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Die
Erfindung betrifft eine interne Planarantenne, die insbesondere
in mobilen Endgeräten
anwendbar ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Funkvorrichtung,
die eine interne Planarantenne einsetzt.
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In
transportablen Funkvorrichtungen, insbesondere mobilen Endgeräten, ist
die Antenne vorzugsweise zum erhöhten
Anwendungskomfort innerhalb des Gehäuses der Vorrichtung angeordnet.
Es gibt bestimmte grundsätzliche
elektrische Anforderungen für
eine Antenne. Ihre Impedanzabstimmung bei der Betriebsfrequenz muss
so gut sein, dass hinsichtlich der Abstimmung die Effizienz von
Funkübertragung
und -empfang auf einem akzeptablen Niveau ist. Die Abstimmung muss
für das
gesamte Frequenzband des Funksystems gelten, d. h. die Antennenbandbreite
muss dem betroffenen Band entsprechen. Widerstands- und dielektrische
Verluste in der Antennenstruktur sollen natürlich klein sein. Geringere
Verluste bedeuten eine höhere
Antennenverstärkung
und effizientere Strahlung. Die Funkvorrichtung kann gestaltet sein,
um in einer Mehrzahl von Funksystemen zu funktionieren, so dass
ihre Antenne auch mehr als ein Band haben muss. Es ist vorteilhaft für den Betrieb
einer transportablen Funkvorrichtung, wenn sie gute Antennenübertragungs-
und -empfangscharakteristika in alle Richtungen hat, obwohl dies
nicht erforderlich ist. Andererseits wird es als unerwünscht erachtet,
dass Strahlung zu dem Anwenderkopf gerichtet ist, was der Antenne
einer Vorrichtung, die an das Anwenderohr gehalten wird, eine Zusatzanforderung
auferlegt.
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Eine
Antenne mit befriedigenden Charakteristika, die in eine kleine Vorrichtung
passt, ist in der Praxis am einfachsten als eine planare Struktur
implementiert: Die Antenne enthält
eine Strahlungsebene und eine Erdungsebene parallel dazu. Die 1 zeigt ein Beispiel einer
solchen bekannten Planarantenne. Sie enthält eine Schaltungsplatte 101 mit
einer leitenden Schicht auf der oberen Oberfläche davon, welche leitende
Schicht als eine Erdungsebene GND der Antenne dient. Abgehoben von
der Erdungsebene ist eine Strahlungsebene 110, die mit
einem Versorgungsleiter 121 und einem Kurzschlussleiter 122 verbunden
ist, der die Strahlungsebene mit der Erdungsebene verbindet. Die
Antenne ist somit eine planare invertierte F-Antenne (PIFA). Die 1 zeigt auch einen Teil
eines dielektrischen Rahmens 170, der die Strahlungsebene
abstützt.
Die Strahlungsebene enthält
einen Schlitz 115, der am Rand davon beginnt und die Strahlungsebene
in zwei Zweige unterschiedlicher Längen teilt, wie es von dem
Kurzschlusspunkt aus zu sehen ist. Somit hat die PIFA zwei getrennte
grundsätzliche
Resonanzfrequenzen und entsprechende Betriebsbänder. Bei dem Beispiel von 1 sind der Versorgungsleiter 121 und
der Kurzschlussleiter 122 vom Federkontakttyp und bilden
ein einziges einheitliches Teil mit der Strahlungsebene 110.
Jeder Leiter hat ein Teil parallel zu der Strahlungsebene, welches
als eine Feder fungiert, und ein Teil, das davon zu der Erdungsebene
hin verläuft.
Am unteren Ende gibt es ferner ein Teil parallel zu der Erdungsebene,
enthaltend den Kontakt selbst. Wenn die Strahlungsebene installiert
ist, drückt
eine Federkraft die Kontakte gegen die obere Oberfläche der
Schaltungsplatte 101, den Kontakt des Kurzschlussleiters
gegen die Erdungsebene und den Kontakt des Versorgungsleiters gegen
eine Kontaktoberfläche 105.
Diese ist wiederum an eine Antennenanschlussbuchse angeschlossen.
