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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur,
die als eine interne Antenne insbesondere in kleinen Funkvorrichtungen
geeignet ist.
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Die
Herstellungskosten von Geräten
im allgemeinen und Massenprodukten insbesondere sollen so niedrig
wie möglich
sein. Um so weniger Teile in einer Struktur und Arbeitsschritte
beim Herstellen der Teile sind, um so niedriger sind die Kosten.
Ferner wird bei transportablen Funkvorrichtungen die mechanische
Stabilität
einer Struktur betont. Zum Beispiel kann bei einer Hochfrequenzantenne
selbst eine geringe mechanische Änderung
die gesamte Vorrichtung unstabil machen. Um so weniger Teile es in
einer Struktur gibt und um so robuster und besser die Teile geschützt sind,
um so besser ist die Stabilität
und somit die Zuverlässigkeit
der Struktur. So hilft eine niedrige Anzahl von Teilen sowohl einem
Minimieren der Herstellungskosten als auch einem Verbessern der
Zuverlässigkeit
einer Vorrichtung.
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Soweit
Antennen betroffen sind, sind vorstehene Antennen, die in hohem
Maß zum
Beispiel in Mobilstationen verwendet werden, anfällig für eine Beschädigung,
und mit den erforderlichen zusätzlichen
Teilen tragen sie signifikant zu den Herstellungskosten bei. Interne
Antennen in Mobilstationen sind üblicherweise
Planarantennen, weil diese gute elektrische Charakteristika bezüglich der
Antennengröße haben.
Die
1a und
1b stellen
ein Beispiel solcher bekannter Planarantennen dar. Diese Struktur
ist in der Veröffentlichung
WO 01/08255 offen bart. Die
1a ist
eine Perspektive der Antenne und die
1b zeigt
eine Seitenansicht derselben Struktur. Die
1a zeigt
innerhalb der Abdeckung
150 einer Funkvorrichtung eine
gedruckte Schaltungsplatte
110, die hier in vertikaler
Position dargestellt ist, und an einer Seite der Schaltungsplatte
eine leitende Schicht, die eine Erdungsebene GND für die Antenne
bereit stellt. Ein zentrales Teil in der Struktur ist das Antennenelement
120,
das in einem einzigen Stück
ist und die Strahlungsebene
121 passend, einen ersten gebogenen
Teil
122, einen zweiten gebogenen Teil
123 und
einen dritten gebogenen Teil
124 enthält. Verbunden mit der rechtwinkligen
Strahlungsebene
121 an einem Punkt F ihrer vertikalen Mittellinie
ist ein Versorgungsleiter
101 der Antenne. Das Antennenelement
erstreckt sich nach einer Biegung von dem oberen Rand der Strahlungsebene
hinauf zu der Erdungsebene senkrecht dazu. Der erste gebogene Teil
122,
der somit gebildet ist, fungiert als ein Kurzschlussleiter, der
die Länge
jenes speziellen Randes der Strahlungsebene hat, und die Antenne ist
eine so genannte planare invertierte F-Antenne oder PIFA. Das Antennenelement
erstreckt sich auch von dem Rand der Gegenseite zu dem kurzgeschlossenen
Rand hin zu der Erdungsebene nach einer Biegung. Die Mittelsektion
des zweiten gebogenen Teils
123, das somit gebildet ist,
erstreckt sich nahe der Erdungsebene. In der Mittelsektion gibt
es eine rechtwinklige Biegung innerhalb der Struktur. Zwischen dem
resultierenden dritten gebogenen Teil
124 und der Erdungsebene,
die parallel sind, gibt es eine signifikante Kapazität, die durch
eine dielektrische Platte
105 weiter vergrößert ist,
die dazwischen angeordnet ist. Zusätzlich zu bestimmten elektrischen Charakteristika,
die hier nicht wesentlich sind, ist ein Vorteil der Struktur, dass
die Strahlungsebene an der Erdungsebene durch die gebogenen Teile
des Antennenelements ohne separate Stützteile abgestützt ist. Das
Antennenelement wird durch Stanzen eines geeignet geformten Teiles
aus einem steifen leitenden Bogen und das Biegen davon hergestellt.
