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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf das Gebiet von Antennen gerichtet,
die für
Kommunikationsvorrichtungen für
RF-Daten verwendet werden, insbesondere auf jene, die verwendet
werden, um digitale Signale zu übertragen
und zu empfangen, wie beispielsweise Zweiwege-Funkempfänger und Ähnliches.
Die Antennen, die mit bisherigen Kommunikationsvorrichtungen für RF-Daten
verwendet wurden, neigen zu signifikanten Problemen. Viele der bisherigen
Funkempfänger
sind "Einwege"-Funkempfänger, die
nur in der Lage sind, ein Signal eines Funkempfängers zu empfangen. Jedoch
können
viele Faktoren zum Verlust des eingehenden Nachrichtensignals beitragen.
Deshalb ist es wünschenswert,
einen "Zweiwege"-Funkempfänger zu
verwenden, der ein Bestätigungssignal
an die Gegenstelle schickt, um den Erhalt einer Nachricht zu bestätigen oder eine
Nachricht zu erzeugen.
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In
bisherigen VHF-Einwege-Funkempfängern
war es üblich
gewesen, eine Antenne vom Schlaufen-Typ zu verwenden, die zum Empfang
von Signalen in der Gegenwart des menschlichen Körpers wirksam ist, der Eigenschaften
hat, die dahin tendieren, die VHF-Funksignale zu verstärken. Jedoch
sind schlaufenförmige
Antennen zum Empfang von UHF-Frequenzen, die für Zweiwege-Funkempfänger benötigt werden,
mangelhaft. Auch sind solche Antennen typischerweise in ein Gehäuse des
Funkempfängers
aus dielektrischem Kunststoff eingebettet, das die effektive Bandbreite
des empfangenen Signals reduziert. Eine solche Anordnung hat eine
sehr enge Bandbreite von typischerweise ungefähr 1 %. Derartige Antennen
haben auch eine schwache Verstärkungsleistung
wenn sie ein Signal übertragen
und sind deshalb für
den Aufbau eines Zweiwege-Funkempfängers nicht verwendbar.
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Viele
der bisherigen Zweiwege-Telekommunikationsvorrichtungen verwenden
eine „Patch"-Antenne, in welcher
ein großes,
flaches, leitendes Bauteil verwendet wird, um Signale zu senden
und zu empfangen. Patch-Antennen erlauben eine Zweiwege-Kommunikation
unter den Gegebenheiten einer bestimmten engen Bandbreite, ermöglichen
aber kein wünschenswertes
Abstrahlungsmuster. Signale breiten sich senkrecht zu den flachen
Oberflächen
der Antenne aus, und deshalb weicht das Bestätigungssignal innerhalb einer
zweilappigen konischen Umhüllung
entlang der Ausbreitungachse ab. Während das Signal gut „nach vorne" und „nach hinten" bezüglich des
Funkempfängers übertragen
wird, ist die Leistung mangelhaft wenn die Signalachse nicht gut
mit der Gegenstelle ausgerichtet ist. Auch sind Patch-Antennen groß und können so
groß sein
wie 16 × 16
cm2 sein. Während diese für einen
mobilen Laptop-Computer gut sein mag, ist so eine Antenne für eine kleine,
in der Hand gehaltene schnurlose Einheit wie einen Funkempfänger nicht
gut geeignet. Patch-Antennen können
zwar kleiner hergestellt werden, jedoch mit einem signifikanten
Verlust an Verstärkung.
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Ein
Aufbau einer verbesserten Antenne für einen Zweiwege-Funkempfänger ist
in der PCT WO 98/12771 gezeigt, die am 26. März 1998 unter dem Titel „Antennensystem
für eine
RF-Daten-Übertragungsvorrichtung" veröffentlicht
wurde. Dieser Aufbau beinhaltet eine Dipolantenne, die in der Lage
ist, Signale auszusenden und zu empfangen, und die sowohl vertikale
wie auch horizontale Polarisationskomponenten besitzen, wodurch
die Wahrscheinlichkeit erhöht
wird, das Signal zu erfassen. Die Dipolantenne ist im Deckel des Funkempfängers eingebaut
und anisotropisch an das LCD-Display-Bauteil des Funkempfängers gekoppelt. Dieser
Kopplungseffekt unterteilt die Zentralfrequenz in zwei getrennte
Peaks, wodurch die Bandbreite des Funkempfängers erhöht wird.
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Während der
Kopplungseffekt unter idealen Bedingungen ausgezeichnet funktioniert,
variiert er als eine Funktion des räumlichen Abstands, der das
LCD abtrennt, der Abweichungen in der anisotropischen Zusammensetzung
des LCD und der Maßabweichungen
in den Grundplatten der Platinen des Funkempfängers.
