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Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenantenne mit einem Substrat und mindestens einer
resonanten Metallisierungsstruktur, insbesondere zur Oberflächenmontage auf einer
gedruckten Schaltungsplatine (PCB). Die Erfindung betrifft weiterhin eine solche
Schaltungsplatine sowie ein mobiles Telekommunikationsgerät mit einer solchen
Mikrowellenantenne.
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In der mobilen Telekommunikation werden zur Übertragung von Informationen
elektromagnetische Wellen im Mikrowellenbereich verwendet. Beispiele hierfür sind die
GSM-Mobiltelefonstandards in den Frequenzbereichen von 890 bis 960 MHz
(GSM900), von 1710 bis 1880 MHz (GSM1800 oder DCS), sowie von 1850 bis 1990 MHz
(GSM1900 oder PCS), weiterhin das UMTS-Band (1885 bis 2200 MHz), der
DECT Standard für Schnurlostelefone im Frequenzbereich von 1880 bis 1900 MHz,
sowie der Bluetooth-Standard im Frequenzbereich von 2400 bis 2480 MHz, der dazu
dient, Daten zwischen zum Beispiel Mobiltelefonen und anderen elektronischen Geräten
wie zum Beispiel Computern, anderen Mobiltelefonen, usw. auszutauschen.
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Die Antennen strahlen dabei elektromagnetische Energie bei der Ausbildung einer
elektromagnetischen Resonanz ab. Dies erfordert, dass die Länge der Antenne
mindestens gleich einem Viertel der Wellenlänge der ausgesendeten Strahlung ist. Mit
Luft als Dielektrikum (εr = 1) ergibt sich für eine Frequenz von 1000 MHz demnach eine
notwendige Antennenlänge von 75 mm.
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Um die Größe der Antenne bei gegebener Wellenlänge der ausgesendeten Strahlung zu
minimieren, kann als Grundbaustein der Antenne ein Dielektrikum mit einer
Dielektrizitätskonstanten εr > 1 verwendet werden. Dies führt zu einer Verkürzung der
Wellenlänge der Strahlung im Dielektrikum um einen Faktor 1/√εr. Eine auf der
Grundlage eines solchen Dielektrikums konzipierte Antenne wird daher in ihrer Größe
ebenfalls um diesen Faktor kleiner.
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Eine Antenne dieser Art umfasst einen Block (Substrat) aus dielektrischem Material. Auf
die Oberflächen dieses Substrates sind je nach gewünschtem Betriebsfrequenzband oder
-bändern eine oder mehrere resonante Metallisierungsstrukturen aufgebracht. Die Werte
der Resonanzfrequenzen sind von den Dimensionen der aufgedruckten
Metallisierungsstruktur und dem Wert der Dielektrizitätskonstanten des Substrates abhängig. Dabei
sinken die Werte der einzelnen Resonanzfrequenzen mit zunehmender Länge der
Metallisierungsstrukturen sowie mit zunehmenden Werten der Dielektrizitätskonstante. Solche
Antennen werden auch als "Printed Wire Antenna" (PWA) oder "Dielectric Block
Antenna" (DBA) bezeichnet und sind zum Beispiel in der DE 100 49 844.2 und der
DE 100 49 845.0 offenbart.
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Ein besonderer Vorteil dieser Antennen besteht darin, dass sie durch
Oberflächenmontage (SMD-Technik), das heißt durch flaches Auflöten und Kontaktieren - ggf.
zusammen mit anderen Bauteilen - direkt auf eine Schaltungsplatine (PCB - printed
circuit board) aufgebracht werden können, ohne dass zusätzliche Halterungen (Stifte)
zum Zuführen der elektromagnetischen Leistung erforderlich sind.
