ausführungsform von Fig. 6A und 6B; und
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Fig. 9 ein Diagramm zum Darstellen der Richtwirkung der
SMSA von Fig. 8 zusammen mit der der bekannten SMSA für
Vergleichszwecke.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachstehend
kurz auf eine in Fig. 1A, 1B und 2 gezeigte, bekannte MSA und
bekannte SMSA Bezug genommen.
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Gemäß Fig. 1A und 1B weist eine bekannte MSA 10 auf:
eine Erdungsleitungsbahn 12, an der ein Speiseanschluß 14
angebracht ist, und eine Strahlungsleitungsbahn 16, die der Bahn
12 mit einer Zwischenschicht aus Luft oder einem ähnlichen
Dielektrikum 18 gegenüberliegt. Die Bezugszahl 20 bezeichnet
einen Speisestift. Wird angenommen, daß die Länge der
Leitungsbahn 16 entlang einer X-Achse L&sub1; beträgt, wird sie als
L&sub1; = Λo/2 εγ ausgedrückt, worin λo die Freiraumwellenlänge bei
einer verwendeten Frequenz und εγ die spezifische
Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums 18 ist. Für die
Leitungsbahn 12 wird eine Länge L&sub2; in x-Richtung angenommen. Bei
dieser Art von MSA 10 kommt es zur Emission durch eine
Strahlungsquelle, die sich in der Nähe der beiden Seiten der
Leitungsplatte 16 ergibt, die parallel zu einer Y-Achse
verlaufen.
Schließlich ist die Emission so, daß sich die Richtung
des Emissionsmaximums entlang einer Z-Achse ergibt.
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Fig. 2A und 2B zeigen eine bekannte SMSA 30, bestehend
aus einer Erdungsleitungsbahn 32, die den Speiseanschluß 14
trägt, einer Strahlungsleitungsbahn 34, die der Bahn 32 mit
der Zwischenschicht aus Luft oder einem ähnlichen nicht
leitendem Werkstoff 36 gegenüberliegt, und einer
Verbindungsleitungsbahn 38, die am verkürzten Ende der Bahnen 32 und 34
senkrecht zu diesen angeordnet ist, um sie miteinander zu
verbinden. Wird angenommen, daß die Länge der Leitungsbahn 34
in X-Richtung L&sub3; beträgt, so läßt sie sich als L&sub3; = λo/4 εγ
ausdrücken, worin λo die Freiraumwellenlänge bei einer
verwendeten Frequenz und εγ die spezifische
Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums 36 ist. Für die Leitungsbahn 32 wird
eine Länge L&sub4; in X-Richtung angenommen. Es dürfte ersichtlich
sein, daß die Länge der SMSA 30 im Hinblick auf die Länge der
Strahlungsleitungsbahn halb so groß wie die der MSA 10 ist,
wodurch die gesamte Antenne sehr geringe Abmessungen haben
kann. Eine solche Antenne kann auf die gewünschte Weise für
ein mobiles Objekt eines Mobilkommunikationssystems
eingesetzt werden.
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Bei der SMSA 30 kommt es zur Emission infolge einer
Strahlungsquelle, die sich in der Nähe jener Seite der
Strahlungsleitungsbahn 34 entwickelt, die parallel zur Y-Achse
verläuft und nicht verkürzt ist. Ist die Größe der
Erdungsleitungsbahn 32 unendlich, so ist die SMSA 30 in der X-Z-
Ebene unter der Bedingung ungerichtet, daß Z größer als Null
ist; ist sie endlich, erfährt die SMSA 30 eine maximale
Richtwirkung in der Nähe der Z-Achse. Wird die
Strahlungsleitungsbahn 34 z. B. im wesentlichen in der Mitte der
Erdungsleitungsbahn 32 angeordnet, so ist die Richtwirkung derart,
daß gemäß Fig. 2C die Richtung des Emissionsmaximums
gegenüber der Z-Richtung geneigt ist, was zu einer geringeren
Verstärkung in Z-Richtung führt. Dies liegt darin begründet, daß
sich die Wellenquelle der SMSA 30 nicht in der Mitte der
Erdungsleitungsbahn 32 befindet. Ein bekannter Weg zum
Beseitigen solcher Strahlneigungen besteht darin, die
Erdungsleitungsbahn
32 von Fig. 2A und 2B im wesentlichen doppelt so
lang wie die Strahlungsleitungsbahn 34 in x-Richtung
auszulegen, d. h., L&sub4; 2·L&sub3;.