Zusätzlich enthält die Antennenfabrikation
als separate Arbeitsstufen das Anbringen des Versorgungsleiters
101 an der
Strahlungsebene und der dielektrischen Platte
105 an dem
Antennenelement sowie das Anbringen der resultierenden Baugruppe
an der gedruckten Schaltungsplatte.
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Aus
der Veröffentlichung
WO 01 33665 ist eine Struktur
bekannt, die ähnlich
zu derjenigen ist, die oben beschrieben wurde, die aber zusätzlich eine parasitäres Antennenelement
hat, um zum Beispiel die Anzahl von Betriebsbändern zu erhöhen. Die
Veröffentlichung
betrifft neben der Struktur auch das Herstellungsverfahren davon,
das als einen separaten Schritt das Verbinden des Versorgungsleiters
mit dem Antennenelement enthält.
In diesem Fall werden auch beide Antennenelemente durch Stanzen und
Biegen eines leitenden Bogens hergestellt.
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Aus
dem Dokument
WO 01 03238 ist
eine Dualband-PIFA-Typ-Antenne bekannt. Die Strahlungsebene der
PIFA kann ein einheitliches Element sein, das auch die Versorgungs-
und Kurzschlussleiter enthält.
Das Element hat einen L-förmigen
Teil und einen rechtwinkligen Teil. Es wird aus einem Metallblech
durch Stanzen und Biegen hergestellt.
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Aus
dem Dokument
WO 02 063717 ist
ein Planarantennenelement bekannt, das bezüglich einer bestimmten Achse
symmetrisch ist. Auch findet die Versorgung symmetrisch von zwei
verschiedenen Punkten aus statt, so dass die entgegen gesetzten Ausleger
der Antenne ähnlich
werden. Die Antennenelemente mit ihren Versorgungsstiften sind ein
einheitliches Stück,
das aus einem Blech geschnitten ist.
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Aus
dem dem Dokument
WO 99 27607 ist eine
Rahmenstruktur einer Mobilstation bekannt, welche Struktur ein einheitliches
Stück ist,
das auch den Antennenstrahler enthält. Der Strahler ist eine rechtwinklige
plattenähnliche
geeignete Verlängerung
des Rahmens. Die Struktur wird z.B. durch Extrusion oder Formen
geformt.
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Ein
Ziel der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren einer Planarantenne
vorteilhafter als Verfahren des Standes der Technik und eine Antennenstruktur,
die besser als Strukturen des Standes der Technik sind, bereit zu
stellen. Das Verfahren gemäß der Erfindung
ist durch das gekennzeichnet, was in dem unabhängigen Anspruch 1 spezifiziert
ist. Einige vorteilhafte Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Die
Grundidee der Erfindung ist folgendermaßen: Das Zentralteil einer
Antenne ist ein steifes, einstückiges,
leitendes Antennenelement, das innerhalb einer Funkvorrichtung anzuordnen
ist, und enthält
eine Strahlungsebene. Zusätzlich
kann das Antennenelement z.B. Stützelemente
für die
Strahlungsebene, einen Versorgungsleiter und einen Kurzschlussleiter
sowie Erweiterungen zum Vergrößern der
Kapzität
enthalten. Antennenelemente werden vorteilhafterweise durch zuerst
Extrudieren eines Antennenrohlings aus einem Basisrohling mit einer symmetrischen
Struktur, erforderliches Bearbeiten des Antennenrohlings und dann
sein Schneiden in zwei Antennenelemente hergestellt. Ein Antennenelement
kann mit einem antikorrosiven Material beschichtet werden, das die
elektrische Leitfähigkeit der
Elemente verbessert. Vorteilhafterweise wird ein Antennenelement
so hergestellt, um mit den Außenkonturen
der Vorrichtung überein
zu stimmen.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist, dass die Herstellungskosten eines Antennenelements
relativ niedrig sind. Dies ist eine Folge der Tatsache, dass die
Elemente unter Verwendung einer relativ kleinen Anzahl von Arbeitsschritten
hergestellt werden können.