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Nachteilig bei diesen Antennen ist allerdings die Tatsache, dass ihre elektrischen
Eigenschaften von den Eigenschaften der Umgebung, wie zum Beispiel der Art eines
umgebenden Kunststoffgehäuses und dessen Abstand von der Antenne beeinflusst
werden und auch von dem Ort abhängig sind, an dem sie auf die Schaltungsplatine
aufgelötet werden. Wenn die Antenne zum Beispiel für eine Montage an der rechten
oberen Ecke der Schaltungsplatine dimensioniert ist, führt eine Montage an einer
anderen Stelle zu erheblichen Änderungen ihres Eingangsverhaltens zum Beispiel in
Form einer Verschiebung der Mittenfrequenz, was wiederum eine Änderung des
Abstrahlverhaltens zur Folge hat.
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Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht deshalb darin, eine
Mikrowellenantenne zu schaffen, deren elektrische Eigenschaften zumindest weitgehend unabhängig
davon sind, an welcher Stelle, insbesondere an welcher Ecke einer Schaltungsplatine sie
montiert wird.
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Es soll auch eine Mikrowellenantenne geschaffen werden, deren elektrische
Eigenschaften zumindest weitgehend unabhängig von der Art und dem Abstand eines
umgebenden Gehäuses sind.
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Weiterhin soll eine solche Mikrowellenantenne geschaffen werden, die auch als Dual-
oder Mehrband-Antenne für die eingangs genannten Frequenzbereiche der mobilen
Telekommunikation geeignet ist.
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Schließlich soll auch eine solche Mikrowellenantenne geschaffen werden, deren
Herstellungskosten wesentlich geringer sind als bei vergleichbaren bekannten
Mikrowellenantennen.
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Gelöst wird die Aufgabe gemäß Anspruch 1 mit einer Mikrowellenantenne mit einem
Substrat, mindestens einer resonanten Metallisierungsstruktur und mindestens einem
ersten und einem zweiten Zuführungspunkt zur Einkopplung von abzustrahlender HF-
Leistung, wobei die Zuführungspunkte so angeordnet sind, dass für unterschiedliche
Positionen der Antenne auf einer Schaltungsplatine jeweils ein Zuführungspunkt
auswählbar ist, bei dem die elektrischen Eigenschaften der Antenne zumindest im
wesentlichen unverändert sind.
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Ein besonderer Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass sie auf Antennen für alle der
eingangs genannten Frequenzbereiche und auch für Dual- und Mehrbandantennen
anwendbar ist.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Mit den Ausführungen gemäß den Ansprüchen 2, 3 und 4 bleiben die elektrischen
Eigenschaften der Antenne bei einer Veränderung ihrer Position in besonders hohem
Maße unverändert.
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Die Ausführung gemäß Anspruch 5 hat den Vorteil, dass die Antenne auch in
eingebautem Zustand im Hinblick auf ihre Resonanzfrequenzen abstimmbar ist. Dies betrifft in
besonderem Maße die Ausführung gemäß Anspruch 7, wenn bei dieser die
Metallisierungsstruktur auf der betreffenden Schaltungsplatine aufliegt und somit nach der
Montage der Antenne nicht mehr zugänglich ist.
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Die Ausführung gemäß Anspruch 7 hat den Vorteil, dass sich erhebliche
Kosteneinsparungen bei der Herstellung ergeben, da das Substrat nur auf einer Seite mit einer
Metallisierungsstruktur bedruckt (oder geätzt) werden muss. Eine weitere
Kosteneinsparung ergibt sich dann, wenn die Antenne so auf der Schaltungsplatine montiert wird,
dass die die Metallisierungsstruktur tragende Hauptfläche des Substrates auf der
Schaltungsplatine aufliegt, da in diesem Fall keine Zuführungsstifte, sondern nur
Lötpunkte zur Kontaktierung der Metallisierungsstruktur erforderlich sind.
