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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verkleidungsplatte zum Verkleiden
einer Richtfunkantenne sowie eine Anordnung, die eine solche Verkleidungsplatte
und eine Richtfunkantenne umfasst.
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Solche
Antennen, seien es stark bündelnde Antennen
für eine
Punkt-zu-Punkt Übertragung
oder Sektorantennen für
Punkt-zu-Mehrpunkt Übertragung,
müssen
an Gebäuden
häufig
durch Abdeckplatten verdeckt angebracht werden, damit die Antennen
das äußere Erscheinungsbild
des Gebäudes nicht
beeinträchtigen.
Solche Abdeckplatten beeinflussen unvermeidlicherweise die Abstrahlung
der Antenne. Um die Beeinflussung gering zu halten, ist z.B. aus
DE 199 02 511 A1 bekannt,
die Dicke d einer solchen Abdeckplatte nach der Formel
auf die Vakuum-Wellenlänge λ
0 der
von der Antenne emittierten Strahlung und die Dielektrizitätszahl ε
R des
Plattenmaterials abzustimmen. Ein senkrecht zur Plattenoberfläche orientierter,
an der Austrittsseite der Platte reflektierter Strahl trifft so
um m Wellenlängen
verzögert
wieder auf die Eintrittsseite, wo er mit dem eintreffenden Strahl, bedingt
durch einen Phasensprung von n an der Grenzfläche, gegenphasig interferiert
und so die Reflexion an der Verkleidungsplatte unterdrückt.
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Eine
Welle, die nicht senkrecht auf die Verkleidungsplatte trifft, hat
in dieser einen längeren Weg
zurückzulegen,
so dass die Bedingung für
Reflexionsfreiheit nicht mehr erfüllt ist und die Transmission
durch die Verkleidungsplatte erheblich abgeschwächt sein kann.
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In
der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung derselben Anmelderin mit dem Aktenzeichen
10 2004 002 374.3 ist eine Verkleidungsplatte für eine Richtfunkantenne beschrieben,
deren Dicke örtlich
so variiert, dass ein von einer als punktförmig angenommenen Antenne herrührender
und an einer der Antenne zugewandten Oberfläche der Verkleidungsplatte
reflektierter Funkstrahl destruktiv mit einem Funkstrahl interferiert,
der die der Antenne zugewandte Oberfläche passiert hat und an der
abgewandten Oberfläche
der Abdeckplatte reflektiert wurde.
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Die
von einer solchen Platte verursachte Veränderung der Richtcharakteristik
einer Antenne ist in der Tat minimal, wenn die Antenne exakt bei
einer Sollwellenlänge
arbeitet, für
die die Abdeckplatte konstruiert wurde. Weicht die Arbeitswellenlänge der Antenne
von der Sollwellenlänge
ab, so tritt Reflexion an der Verkleidungsplatte auf. Dabei ist
die Zunahme der Reflektivität
um so stärker,
je mehr Vielfache einer halben Wellenlänge die Dicke der Abdeckplatte beträgt. Die
Verkleidungsplatte gemäß
DE 10 2004 002 374.3 muss
daher für
jede Antennenwellenlänge mit
einer spezifischen Dicke gefertigt werden. Um ein gleichmäßiges Reflexionsverhalten
auf der gesamten Fläche
der Verkleidungsplatte zu gewährleisten, muss
die Dicke streng konstant gehalten werden. Der Konstruktions- und
Fertigungsaufwand ist daher beträchtlich.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, eine Verkleidung für eine Richtfunkantenne
zu schaffen, die in unveränderter
Gestalt für
Antennen innerhalb eines breiten Frequenzbereiches brauchbar ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Verkleidung für
eine Richtfunkantenne mit wenigstens einer Verkleidungsplatte, bei
der die Verkleidungsplatte in einem Schnitt entlang einer ersten
Schnittebene eine Vielzahl von Regionen (d..h wenigstens drei) aufweist,
bei denen jeweils ein von einer der Regionen unter einem Winkel α zur Oberflächennormalen
ausgehender Vektor einen in gleicher Weise von jeder anderen Region
ausgehenden Vektor in einem gleichen Punkt schneidet, wobei der
Winkel α die
Bedingung
erfüllt, wobei ε
R die
Dielektrizitätszahl
des Materials der Verkleidungsplatte (
4;
4',
7';
4'',
7'';
13)
ist.