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Die 2 zeigt ein anderes Beispiel
einer bekannten Planarantenne. Es unterscheidet sich von dem Beispiel
von 1 nur hinsichtlich
der Versorgungs- und Kurzschlussanordnungen. Der Kurzschlussleiter
ist in diesem Fall ein gerader zylindrischer Leiter, der an die
Strahlungsebene 210 und Erdungsebene GND mittels zum Beispiel
Löten angeschlossen
ist. Er kann auch ein einziges Stück mit der Strahlungsebene
bilden. Der Versorgungsleiter 221 ist ebenfalls ein gerader
zylindrischer Leiter, der durch einen Durchgang 206 in
der Schaltungsplatte 201 an die Antennenanschlussbuchse
angeschlossen ist.
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Die
Antennenstrukturen, die oben beschrieben sind, können hinsichtlich der Antennenverstärkung z.
B. durch Ersetzen von Kupfer in den Planaroberflächen durch ein anderes Oberflächenmaterial verbessert
werden, das eine noch bessere Leitfähigkeit hat. Ein Nachteil ist
dann, dass die spezifische Absorptionrate (SAR), d. h. die Energiekonvertierung in
wärme in
dem Medium pro Einheitsmasse und Zeit, auch zunimmt. Im Hinblick
auf Mobiltelefone bedeutet dies, dass mehr Energie von dem Telefon
in dem Anwenderkopf absorbiert wird.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP
0 924 797 A1 beschreibt eine Steckantenne mit einem Übergang
zur Coaxialversorgung, verbessert für Mehrfrequenzzwecke durch
eine Erdungskopplung.
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Ein
Ziel der Erfindung ist es, den oben angegebenen Nachteil, der mit
dem Stand der Technik verbunden ist, zu vermindern. Eine Planarantenne gemäß der Erfindung
ist durch das gekennzeichnet, was in dem unabhängigen Anspruch 1 angegeben ist.
Eine Funkvorrichtung gemäß der Erfindung
ist durch das gekennzeichnet, was in dem unabhängigen Anspruch 14 angegeben
ist. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Grundidee der Erfindung ist folgendermaßen: eine PIFA-Typ-Antenne ist mit einer
Coaxialversorgung versehen. Dies bedeutet, dass für den Abstand
zwischen der Strahlungsebene und der Erdungsebene der Versorgungsleiter
der Strahlungsebene von einem Abschirmleiter umgeben ist, der galvanisch
mit der Erdungsebene verbunden ist. Der Abschirmleiter fungiert
gleichzeitig als ein Kurzschlussleiter der Antenne. Die Antenne
ist mittels eines Abstimmschlitzes zwischen den Verbindungspunkten
der Versorgungs- und Kurzschlussleiter und/oder einer geeigneten
Formgebung des Kurzschlussleiters abgestimmt.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist, dass eine ihr entsprechende Versorgungsanordnung
eine Antennenverstärkung
erhöht,
ohne den SAR-Wert der Antenne zu erhöhen. Somit wird, während die
Fernfeldstärke
zunimmt, die Nahfeldstärke
der Antenne jedoch nicht zunehmen. Wenn die Übertragungsleistung der Antenne
um einen Betrag entsprechend der Verstärkungszunahme verringert wird,
wird ein Fernfeldniveau gleich jenem des Standes der Technik, aber
mit einem geringeren SAR-Wert, erzielt. Ein weiterer Vorteil der
Erfindung ist, dass eine ihr gemäße Struktur
relativ einfach und billig herzustellen ist.
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Die
Erfindung ist unten im Detail beschrieben. Es wird auf die begleitenden
Zeichnungen Bezug genommen, in welchen
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1 ein Beispiel einer Planarantenne
gemäß dem Stand
der Technik zeigt,
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2 ein zweites Beispiel einer
Planarantenne gemäß dem Stand
der Technik zeigt,
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3 das Prinzip einer Versorgungsanordnung
gemäß der Erfindung
darstellt,
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4 ein Beispiel einer Planarantenne
gemäß der Erfindung
zeigt,
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5 ein zweites Beispiel einer
Planarantenne gemäß der Erfindung
zeigt,
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6 ein drittes Beispiel einer
Planarantenne gemäß der Erfindung
zeigt,
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7 ein viertes Beispiel einer
Planarantenne gemäß der Erfindung
zeigt,
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8 ein fünftes Beispiel einer Planarantenne
gemäß der Erfindung
zeigt,
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9 ein Beispiel einer Funkvorrichtung zeigt,
die eine Antenne gemäß der Erfindung
hat.