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Mit den Ausführungen gemäß den Ansprüchen 6 und 8 lassen sich schließlich besonders
gute Antenneneigenschaften in den eingangs genannten Frequenzbereichen im Hinblick
auf die Ausprägung der Resonanzfrequenzen erzielen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der Antenne;
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Fig. 2 schematisch eine Schaltungsplatine mit einer erfindungsgemäßen Antenne an
verschiedenen Stellen;
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Fig. 3 eine Darstellung des Verlaufes der S11-Parameter der Antenne gemäß der ersten
Ausführungsform;
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Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Antenne; und
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Fig. 5 eine Darstellung des Verlaufes der S11-Parameter der Antenne gemäß der zweiten
Ausführungsform.
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Die beschriebenen Antennen 10 sind von ihrem Grundtyp sogenannte "Printed Wire
Antenna" (PWA) oder "Dielectric Block Antenna" (DBA), bei denen mindestens eine
resonante Metallisierungsstruktur 1 auf ein Substrat 11 aufgebracht ist. Prinzipiell
handelt es sich bei diesen Antennen somit um Drahtantennen, die im Gegensatz zu
Mikrostreifenleitungs-Antennen keine ein Bezugspotential bildende metallische Fläche
auf der Rückseite des Substrates 11 aufweisen.
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Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen weisen ein Substrat 11 aus einem im
wesentlichen quaderförmigen Block auf, dessen Höhe etwa um einen Faktor 3 bis 10
kleiner ist, als dessen Länge oder Breite. Davon ausgehend soll in der folgenden
Beschreibung die in der Darstellung der Fig. 1 und 4 obere (große) Fläche des
Substrates 11 als obere Hauptfläche, die auf einer Schaltungsplatine 20 aufliegende
Fläche als untere Hauptfläche und die demgegenüber senkrechten Flächen als
Seitenflächen bezeichnet werden.
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Anstelle eines quaderförmigen Substrates können jedoch auch andere geometrische
Formen wie zum Beispiel eine Zylinderform gewählt werden, auf die eine entsprechende
resonante Metallisierungsstruktur mit zum Beispiel spiralförmigem Verlauf aufgebracht
ist.
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Die Substrate können durch Einbetten eines keramischen Pulvers in eine Polymermatrix
hergestellt werden und haben eine Dielektrizitätszahl von εr > 1 und/oder eine
Permeabilitätszahl von µr > 1.
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Im einzelnen umfasst die erste Ausführungsform der Antenne 10 gemäß Fig. 1 ein
quaderförmiges dielektrisches Substrat 11 mit einer Länge von etwa 10,5 mm, einer
Breite von etwa 2,4 mm und einer Höhe von 1 mm. Das Substratmaterial hat eine
Dielektrizitätskonstante εr von etwa 21,5.
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Auf die untere Hauptfläche des Substrates 11 ist eine erste resonante
Metallisierungsstruktur 1 (gestrichelt angedeutet) aufgebracht, die über einen ersten Anschlusspunkt 2
(Lötpunkt) mit einem Massepotential verbunden ist. Die Metallisierungsstruktur 1 kann
durch eine oder mehrere einzelne Metallisierungen in Form von Leiterbahnen mit
gegebenenfalls auch unterschiedlicher Breite gebildet sein. Sie verläuft bei der
dargestellten ersten Ausführungsform im wesentlichen mäanderförmig über die gesamte Länge
des Substrates und hat eine elektrisch wirksame Länge L' von L/√εr, wobei L die
Wellenlänge des Signals im freien Raum ist. Die Metallisierungsstruktur wird so bemessen, dass
ihre Länge etwa der Hälfte der Wellenlänge entspricht, mit der die Antenne
elektromagnetische Leistung abstrahlen soll. Zum Beispiel ergibt sich für die Anwendung der
Antenne im Bluetooth-Standard, der in einem Frequenzbereich zwischen 2400 und
2483,5 MHz arbeitet, eine Wellenlänge L von etwa 12,5 cm im freien Raum. Bei einer
Dielektrizitätskonstante εr des Substrates von 21,5 verkürzt sich die halbe Wellenlänge
0,5 L' und damit die erforderliche geometrische Länge der Metallisierungsstruktur 1 auf
etwa 13,48 mm.