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Wie bereits erwähnt wurde, besteht das Problem bei der
bekannten SMSA 30 darin, daß die Strahlungsleitungsbahn 34
einschließlich der Erdungsleitungsbahn nicht wesentlich
kleiner als die der MSA 10 von Fig. 1A und 1B ist, obwohl die
Größe um die Hälfte verringert wurde. Dadurch ist es häufig
schwierig, die Antenne in ein Kraftfahrzeug und andere mobile
Objekte einzubauen.
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In Fig. 3A und 3B wird eine allgemein durch die
Bezugszahl 40 bezeichnete, erfindungsgemäße SMSA gezeigt. Gemäß der
Darstellung weist die SMSA 40 auf: eine erste
Erdungsleitungsbahn 42, eine zweite und eine dritte Erdungsleitungsbahn
44 und 46, die an der Leitungsbahn 42 senkrecht zu dieser
angebracht sind, eine Strahlungsleitungsbahn 48, die mit der
Leitungsbahn 44 verbunden ist, einen Speisestift 50 und einen
Speiseanschluß 51. Die zweite Erdungsleitungsbahn 44 erfüllt
gleichzeitig die Funktion einer Verbindungsleitungsbahn, die
die erste Erdungsleitungsbahn 42 und die
Strahlungsleitungsbahn 48 miteinander verbindet. Die SMSA 40 hat ihre maximale
Richtwirkung in Z-Richtung, wenn die Abmessungen der zweiten
und dritten Erdungsleitungsbahn 44 und 46 angemessen
ausgewählt werden. Die SMSA 40, die die zweite und dritte
Erdungsleitungsbahn verwendet, ist größer als die bekannte SMSA 30
im Hinblick auf die Fläche der gesamten Erdungsleitungsbahn.
Dadurch kann nur ein minimaler Strom in den Mantel eines am
Speiseanschluß 51 angeschlossenen Speisekabels fließen, was
den Einfluß des Speisekabels auf die Impedanz und
Richtwirkung im wesentlichen beseitigt.
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Wie vorstehend beschrieben wurde, ergibt sich gemäß
dieser besonderen Ausführungsform eine Miniaturantenne mit
minimaler Strahlneigung in Z-Richtung aufgrund einer zweiten und
dritten Erdungsleitungsbahn, die an beiden Enden einer ersten
Erdungsleitungsbahn und senkrecht zu dieser angeordnet sind,
die einer Strahlungsleitungsbahn gegenüberliegt.
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Ferner verringert die Antenne dieser Ausführungsform im
Vergleich zu einer bekannten SMSA den Strom, der in den
Mantel eines Speisekabels fließt, wodurch die
Impedanzcharakteristik und die Richtwirkung vom Speisekabel kaum beeinflußbar
sind und somit ein stabiler Betrieb gewährleistet wird.
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Gemäß Fig. 4 hat demgegenüber eine SMSA 40a, die mit
einem Passivelement 52 versehen ist, eine größere Bandbreite
als die SMSA 40 von Fig. 3A und 3B, der dieses Element fehlt.
Insbesondere erhält die SMSA 40a eine um ein Mehrfaches
größere Bandbreite als die SMSA 40, indem die Abmessungen des
Passivelements 52, der Abstand zwischen dem Passivelement 52
und der Strahlungsleitungsbahn 48 sowie der Abstand zwischen
dem Passivelement 52 und der Erdungsleitungsbahn 42
angemessen ausgewählt werden.