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Die 1 und 2 wurden bereits in Verbindung mit der
Beschreibung des Standes der Technik erörtert.
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Die 3 zeigt eine exemplarische
Struktur, die das Prinzip einer Vorsorgungsanordnung gemäß der Erfindung
darstellt. In der 3 sind
Teile einer Strahlungsebene 310 einer Planarantenne und
einer Platte 301 mit der Erdungsebene GND an der oberen Oberfläche zu sehen.
Zwischen diesen Ebenen gibt es einen zylindrischen Mantel- oder
Hüllenleiter 322, dessen
Achse senkrecht zu den Ebenen ist. Die torusförmige untere Endoberfläche des
Mantelleiters liegt gegen die Erdungsebene an. Die obere Endoberfläche erstreckt
sich zu der Höhe
der oberen Oberfläche
der Strahlungsebene 310. Entsprechend gibt es in der Strahlungsebene
eine kreisartige Öffnung,
deren Durchmesser gleich jenem des Mantelleiters 322 ist,
wodurch die Strahlungsebene um das obere Ende der zylindrischen
Oberfläche
des Mantelleiters herumgedrückt
ist. Der Mantelleiter verbindet somit die Erdungsebene galvanisch
mit der Strahlungsebene, was als ein Kurzschlussleiter für die Antenne
dient. Innerhalb des Mantelleiters 322 gibt es einen zylindrischen
Versorgungsleiter 321 der Antenne. Das untere Ende davon,
das nicht gezeigt ist, verläuft
unter der Platte 301 durch einen Durchgang in der Platte,
welcher Durchgang gegenüber
der Erdung isoliert ist. Das obere Ende des Versorgungsleiters verläuft zumindest
nahezu bis auf die Höhe
der oberen Oberfläche
der Strahlungsebene 310. Dort ist somit eine koaxiale Versorgungsleitung 320 gebildet.
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Zur
Antennenabstimmung muss ein bestimmter Abstand zwischen dem Versorgungspunkt und
dem Kurzschlusspunkt der Strahlungsebene sein. Aus diesem Grund
hat die Strahlungsebene 310 einen Abstimmschlitz 317,
der an dem Rand davon beginnt und tangential zur koaxialen Versorgungsleitung
ist. An der Versorgungsleitung hat der Abstimmschlitz eine Öffnung in
die kreisartige Öffnung
in der Strahlungsebene. Am oberen Ende des Mantelleiters 322,
an einem Punkt, wo sich der Abstimmschlitz und die kreisartige Öffnung in
der Strahlungsebene vereinigen, gibt es eine Aussparung 325,
so dass dort ein Freiraum ist, wie es senkrecht vom oberen Ende
des inneren Leiters 321 zu dem Abstimmschlitz hin zu sehen
ist. In diesem Freiraum gibt es einen Zwischenleiter 311.
Ein Ende des Zwischenleiters ist galvanisch mit dem oberen Ende
des inneren Leiters und das andere Ende mit der Strahlungsebene
am entgegengesetzten Rand des Abstimmschlitzes verbunden, wie es
von dem inneren Leiter aus zu sehen ist. Die galvanische Verbindung
zwischen dem Versorgungspunkt und dem Kurzschlusspunkt in der Strahlungsebene
ist somit um das geschlossene Ende des Abstimmschlitzes 317 realisiert,
wodurch das Abstimmen mittels der Länge des Abstimmschlitzes eingerichtet
werden kann. Funktional ist der Zwischenleiter 311 ein
weiterführendes
Teil des Versorgungsleiters der Antenne. Es kann ein separater Leiter,
der durch seine beiden Enden angebracht ist, oder nur ein Vorsprung
von der Strahlungsebene sein.
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Die 4 zeigt ein Beispiel einer
vollständigen
Planarantenne gemäß der Erfindung.