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Die resonante Metallisierungsstruktur 1 könnte auch in das Substrat 11 eingebettet sein.
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Zusätzlich zu der resonanten Metallisierungsstruktur 1 befinden sich auf der unteren
Hauptfläche des Substrates 11 mindestens zwei weitere Metallisierungsstrukturen, die als
Zuführungspunkte 3, 4 zur kapazitiven Einspeisung der abzustrahlenden HF-Leistung
dienen.
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Gemäß Fig. 1 sind dies ein erster Zuführungspunkt 3 sowie ein zweiter
Zuführungspunkt 4, die im Bereich des ersten Anschlusspunktes 2 an gegenüberliegenden Rändern
der unteren Hauptfläche des Substrates 11 symmetrisch zur Längsachse des Substrates
11 angeordnet sind. Die Zuführungspunkte 3, 4 haben dabei aus fertigungstechnischen
Gründen vorzugsweise einen Abstand von etwa 200 µm vom Rand des Substrates 11.
Die Zuführungspunkte 3, 4 werden ebenso wie der erste Anschlusspunkt 2 auf
entsprechende Kontaktpunkte einer Schaltungsplatine 20 gelötet.
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Da sich somit drei Lötpunkte (2, 3, 4) im Bereich eines längsseitigen Endes des
Substrates 11 befinden, sind zur Verbesserung der mechanischen Belastbarkeit zum Beispiel
im Falle einer Biegung der Schaltungsplatine 20 und zur Sicherstellung eines
zuverlässigen Kontaktes weitere Lötpunkte 5 vorgesehen, die aus mechanischen Gründen im
Bereich des gegenüberliegenden längsseitigen Endes des Substrates 11 auf der unteren
Hauptfläche angeordnet sind.
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Fig. 2 zeigt schematisch eine Schaltungsplatine 20, die die für ein mobiles
Telekommunikationsgerät typischen Abmessungen von zum Beispiel 90 × 35 mm2 aufweist. Eine
Antenne 10 wird dabei üblicherweise an einer der vier Ecken einer solchen
Schaltungsplatine 20 befestigt. In Fig. 2 ist an der oberen linken und rechten Ecke jeweils eine
Antenne 10 dargestellt, um zwei der möglichen Einbaupositionen zu verdeutlichen.
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Weiterhin ist in Fig. 2 zu erkennen, dass der erste Anschlusspunkt 2 für die resonante
Metallisierungsstruktur 1 jeweils auf eine erste Leiterbahn 21 bzw. 22 (Masseanschluss)
gelötet wird. Die kapazitive Einspeisung der abzustrahlenden HF-Leistung erfolgt über
eine zweite bzw. dritte Leiterbahn 23; 24. Entscheidend dafür, dass die elektrischen
Eigenschaften der Antenne 10 unabhängig von ihrer Positionierung an einer der Ecken
der Platine 20 ist, ist die jeweils geeignete Auswahl des Zuführungspunktes 3, 4 für diese
Einspeisung.
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Wie in der Fig. 2 zu erkennen ist, wird bei einer Positionierung der Antenne 10 in der
linken oberen Ecke der erste Zuführungspunkt 3 gewählt und auf die erste Leiterbahn 23
gelötet, während bei einer Positionierung der Antenne 10 an der rechten oberen Ecke der
zweite Zuführungspunkt 4 mit der zweiten Leiterbahn 24 kontaktiert wird. Der jeweils
nicht verwendete Zuführungspunkt 4; 3 bleibt frei und befindet sich somit auf
schwimmendem Potential.
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Bei einer Positionierung der Antenne 10 an der in Fig. 2 linken unteren bzw. rechten
unteren Ecke gilt spiegelsymmetrisch das gleiche.
