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Diese
Erfindung betrifft eine interne Antenne für eine Mobilkommunikationsvorrichtung
wie zum Beispiel ein Mobiltelefon.
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Es
ist üblich,
für die
RF-Stufe einer Mobilkommunikationsvorrichtung, eine symmetrische Leistungsverstärkerstufe
einzuschließen.
Die Hauptvorteile von symmetrischen Leistungsverstärkern schließen niedrigere
Verzerrungen und bessere Unterdrückung
von Energieversorgungsrauschen ein. Leistungsverstärker, die
für Mobilkommunikationsgeräte gestaltet
sind, weisen typischerweise eine Ausgangsimpedanz von ungefähr 5 Ohm
auf, was erfordert, ein Impedanzanpassungsnetzwerk an eine herkömmliche
Antenne anzuschließen,
welche allgemein gestaltet ist, eine 50 Ohm Impedanz aufzuweisen.
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In
der WO00/35048 wird eine symmetrische Dipolantenne gemäß der Einleitung
bzw. dem Oberbegriff von Anspruch 1 offenbart.
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Gemäß eines
ersten Aspektes der Erfindung wird da eine symmetrische Antenne
zum Verbinden mit einer symmetrischen Leistungsverstärkerstufe
in einer tragbaren Kommunkationsvorrichtung vorgesehen, wobei die
symmetrische Leistungsverstärkerstufe
erste und zweite Ausgänge
aufweist, wobei die Antenne eine Masseplatte und erste und zweite
Antennenelemente aufweist, die voneinander und von der Masseplatte
beabstandet sind, wobei die Antennenelemente so angeordnet sind,
dass sie sich gegenüber
liegen und jedes der Antennenelemente einen Einspeisepunkt aufweist,
der mit einem der Ausgänge
der Leistungsverstärkerstufe
verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenelemente
sich zu einem vorbestimmten Ausmaß überlappen, wobei das Ausmaß der Überlappung
die Abstimmung der Antenne für
eine Verwendung in einem vorbestimmten Frequenzband bestimmt.
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Die
symmetrische Antenne gemäß der Erfindung
kann direkt mit einer symmetrischen Leistungsverstärker- (PA)
-stufe eine Schnittstelle bilden, ohne die Notwendigkeit für ein verlustbehaftetes
Konvertierungsnetzwerk. Wenn eine symmetrische Antenne verwendet
wird, ist die bedruckte Leiterplatte (PCB) der Mobilkommunikationsvorrichtung
nicht ein Teil der Antenne. Im Gegensatz dazu ist in einer unsymmetrischen
Antenne das PCB ein Teil der Antenne und ein großer Abschnitt des abgestrahlten
RF-Signals wird von dem PCB des Telefons ausgesandt. Deshalb sind
für eine
symmetrische Antenne die Antennen-induzierten Ströme in der
Masseplatte des PCB viel kleiner und weniger wahrscheinlich, um
Störungen
in der Elektronik des Telefons zu verursachen.
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Die
Antenne gemäß der Erfindung
kann auf Impedanzen zwischen ca. 3 bis 15 Ohm abgestimmt werden,
so dass die symmetrische PA-Stufe, welche typischerweise eine Ausgangsimpedanz
von ungefähr
5 Ohm aufweist, direkt mit der Antenne ohne ein Impedanzanpassungsnetzwert
verbunden werden kann.
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Die
symmetrische Antenne kann eine fließende bzw. erdfreie Masse zwischen
der Masseplatte und den Antennenelementen einschließen. Vorteilhafterweise
vermeidet die erdfreie Masse das Problem einer Komponente, die auf
der bedruckten Leiterplatte (PCB) unter der Antenne montiert wird,
die die Impedanz nach Masse des abstrahlenden Elementes der Antenne,
die der Komponente am nächsten
ist, beeinflußt.
Sie vermeidet ebenso Störungen des
Betriebs der Komponente durch das Antennenfeld und es so möglich machen,
die PCB Fläche
unter der Antenne auszunutzen.