In der 4 ist eine Schaltungsplatte 401 zu
sehen, von welcher eine leitende Schicht an der oberen Oberfläche als
eine Erdungsebene GND für
die Antenne dient. Über
der Erdungsebene gibt es eine Strahlungsebene 410, die
durch einen Schlitz 415 wie in den 1 und 2 in
zwei Zweige geteilt ist. Die Antennenversorgungsanordnung ist statt
dessen diejenige, die in der 3 dargestellt
ist. Zwischen der Strahlungsebene und der Erdungsebene gibt es einen Kurzschlussleiter 422 in
der Form eines zylindrischen Mantels, von dem die Achse senkrecht
zu den Ebenen ist. Innerhalb des Kurz schlussleiters gibt es einen
Versorgungsleiter 421 für
die Antenne, dargestellt in gestrichelter Linie in der 4. An seinem unteren Ende
verläuft
der Versorgungsleiter hinter die Platte 401 durch einen
Durchlass in der Platte. Als eine Verlängerung an dem umhüllten Versorgungsleiter
gibt es an seinem oberen Ende einen relativ kurzen Zwischenleiter 411.
Der Zwischenleiter ist an die Strahlungsebene an dem Rand des Abstimmschlitzes 417 angeschlossen,
der gegenüber dem
Anschlusspunkt des Kurzschlussleiters ist.
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Die 5 zeigt ein zweites Beispiel
einer Planarantenne gemäß der Erfindung.
Bei diesem Beispiel gibt es eine Schaltungsplatte 501,
von welcher eine leitende Schicht an der oberen Oberfläche als
eine Erdungsebene GND für
die Antenne dient. Über
der Erdungsebene gibt es eine Strahlungsebene 510. Der
Versorgungsleiter 521 und der Kurzschlussleiter 522 der
Antenne sind vom Federkontakttyp, wie bei der 1. Der Unterschied zu der Versorgungsanordnung
von der 1 ist, dass
nun der Versorgungsleiter 521 von einem Mantelleiter 523 über fast
seine vollständige
vertikale Länge
umgeben ist. Der Mantelleiter ist galvanisch an den Kurzschlussleiter 522 angeschlossen.
Anfänglich kann
der Mantelleiter eine planare Verlängerung an dem Kurzschlussleiter
sein, der dann um den Versorgungsleiter als eine geschlossene Hülle gewickelt
ist. Somit kann in allen Fällen
der Mantelleiter 523 als ein Teil des Kurzschlussleiters
angesehen werden. Der Schlitz zwischen den im wesentlichen horizontalen Federteilen
des Versorgungsleiters und des Kurzschlussleiters verläuft in der 5 zum Zentrumsbereich der
Strahlungsebene. Somit ist dort der Abstimmschlitz 517 vorgesehen,
der für
die Antennenabstimmung erforderlich ist.
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Die 6 zeigt ein drittes Beispiel
einer Planarantenne gemäß der Erfindung.
In diesem Fall ist die Basisstruktur der Antenne ähnlich zu
jener, die in den 1, 2, 4 und 5 dargestellt
ist. Ferner ist der Versorgungsleiter 621 der Antenne ein
Federkontaktleiter, wie jene in den 1 und 5. Der Un terschied gegenüber der
Versorgungsanordnung der 5 ist, dass
nun der Versorgungsleiter 621 nicht von einem Mantelleiter,
sondern von einem Spiralleiter 622 umgeben ist. Das untere
Ende des Spiralleiters ist an die Erdungsebene GND und das obere
Ende an die untere Oberfläche
der Strahlungsebene 610 an einen Punkt SP angeschlossen.
Zusätzlich
unterscheidet sich die Versorgungsanordnung von dem Beispiel der 5 darin, dass die Strahlungsebene
nun keinen eigenen Abstimmschlitz hat. Dies liegt daran, dass bei
einem spiralförmigen
Kurzschlussleiter das Abstimmen der Antenne durch geeignetes Dimensionieren
der Spirale und durch Auswählen
eines geeigneten Anschlusspunktes SP in der Strahlungsebene realisiert
werden kann. Es gibt dann kein Erfordernis für einen Abstimmschlitz zwischen
den Anschlusspunkten des Kurzschlussleiters und des Versorgungsleiters.
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Die 7 zeigt ein viertes Beispiel
einer Planarantenne gemäß der Erfindung.
