CN102460831A - 具有水平主束方向的车辆天线装置 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的一个实施例,以产生天线的水平主束方向的方式在车辆中设置车辆天线装置。在车辆的导电车顶上方的第一反射装置使得反射加倍,这将主束方向从垂直方向降低为水平方向,其中激励器位于第一反射装置与车辆的车顶之间。
Description
技术领域
本发明涉及通过天线进行的车辆通信。特别地,本发明涉及用于发射或接收电磁信号的车辆天线装置、车辆天线模块、车辆、车辆天线装置的用途以及方法。
背景技术
车辆到车辆通信(车到车通信,C2C)是在移动的车辆之间的直接信息交换。通过该移动通信可以实现功能性无线电网络和新应用。这包括关于道路和交通状况的及时信息,例如黑冰、漂滑现象、事故或静止的车辆。在该安全相关应用中,合适的车辆发出危险位置的指示以及例如来自导航系统的数据。有关交通运输流量的进一步的信息可以是关于交通指示色灯状态、到道路工程的断续性路程或固定路径和道路工程的停止。这样的车辆到车辆通信还可以包括寻找停车场以及关于免费停车容量的信息。
此外,同样已知车辆到X通信(车到X通信,C2X)是在移动的车辆与诸如基础设施的另一用户之间的直接信息交换。例如,这允许从车辆或向车辆发送电话数据、WLAN用途或UMTS信号。此外,在现代交通中,车辆与卫星之间的连接对用户导航而言起着日益重要的作用。在该情况下,被连接到通信车辆的通信用户位于广泛不同的位置处。
发明内容
可以认为本发明的一个目的是改善车辆的通信能力。
根据独立专利权利要求的特征,规定了用于发射或接收电磁信号的车辆天线装置、车辆天线模块、车辆、车辆天线装置的用途以及方法。在从属权利要求中规定了本发明的发展和进一步的优势。
所描述的示例性实施例同样涉及车辆天线装置、本地天线模块、车辆、车辆天线装置在车辆中的用途以及方法。换言之,下文中对例如车辆天线装置描述的特征同样可被实施为车辆天线模块的特征、车辆的特征以及方法的特征,反之亦然。
根据本发明的一个示例性实施例,一种车辆天线装置被规定为以第一频率发射或接收电磁信号。在该情况下,该车辆天线装置具有用于产生或接收电磁信号的激励器以及第一反射装置。在该情况下,第一反射装置被设计为反射要发射的电磁信号或要接收的电磁信号并同时将该装置的主束方向降低为沿水平方向。
在该示例性实施例和每个其他示例性实施例中,反射装置的反射特性也可被称为聚焦特性,其被用于形成束。换言之,第一反射装置被设计为对要发射的电磁信号和要接收的电磁信号聚焦并形成束。
因此,该车辆天线装置中的反射装置导致要发射的电磁信号和/或要接收的电磁信号被反射两次。
换言之,第一反射装置被设置在车辆上,以便车辆天线装置的主束方向协同例如车辆的车顶及其电磁信号的反射而以希望的方式降低为沿水平方向。
在本发明的上下文中,术语“车辆的车顶”或“车顶”可被认为是车辆的任何另外的导电外表面。
例如,术语“车辆的车顶”也可被其他表面替代,该其他表面为例如行李箱区域、引擎罩、地板或车辆的侧表面。
由于第一反射装置的存在,车辆天线装置的主束方向因此从面向天空的方向向与车顶尽可能平行的方向进一步降低。
由于车辆天线装置的主束方向现在不再指向天空的方向,因此车辆天线装置使得例如从车辆天线装置发射的信号可以到达更多的基础设施通信点。从车辆天线装置发送的能量的主要部分因此沿正确的方向发送。
该优点同样适用于车辆天线装置正在接收电磁信号的情况。
例如,如果激励器被设置在诸如车顶的车辆表面与第一反射装置之间,则本发明导致加倍的反射,由此实现沿水平方向的车辆天线装置的主束方向的所希望的降低。
在该情况下,在本发明的该示例性实施例和每个其他示例性实施例中,第一反射装置以及另外的反射装置可以由导电材料制成。在该情况下,这些反射装置同样可以整体或部分地由导电材料构成。