Ein anderer Vorteil der Erfindung ist, dass die Funkfrequenzcharakteristika
eines Elements gemäß der Erfindung
gut sind, da es keine metallischen Verbindungen gibt. Ein weiterer
Vorteil der Erfindung ist, dass die Antennenstruktur gemäß der Erfindung
in Anwendung zuverlässig
ist. Dies ist ein Ergebnis der kleinen Anzahl von Teilen und mechanischen
Festigkeit der Struktur. Ein noch weiterer Vorteil der Erfindung
ist, dass eine Antennenstruktur gemäß der Erfindung platzsparend
ist, da die Strahlungsebene mit der Innenoberfläche der Wirtvorrichtung übereinstimmt.
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Die
Erfindung ist unten im Detail beschrieben. Es wird in der Beschreibung
Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, worin
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1a,
b ein Bespiel einer Antenne des Standes der Technik zeigt,
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2 ein
Beispiel eines Antennenrohlings gemäß der Erfindung zeigt,
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3 ein
Beispiel des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung zeigt,
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4a,
b ein Beispiel eines Antennenelements gemäß der Erfindung zeigt,
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5 ein
Beispiel eines Antennenelements zeigt, das nicht in der Erfindung
enthalten ist,
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6 ein
weiteres Beispiel eines Antennenelements zeigt, das nicht in der
Erfindung enthalten ist,
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7 ein
Beispiel von Frequenzcharakteristika einer Antenne zeigt, die ein
Antennenelement gemäß der Erfindung
einsetzt,
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8 ein
Beispiel einer Funkvorrichtung zeigt, die eine Antenne gemäß der Erfindung
hat.
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Die 1 wurde bereits im Zusammenhang mit der
Beschreibung des Standes der Technik diskutiert.
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Die 2 zeigt
ein Beispiel eines Antennenrohlings gemäß der Erfindung von oben gesehen.
Ein Antennenrohling bedeutet in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen ein
Stück,
das von einem Basisrohling extrudiert wurde, mit wenigstens einem
antennenelementförmigen
Teil. Der einstückige
Antennenrohling 200 enthält eine erste Hälfte 201 und
eine zweite Hälfte 202,
die durch eine Mittellinie CL getrennt sind, die in dem in der 2 dargestellten
Beispiel als unterbrochene Linie dargestellt ist. Die Hälften sind
in Form und Zusammensetzung identisch und sind symmetrisch in dem
Antennenrohling angeordnet. So eine symmetrische Struktur eines
Extrusionsstücks
ist vorteilhaft hinsichtlich des Extrusionsprozesses. Die Ränder des
Antennenrohlings 200 sind gekrümmt, so dass die Form der Außenoberflächen der
Hälften
mit der Form der Innenoberfläche der
Abdeckung der Funkvorrichtung übereinstimmt, in
welcher die Antenne anzuordnen ist.
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Die 3 zeigt
ein Beispiel von Herstellungsstufen von Antennen gemäß der Erfindung.
Die erste Zwischenstufe ist ein Antennenrohling 300 entsprechend
dem Block, der in der 2 gezeigt ist. In der 3 ist
die Unterseite gezeigt, d.h. der Raum, der innerhalb der gekrümmten Ränder des
Rohlings begrenzt ist. In dem Raum innerhalb des Antennenrohlings
gibt es kleine Stifte, die sich von dem flachen Teil erheben, drei
in beiden Hälften.
Die Stifte werden in demselben Extrusionsprozess wie der gesamte Antennenrohling
geformt und sie sind vorgesehen, um das Antennenelement zu stützen, wenn
es installiert ist. Als nächstes
werden Schlitzmuster der Antennenelemente durch Ausstanzen von Material
in dem flachen Teil des Antennenrohlings geformt. Die Schlitzmuster
können
auch vorher in der Extrusionsstufe geformt werden, in welchem Fall
ihnen ein Stanzen ihre endgültige
genaue Form geben wird. Das Ergebnis ist ein Zweitstufen-Element 310.