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Gemäß der Erfindung,
wird da weiterhin ein Verfahren zum Abstimmen einer symmetrischen
Antenne zum Verbinden mit einer symmetrischen Leistungsverstärkerstufe
in einer tragbaren Kommunikationsvorrichtung bereitgestellt, wobei
die symmetrische Leistungsverstärkerstufe
erste und zweite Ausgänge
aufweist, wobei die Antenne eine Masseplatte und erste und zweite
Antennenelemente aufweist, die von einander und von der Masseplatte
beabstandet sind, wobei die Antennenelemente angeordnet sind, dass
sie sich einander gegenüber
liegen und sich in einem vorbestimmten Ausmaß überlappen, und jedes der Antennenelemente
einen Einspeisepunkt aufweist, der mit einem der Ausgänge von
der Leistungsverstärkerstufe
verbindbar ist, wobei das Verfahren ein Variieren des Ausmaßes aufweist,
zu welchem sich die Antennenelemente überlappen, um die Antenne für eine Verwendung
in einem vorbestimmten Frequenzband abzustimmen.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun beispielshalber unter Bezugnahme auf die
begleitenden Zeichnen beschrieben werden, es zeigen
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Mobiltelefon-Handgerätes;
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2 eine
Rückansicht
des Handgerätes von 1;
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3 ein
schematisches Diagramm einer Mobiltelefonschaltung zur Verwendung
in dem Telefonhandgerät
von 1;
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4 eine
erste Anordnung einer symmetrischen Antenne im Einklang mit der
Erfindung;
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5 eine
zweite Anordnung einer symmetrischen Antenne im Einklang mit der
Erfindung;
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6 ein
Smith-Diagramm für
die erste Antennenanordnung, die in 4 gezeigt
wird;
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7 die
Frequenzantwort bzw. das Frequenzverhalten für die erste Anordnung, die
in 4 gezeigt wird;
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8 ein
Smith-Diagramm für
die zweite Anordnung, die in 5 gezeigt
wird;
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9 die
Frequenzantwort für
die zweite Anordnung, die in 5 gezeigt
wird;
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10 eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung, die eine erdfreie Masse einschließt;
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11a die elektrischen Felder, die durch eine symmetrische
Antenne in der Abwesenheit einer erdfreie Masse erzeugt werden;
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11b das elektrische Feld, das durch eine symmetrische
Antenne in dem Vorhandensein einer erdfreien Masse erzeugt wird;
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12 eine
perspektivische Ansicht, die ein weiteres Beispiel einer symmetrischen
Antenne zeigt, die zwei gegenüber
liegende Elemente aufweist;
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13 eine
Seitenansicht der Antenne von 12, die
verschiedenartige Schichten zeigt;
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14 eine
detaillierte Ansicht eines der Elemente, die in 12 gezeigt
werden;
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15 eine
Ansicht von oben der Antenne von 12, die
die Anordnung der Elemente zeigt;
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16 ein
Smith-Diagramm für
die Antenne von 12; und
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17 die
Frequenzantwort der Antenne von 12.
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Bezugnehmend
auf 1, schließt
eine Mobilstation in der Form eines Mobiltelefon-Handgerätes 1, ein Mikrophon 2,
ein Tastenfeld 3 mit Weich-Tasten 4, welche programmiert
werden können,
um unterschiedliche Funktionen durchzuführen, eine LCD-Anzeige 5,
einen Lautsprecher 6 und eine Antenne 7 ein, welche
innerhalb des Gehäuses
enthalten ist. Der Ort der Antenne 7 wird in 2 erläutert, welche
die Rückseite
des Handgerätes 1 mit
einer entfernten Rückabdeckung 8 zeigt.
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Die
Mobilestation 1 ist betriebsfähig, um durch zellularen Funkverbindungen
mit einzelnen öffentlichen
Landmobilnetzwerken (PLMNs) zu kommunizieren, die schematisch als
PLMN A und PLMN B gezeigt werden. Die PLMNs A und B können unterschiedliche
Frequenzbänder
ausnutzen. Zum Beispiel ist PLMN A ein GSM-1800 MHz -Netzwerk und PLMN
B ist ein GSM 900 MHz -Netzwerk.
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Allgemein
kommuniziert das Handgerät über eine
zelluläre
Funkverbindung mit seinem Heimnetzwerk PLMN A (, das als HPLMN gezeigt
ist) in einer ersten Konfiguration, dass heißt, in dem ein Frequenzband
verwendet wird, das für
das PLMN A geeignet ist. Wenn jedoch der Benutzer zu PLMN B wandert,
kann eine der Tasten auf dem Handgerät, zum Beispiel, eine der Weichtasten
betrieben bzw. betätigt
werden, um eine zweite betreibbare Konfiguration, dass heißt das Frequenzband,
das mit dem PLMN B verknüpft
ist, auszuwählen.
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3 erläutert die
größeren Schaltungskomponenten
des Telefonhandgerätes 1.