该车辆天线装置同样可以为单个组成部件的形式,该单个组成部件作为整个部件而被装配到例如车辆的导电表面。或者,多个部件形式的实施例也是可能的。例如,激励器和第一反射装置物理分隔。
在本发明的该示例性实施例和每个其他示例性实施例中,术语“频率”同样可以意味着单个频率或频率范围。换言之,如果需要,车辆天线装置可以发射或接收宽频谱。此外,车辆天线装置可以针对希望的主频率而被物理优化,例如,通过在安装位置中的第一反射装置与车辆的车顶或第二反射装置之间的距离来实现。
另一方面,车辆天线装置可以实现天线增益。例如,方向性可以比简单的偶极子的方向性高约1.5到2倍。由于主束方向也被调节且该车辆天线装置科可被用于发射和接收,该实例可导致是简单的棒状天线的4到10倍的优点。
此外,例如,可以将该反射装置和车辆的第二反射表面之间的距离调节为使得仍希望发射和接收的最低频率或其对应波长的一半与该反射装置和车辆导电表面之间的距离刚好匹配。
此外,该反射装置的水平延伸可以至少对应于要发射或要接收的电磁波的一个波长。该电磁波对应于要发射或要接收的电磁信号。
然而,在该示例性实施例和每个其他示例性实施例中,如果需要,可以将该车辆天线装置安装到车辆上的另外的表面,并可以实现如上所述和如下所述的使车辆天线的主束方向的对准进一步朝向车辆或其他通信用户降低的希望效果。
换言之,这导致具有事实上水平主束方向的天线,结果,可以在希望的方向上发射和接收电磁信号,该天线具有较高的增益,并且也可以针对宽频率范围而实现这一点。
通过在第一反射装置上的附加反射,本发明的该示例性实施例允许主束方向从垂直降低到水平束特征。
在该示例性实施例和每个其他示例性实施例中,可以在车辆内无线地和有线地发射电磁信号。例如,这可通过蓝牙、USB、WLAN或通过使用发射技术和发射媒介而实现。
在该情况下,术语“车辆”应在本发明的总体上下文中被理解为例如小汽车、公共汽车或货车,或者有轨车辆、海运船、诸如直升机或飞机的航行器,或者例如自行车。
根据本发明的另一示例性实施例,激励器为具有关于车辆垂直轴的360°束特性的全向天线元件的形式。
换言之,因此可以实现,或者如果需要,接近具有关于车辆的旋转对称性发射和接收分布的车辆天线装置。
由于通过车辆的第一反射装置和与其对应的反射表面、或者通过第二反射装置实现的反射的加倍,这导致要发射和接收的辐射的灯塔形式,该灯塔能够覆盖围绕车辆的整个地平圈并同时从那里进行接收。
因此,与车辆中的以前的棒状天线相比,可以实现进一步的天线增益和增强的方向性,从而可以改善对车辆中的用户的访问。这还可以对应于增强在发生危急交通情况的地方的安全性增益。
根据本发明的另一示例性实施例,第一反射装置被设置在车辆的车顶上方,并且激励器被设置在车顶与第一反射装置之间。
根据通过例如下面的图2描述的该示例性实施例,通过在激励器上方的导电性第一反射装置以及在车辆的车顶上的反射而使反射加倍。
根据本发明的另一示例性实施例,第一反射装置为表面的形式,并且该第一反射装置被设置为与车辆的车顶平行。
从图2和图3中的车辆天线装置的两个示例性实施例可以看出,反射装置被特别地设置为与车辆的车顶平行。在该情况下,反射装置的尺寸可以对应于车顶的表面,或者可以更小或更大。
这使得可以发射或接收与车辆的车顶平行或在该平面上的希望的电磁信号。这适用于本发明的所有示例性实施例。
根据本发明的另一示例性实施例,激励器为偶极子激励器的形式,并且该偶极子激励器具有关于不导电柱的环形形状。
在该情况下,例如,激励器可以为中馈偶极子。因此在天线的中心处存在对称的面。此外,所述柱可以为该示例性实施例的一部分。此外,所述柱可以被设计为使得所谓的不平衡变压器安装到该柱中。在另一示例性实施例中,该不平衡变压器还可以被设置在该柱中。
根据本发明的另一示例性实施例,车辆天线装置还具有不平衡变压器,其中不平衡变压器被设计为使对激励器的馈线上的不对称信号与接地对称性偶极子匹配,其中不平衡变压器被设置在激励器内。
根据该示例性实施例,由于与对称性天线匹配,这使得可以调整所需要的方向特性。