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Wenn
der Deckel geöffnet
und geschlossen wird, kann die Antennenverstärkung zwischen 0 und 1 dB und –1 und 0
dB variieren. Genauso wie der Abstand variiert ändert sich auch die Zentralfrequenz,
wobei auch die sehr große
Bandbreite der Antenne betroffen ist. Diese Effekte neigen dazu,
die Leistung der Antenne sowohl im Sende- wie auch im Empfangsmodus
herabzusetzen.
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Der
oben erwähnte
Ausbau beinhaltet einen RF-Schalter, um die Antenne zwischen Übertragungs- und
Empfangsmodus umzuschalten. Dieser Schalter ist teuer und sehr anfällig gegenüber elektrostatischer Entladung,
wodurch die Herstellung und die Unterhaltung der Einheit verteuert
wird. Auch ist dieser Schalter verlustbehaftet und reduziert die
Antennenleistung um ungefähr
0,5 dB. Weiterhin ist bei diesem Ausbau die LCD-Bestückung bezüglich der
Antenne kritisch und erfordert eine Feinabstimmung und enge Herstelltoleranzen,
was in einem arbeitsintensiven (und daher teuren) Herstellprozess
resultiert. Auch ist mit diesem bisherigen Antennenaufbau die Abstimmung
der Impedanz mit dem Funkkanal schwierig. Das Testen der bisher
verwendeten Antennen ist schwierig, da sie nur in einem zusammengebauten
Funkempfänger
getestet werden konnten, und deshalb tragen Antennendefekte zu Baugruppendefekten
während
des Testens bei. Auch neigt die Antenne dazu, mit den Funkkomponenten
im Funkempfänger
störend
zu überlagern,
wodurch die Leistung weiter reduziert wird.
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JP 05007109 , betitelt als „Einbauantenne
für ein
tragbares Telefongerät", das einen Stand
der Technik zeigt, von dem aus die Erfindung ihren Anfang nimmt,
beschreibt ein Antennensystem für
eine RF-Daten-Konununikationsvorrichtung, das wenigstens eine mäanderförmige Antennenleitung
umfasst, die eine Gesamtanordnung aufweist, die so ausgebildet ist,
dass sie sich im Wesentlichen in zwei Dimensionen erstreckt, so dass
sie eine an der Spitze geladene Monopol-Antenne bildet, worin die mäanderförmige Antennenleitung
wenigstens eine örtlich
begrenzte Krümmung
aufweist, um eine komprimierte wirksame Antennenlänge in einem kompakten
Gehäuse
zu ermöglichen.
Die Antenne umfasst eine spiralförmige
oder zickzackförmige
Leitung, die auf einem elastischen Substrat ausgebildet ist. Getrennte Übertragungs-
und Empfangsantennenbauteile werden gleichfalls offenbart.
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WO
96/38881 zeigt eine „Gedruckte
Monopol-Antenne für
ein Mehrfachband" in
Form einer einzigen Monopol-Antenne. Die zwei Antennenleitungen
sind Teil einer einzigen Antennenanordnung. Der Grund, warum diese
Anordnung zwei Antennenleitungen als Teil der einzigen Antennenanordnung
verwendet ist der, dass die einzige Antenne bei zwei verschiedenen
Frequenzbändern
betrieben werden kann.
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Kurze Beschreibung der
Erfindung
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Angesichts
der Beeinträchtigungen
und Nachteile, die mit den bisherigen Systemen verknüpft sind, besteht
die Notwendigkeit für
ein RF-Übertragungs-Antennensystem, das
eine verlässliche
Zweiwege-Kommunikation garantiert.
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Es
besteht gleichfalls ein Bedarf nach einem Zweiwege-RF-Kommunikations-Antennensystem, das ein
gleichmäßiges Abstrahlungsmuster
innerhalb von 360 Grad des Azimuts ermöglicht.
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Es
besteht auch ein Bedarf nach einem RF-Antennensystem, das unempfindlich
bezüglich Änderungen
der Umgebungsbedingungen ist.
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Es
besteht auch ein Bedarf nach einem RF-Antennensystem, das einfach
in der Herstellung ist und mit aufgelockerten Toleranzen hergestellt
werden kann.
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Es
besteht ein Bedarf nach einem RF-Antennensystem, das einfach getestet
werden kann.