In der 7 ist eine Schaltungsplatte 701 zu
sehen, von der eine leitende Schicht an der oberen Oberfläche als
eine Erdungsebene GND für
die Antenne dient. Über
der Erdungsebene gibt es eine erste Strahlungsebene 710a und
darüber
eine zweite Strahlungsebene 710b. Mit den zwei Strahlungsebenen
können
die elektrischen Charakteristika der Antenne verbessert werden,
wobei insgesamt die Bandbreiten erhöht werden können. Die Strahlungsebenen
sind an ihren Rändern
durch einen ersten Verbindungsleiter 711 und einen zweiten
Verbindungsleiter 712 miteinander verbunden. Diese sind
relativ nahe beieinander. In der ersten Strahlungsebene startet
ein erster Abstimmschlitz 717a von zwischen den Verbindungsleitern,
und in der zweiten Strahlungsebene startet ein zweiter Abstimmschlitz 717b von
zwischen den Verbindungsleitern. Eine koaxiale Versorgungsleitung 720 wird
zu den Strahlungsebenen von einer Antennenanschlussbuchse gebracht,
die in der 7 gezeigt
ist. Der Mantel oder die Hülle 722 der
Versorgungsleitung ist galvanisch an die Erdungsebene und an die
erste Strahlungsebene an der Seite des Abstimmschlitzes 717a angeschlossen,
wo der zweite Verbindungsleiter 712 liegt. In der
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7 ist der innere Leiter 721 der
Versorgungsleitung galvanisch an den ersten Verbindungsleiter 711 angeschlossen.
Er kann auch direkt an jegliche der Strahlungsebenen auf der Seite
des Abstimmschlitzes angeschlossen sein, wo der erste Verbindungsleiter
liegt. Somit geht der innere Leiter innerhalb der Hülle oder
des Mantels hinauf zu der ersten Strahlungsebene.
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Die 8a, b stellen ein fünftes Beispiel einer Planarantenne
gemäß der Erfindung
dar. Bei diesem Beispiel sind die Strahlungsebene und die Versorgungsleitung
der Antenne in dem Gehäuse
der betroffenen Funkvorrichtung integriert. Die 8a zeigt die Außenseite des erfindungsgemäßen Teils CAS
des Gehäuses
der Funkvorrichtung. Zur Abkürzung
sei jener Teil ein Gehäuse
genannt. Die Strahlungsebene 810 der Antenne liegt an der
Innenoberfläche
des Gehäuses.
Eine gestrichelte Linie in der 8a bezeichnet
einen Abstimmschlitz 817 in der Strahlungsebene. An einer
Seite des Abstimmschlitzes gibt es einen Verbindungspunkt 831 für den inneren
Leiter der koaxialen Versorgungsleitung, und an der anderen Seite
gibt es einen Verbindungspunkt 832 für den äußeren Leiter oder die Hülle/den
Mantel der Versorgungsleitung. Die 8b zeigt
die Innenseite des Gehäuses
CAS. Die Strahlungsebene 810 bedeckt den ebenen Teil der
inneren Oberfläche
des Gehäuses
und möglicherweise
auch wenigstens teilweise ihre gekrümmten Randteile. An der Innenoberfläche des
Gehäuses
gibt es einen zylindrischen Vorsprung mit einem axialen Loch im
Zentrum davon, wobei das Gehäuse
und der Vorsprung ein massives Materialstück bilden. Die äußere Oberfläche des
Zylinders ist mit einem leitenden Material bedeckt, das die Hülle 822 der
Versorgungsleitung bildet. Wie früher angegeben wurde, verläuft die
Hülle 822 nur
an einer Seite des Abstimmschlitzes hinauf zu der Strahlungsebene.
Das axiale Loch des Zylinders ist mit einem leitenden Material bedeckt,
das den inneren Leiter 821 der Versorgungsleitung bildet.
Der innere Leiter verläuft
zu der Strahlungsebene an dem Punkt 831 auf der gegenüberliegenden
Seite des Abstimmschlitzes bezüglich
des Verbindungspunktes 832 für den äußeren Leiter. An der Bodenoberfläche des
Zylinders gibt es einen ersten Kopplungsstreifen 841, der
galvanisch an den inneren Leiter 821 angeschlossen ist,
und einen zweiten Kopplungsstreifen 842, der galvanisch
an den äußeren Leiter 822 angeschlossen
ist.