根据本发明的另一示例性实施例,车辆天线装置还具有连接元件,该连接元件具有第一端和第二端,其中该连接元件在第一反射装置与车辆的车顶之间垂直延伸。此外,连接元件的第一端被连接到车辆的车顶,且连接元件的第二端被连接到反射装置。
例如,连接元件可以为导电棒的形式,其可具有广泛不同的形状。此外,导电棒可以例如将作为低地的车辆的车顶连接到作为高地的第一反射装置。例如,在下面的图2中示例和描述了这一点。
相对于地不对称的这种天线配置可具有特别的优点。例如,可以实现小的物理高度,或者以该方式实现简化的匹配。在该情况下,车辆的车顶为偶极子的部件的形式,而不仅仅是反射器。
此外,这些连接元件可以为车辆天线装置的承重结构部件的形式,以便,例如,如果需要,可以使第一反射装置更重。由此同样可以例如省去在第一反射装置的中心区域中的机械支撑物,在该处,例如,可以进行对激励器的馈线的走线。通过图2的实例示例了该馈线分布。换言之,其中电磁信号被提供给天线装置的区域可以由此保持没有结构性支撑部件。
根据本发明的另一示例性实施例,车辆天线装置还具有用于以第二频率发射或接收电磁信号的第二天线装置。在该情况下,第二天线装置被设置在第一反射装置上方。
换言之,由此描述了根据前面的示例性实施例中的一个的车辆天线装置,然而,其中,现在在第一反射装置上方附加地设置GPS发射器和/或接收器,例如,作为第二天线装置。换言之,根据使反射加倍的本发明的构思与用于第二频率范围的另一天线组合,由此,发射或接收旨在以正常方式执行,即,例如,特别地在天空的方向上。在该情况下,在该示例性实施例和每个其他示例性实施例中,术语“频率”意味着单个电磁频率和具有更大或更小的宽度的频谱。
例如,在该示例性实施例和每个其他示例性实施例中,通过第一反射装置对主束方向的降低可被用于C2C或C2X通信。
比较而言,根据该示例性实施例,第二天线装置可以产生例如与GPS卫星的第二数据链接,该第二数据链接不旨在被降低为沿水平方向。
根据本发明的另一示例性实施例,第一反射装置被设置为在与车辆的车顶相距一距离处,该距离至少对应于要发射或要接收的电磁信号的波长的一半。
换言之,第一反射装置和车辆的车顶(二者都代表导电表面)形成这种类型的腔,在该腔中,电磁信号被反射。根据本发明,这两个表面之间的距离现在可以被选择为例如使得所希望的电磁频率的波长的一半的多倍垂直地适合该范围。
这当然还可以被以该方式被设计用于多个电磁频率。
根据本发明的另一示例性实施例,车辆天线装置还具有第二反射装置,其中该第二反射装置被设置在车辆的车顶与激励器之间。
换言之,第一和第二反射装置都被用于通过使反射加倍而根据本发明降低装置的主束方向。换言之,根据该示例性实施例,该装置现在不再基于车顶或车辆的某个其他反射表面的反射特性,而是可以独立地实现沿水平方向的主束方向的降低。
在该情况下,该车辆天线装置还可以被制造为单个部件,因此,被制造为一个元件,并可被置于车辆上的希望点上,但该示例性实施例的多组件形式也是可能的。
在该情况下,所有关于第一反射装置描述的设计特征也适用于第二反射装置。
根据本发明的另一示例性实施例,一种车辆天线模块被规定为用于以第一和第二频率发射和接收电磁信号。该车辆天线模块具有第一车辆天线装置,该第一车辆天线装置具有用于以第一频率产生和接收电磁信号的第一激励器以及第一反射装置。在该情况下,第一反射装置被设计为以第一频率反射要发射和要接收的电磁信号并同时将第一激励器的主束方向降低为沿水平方向。此外,该车辆模块具有第二车辆天线装置,该第二车辆天线装置具有用于以第二频率产生和接收电磁信号的第二激励器以及第二反射装置,其中第二反射装置被设计为以第二频率反射要发射和要接收的电磁信号并同时将第二激励器的主束方向降低为沿水平方向。
换言之,该车辆天线模块可以两次提供通过附加的反射装置降低主束方向的根据本发明的构思。换言之,可以针对两个不同的频率或两个不同的频率范围实现通过分别使反射加倍而对各自的主束方向的这种降低。