Mittels des Schlitzmusters wird die Antenne zum Beispiel ein Dualband
haben und können
die Resonanzfrequenzen entsprechend den Bändern geeignet eingerichtet
sein. Als nächstes
werden Versorgungen und Kurzschlussleiter durch Ausschneiden von
Material von den gekrümmten
Rändern
des Zweistufen-Elementes 310 hergestellt. Gleichzeitig
können Ränder auch
auf andere Weisen geformt werden.
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Das
Ergebnis ist ein Drittstufen-Element 320. So bilden bei
diesem Prozess der Versorgungsleiter und der Kurzschlussleiter ein
einheitliches Stück
zusammen mit der Strahlungsebene des Antennenelements. Das Formen
der Ränder
des Elements hat einen Effekt auf die Kapazität zwischen den strahlenden
Teilen und der Erdungsebene in einem vervollständigten Antennenzusammenbau
und somit auf die elektrische Länge
der strahlenden Teile.
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In
der letzten Stufe in dem Beispiel von 3 wird das
Drittstufen-Element 320 durch Schneiden halbiert, so dass
zwei identische Antennenelemente hergestellt werden, ein erstes 331 und zweites 332 Antennenelement.
Der Herstellungsprozess kann dann mit einer Oberflächenbehandlung der
Antennenelemente weiter gehen. Ein Element kann zum Beispiel mit
antikorrosivem Material beschichtet werden. Das Beschichtungsmaterial
kann auch so gewählt
werden, dass es eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit hat, die die Antennenverlustfaktoren
verringern wird.
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Die 4a und 4b zeigen
ein Beispiel eines Antennenelements gemäß der Erfindung. Das Antennenelement 400,
das vergrößert dargestellt
ist, ist dasselbe wie eines der Antennenelemente 331, 332,
die von dem oben beschriebenen Prozess erhalten werden. Die 4a zeigt
die Innenseite des Antennenelements 400 und die 4b zeigt
die Außenseite
des Elements aus der Position von 4a umgedreht.
Das Element enthält
eine Strahlungsebene 410, einen Antennenversorgungsleiter 401,
einen Kurzschlussleiter 402 sowie ein erstes, 421 zweites 422 und
ein drittes 423 Stützbein.
Drei Ränder
der Strahlungsebene haben gekrümmte
Verlängerungen.
Eine Referenzlinie markiert die gekrümmte Verlängerung 411 an einem
der kürzeren
Enden der Strahlungsebene. In einem fertiggestellten Zusammenbau
sind die gekrümmten
Teile zu der Erdungsebene hin gerichtet, wie in der 4b gezeigt
ist. Eine solche Gestaltung wird zu der Kapazität an den Rändern der Strahlungsebene beitragen,
was die elektrischen Längen
der Antennenteile erhöht,
wodurch das Erfordernis für
Raum in einer Antenne verringert wird, die in bestimmten Frequenzbändern arbeitet. Die
gekrümmten
Teile können
hergestellt werden, um mit der Form der Abdeckung der Funkvorrichtung überein zu
stimmen, was wiederum eine effiziente Nutzung des Raums innerhalb
der Funkvorrichtung bedeutet. Der Versorgungsleiter und der Kurzschlussleiter
der Antenne in dem Beispiel der 4a, b
sind mit dem Rand der Strahlungsebene verbunden und sie sind auch
unter Einhaltung der Kontur der Innenoberfläche der Abdeckung der Funkvorrichtung gekrümmt.
