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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Antennenvorrichtung, eine Satellitenantenne sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer Antennenvorrichtung. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Antenne für GNSS-Systeme.
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Viele Anwendungen in den Bereichen Positionsbestimmung, Vermessung und Navigation mit Hilfe von globalen Satellitennavigationssystemen (GNSS) benötigen Antennen, die ein möglichst hohes Signal-zu-Rauschleistungsdichte-Verhältnis (C/N0, Maß für die Empfangssignalqualität) ermöglichen und ausreichende Mehrwegeunterdrückung sowie möglichst geringe Phasenzentrumsvariationen aufweisen. Die technologische Herausforderung besteht darin, eine Lösung zu finden, die nicht nur sämtliche Anforderungen an Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfüllt, sondern auch möglichst kostengünstig realisierbar ist. In der
DE 10 2007/004612 B4 wird ein Antennenkonzept beschrieben, das obige Anforderungen bis zu einem gewissen Grad erfüllt (vgl. [2]). In diesem Zusammenhang sei auch auf den Stand der Technik [4] verwiesen. Als Beispiel dient die in
3a und
3b dargestellte Antenne, welche alle L-Band-Signale der vier globalen Satellitennavigationssysteme GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou/Kompass, deren Frequenzbereich in
3c dargestellt ist, empfängt und mit allen üblichen GNSS-Empfängern kompatibel ist.
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Als guter Kompromiss zwischen einer effektiven Mehrwegeunterdrückung und der Fähigkeit, Signale von tief stehenden Satelliten zu empfangen, gilt für die meisten GNSS-Anwendungen eine 10-dB-Keulenbreite von ca. 180°. Die mit diesem Design erzielten Werte liegen zwischen 150° und 180° [3].
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Zusätzlich ist der Antennenwirkungsgrad η von Interesse, denn dieser ist maßgebend für das erzielbare Signal-zu-Rauschleistungsdichte-Verhältnis C/N0. Um alle Nichtidealitäten des Vier-Punkt-Speisenetzwerks auszuschließen, werden im Folgenden für die kopolare Komponente (RHCP, rechtshändig zirkulare Polarisation) Direktivität D (auch als Richtfaktor bezeichnet) und Gewinn G bei einer idealen Amplituden- und Phasenbelegung (gleiche Amplituden und Phasenprogression 0°, -90°, -180°, -270°) sowie einer sehr guten Impedanzanpassung der vier Anschlüsse (VSWR<1,5:1, Verluste wegen Fehlanpassung vernachlässigbar, z.B. <0,2 dB) analysiert.
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Es gilt (im linearen Maßstab):
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3d zeigt Richtdiagramme (vertikaler Schnitt, RHCP der GNSS-Antenne gemäß 3a ohne Speisenetzwerk (ideale Amplituden- und Phasenbelegung, VSWR<1, 5:1. Hierdurch ergibt sich ein Gewinn, der durch die durchgezogene Linie gekennzeichnet ist, und eine Direktivität, die durch die punktierte Linie gekennzeichnet ist, in dBiC. Die in 3d gezeigten Ergebnisse sind exemplarisch für die höchste (1,61 GHz) und die niedrigste (1,16 GHz) Frequenz des GNSS-Frequenzplans aus 3c Es sind Verluste von ca. 2 dB zu erkennen, die bisher nicht reduziert werden konnten. Auch deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Antennenvorrichtung zu schaffen, die einen verbesserten Kompromiss aus Einfachheit, Robustheit und vor allem geringen Produktionsaufwand bei höherer Effizienz bietet.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Antennenvorrichtung mit einer Massefläche sowie einem Flächenstrahler. Der Flächenstrahler ist zweigeteilt ausgeführt und umfasst ein Fußelement und ein Deckelelement. Das Fußelement hat einen Grundflächenbereich, z. B. einen planaren Bereich) und zumindest vier umgekantete Bereiche (vier umgekantete Wandbereiche oder Ecken) über welche das Fußelement gegenüber der Massefläche abgestützt wird. Das Deckelelement ist mit dem Grundflächenbereich so gekoppelt, dass das Deckelelement von der Massefläche beabstandet ist.