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In Fig. 5 werden die SMSA 40a mit dem Passivelement 52
in der Nähe der Strahlungsleitungsbahn 48 gemäß Fig. 4 und
die SMSA 40 ohne Passivelement gemäß Fig. 3A und 3B im
Hinblick auf tatsächlich gemessene Impedanzwerte verglichen.
Gemäß Fig. 5 stellt eine Kurve A die Impedanzcharakteristik der
SMSA 40a und eine Kurve B die der SMSA 40 dar. Die Kurven A
und B ergaben sich durch Einstellen einer Mittenfrequenz f&sub0;
von 900 MHz. Wird ferner angenommen, daß die Längen der SMSA
40a gemäß Fig. 4 L&sub5; bis L&sub1;&sub3; betragen, so betragen L&sub5; = 92 mm,
L&sub6; = 16 mm, L&sub7; = 50 mm, L&sub8; = 105 mm, L&sub9; = 85 mm, L&sub1;&sub0; = 76 mm,
L&sub1;&sub1; = 67 mm, L&sub1;&sub2; = 28 mm und L&sub1;&sub3; = 8 mm.
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Wie vorstehend beschrieben wurde, erreicht eine SMSA mit
einem Passivelement eine vergleichsweise konstante
Impedanzcharakteristik aufgrund der Wirkung des Passivelements. Die
Impedanz einer solchen SMSA enthält jedoch einen Anteil, der
aus einer Reaktanz abgeleitet ist und nicht, wie gewünscht,
an ein 50-Ohm-System angepaßt werden kann. Ein weiterer
Nachteil dieser Antenne besteht darin, daß die
Anpassungssituation auch dann nicht verbessert werden kann, wenn die
Speisungsposition verändert wird.
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Fig. 6A und 6B zeigen eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, die eine verbesserte
Impedanzanpassungscharakteristik hat. In Fig. 6A und 6B sind gleiche oder ähnliche
Bauelemente
wie in Fig. 4 mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Darstellungsgemäß weist die SMSA 60 einen leitfähigen Stumpf
62 zusätzlich zur Erdungsleitungsbahn 42, die
Strahlungsleitungsbahn 48, das Passivelement 52, den Verbindungsleiter 44
und den Speisestift 50 auf. Die SMSA 60 kann als Antenne mit
großer Bandbreite dienen, die sich gut an ein 50-Ohm-System
anpaßt, wenn lediglich die Abmessungen und die Position des
leitfähigen Stumpfes 62 angemessen ausgewählt werden.
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Fig. 7 zeigt eine Reflexionsdämpfungscharakteristik der
SMSA 60 von Fig. 6A und 6B, dargestellt als durchgehende
Kurve, und die der SMSA 40a von Fig. 4 mit einem
Passivelement, dargestellt als gestrichelte Kurve. Die durchgehende
und die gestrichelte Kurve wurden mit der gleichen
Mittenfrequenz und den gleichen Abmessungen gewonnen, die vorstehend
beschrieben wurden. Darstellungsgemäß erreicht die SMSA 40a
kaum eine Leistungsreflexion unter -14 dB
(Spannungs-Stehwellenverhältnis = 1,5). Im Gegensatz dazu behält die SMSA 60
dieser Ausführungsform eine Leistungsreflexion unter -14 dB
über eine sehr große Bandbreite, d. h. 16%, bei. Somit
verwirklicht die Ausführungsform von Fig. 6A und 6B eine Antenne
mit guter Anpassung an ein 50-Ohm-System. Da insbesondere der
leitfähige Stumpf 62 als impedanzkompensierendes Element
dient, das eine konstante Reaktanzcharakteristik über eine
große Bandbreite aufweist, kann der aus der Reaktanz
abgeleitete Impedanzanteil ohne Störung der konstanten
Impedanzcharakteristik kompensiert werden, die durch das Passivelement
52 gewährleistet wird.