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Für die beiden in Fig. 2 gezeigten Positionen der Antenne 10 wurden Messungen der
S11-Parameter durchgeführt und miteinander verglichen. Das Ergebnis dieser Messungen
ist in Fig. 3 gezeigt. Die gestrichelte Linie I zeigt den Verlauf der S11-Parameter der
Antenne 10 in der linken oberen Ecke der Schaltungsplatine, während sich für die
Positionierung der Antenne 10 in der rechten oberen Ecke die S11-Parameter gemäß der
durchgezogenen Linie II ergaben. Die in der Fig. 2 erkennbare Differenz der beiden
Resonanzfrequenzen von etwa 2 MHz wurde durch die Tatsache verursacht, dass die
beiden Positionen nicht ganz exakt reproduzierbar waren.
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Zur Realisierung einer Dual- oder Mehrbandantenne können auch zwei oder mehr
resonante Metallisierungsstrukturen 1 auf das Substrat 11 aufgebracht oder in dieses
eingebettet werden.
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Weiterhin hat sich überraschend gezeigt, dass es zur Erzielung der gewünschten
elektrischen Eigenschaften der Antenne 10 ausreichend ist, die resonante
Metallisierungsstruktur 1 vollständig auf nur eine der Hauptflächen des Substrates 11
aufzubringen, insbesondere wenn sie den gezeigten mäanderförmigen Verlauf (oder einen
anderen geeigneten Verlauf) hat. Wenn auf dieser Hauptfläche auch die Zuführungs- und
Anschlusspunkte 3, 4; 2 liegen, ergibt sich der entscheidende Vorteil, dass die
Herstellungskosten der Antenne wesentlich vermindert werden können, da das Substrat 11
nicht mehr dreidimensional bedruckt werden muss, um die üblicherweise auf mehrere
Flächen verteilten Metallisierungsstrukturen 1 aufzubringen.
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Wenn außerdem die Antenne 10 so auf der Schaltungsplatine 20 montiert wird, dass die
die Metallisierungsstrukturen 1, 2, 3, 4 tragende Hauptfläche die untere Hauptfläche ist,
sind auch keine Zuführungsstifte (sondern nur Lötpunkte) zur Kontaktierung der
Metallisierungsstrukturen erforderlich.
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Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne 10, wobei
gleiche oder einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1
bezeichnet sind.
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Auch diese Antenne 10 umfasst ein Substrat 11, auf dessen in der Darstellung untere
Hauptfläche eine resonante Metallisierungsstruktur 1 aufgebracht ist. Diese
Metallisierungsstruktur 1 ist wiederum über einen ersten Anschlusspunkt 2 mit einem
Massepotential einer Schaltungsplatine (nicht dargestellt) verbunden und wird kapazitiv über
Zuführungspunkte gespeist. Neben einem ersten und einem zweiten Zuführungspunkt 3,
4, die denen der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 entsprechen, sind bei dieser
zweiten Ausführungsform zusätzlich ein dritter und ein vierter Zuführungspunkt 6, 7
vorgesehen, die symmetrisch zur Querachse des Substrates zu dem ersten bzw. zweiten
Zuführungspunkt 3, 4 angeordnet sind.
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Weiterhin weist diese Antenne 10 einen zweiten Anschlusspunkt 8 auf, der an dem ersten
Anschlusspunkt 2 gegenüberliegenden Ende der Metallisierungsstruktur 1 angeordnet
und mit einer Leiterbahn 9 auf der Schaltungsplatine (nicht dargestellt) verbunden ist.
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Bei dieser Leiterbahn 9 handelt es sich um eine Abstimmleitung, mit der die
Resonanzfrequenz der Metallisierungsstruktur 1 in eingebautem Zustand der Antenne 10
abgestimmt werden kann, indem zum Beispiel deren Länge mit einem Laserstrahl verkürzt
wird. Die Antenne 10 ist somit in eingebautem Zustand abstimmbar, obwohl die
Metallisierungsstruktur 1 auf der unteren Hauptfläche des Substrates 11 in diesem
Zustand nicht mehr zugänglich ist.