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Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Konzept aus 3a und 3b durch einen zweigeteilten Flächenstrahler hinsichtlich seiner Effizienz weiter verbessert werden kann, wenn ein zusätzliches Deckelelement vorgesehen wird, sodass der Flächenstrahler eine „Pilzform“ ausbildet, wobei sich der so geschaffene Flächenstrahler weiterhin durch breitbandig anpassbare Strahlerelemente und insbesondere einfachem Aufbau, Robustheit und vor allem geringen Produktionskosten auszeichnet.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ist der Flächenstrahler bzw. insbesondere der Fuß des Flächenstrahlers durch eine planpolygone oder planquadratische Form, wie z. B. ein viereckiges Blech, gebildet, bei welchem umgebogene Ecken die umgekanteten Bereiche formen. Wenn man von der planquadratischen bzw. viereckigen Form ausgeht, sind die umgekanteten Bereiche also durch die (vier) umgekanteten Ecken geformt. Diese sind alle in dieselbe Richtung und sind bevorzugterweise auch um denselben Grad umgeformt und weisen dieselbe Größe auf, so dass der Grundflächenbereich parallel bzw. im Wesentlichen parallel zu der Massefläche verläuft. Wenn man entsprechend den Ausführungsbeispielen davon ausgeht, dass das Deckelelement (beispielsweise geformt durch ein Blech) mit dem Grundflächenbereich verbunden ist bzw. mit einem vordefinierten Abstand beabstandet ist, verläuft dieses entsprechende Ausführungsbeispiel auch parallel zu der Massefläche. Entsprechend Ausführungsbeispielen weist der Flächenstrahler zumindest vier Symmetrieachsen auf, die parallel zu der Massefläche verlaufen. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann das Deckelelement ebenfalls eine planpolygone oder planquadratische oder auch eine runde Form aufweisen.
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Erfindungsgemäß ragt das Deckelelement in lateraler Sicht über die Grundfläche hinaus. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann der über den Grundflächenbereich hinausragende Bereich des Deckelelements zu der Massefläche hingebogen sein oder alternativ auch von selbiger weg. All die oben erläuterten Varianten sind als Ausgangsprodukt durch einfache polygone oder runde Bleche, im Allgemeinen symmetrische Bleche (mit mindestens zwei oder vier Symetrieachsen) realisierbar, die durch einfaches Umkanten und miteinander Verbinden den Flächenstrahler formen. Diese Variante ist kostengünstig herstellbar und bietet gleichzeitig sehr gute Abstrahleigenschaften, wie z. B. eine höhere Antenneneffizienz.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Massefläche rund oder polygon ausgeführt sein, wobei entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen der Flächenstrahler zentral auf die Massefläche angeordnet ist. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Antennenvorrichtung eine Mehrzahl von parasitären Elementen, wie z. B. aus der Massefläche herausragende Stäbe oder Biegeteile aufweisen, die um die Flächenstrahler herum (beispielsweise radialsymmetrisch oder ringförmig) angeordnet sind. Diese parasitären Elemente sind dauerhaft mit der elektrischen Masse kurzgeschlossen. Bezüglich der Höhe dieser parasitären Elemente sei angemerkt, dass diese entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen den Flächenstrahler überragen, aber auch entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen eine gleich hohe oder geringere Höhe im Vergleich zu dem Flächenstrahler haben. Beispielsweise dienen diese parasitären Elemente zur Keulenformung.
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Bei obigen Ausführungsbeispielen wurde erläutert, dass ein viereckiges Blech zur Formung des Fußelements gut geeignet ist. Die vier umgekanteten Ecken des viereckigen Fußelements können die vier Speisepunkte formen. Hierbei kann beispielsweise unterhalb der Massefläche ein entsprechendes Speisenetzwerk mit zugehöriger Schaltung und/oder auch mit spezieller Leiterbahnführung, nämlich einer mäanderförmigen Leiterbahnführung ausgebildet sein.
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Ein Ausführungsbeispiel umfasst eine Satellitenantenne zum Empfang von elektromagnetischer Strahlung, z. B. für GNSS-Signale.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zur Herstellung der oben erläuterten Vorrichtung. Dieses Verfahren umfasst je drei Basisschritte des „Bereitstellens einer Massefläche“, des „Umkantens von den umgekanteten Bereichen des Fußelements gegenüber dem Grundflächenbereich, um das Fußelement zu formen“ sowie „des Anordnens des Deckelelements“ gegenüber der Massefläche mittels des Fußelements, so dass das Deckelelement gegenüber der Massefläche beabstandet ist. Wie oben bereits erläutert, sind diese hier verwendeten Herstellungstechnologien einfache Umformtechniken, so dass im Resultat eine kostengünstige Herstellung erzielt werden kann.
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Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Es zeigen:
- 1a, 1b dreidimensionale, schematische Darstellungen einer Antennenvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen mit optionalen Elementen;
- 1c schematische Richtungsdiagramme zur Illustration der Antenneneigenschaften der Antenne aus 1a und 1 b gemäß Ausführungsbeispielen;
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Antennenvorrichtung gemäß eines erweiterten Ausführungsbeispiels; und
- 3a-d schematische Darstellungen zur Illustration des Stands der Technik.