由于各车辆天线装置可被最优地调制到具体频率范围,因此,例如,可以例如通过第一车辆天线装置而发射和接收具有在水平面上增强的增益的UMTS信号,并例如通过第二车辆天线装置而发射和接收具有在水平方向上的增强的增益的WLAN信号。
在该情况下,上述具有具体频率范围的应用仅仅是通过实例提到的,其他的频率范围、发射协议及其组合也是可能的。
在该情况下,如已经描述过的,车顶可以被用作用于车辆天线装置的反射表面,该车辆天线装置被设置在该位置之下,或者,如已经描述过的,可以同样地使用另一反射装置,以便不依赖于车辆的车顶上的反射。
根据本发明的另一示例性实施例,车辆天线模块的两个车辆天线装置被设置在车辆的车顶的上方且沿水平方向一个在另一个上方(above)。
根据本发明的另一示例性实施例,一种车辆被规定为具有根据前述一个示例性实施例的车辆天线装置或车辆天线模块。
根据本发明的另一示例性实施例,车辆天线装置在车辆中的用途被规定为用于根据前述示例性实施例的C2X通信。
根据本发明的另一示例性实施例,一种方法被规定为用于以第一频率在车辆与另一用户之间发射或接收电磁信号,其中该方法具有以下步骤:产生电磁信号;在车辆的车顶与反射装置之间发射电磁信号;在车辆的车顶上和反射装置上反射所发射的电磁信号,由此导致主束方向的降低。
应注意,在本发明的整个上下文中,GPS被用作代表全球导航卫星系统(GNSS),例如GPS、Galileo、GLONASS(俄罗斯)、COMPASS(中国)以及IRNSS(印度)。
将参考附图在下文中描述本发明的示例性实施例。
附图说明
图1示出了作为本发明的技术背景的在表面上的棒状天线;
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的车辆天线装置;
图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的车辆天线装置;
图4示出了具有根据本发明的一个示例性实施例的车辆天线装置的车辆;以及
图5示出了根据本发明的一个示例性实施例的方法的流程图。
具体实施方式
附图中的示例是示意性的,没有按比例绘制。
在对附图的以下描述中,相同的参考标号用于相同或相似的要素。
图1示出了被设置在表面上方的棒状天线。由于在表面上和在导电地上的反射,该棒状天线的主束方向指向天空的方向。在该情况下,表面代表这里的地。
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于以第一频率发射或接收电磁信号101的车辆天线装置100。在该情况下,车辆天线装置具有用于产生或接收电磁信号的激励器102,并具有第一反射装置103。在该情况下,第一反射装置被设计用于反射要发射或要接收的电磁信号并同时将该装置的主束方向104降低为沿水平方向。在该情况下,水平方向对应于图中的从右到左行进的方向。
在该示例性实施例和每个其他示例性实施例中,反射装置的反射特性也可被称为聚焦特性,其被用于形成束。换言之,第一反射装置被设计为对要发射的电磁信号或要接收的电磁信号聚焦并形成束。
因此,该车辆天线装置中的反射装置导致要发射的电磁信号和/或要接收的电磁信号被反射两次。
在该示例性实施例中,反射装置103为与车辆的车顶105平行的导电表面的形式。激励器和第一反射装置被设置在车顶上方。激励器位于车顶与反射装置之间。在该情况下,在该示例性实施例中,激励器为偶极子激励器106的形式。
此外,示出了不平衡变压器107,该不平衡变压器107例如可被设计为使对激励器的馈线上的不对称信号与接地对称性偶极子匹配。该不平衡变压器被设置在激励器内,如图所示。
此外,不平衡变压器可以被设计用于将所示例的车辆天线装置的封装(foot-point)阻抗变换到馈线的阻抗。替代不平衡变压器,例如还可以使用旁路线。
(通常)需要两个变压器来使天线与馈线匹配:
阻抗的变换是由于馈点处的天线封装阻抗可能大于线缆阻抗,但波不应在结处被反射(例如,全偶极子124欧姆,线缆50欧姆)。在某些情况下,某些天线甚至具有显著更大的封装阻抗(Vivaldi元件:500欧姆)。
还可能希望除去封装阻抗的虚部,因为其导致损耗。
于是,还存在从不对称到对称的匹配:对于10GHz以下的频率,通过所谓的不平衡变压器仍可以实现这两种变换,然而,在100MHz以上,如果需要,使用其自身的阻抗为sqrt(Z1*Z2)的旁路线和λ/4线也是有利的。
此外,车辆天线装置具有多个连接元件108,其在第一反射装置与车辆的车顶之间延伸。
由于导电表面103,这里示出的本发明的该示例性实施例使得反射可以加倍。在该情况下,本发明的该示例性实施例为对称性天线的形式。连接元件108为导电棒的形式,其电连接低地的车辆的车顶105和高地的第一反射装置103。从图2可以看出,主束方向104实质上平行于车辆的车顶表面105,因此被认为与图1中的现有技术实例相比被降低为沿水平方向。
在该情况下,第一反射装置103与车辆的车顶105这两个平板之间的距离可以为λ/2或其多倍。可以用例如电介质填充这两个平板之间的中间空间,以使该车辆天线装置适合用于清洗设备中或用于风化。在该情况下,由于在电介质中光速相应地降低,天线的物理体积减小,这可以被认为是在装置的尺寸方面有利的。
根据依据Harrington的过量增益限制的一种估算,天线可以被封闭在具有半径A的球壳中。在角频率为ω且光速为C的情况下,波长数相应地为K=ω/C。方向性D具有受限的最大值Dmax=(K*A)2+2*K*A。假设,例如,对于F=5.9GHz而言,λ/2=25.4mm,由此获得该天线的马丁喇叭(Martins horn)的尺寸。如果在天线的设计中不必须进行过量的折衷,由于这是原则上适于频率范围的设计,因此同样近似达到过量增益限制。
例如,方向性可以近似为简单的偶极子的1.5到2倍。由于主束方向还可被调节并且图2中示例的车辆天线装置可被用于发射和接收,这导致例如是简单的棒状天线的4倍的优点。
在该情况下,所示例的车辆天线装置可以不仅被设计用于宽频率范围,还可以被设置在车辆上的不同点处。
图3示出了根据本发明的另一示例性实施例的车辆天线装置100。在该情况下,该示例性实施例可被称为全向喇叭天线。其可以基于关于对称轴旋转的Vivaldi天线。该全向喇叭可以实现更大的聚焦。
可以与在图1中的已描述的变形例相同的方式设计具有偶极子、不平衡变压器以及例如共轴馈线的输入。
然而,对于激励器和馈线,该车辆天线装置的其他技术实施例也是可能的。
从图3可以看出,该车辆天线装置导致所希望的沿水平方向的该装置的主束方向104的降低。
图4示出了装配有车辆天线装置100的两个车辆400的透视图。可以通过两个车辆之间的数据链接401来进行所谓的C2C通信。
由于根据本发明将车辆天线装置的主束方向降低为沿水平方向,车辆不仅可以将电磁信号发射到更大量的其他车辆,而且可以接收更大量的信号。
以相同的方式,示出了基础设施402,其例如旨在被用作C2X通信的通信对方。同样在左上方的车辆400与基础设施402之间建立数据链接401,在该情况下,已通过根据本发明的车辆天线装置100使主束方向降低为沿水平方向,由此实现了具有改善的方向和增强的天线增益的定向束特性。
根据本发明的另一示例性实施例,图5示出了包括三个步骤的方法的流程图500。在步骤501中产生电磁信号,然后在步骤502中在车辆的车顶与第一反射装置之间发射该电磁信号。步骤503描述了所发射的电磁信号在车辆的车顶上和第一反射装置上的反射,由此导致主束方向的降低。
根据本发明,在该情况下反射被加倍,这在如在具有360°全向束特性的实例中一样地使用偶极子激励器时在围绕车辆的整个360°区域中导致基本平行于水平面发射的电磁信号。这类似地适用于接收。
此外,应注意,“包括”和“具有”不排除其他要素或步骤,并且“一个”、“一”不排除多个。还应注意,已经参考上述示例性实施例中的一个描述的特征或步骤也可以与上述其他示例性实施例的其他特征或步骤组合使用。权利要求中的参考符号不应被认为是限制性的。