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Die
Strahlungsebene der Antenne kann in einer entsprechenden Weise an
der äußeren Oberfläche des
Gehäuses
CAS statt an der inneren Oberfläche
davon angeordnet werden. In dem Fall gibt es Öffnungen in dem Gehäuse für die inneren
und äußeren Leiter
der Versorgungsleitung. Alle leitenden Teile des Gehäuses CAS,
d.h. die Strahlungsebene, die inneren und äußeren Leiter der Versorgungsleitung und
die ersten und zweiten Kopplungsstreifen sind zum Beispiel durch
Verwendung von MID- (geformte Zwischenverbindungsvorrichtungs-;
engl.:Molded Interconnect Device) Technologie realisiert.
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Die 8b zeigt ferner eine Antennenschnittstellenkomponente 850.
Die Schnittstellenkomponente enthält einen kleinen dielektrischen ebenen
Körper 853 und
eine erste Kopplungsfeder 851 und eine zweite Kopplungsfeder 852,
die teilweise in den ebenen Körper
eingebettet sind. Die Schnittstellenkomponente ist an einer Schaltungsplatte
(nicht gezeigt) angebracht, die die Erdungsebene für die Antenne
hat. Die erste Kopplungsfeder ist an eine Antennenanschlussbuchse
an der Schaltungsplatte angeschlossen, und die zweite Kopplungsfeder
ist an der Erdungsebene GND angeschlossen. Wenn das Gehäuse CAS
installiert ist, wird der erste Kopplungsstreifen 841 der
Versorgungsleitung gegen die erste Kopplungsfeder 851 gedrückt, und
wird der zweite Kopplungsstreifen 842 gegen die zweite
Kopplungsfeder 852 gedrückt.
Die Versorgungsleitungshülle 822 wird
dadurch an die Signalerdung angeschlossen und dient auch als ein Kurzschlussleiter
für die
Antenne, zusätzlich
zur Umhüllung
des inneren Leiters. Die Schnittstellenkomponente 850 ist
vorteilhafterweise eine oberflächenmontierte
Komponente. Statt der in der 8b dargestellten
Form kann sie zum Beispiel koaxial sein.
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Attribute "unter" und "ober" sowie "horizontal" und "vertikal" beziehen sich in
dieser Beschreibung und in den Ansprüchen auf die Antennenpositionen,
die in den 1 bis 8 dargestellt sind und hängen nicht
mit der Betriebsposition der Vorrichtung zusammen.
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Das
reaktive Nahfeld einer Antenne gemäß der Erfindung ist schwächer als
jenes einer im übrigen
identischen Antenne, bei welcher der Versorgungsleiter keine Hülle zwischen
der Erdungsebene und der Strahlungsebene hat, und bei welcher die Strahlungsleistung
dieselbe ist. Dies führt
zu weniger Energie, die bei Mobiltelefonanwendungen im Anwenderkopf
absorbiert wird. Abnahmen in gemessenen SAR-Werten sind ungefähr 30 %
in dem unteren Band einer Dualbandantenne. Dies bedeutet auch, dass
die Antennenverstärkung
um ungefähr
ein Dezibel erhöht
werden kann, ohne den SAR-Wert zu erhöhen. Der Vorteil ist weniger
ausgeprägt
in dem oberen Band.
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Die 9 zeigt eine Funkvorrichtung
RD, die eine Planarantenne 900 gemäß der Erfindung enthält. Die
letztere ist vollständig
innerhalb des Gehäuses
der Funkvorrichtung angeordnet.
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Oben
haben wir Beispiele einer Planarantenne gemäß der Erfindung beschrieben.
Die Erfindung ist nicht auf jene Beispiele beschränkt. Zum
Beispiel kann der Kurzschlussleiter, der den Versorgungsleiter der
Antenne umgibt, eine Zwischenform zwischen einem Zylinderhüllen- und
Spiralleiter sein. Die Strahlungsebene kann, statt aus einer leitenden
Platte zu sein, eine leitende Schicht an einer Oberfläche der
Antennenschaltungsplatte sein. Herstellungsverfahren und Materialien
der Antennenelemente sind in keiner Weise beschränkt. Die erfindungsgemäße Idee
kann auf verschiedene Arten innerhalb des Umfangs angewandt werden,
der durch den unabhängigen
Anspruch 1 definiert ist.