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren im Detail erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
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1a zeigt eine Antennenvorrichtung 10 in einer dreidimensionalen Darstellung von oben, während 1b dieselbe Antennenvorrichtung 10 in einer dreidimensionalen Darstellung von unten illustriert.
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Die Antennenvorrichtung 10 umfasst eine Massefläche 12 sowie einen Flächenstrahler 14. Dieser Flächenstrahler 14 ist zweiteilig ausgeführt und umfasst das Fußelement 14a sowie das Deckelelement 14b. Zusätzlich weist die hier dargestellte Antennenvorrichtung 10 auch noch optionale parasitäre stabförmige Elemente 16 auf, die aus der Massefläche 12 herausragen und den Flächenstrahler 14 umgeben.
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Die Massefläche 12 ist ein beispielsweise ebenes Element mit einer runden oder alternativ auch polygonen (viereckigen, sechseckigen oder vieleckigen) Form. Die runde oder polygonförmige Massefläche 12 kann optionaler Weise ein z. B. auf der Unterseite angeordnetes Speisenetzwerk 12s aufweisen (vgl. 1b), das mit dem Speisenetzwerk aus 3b vergleichbar ist. Die Massefläche ist hinsichtlich ihrer longitudinalen Ausdehnung größer als der Flächenstrahler 14, der entsprechend einer bevorzugten Ausführung zentral angeordnet ist. Bei der hier dargestellten Variante handelt es sich um eine runde Massefläche 12, so dass der Flächenstrahler 14 also im Bereich des Mittelpunkts angeordnet ist.
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Der Flächenstrahler 14 ist zweigeteilt ausgeführt und umfasst das Fußelement 14a und das Deckelelement 14b. Beide Elemente können entsprechend einer bevorzugten Variante durch Bleche bzw. umgefalzte Bleche geformt sein. Durch die Umfalzung entstehen bei dem Fußelement 14a zwei Bereiche, nämlich der umgekantete Bereich 14au sowie der Grundbereich 14ag. Das Fußelement 14a ist in diesem Ausführungsbeispiel durch ein viereckiges Blech (planquadratische Form) gebildet, bei welchem alle vier Ecken (Umkantenbereiche 14au) in gleicher Art und Weise umgekantet sind. Hierbei meint gleiche Art und Weise, dass beide um den gleichen Winkel, wie beispielsweise 90°, in die gleiche Richtung umgekantet sind und die umgekanteten Dreiecke auch gleiche Schenkellängen aufweisen. Bei Anordnung des Fußelements 14a auf der Massefläche 12 über die umgekanteten Bereiche 14au verläuft infolge der gleichen Ausprägung der umgekanteten Bereiche 14au die Grundfläche 14ag parallel zu der Massefläche 12. Durch die Umkantung der Bereiche 14au ergibt sich für die Grundfläche 14ag eine viereckige oder auch beispielsweise eine achteckige Form, je nachdem wie groß die umgekanteten Bereiche 14au im Vergleich zum Grundflächenbereich 14ag sind. Infolge der identischen Ausprägung der (vier) umgekanteten Ecken 14au weist das dreidimensionale Fußelement 14a eine symmetrische Form mit vier Symmetrieachsen auf, die parallel zu der Grundfläche 14ag bzw. parallel zu der Massefläche 12 verläuft. Auf der Grundfläche 14ag ist das Deckelelement 14b angeordnet, d. h. entweder direkt auf dieses aufgesetzt oder leicht von selbigem beabstandet, so dass der Abstand zwischen dem Deckelelement 14b und dem Masseelement 12 im Wesentlichen durch das Fußelement 14a definiert wird. Das Deckelelement 14b kann ebenfalls eine polygone, wie z. B. eine planquadratische Form oder, wie hier dargestellt, eine runde Form aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel ragt das Deckelelement 14b auch über den durch die Grundfläche 14ag definierten Bereich raus. Wie insbesondere in 1b ersichtlich wird, sind diese hinausragenden Bereiche 14br halbrunde Elemente. Wenn man davon ausgeht, dass das Deckelelement 14b auf dem Fußelement aufliegt oder über demselben angeordnet ist, verläuft dieses im Wesentlichen parallel zu der Massefläche 12. Dies gilt insbesondere, wenn, wie hier dargestellt, es sich beim Deckelelement 14b um ein flaches Deckelelement (hier ein scheibenförmiges) handelt.