此外,应清楚地注意到,上述方法可以以所述顺序执行,但所述方法步骤的其他顺序也是可能的。
Claims (15)
1.一种用于以第一频率发射或接收电磁信号(101)的车辆天线装置(100),其中所述车辆天线装置(100)具有:
激励器(102),用于产生或接收所述电磁信号;
第一反射装置(103),
其中所述第一反射装置被设计为反射要发射或要接收的电磁信号并同时将该装置的主束方向(104)降低为沿水平方向。
2.根据权利要求1的车辆天线装置,
其中所述激励器具有全向天线元件的形式,所述全向天线元件具有关于车辆垂直轴的360°束特性。
3.根据权利要求1或2的车辆天线装置,
其中所述第一反射装置被设置在所述车辆的车顶(105)上方,且
其中所述激励器被设置在所述车顶与所述第一反射装置之间。
4.根据前述权利要求中的一项的车辆天线装置,
其中所述第一反射装置为表面的形式,且
其中所述第一反射装置被设置为平行于所述车辆的所述车顶。
5.根据前述权利要求中的一项的车辆天线装置,
其中所述激励器为偶极子激励器(106)的形式,且
其中所述偶极子激励器具有关于不导电柱的环形形状。
6.根据前述权利要求中的一项的车辆天线装置,其中所述车辆天线装置还具有:
不平衡变压器(107),
其中所述不平衡变压器被设计为使至所述激励器的馈线上的不对称信号与接地对称性偶极子匹配,且
其中所述不平衡变压器被设置在所述激励器内。
7.根据前述权利要求中的一项的车辆天线装置,其中所述车辆天线装置还包括:
具有第一端和第二端的连接元件(108),
其中所述连接元件在所述第一反射装置与所述车辆的车顶之间垂直延伸,且
其中所述连接元件的所述第一端被连接到所述车辆的车顶,且所述第二端被连接到所述第一反射装置。
8.根据前述权利要求中的一项的车辆天线装置,其中所述车辆天线装置还包括:
用于以第二频率发射或接收电磁信号的第二天线装置,并且
其中所述第二天线装置被设置在所述第一反射装置上方。
9.根据前述权利要求中的一项的车辆天线装置,
其中所述第一反射装置被设置在与所述车辆的车顶相距一距离处,该距离至少对应于要发射或要接收的电磁信号的波长的一半。
10.根据前述权利要求中的一项的车辆天线装置,其中所述车辆天线装置还包括:
第二反射装置,
其中所述第二反射装置被设置在所述车辆的车顶与所述激励器之间。
11.一种用于以第一和第二频率发射和接收电磁信号的车辆天线模块,其中所述车辆天线模块包括:
第一车辆天线装置,其具有用于以所述第一频率产生和接收电磁信号的第一激励器;
第一反射装置,
其中所述第一反射装置被设计为以所述第一频率反射要发射和要接收的电磁信号并同时将所述第一激励器的主束方向降低为沿水平方向,
其中所述车辆天线模块还具有:
第二车辆天线装置,其具有用于以所述第二频率产生和接收电磁信号的第二激励器;
第二反射装置,且
其中所述第二反射装置被设计为以所述第二频率反射要发射和要接收的电磁信号并同时将所述第二激励器的主束方向降低为沿水平方向。
12.根据权利要求11的车辆天线模块,
其中所述两个车辆天线装置被设置在所述车辆的车顶的上方且沿水平方向一个在另一个上方。
13.一种车辆(400),其具有根据前述权利要求中的一项的车辆天线装置或车辆天线模块。
14.一种车辆天线装置在车辆中的用途,所述用途为用于根据权利要求1到10中的一项的C2X通信。
15.一种用于以第一频率在车辆与另一用户之间发射或接收电磁信号的方法,其中该方法具有以下步骤:
产生电磁信号(501);
在所述车辆的车顶与第一反射装置之间发射所述电磁信号(502);以及
在所述车辆的车顶上和所述第一反射装置上反射所发射的电磁信号,由此使主束方向降低(503)。
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