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Diese
und andere Bedürfnisse
werden durch die vorliegende Erfindung, wie sie in den angefügten Ansprüchen definiert
ist, erfüllt.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein duales Antennensystem
für eine
RF-Daten-Kommunikationsvorrichtung entsprechend Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
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Deshalb
wird erfindungsgemäß ein RF-Antennensystem
zur Verfügung
gestellt, das wenigstens eine mäanderförmige Antennenleitung
mit einer Gesamtanordnung aufweist, die so ausgebildet ist, dass
sie sich im Wesentlichen in zwei Dimensionen erstreckt, um im Wesentlichen
eine halbwellenförmige,
an der Spitze geladene Monopol-Antenne zu bilden. Die mäanderförmige Antennenleitung
beinhaltet wenigstens eine örtlich begrenzte
Krümmung,
um eine komprimierte wirksame physikalische Antennenlänge in einem
kompakten Gehäuse
zu ermöglichen.
Die vorliegende Antenne kann als ein Antennensystem hergestellt
werden, das diskrete Übertragungs-
und Empfangsantennenleitungen besitzt, so dass sie ein duales Antennensystem
bildet. Die örtlich
begrenzten Krümmungen
auf jeder Leitung koppeln mit den jeweiligen Krümmungen auf der anderen Leitung,
wodurch die elektromagnetische Kopplungseffizienz erhöht wird,
so dass insgesamt die Bandbreite und Wirksamkeit der Antenne zunimmt.
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Es
soll verstanden werden, dass die Erfindung zu anderen und abweichenden
Ausführungformen
fähig ist,
und dass einige ihrer Details in verschiedener Hinsicht modifiziert
werden können,
ohne von der Erfindung abzuweichen. Demgemäß werden die Zeichnungen und
die Beschreibung als veranschaulichend und nicht als begrenzend
betrachtet .
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
ein duales Antennensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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2 ist
eine Explosionsdarstellung, die das duale Antennensystem der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Wie
in 1 gezeigt, beinhaltet die vorliegende Erfindung
ein Antennensystem 10, das wenigstens ein Antennenbauteil 12 mit
einer mäanderförmigen Leitungsstruktur
beinhaltet. Die Gesamtanordnung dieses Antennenbauteils 12 ist
so ausgebildet, dass sie sich im Wesentlichen in zwei Dimensionen
erstreckt und dabei eine wirksame, halbwellenförmige, an der Spitze geladene
Monopol-Antenne aus einer einzigen Antennenleitung bildet, die in
der Lage ist, vertikale und horizontale Polarisationskomponenten
eines Signals zu übermitteln
und zu empfangen. Als ein weiterer Vorteil erlaubt die mäanderförmige Gesamtanordnung
der Antenne, dass sie eine vergleichsweise große wirksame Länge besitzt,
die auf ein kleineres Maß komprimiert
ist, beispielsweise innerhalb des Gehäuses eines Funkempfängers.
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Als
ein zusätzliches
Merkmal kann die vorliegende mäanderförmige Antennenleitung 12 ein
oder mehrere ausgedehnte Anteile 14 beinhalten, von denen
jeder eine oder mehrere örtlich
begrenzte Krümmungen 16 aufweist.
Diese örtlich
begrenzten Krümmungen 16 ermöglichen
eine weitere Kompression der Antennenlänge. Beispielsweise kann eine
16 cm lange Antenne (entsprechend der halben Wellenlänge ungefähr eines 900
MHz-Signals) vorzugsweise in ein Gehäuse eines Funkempfängers mit
der Größe 8,5 × 6 cm in
der Weise komprimiert werden, wie sie in 1 dargestellt
ist. Prinzipiell können
sogar größere Längen in
kleinere Gehäuse
komprimiert werden, indem man die Zahl der Krümmungen 16 erhöht, was
eine sehr verbesserte Wirksamkeit ermöglicht. Der vorliegende Aufbau
ermöglicht
ausgezeichnete Eigenschaften des Abstrahlungsmusters, was ein Abstrahlungsmuster
mit "kuppelförmigen" Richteigenschaften
ermöglicht,
das sich über
360 Grad des Azimuts erstreckt.
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Das
vorliegende Antennensystem 10 kann eine einzige mäanderförmige Antennenleitung 12 beinhalten,
schließt
aber in der bevorzugten Ausführungsform
mehrfache verschiedene mäanderförmige Leitungen ein.