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Bezüglich des gesamten Flächenstrahlers 14, der aus Metallblechen oder anderen leitenden Elementen geformt sein kann und deshalb auch als Blechstrahler bezeichnet ist, sei angemerkt, dass dieser als Gesamtes ebenfalls mindestens vier Symmetrieachsen aufweisen kann, die in einer Ebene parallel zu der Massefläche 12 verlaufen.
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Wie oben bereits angemerkt, weist die hier dargestellte Antennenvorrichtung 10 optionalerweise eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen parasitären Elementen 16 (z. B. Stäbe oder Streifen) auf, die auf der Massefläche 12 radialsymmetrisch um den Strahler herum angeordnet sind. Die hier dargestellten parasitären Elemente 16 sind z.B. durch Laser-Biegeteile oder Stanzbiegeteile realisiert. Die Höhe dieser parasitären Elemente übersteigt in diesem Ausführungsbeispiel die Höhe des Blechstrahlers 14.
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Im Vergleich zu ähnlichen, auch im Stand der Technik bekannten Antennenvorrichtungen (vgl. 3a), weist die neue Antennenvorrichtung 10 eine höhere Effizienz auf. Des Weiteren wurde mit dieser Antennenvorrichtung 10 eine 10-dB-Keulenbreite von ca. 180° in einem größeren Frequenzbereich, d. h. zumindest im gesamten GNSS-Frequenzbereich im L-Band erreicht. In diesem Zusammenhang sei beispielsweise auf die Richtdiagramme aus 1c hingewiesen, die einen vertikalen Schnitt im RHCP-Modus für die neue GNSS-Antenne 10 zeigen. Es wird von idealer Amplituden- und Phasenbelegung, VSWR<1,5:1 ausgegangen. Der Gewinn ist mittels der durchgezogenen Linie markiert, die Direktivität mittels der punktierten Linie, weil alle Werte in dBic angegeben sind. Insbesondere der Vergleich zu den Richtdiagrammen aus 3d legt die verbesserte Charakteristik nahe. Damit ermöglicht das neue Antennenkonzept 10 insbesondere für die geodätische Anwendung eine höhere Genauigkeit, Verfügbarkeit und Verlässlichkeit der Positionsbestimmung.
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Entsprechend Ausführungsbeispielen ist das Speisenetzwerk 12s über die vier Verbindungspunkte 12v, an welchen das Fußelement 14a, bzw., um genau zu sein, der umgekantete Bereich 14a mit der Massefläche 12 verbunden ist, elektrisch mit dem Flächenstrahler 14 angekoppelt.
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Bevor auf erweiterte Ausführungsbeispiele eingegangen wird, wird kurz das Herstellungsverfahren beschrieben. Bei diesen Herstellungsverfahren wird von einer bereitgestellten Massefläche 12, die bevorzugterweise plan ist, ausgegangen, wobei Speisesubstrat bzw, allgemein die Antenne wie oben erläutert, das Speisenetzwerk 12s umfassen kann. Auf diese Massefläche wird das Fußelement 14a entweder vor oder nach Verbindung desselben mit dem Deckelelement 14b über die Verbindungspunkte 12v befestigt, so dass oberhalb des Fußelements 14a ein zusätzlich elektrisch leitfähiges Element (mit oder vorzugsweise ohne Abstand) vorgesehen ist bzw. angebracht wird. Das Anbringen des Deckelelements 14b gegenüber dem Fußelement 14a erfolgt so, dass das Deckelelement 14b über den Rand des unteren Fußelements 14a hinausragt. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann vor dem Schritt des Anbringens auch noch der Schritt des Umfalzens des Fußelements 14a vorgesehen sein.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren den Schritt des Herstellens, z. B. durch Herausbiegen aus der Massefläche 12 bzw. allgemein des Anordnens einer Mehrzahl von elektrisch leitfähigen parasitären Elementen, wie z. B. acht oder mehr. Das Anordnen erfolgt so, dass die galvanisch mit der Massefläche 12 verbunden sind.
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Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel erläutert.