Eine Signalver arbeitung wird unter der Steuerung einer digitalen
Mikrosteuerung 9 ausgeführt,
welche einen verknüpften
Blitzspeicher 10 aufweist. Elektrische analoge Audiosignale
werden durch ein Mikrophon 2 erzeugt und durch einen Vorverstärker 11 verstärkt. Ähnlich werden
analoge Audiosignale an den Lautsprecher 6 durch einen
Verstärker 12 zugeführt bzw. gespeist.
Die Mikrosteuerung 9 empfängt Instruktionssignale von
dem Tastenfeld und den Weichtasten 3, 4 und steuert
einen Betrieb der LCD-Anzeige 5.
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Eine
Information, die die Identität
des Benutzers betrifft, wird auf einer Smart-Karte 13 in
der Form einer GSM-SIM-Karte gehalten, welche die gewöhnliche
GSM-International-Mobil-Teilnehmer-Identität (IMSI
und einen Verschlüsselungsschlüssel Ki enthält,
der zum Enkodieren der Funkübertragung
in einer Weise verwendet wird, die an sich wohl bekannt ist. Die
SIM-Karte wird entfernbar
in einem SIM-Kartenleser 14 aufgenommen.
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Der
Mobiltelefonschaltkreis schließt
ein Codec 15 und eine RF-Stufe 16 ein, die eine
symmetrische Leistungsverstärkerstufe 17,
die die Antenne 7 speist, einschließt. Das Codec 15 empfängt analoge Signale
von dem Mikrophonverstärker 11,
digitalisiert sie in ein GSM-Signalformat und speist sie an die RF-Stufe 16 für eine Übertragung
durch die Antenne 7 an das PLMN, das in 1 gezeigt
wird. Ähnlich werden
Signale, die von dem PLMN empfangen werden, durch die Antenne 7 gespeist,
um in der rf-Stufe 16 demoduliert zu werden und an das
Codec 15 gespeist zu werden, so dass sie analoge Signale
erzeugen, die zu dem Verstärker 12 und
einem Lautsprecher 6 gespeist werden.
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Bezugnehmend
auf 4 umfasst eine Antenne 7 gemäß der Erfindung
eine erste planare leitende Platte 20, die von einer zweiten
planaren leitenden Platte 21 weg und allgemein parallel
dazu beabstandet ist. Jede der ersten und zweiten leitenden Platten 20, 21 formt
eine rechtwinkliges Patchantennenelement, das 18 mm lang und 3 mm
breit ist. Ein leitender Abschnitt 22 erstreckt sich von
einer unteren Ecke jeder leitenden Platte 20, 21,
wobei der Abschnitt 22 auf einem nicht-leitenden Feld 23 auf
einer dritten leitenden Platte 24 ruht, das eine Massefläche formt,
wobei die erste und zweite leitende Platte 20, 21 im
Wesentlichen senkrecht zu der dritten Platte 24 sind. Die
dritte leitende Platte 24 ist zum Beispiel die gedruckte
Leiterplatte (PCB) an der Unterseite, auf welcher die Handgerätekomponenten
montiert sind. Jedes Antennenelement 20, 21 ist
mit der RF-Stufe 16 über
einen Speisepunkt 25 an dem Abschnitt 22 verbunden,
die in 3 gezeigt wird. Das nicht-leitende Feld 23 stellt
eine elektrische Isolation zwischen der dritten Platte 24 und
dem Speisepunkt 25 bereit.
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Die
Antenne könnte
konstruiert sein, indem eine „zwei-Schuß-Formungs"-(MID)-Technik verwendet
wird, welche den Antennenelementen ermöglicht, in den richtigen Positionen
befestigt zu werden. Die MID-Technik sieht Luft zwischen den Elementen
und einem Kunststoff auf ihren Kehrseiten vor, um die Antennenelemente
zu befestigen. Luft zwischen den Elementen, bei dem das elektrische
Feld sich an einem Maximum befindet, minimiert den elektrischen Verlust
der Antenne. Jedoch kann die Antenne ebenso gemacht werden, indem
sie formbares Kunststoff zwischen den Antennenelementen und ein
Luft an den Kehrseiten aufweist. In diesem Fall werden Niedrigverlustplastikmaterialien
bevorzugt verwendet.
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Während der
Entwicklungsphase wird die Antenne 7 abgestimmt, indem
die relative Position der beiden Schlitzelemente 20, 21 verändert werden, die
die kapazitive Kopplung zwischen den Elementen verändern. Die
induktive Kopplung zwischen den Elementen wird ebenso durch die
Versetzung der Elemente gesteuert, wie in 5 gezeigt
wird.