In der bevorzugten Ausführungsform,
wie sie in 1 dargestellt ist, beinhaltet
das vorliegende Antennensystem zwei mäanderförmige Antennenleitungen 12, 22,
wobei eine der Leitungen 12, 22 eine Übertragungsantenne
(Tx-Antenne) und die entsprechende andere Leitung 12, 22 eine
Empfangsantenne (Rx-Antenne) ist. In der gezeigten Ausführungsform
ist die Leitung 12 vorzugsweise die Tx-Leitung und die
Leitung 22 vorzugsweise die Rx-Leitung. Die Tx-Leitung
ist vorzugsweise so angeordnet, dass sie ein vorteilhaftes Übertragungsmuster
bezüglich
der Geometrie der internen Bauteile des Funkempfängers ermöglicht, so dass die Übertragung
zu der Gegenstelle garantiert wird. Dies gestattet zwei getrennte
engbandige Kanäle,
die für
die Rx- und Tx-Signale zu verwenden sind, im Gegensatz zum Breitbandkanal
der bisherigen Anordnungen mit den einzelnen Antennenanordnungen.
Dadurch, dass zwei Zentralfrequenzen zur Verfügung gestellt werden, werden die
Extremwerte der Bandbreite reduziert. Auch kann jede Antennenleitung 12, 22 direkt
mit den Funkschaltkreisen verbunden werden, wobei der Sende-/Empfangs-RF-Schalter,
der bei den bisherigen einzelnen Antennen verwendet wurde, überflüssig wird.
Auf diese Weise werden bei der vorliegenden Antenne der Aufwand und
die Kosten durch Eliminierung des teuren und anfälligen Schalters reduziert
ebenso wie die Software, die erforderlich ist, um ihn zu steuern.
Weiterhin wird die Antennenverstärkung
erhöht,
da der Schalter verlustbehaftet war. Die Antennenleitungen 12, 22 werden
durch ein Verbindungsstück 24 aneinandergefügt, das
einen Abgleichschaltkreis beinhaltet, und können auf dem Schaltkreis ausgebildet
sein. In dieser Weise wird mit der vorliegenden Antenne die Funkleistung
verbessert.
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Die
vorliegende Antenne ist auch weniger empfindlich bezüglich der
körperlichen
Anwesenheit des Bedieners, da ihr Aufbau, der durch ihre Geometrie
und die Auswahl des Abgleichkanals bestimmt wird, zuerst mit der
tatsächlichen
engen Umgebung des Funkempfängers
wechselwirkt, und erst an zweiter Stelle mit anderen Einflüssen der
Umgebung. Dies resultiert daher in einer Verbesserung der Verstärkung von
3 bis 7 dB im Vergleich zu bisherigen VHF-Schlaufen- Antennen, was in
hohem Maße
die Empfangs- und Übertragungseigenschaften
des Systems verbessert.
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Jede
mäanderförmige Antennenleitung 12, 22 beinhaltet
ihre eigenen, örtlich
begrenzten Krümmungen 16, 26.
In der bevorzugten Ausführungsform
sind die Krümmungen 16, 26 im
Wesentlichen benachbart angeordnet. Die Antragsteller haben beobachtet,
dass, um zusätzlich
eine größere wirksame
Antennenlänge zu
ermöglichen,
die benachbarten Krümmungen 16, 26 gleichfalls
einen elektromagnetischen Kopplungseffekt erzeugen, der ähnlich zu
dem ist, der in der vorstehend erwähnten PCT WO 98/12771 diskutiert
ist, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme mit einbezogen wird.
Die örtlich
begrenzten Krümmungen 16, 26 ermöglichen
einen größeren konzentrierten
Strom pro Längeneinheit,
was den Kopplungskoeffizienten beeinflusst, wobei eine effektivere
Kopplung mit der benachbarten Leitung ermöglicht wird. Die Kopplung wird
in Tabelle 1 wie folgt beschrieben:
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Jede
Antennenleitung 12, 22 hat einen zugeordneten
Eigenvektor, und ohne Kopplung überlappen diese
Eigenvektoren entlang einer gemeinsamen Bandbreite. Der Kopplungseffekt
zwischen den benachbarten Krümmungen 16, 26 verursacht
eine Trennung der Eigenvektoren, in welcher die Eigenvektoren um eine Zentralfrequenz
asymmetrisch aufgeteilt werden, wobei dies für das duale Antennensystem
in einer zunehmend effektiven Bandbreite resultiert. Durch diesen
Kopplungseffekt hat jede der mäanderförmigen Antennenleitungen 12, 22 die
effektive Bandbreite des gekoppelten Systems. Diese Kopplung wird
ohne das anisotrope LCD-Medium bewerkstelligt, das in der PCT WO
98/12771 verwendet wird, und deshalb ermöglicht die vorliegende Erfindung
ausgezeichnete Resultate, ohne dass sie empfindlich gegenüber den
Nachbarschaftsproblemen der bisherigen Vorrichtung wäre.