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2 zeigt eine Antennenvorrichtung 10' mit einer Massefläche 12, die hier ebenfalls rund ausgeführt ist und einen zentral auf der Massefläche 12 angeordneten Flächenstrahler 14'. Dieser umfasst das Fußelement 14a' sowie das Deckelelement 14b'. Das Fußelement 14a' ist vergleichbar mit dem Fußelement 14a und ebenfalls über die vier umgekanteten Ecken 14au' an den Verbindungspunkten der Massefläche 12 angebunden, die mit dem Bezugszeichen 12v' gekennzeichnet sind. Das Deckelelement 14b' ist in diesem Ausführungsbeispiel als polygones Element geformt, weil die überstehenden Bereiche 14bu' in Richtung der Massefläche 12 gebogen sind. Die vier überstehenden Bereiche 14bu' weisen eine Trapezform auf und sind ca. 45° zu der Massefläche 12 hingebogen und an dieser Stelle sei angemerkt, dass auch andere Winkel, wie z. B. 5°, 10°, 25° oder allgemein im Bereich von 5-75° oder 1-89° denkbar wären. Auch ist es nicht zwingend erforderlich, dass bei einem gebogenen Deckel 14b' die umgebogenen Elemente 14bu' trapezförmig sind. Auch wären halbkreisförmige oder dreiecksförmige oder auch rechteckige Elemente denkbar. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt die Grundfläche 14bg' des Deckels 14b' auf der Grundfläche des Fußelements 14a' auf, so dass die Grundfläche 14bg' ebenso wie die Grundfläche des Fußes 14a' dieselbe Form, hier eine rechteckige Form ausbildet. Die Biegekanten für die biegbaren Bereiche 14bu' verlaufen entsprechend Ausführungsbeispielen im Wesentlichen parallel bzw. sogar im Wesentlichen deckungsgleich zu den Biegekanten des Fußelements 14a' zwischen der Grundfläche und dem umgekanteten Bereich 14au'.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die parasitären Elemente nicht als stanzgebogen oder lasergebogene Elemente gebildet, sondern durch senkrecht herausragende parasitäre Elemente, hier senkrechte Stäbe 16' (beispielsweise 12').
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Diese Ausführungsbeispiele zeichnen sich durch einfache, mechanisch stabile und kostengünstige Herstellbarkeit aus und sind im Vergleich zu ähnlichen, aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen wesentlich effizienter. Des Weiteren weisen sie eine bessere Form der Richtcharakteristik für GNSS-Anwendungen (kardioidenförmig, 10-dB-Keulenbreite ca. 180°) auf.
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Das technische Anwendungsgebiet der Erfindung entspricht dem der Antennenvorrichtung in [2] und umfasst somit Positionierung und Vermessung in Land- und Forstwirtschaft, Katastervermessung, Fahrzeug- und Maschinensteuerungen in Bau- und Landwirtschaft, GNSS-Überwachungssysteme, Galileo PRS, Luft- und Raumfahrtanwendungen oder Navigation an Land und auf See.
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Bezüglich oben genannten Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass sowohl die flächige Form der Massefläche, die Grundform des Fußelements und die Grundform des Deckelelements entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen variieren kann, wobei diese drei Elemente sich gleich verhalten oder auch unterschiedlich verhalten können (d. h. die Kombination Kreisform mit polygoner Form, wie Viereckform mit rundem Blech als Ausgangselemente).
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Bei oben genannten Ausführungsbeispielen wurde im Wesentlichen davon ausgegangen, dass alle umgekanteten Bereiche um 90° umgekantete Bereiche sind. Auch können diese umgekanteten Bereiche variieren.
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Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen wurde, dass jeder der umgekanteten Bereiche der Fußelemente eine Spitze hat, über welche eine Ankopplung zu dem Masseelement erfolgt, sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass auch andere Formen möglich wären.
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Bei obigen Ausführungsbeispielen wurde im Wesentlichen die Vorrichtung und zwar hier die Antennenvorrichtung erläutert. Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein System mit einem Speisenetzwerk und einer Antennenvorrichtung. Ein zusätzliches Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Verwendung der Antennenvorrichtung als Satellitensende- und Empfangseinheit.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren, wobei an dieser Stelle angemerkt sei, dass Beschreibungen von Elementen oder Komponenten auch eine entsprechende Beschreibung des zugehörigen Verfahrensschritts darstellen.
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Obige Ausführungsbeispiele sind im Wesentlichen nur illustrativ, wobei ein Schutzbereich für die nachfolgenden Patentansprüche definiert wird.
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Referenzen
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- [1] K. Fletcher (ed.), „GNSS Data Processing, Vol. I: Fundamentals and Algorithms“, ESA Communications, ESA TM-23/1, May 2013
- [2] DE 10 2007 004 612 B4
- [3] A.E. Popugaev, R. Wansch, „Multi-band GNSS antenna“ in: Heuberger, A; Eist, G; Hanke, R. (Hrsg.): Microelectronic Systems: Circuits, Systems and Applications, Springer Verlag, 2011
- [4] US 5 442 366 A