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4 zeigt
ein Extrem einer relativen Position, in welcher die Elemente sich
vollständig überlappen.
Diese Anordnung ist nahe zu der einer Schlitzantenne. Das andere
Extrem einer Position (nicht gezeigt) wird erhalten, indem die Abschnitte 22 jedes der
Patchelemente nahe zusammen derart bewegt werden, dass die Elemente
sich in entgegengesetzte Richtungen erstrecken und sich nicht zu
einem wesentlichen Ausmaß überlappen.
Diese Anordnung ist effektiv eine Dipolantenne. 5 zeigt
eine dipolartige Antennenstruktur, bei der die Gesamtanordnung ähnlich zu 4 ist,
aber in welcher die Geometrie der Platten und einer Stützstruktur
geringfügig
derart anders ist, dass die Antennenelemente 20, 21 sich überhaupt
nicht überlappen.
Die Schlitzantennenelemente 20, 21 sind im Wesentlichen
rechtwinklige Elemente, die 10 mm lang auf 3 mm breit sind, mit
einem Arm 26, der sich 1 mm weit von einer Seite jeder
der Elemente erstreckt, um den Stützabschnitt 22 mit rechten
Winkeln zu treffen.
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Natürlich ist
es möglich,
die Antenne in einer Vielzahl an anderen Wegen abzustimmen, die
die Plattendimensionen oder Form oder ein Ändern des Abstandes zwischen
den Elementen einschließen.
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6 zeigt
das Smith-Diagramm für
die erste Anordnung, die in Relation zu 4 oben beschrieben
ist, während 7 die
Frequenzantwort der Anordnung erläutert, die eine Resonanzfrequenz bei
0,9 GHz zeigt, so dass die Antenne für eine Verwendung in dem GSM-900
MHz-Band geeignet
ist. Die Bandbreite der Antenne ist ungefähr 12 %, wobei sie einen Reflexions- bzw. Rückflussverlust
(S11) von weniger als –8
dB aufweist.
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8 zeigt
das Smith-Diagramm für
die zweite Ausführungsform,
die oben in Relation zu 5 beschrieben wird, wohingegen 9 die
Frequenzantwort der Anordnung erläutert, die eine Resonanzfrequenz
bei 1,85 GHz derart zeigt, dass die Antenne für eine Verwendung in den GSM 1800
MHz und 1900 MHz -Bändern
geeignet ist.
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10 zeigt
eine symmetrische Antenne, wie oben in Relation mit 4 beschrieben,
mit der Hinzufügung
einer erdfreien Masse 27. Die erdfreie Masse 27 ist
ein Bereich aus leitendem Material, dass aus dem gleichen Material
wie die symmetrische Antenne gemacht ist. Die fließende Masse 27 ist
zwischen den Antennenelementen 20, 21 und dem
PCB 24 angeordnet, zum Beispiel 1mm von dem Boden der Antennenelementen 20, 21 und
2 mm von dem PCB 24. Die Länge der erdfreien Masse ist
ungefähr
2 mm kürzer
als die Antennenelemente 20, 21 gemacht. Die erdfreien
Masse 27 wird auf einem Bereich eines dielektrisch-artigen
Kunststoff 28 unterstützt,
welches in der MID-Technik verwendet wird und keine elektrischen
Verbindungen mit der Massefläche 24 oder
den Antennenplatten 20, 21 aufweist. Da die Felder,
die von den beiden Teilen 20, 21 der symmetrischen
Antenne identisch in Größe und entgegengesetzt
in Phase sind, ausgesandt werden, weist die erdfreie Masse die Eigenschaften
einer elektrischen Masse auf.
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Der
Zweck der erdfreien Masse wird in 11a und 11b erläutert. 11a zeigt das elektrische Feld, das erzeugt wird,
wenn die Antenne in Verwendung zwischen den ersten und zweiten Antennenelementen 20, 21,
dem PCB 24 und einer Komponente 29 ist, die auf
das PCB 24 montiert ist, befindet. Das elektrische Feld 30 zwischen
dem ersten Antennenelement 20 und dem PCB 24 wird
durch die Präsenz
bzw. das Vorhandensein der Komponente 29 im Vergleich mit
dem Feld 31 zwischen der zweiten Antennenplatte 21 und
dem PCB 24 geändert.