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In Fig. 5 ist das Eingangsverhalten der Antenne 10 in Form ihrer S11-Parameter für
zwei unterschiedliche Längen dieser Leiterbahn 9 dargestellt. Die gestrichelte Linie I
zeigt den Verlauf der S11-Parameter bei einer Länge der Leiterbahn 9 von etwa 3 mm,
während die durchgezogene Linie II diesen Verlauf nach einer Verkürzung der
Leiterbahn 9 auf etwa 2 mm darstellt. Die Verläufe zeigen deutlich, dass sich die
Resonanzfrequenz der Antenne 10 dabei von etwa 2,4 GHz auf etwa 2,45 GHz verschiebt.
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Weiterhin hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass aufgrund der symmetrischen
Anordnung von vier Zuführungspunkten 3, 4, 6, 7 die Antenne 10 gegebenenfalls auch in
einer um 180 Grad in der Darstellungsebene gedrehten Stellung auf einer
Schaltungsplatine 20 montiert werden kann. Dadurch ist zum Beispiel bei der Massenfertigung eine
optische Kontrolle der richtigen Positionierung der Antenne 10 auf der Schaltungsplatine
20 überflüssig, so dass Zeit und Kosten eingespart werden können.
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Im Hinblick auf die Positionierung der Antenne 10 gilt darüber hinaus das gleiche wie für
die erste Ausführungsform und die Beschreibung in Bezug auf das Fig. 2. Die nicht
verwendeten Zuführungspunkte bleiben auch bei dieser Ausführungsform frei.
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Schließlich weist diese zweite Ausführungsform eine alternative Metallisierungsstruktur
1 auf, die sich im wesentlichen geradlinig entlang der Länge des Substrates 11 etwa in
der Mitte der (unteren) Hauptfläche erstreckt. Entlang dieser Metallisierungsstruktur 1
sind zwei Lötpunkte 5 vorgesehen, die wiederum zur zusätzlichen mechanischen
Fixierung der Antenne 10 auf der Schaltungsplatine 20 dienen.
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Die erfindungsgemäßen Antennen 10 sind somit ohne Änderung ihrer Abmessungen,
ihrer Metallisierungsstrukturen oder ihrer Anschlüsse zur Anwendung auf gedruckten
Schaltungsplatinen mit unterschiedlichen Layouts geeignet. Damit ergibt sich
insbesondere im Falle mehrerer resonanter Metallisierungsstrukturen für verschiedene
Frequenzbänder der eingangs genannten Art eine universelle Anwendbarkeit für
unterschiedliche Geräte der mobilen Telekommunikation.
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Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass im Falle einer Dual- oder
Mehrbandantenne mit einer Mehrzahl von Metallisierungsstrukturen 1 für jede solche
Metallisierungsstruktur 1 eine zur Abstimmung von deren Resonanzfrequenz dienende
Leiterbahn 9 auf der Schaltungsplatine 20 vorgesehen sein kann.
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Weiterhin kann natürlich auch eine Substratantenne, die nicht mit den beschriebenen
symmetrisch angeordneten Zuführungspunkten 3, 4, 6, 7 versehen ist, oder deren
Metallisierungsstruktur(en) sich über mehrere Flächen des Substrates 11 erstrecken, mit
einer auf der betreffenden Schaltungsplatine 20 angeordneten Leiterbahn 9 verbunden
werden, mit der die Resonanzfrequenz der betreffenden Metallisierungsstruktur 1 durch
Veränderung der Länge der Leiterbahn 9 abgestimmt werden kann. Die Abstimmbarkeit
mit Hilfe einer solchen Leiterbahn 9 ist somit nicht auf solche Antennen beschränkt, die
symmetrische Zuführungspunkte aufweisen oder deren Metallisierungsstruktur sich nur
auf einer Hauptfläche erstreckt.