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Zu beachten ist, daß der leitfähige Stumpf 62 zwar in
einer rechteckigen Parallelepipedform dargestellt ist, er
jedoch jede andere Form erhalten kann, z. B. eine Zylinderform,
ohne die Charakteristik zu beeinträchtigen.
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Wie vorstehend beschrieben wurde, sieht diese besondere
Ausführungsform eine SMSA mit einem Passivelement vor, das
mit einem leitfähigen Stumpf auf einer Erdungsleitungsbahn
versehen ist, die einer Strahlungsleitungsbahn
gegenüberliegt, so daß ihre Anpassung an eine Speiseleitung einer SMSA
mit einem konstante Impedanz aufweisenden Passivelement
verbessert
wird. Daher dient die SMSA als Antenne mit großer
Bandbreite und physisch flachem Aufbau.
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Fig. 8 zeigt eine allgemein mit 60a bezeichnete
abgewandelte Ausführungsform der SMSA 60 von Fig. 6A und 60B mit
einer zusätzlichen Leitungsbahn 64, die an der
Strahlungsleitungsbahn 48 senkrecht zu dieser angebracht ist und eine
Länge L&sub4; hat. Die Bahn 64 hat die Funktion, die
Resonanzfrequenz zu senken.
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Fig. 9 zeigt ein Diagramm zum Vergleich der
abgewandelten SMSA 60a von Fig. 8 mit der bekannten SMSA 30 von Fig. 2A
und 2B im Hinblick auf tatsächlich gemessene
Richtwirkungswerte der X-Z-Ebene. In Fig. 9 stellt eine durchgehende Linie
die abgewandelte SMSA 60a der Erfindung und eine gestrichelte
Linie die bekannte SMSA 30 dar. Während die zur bekannten
SMSA 30 gehörenden Daten unter den Bedingungen εγ = 1, L&sub3; =
75 mm und L&sub4; = 200 mm gemessen wurden, erfolgte insbesondere
die Messung der zur SMSA 60a der Erfindung gehörenden Daten
unter den Bedingungen εγ = 1 und L&sub1;&sub4; = 7 mm. Die anderen
Abmessungen wie L&sub5; und L&sub1;&sub3; waren die gleichen wie bei der SMSA
40a von Fig. 4.
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Aus der vorstehenden Beschreibung dürfte ersichtlich
sein, daß die SMSA 60a gemäß dieser Abwandlung eine
verbesserte Strahlneigungscharakteristik in Z-Richtung erreicht.
Dies führt zu einer um 1,0 bis 1,5 dB verbesserten
Verstärkung in Z-Richtung.
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Dem Fachmann dürften anhand der Lehre dieser Offenbarung
verschiedene Ausführungsformen möglich sein, ohne von deren
Schutzumfang abzuweichen.
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Aus den vorstehenden Erläuterungen dürfte hervorgehen,
daß eine Streifenleitungsantenne beschrieben wurde, die
aufweist: eine allgemein rechteckige Strahlungsleitungsbahn, von
der Leistung abgestrahlt werden soll, eine erste
Erdungsleitungsbahn, die der Strahlungsleitungsbahn gegenüberliegt und
parallel zu dieser ist, eine allgemein rechteckige zweite
Erdungsleitungsbahn, die senkrecht zu und verbunden mit der
ersten Erdungsleitungsbahn und der Strahlungsleitungsbahn ist,
wobei die zweite Erdungsleitungsbahn mit und entlang den
Längen
der entsprechenden und zugehörigen Kanten der
Strahlungsleitungsbahn und der ersten Erdungsleitungsbahn verbunden
ist, und eine dritte Erdungsleitungsbahn, die der zweiten
Erdungsleitungsbahn parallel gegenübersteht, senkrecht zur
ersten Erdungsleitungsbahn ist und sich von einer zweiten Kante
der ersten - Erdungsleitungsbahn gegenüber von deren
erstgenannter Kante zur Ebene der Strahlungsleitungsbahn erstreckt.