Der Effekt der Position des ersten Elementes 20 der symmetrischen
Antenne 7 über
der Komponente 29 besteht darin, die Impedanz zu einer
Masse für das
erste Antennenelement 20 zu verringern, welches signifikant
das Antennenverhalten verändern kann.
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11b erläutert
den Effekt eines Einführens
einer erdfreien Masse 27. Die elektrischen Felder 32, 33 zwischen
jedem der Antennenelemente 20, 21 und der erdfreien
Masse 27 werden nicht durch das Vorhandensein der Komponente 29 auf dem
PCB beeinflusst. Deshalb macht die Verwendung einer erdfreien Masse 27 die
PCB-Fläche
unter der Antenne 7 für
ein Montieren von elektrischen Komponenten verfügbar. Die Komponenten werden sich
nicht auf einen Antennenbetrieb auswirken und ihr Betrieb wird sich
wiederum nicht durch das Antennenfeld auswirken.
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Figs. 12 and 13 zeigen
eine weitere Ausführungsform
einer symmetrischen Antenne. Die Antenne weist erste und zweite
im Wesentlichen identische leitende Elemente 35, 36 auf,
die auf beiden Seiten einer 1 mm dicken dielektrischen Schicht 37 angeordnet
sind, die ein Material mit einer hohen dielektrischen Konstante
aufweisen, zum Beispiel größer als
8, zum Beispiel Keramikmaterialien. Die dielektrische Schicht 37,
die in 13 zur zur Klarheit gezeigt
ist, ist 3 mm über
einer Massefläche 38 beabstandet,
zum Beispiel das PCB, zu welchem die Komponenten des Handgerätes montiert
sind. Die dielektrische Schicht 37 ist mit einem nicht-leitenden Abschnitt 39 verbunden,
welcher sich herunter zu dem PCB erstreckt und so die Antennenstruktur über der
Massefläche 38 unterstützt. Die
leitenden Elemente 35, 36, eine dielektrische
Schicht 37 und eine Massefläche 38 sind im Hinblick
zueinander im Wesentlichen parallel.
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Wie
in 14 gezeigt, umfasst jedes Element 35, 36 eine
Stichleitung 40, die 3 mm lang und 1 mm breit ist, die
auf beiden Seiten, an einem Ende, zu identischen Panelen 5,5 mm
lang mal 5,1 mm breit verbunden ist. Insgesamt ist jedes Element 35, 36 im Wesentlichen
rechtwinklig, 14 mm lang mal 5,1 mm breit und weist einen Speisepunkt 41 an
dem freien Ende der Stichleitung 40 auf. Wie in 15 gezeigt wird,
sind die Elemente 35,36 angeordnet, so dass sie
sich überlappen
und einander gegenüberliegen, wobei
ein Element 35 im Hinblick auf das andere 36 derart
umgekehrt ist, dass die Speisepunkte 41 sich an gegenüberliegenden
Enden der Antennenanordnung befinden.
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Die
Antenne, die oben in Beziehung auf 12 und 15 beschrieben
wird, weist ähnliche Eigenschaften
zu der symmetrischen Antenne auf, die in Figs. 4 und 5 gezeigt
wird, in Bezug auf ihr einfaches mit-einer-Schnittstelle-Ausstattens bzw.
Ankoppelns an eine symmetrische Leistungsverstärkerstufe ohne ein verlustbehaftetes
Umwandlungs- bzw. Anpassungsnetzwerk und die Tatsache, das Antennen-induzierte
Ströme
in der Massefläche des
PCB relativ gering sind. Es kann gezeigt werden, dass da einiger
bzw. ein gewisser Strom auf dem PCB vorhanden ist, aber er ist von
der PCB-Position ziemlich unabhängig,
sowohl in Bezug auf Höhe
als auch auf Orientierung. Zum Beispiel würde ein Drehen der Antenne
um 90° das
Strahlungsmuster bzw. Richtdiagramm um 90° drehen. Jedoch wird ein Dipolbetrieb
nicht erhalten egal wie die Abstrahlungselemente im Hinblick zueinander
positioniert werden.
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16 ist
ein Smith-Diagramm der Impedanz an dem symmetrischen Eingang. Dies
zeigt die Niedrigimpedanznatur des Eingangs. 17 zeigt die
Frequenzantwort dieser Antennenanordnung. Die Antenne weist eine
Resonanzfrequenz bei 0,94 GHz auf, bei der sie eine reale Impedanz
von 7,4 Ohm aufweist.