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Wie
am besten in 2 gesehen werden kann, sind
die mäanderförmigen Leitungen 12, 22 des
vorliegenden dualen Antennensystems auf einem elastischen Substrat
ausgebildet, beispielsweise einem dielektrischen Halter aus Kunststoff.
Der Halter 40 ist aus einem dielektrischen Kunststoffmaterial
ausgebildet, das leicht gestaltet werden kann, um die gewünschte Anordnung
zu erzeugen. Auch können
die mäanderförmigen Leitungen 12, 22 leicht
direkt auf dem Flexboard 30 durch Ätzen eines gewünschten
Musters direkt auf eine Kupferschicht auf dem elastischen Material
der Platine ausgebildet werden. Auf diese Weise kann ein beliebiges
gewünschtes
Leitungsmuster einfach und ökonomisch
erzeugt werden, welches eine genaue Steuerung der Stromdichten entlang
des Antennenaufbaus ermöglicht.
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Zusätzlich trägt der Halter 40 zur
Kopplung zwischen den Leitungen in Folge der dielektrischen Eigenschaften
des Kunststoffmaterials bei. Der Halter 40 erzeugt gleichfalls
eine Teilbarriere zwischen dem Antennensystem und der Platine des
Funkempfängers,
da das dielektrische Material etwas zerstreuend bezüglich der
elektromagnetischen Welle wirkt, wobei die Energie aus der Bandbreite
des Funkgeräts
weg bewegt und damit die Interferenz reduziert wird.
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Der
Halter 40 macht auch aus der Antenne 10 ein modulares
Bauteil, das leicht installiert oder aus der Funkempfängereinheit
entfernt werden kann. Auch kann die Antennenanordnung jetzt leicht
als eine getrennte Einheit getestet werden, was das Auffinden von
Antennenfehlern vor dem Zusammenbau ermöglicht. Auf diese Weise verbessert
die vorliegende Antennenanordnung die Verlässlichkeit und reduziert die
Herstellkosten durch Reduzierung der Fehlfunktionen der Funkempfängereinheit
in Folge von Antennenfehlern.
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Das
vorliegende Antennensystem kann auch so konstruiert werden, dass
es einen hohen Stromanteil 32 enthält, um die Antenne unempfindlich
bezüglich
der Anwesenheit von Metallkomponenten in dichter Nachbarschaft der
Antenne zu machen, wie z.B. metallischen Befestigungen und Ähnlichem.
Der hohe Stromanteil 32 ist effektiv ein eingebauter Kurzschlussstrom,
der Kurzschlüsse
als Folge der metallischen Bauteile ausschließt. Dieser Effekt wird dadurch
gesteuert, dass die wirksame elektrische Länge der Antenne geändert wird,
um eine Phasenverschiebung der Antennenanordnung bei der gewünschten
Resonanzfrequenz zu erzeugen. Diese Phasenverschiebung gestattet
das Einstellen einer Nullspannung an einem gewünschten Ort, entsprechend einem
Stromstärke-Peak, wobei die Empfindlichkeit
bezüglich
der metallischen Teile reduziert wird. Dieses Ergebnis kann auch
erhalten und/oder verstärkt
werden durch Anpassen der Abgleichschaltkreise und der Mäander in
den Antennenleitungen 12, 22.
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Der
Aufbau der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine Antenne, die zunächst auf
die physikalische Struktur des Funkempfängers abgestimmt ist, beispielsweise
auf Batterien, LCD und Funkkomponenten. Zweitens ist die vorliegende
Antenne auf Umgebungsfaktoren wie beispielsweise Metallteile abgestimmt.
Drittens ist die Antenne zur Impedanz mit dem Funkempfänger abgestimmt.
Diese Faktoren resultieren in einer Antenne, die gegenüber Umgebungsfaktoren
unempfindlich ist. Das vorliegende Antennensystem ist leichter herzustellen
als bisherige Systeme und erfordert eine weniger kritische Anordnung
der Bauteile. Ebenso, da die Bandbreite vom Kopplungseffekt abgeleitet
ist, eliminiert die vorliegende Erfindung die Abstimmschaltkreise aus
den dazu passenden Netzwerken der bisherigen Antennen, wobei Abstimmprobleme
vermieden werden, die bei anderen Antennen mit breiten Bandbreiten
angetroffen werden. Weiterhin werden die Toleranzen der Bauteile
im Funkempfängersystem,
das mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, reduziert, und
der Aufbau wird vereinfacht.
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Wie
hierin oben beschrieben wird, löst
die vorliegende Erfindung viele Probleme, die mit bisherigen Systemen
verbunden sind, und bietet viele Verbesserungen bezüglich der
Wirksamkeit und Funktionsfähigkeit.