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Die
drei Stützbeine 421, 422, 423 sind
in dem flachen Teil der Strahlungsebene 410 gespreizt. Wenn
das Antennenelement 400 installiert wird, werden die freien
Enden der Stützbeine
durch eine Federkraft gegen die Platte gepresst, an welcher die
Erdungsebene liegt. Erforderlichenfalls können sie auch an der Platte
durch zum Beispiel Kleben oder Nieten angebracht werden. Natürlicherweise
sind die Stützbeine
galvanisch von der Erdungsebene isoliert, um die Antenne nicht am
Funktionieren zu hindern. Um zu helfen, dass dieses Ziel erreicht
wird, werden die Orte der Stützbeine
so gewählt,
dass das elektromagnetische Feld der Antenne dort relativ flach
ist.
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In
dem Beispiel der 4a, b hat
die Strahlungsebene 410 einen Schlitz 415, der
an dem Rand der Ebene nahe dem Versorgungsleiter 401 beginnt und
in der inneren Region der Ebene endet. Der Weg des Schlitzes ist
so, dass von dem Antennenversorgungsbereich aus gesehen zwei Zweige
von verschiedenen Längen
in der Strahlungsebene erzeugt werden, einschließlich den Erweiterungen davon.
Die Antenne hat dann zwei Betriebsbänder erhalten. Der erste Zweig
B1 umkreist längs
den Rändern
der Strahlungsebene fast die gesamte Ebene, und der zweite, kürzere Zweig
B2 liegt in der Zentralregion der Ebene, umgeben von dem ersten
Zweig.
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Die 5 zeigt
ein Beispiel eines Antennenelements. Das Antennenelement 500 enthält eine Strahlungsebene 510,
einen Antennenversorgungsleiter 501, einen Kurzschlussleiter 502 sowie ein
ersten 521 und ein zweites 522 Bein. Die zwei
Leiter und zwei Stützbeine
sind in den Ecken der rechtwinkligen Strahlungsebene angeordnet,
die durch alle vier Eckleiter gleich abgestützt ist. Die Strahlungsebene
hat Erweiterungsteile erhalten, die von den Rändern zur Erdungsebene GND
hin gerichtet sind. Eine Referenzlinie markiert die Erweiterung 511 von
einem der kürzeren
Enden der Strahlungsebene. Auch in diesem Fall verringern die Erweiterungsteile
die Größe einer
Antenne, die in einem bestimmten Frequenzbereich arbeitet. Außerdem verbessern
die Erweiterungsteile die mechanische Festigkeit der Struktur, da
sie wenigstens durch ein Ende mit den oben genannten Stützteilen
in den Ecken verbunden sind.
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Bei
dem Beispiel von 5 hat die Strahlungsebene 510 einen
relativ kurzen und breiten Schlitz 517, mit welchem die
Resonanzfrequenz der Antenne richtig eingerichtet ist. Wenn die
Länge des Schlitzes
3 mm und die Breite 2 mm und die Länge des gesamten Antennenelements
12 mm, die Breite 5 mm und die Höhe
5 mm ist, dann ist die Struktur als eine Antenne in Bluetooth-Produkten anwendbar.
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Die 6 zeigt
ein weiteres Beispiel eines Antennenelemtens. Das Antennenelement 600 enthält eine
Strahlungsebene 610, ein Stützbein 621, eine erste
Kapazitätsplatte 612 und
eine zweite Kapazitätsplatte 613.
Bei diesem Beispiel ist das Antennenelement gestaltet, um als ein
Teil der Abdeckung einer Funkvorrichtung zu dienen. Daher haben
drei Außenseiten
der Strahlungsebene, die einem Ende einer Funkvorrichtung entsprechen,
einen gekrümmten
Rand 611, und enthält
das Antennenelement weiter Verriegelungsteile 631, 632 an
der vierten Seite der Strahlungsebene. Vor der Installation wird
das Element natürlich
an der Außenseite
mit einem dielektrischen Material beschichtet.
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Bei
diesem Beispiel sind die Versorgungs- und Kurzschlussleiter der
Antenne nicht in das Antennenelement integriert. Der Versorgungspunkt 601 und
der Kurzschlusspunkt 602 sind an der Strahlungsebene durch
gestrichelte Linien in der 6 markiert.
Die Funkvorrichtung enthält
vorteilhafterweise Versorgungs- und Kurzschlussleiter des Federkontakttyps.
Wenn das Antennenelement 600 an seine Stelle gepresst wird,
erzeugen diese Kontakte eine galvanische Kopplung mit den Punkten
der Strahlungsebene. Die Strahlungsebene hat einen Schlitz 615,
der am Rand davon beginnt und eine rechtwinklige Biegung macht,
so dass die Ebene in zwei Zweige von verschiedenen Längen geteilt
wird, wie es von dem Kurzschlusspunkt 602 aus zu sehen ist.
Die Antenne hat somit zwei Betriebsbänder erhalten. Die Kapazitätsplatten
sind an entgegengesetzten Seiten jenes Teils des Schlitzes 615 angeordnet, der
am Rand des Elements beginnt, und sie stehen senkrecht gegen die
Strahlungsebene. Die erste Kapazitätsplatte 612 liegt
somit an dem elektrisch fernsten Ende des längeren Zweiges der Strahlungsebene,
und die zweite Kapazitätsplatte 613 liegt
an dem elektrisch fernsten Ende des kürzeren Zweiges der Strahlungsebene.
Sowohl die beiderseitige Kapazität der
Kapazitätsplatten
und ihre Kapazitäten
mit der Erdungsebene (in der 6 nicht
gezeigt) veranlassen die Strahlungszweige, elektrisch länger zu
werden. Dies verringert die Größe einer
Antenne, die in bestimmten Frequenzbändern arbeitet.
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Die 6 zeigt
auch eine U-förmige
Leiste an der Strahlungsebene 610. Ihr Zweck ist es, zu
der mechanischen Festigkeit des Antennenelements 600 beizutragen.
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Die 7 zeigt
ein Beispiel von Frequenzcharakteristika einer Antennenstruktur
entsprechend der 4b, wenn die Länge des
Antennenelements 35 mm und die Höhe
8 mm sind. Die Kurve 71 repräsentiert die Änderung
beim Reflexionskoeffizienten S11 als eine Funktion einer Frequenz.
Es ist zu sehen, dass das untere Betriebsband B1 ungefähr 0,9 bis
1,0 GHz ist, was für
EGSM (Enhanced Global System for Mobile telecommuications) ausreichend ist.
Das obere Betriebsband Bu ist ungefähr 1,76 bis 2,06 GHz, was für zum Beispiel
für PCN
(Personal Communication Network) ausreichend ist.
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Die 8 zeigt
eine Funkvorrichtung MD, die eine interne Antenne hat. Das zentrale
Teil der Antenne ist ein Antennenelement 800 gemäß der Erfindung.
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Ein
einstückiges
Antennenelement gemäß der Erfindung
kann unter Verwendung von Extrusion hergestellt werden, wie vorher
erwähnt
wurde. Eine andere ähnliche
Technik ist Kalt-Strecken, wobei der Rohling bereits die richtige
Dicke hat. Die Ansprüche unterscheiden
nicht zwischen diesen zwei ähnlichen Techniken,
sondern der Ausdruck "Extrusion" deckt sie beide
ab. Bei dem oben beschriebenen Verfahren werden die Stützelemente
des Antennenelements in demselben Arbeitsschritt wie der gesamte
Antennenrohling geformt. Stütztende
Elemente können
auch an dem Antennenrohling nach der Herstellung des letzteren angebracht
werden. Das Antennenelement kann gestaltet sein, um zusätzlich zu
der Erdungsebenenplatte an der Innenoberfläche der Abdeckung der Funkvorrichtung
angebracht zu werden. Wie erwähnt
wurde, kann die äußere Abdeckung
einfach Oberflächenmaterial
des Antennenelements sein, das als ein Teil der prinzipellen Abdeckung
dient. Die Form des Antennenelements kann natürlich stark gegenüber den
Formen variieren, die in den Beispielen beschrieben wurden.