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Der
so definierte Winkel α ist
der sog. Brewster-Winkel
der Verkleidungsplatte, d.h., ein Funkstrahl, der auf eine Oberfläche unter
deren Brewster-Winkel α trifft
und der in seiner Einfallebene polarisiert ist, wird von der Oberfläche reflexionsfrei durchgelassen.
Dieser Effekt ist von der Wellenlänge des betreffenden Funkstrahls
nur über
die Wellenlängenabhängigkeit
der Elektrizitätszahl εR abhängig, d.h. Änderungen
des Brewster-Winkels α sind innerhalb
eines großen
Wellenlängenbereichs
minimal. So ist eine Reflexionsfreiheit der Plattenoberfläche innerhalb
eines großen
Wellenlängenbereichs
erreichbar.
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Vorzugsweise
bilden mehrere dieser Regionen einen kontinuierlichen Oberflächenabschnitt,
der in der ersten Schnittebene einen Querschnitt in Form eines Stücks einer
logarithmischen Spirale aufweist. Dies gewährleistet, dass Funkstrahlen
von einer punktförmigen
oder näherungsweise
als punktförmig betrachtbaren
Antenne, die am Ursprung der Spirale angeordnet ist, stets unter
dem Brewster-Winkel auf den Oberflächenabschnitt treffen, egal,
in welche Richtung sie von dem Ursprung aus ausgestrahlt werden.
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Um
den Platzbedarf der Verkleidung zu reduzieren, ist es zweckmäßig, dass
die Verkleidungsplatte sich aus einer Mehrzahl von Abschnitten zusammensetzt,
die in der ersten Schnittebene jeweils besagten Querschnitt in Form
von Stücken
logarithmischer Spiralen mit gleichem Ursprung haben.
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Dabei
können
zwei solche logarithmisch spiralförmige Abschnitte durch einen
in Bezug auf den Ursprung der Spiralen radialen Abschnitt verbunden sein,
oder durch einen spiralförmigen
Abschnitt mit entgegengesetztem Drehsinn, d.h., einen Abschnitt, bei
dem der Schnittwinkel zwischen ihm und einem Radi usvektor ein anderes
Vorzeichen als in den angrenzenden Abschnitten hat.
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Einer
ersten Ausgestaltung zufolge kann jeder Abschnitt in einer zur ersten
Schnittebene senkrechten zweiten Schnittebene einen geradlinigen Querschnitt
haben. Dies ergibt eine einfach realisierbare Verkleidung für eine Antenne,
die ausschließlich in
der ersten Schnittebene polarisiert ist.
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Ein
weiter verbessertes Reflexionsverhalten, insbesondere bei Verwendung
einer Antenne mit in der zweiten Schnittebene weit aufgefächertem Strahl,
ergibt sich, wenn jeder Abschnitt der Verkleidung in jeder zweiten
Schnittebene einen kreisförmigen
Querschnitt aufweist, und die Mittelpunkte der kreisförmigen Querschnitte
eine Gerade definieren, auf der auch der Ursprung der logarithmischen
Spirale liegt.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch eine Antennenanordnung mit wenigstens einer
Antenne und einer Verkleidung wie oben beschrieben.
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In
dem einfachsten Fall ist vorzugsweise eine einzige Antenne am gemeinsamen
Schnittpunkt aller Vektoren bzw. am gemeinsamen Ursprung aller Spiralenstücke angeordnet.
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Die
Anordnung der Spiralenstücke
ist vorzugsweise symmetrisch in Bezug auf eine Symmetrieebene der
Richtcharakteristik der Antenne.
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Um
eine geringe Bautiefe der Antennenanordnung in der Hauptabstrahlrichtung
der Antenne zu realisieren, kann vorgesehen werden, dass ursprungsnahe
Enden von zwei Spiralstücken
einander auf einer Symmetrieebene der Richtcharakteristik der Antenne
berühren.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
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1 eine
erste Ausgestaltung einer Abschirmung bzw. einer Antennenanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem Schnitt entlang einer ersten Ebene;
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2 eine
Weiterbildung der Ausgestaltung aus 1 mit reduzierter
Bautiefe;
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3 eine
zweite Weiterbildung mit abermals reduzierter Bautiefe;
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4 eine
zweite Ausgestaltung der Abschirmung bzw. der Antennenanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung im Schnitt entlang der ersten Schnittebene;
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5 die
Richtcharakteristik einer Antennenanordnung mit einer 45°-Sektorantenne
und einer herkömmlichen
Verkleidung in Form einer ebenen Platte für unterschiedliche Dickenwerte
der Platte;
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6 die
Richtcharakteristik der Antennenanordnung aus 3 für verschiedene
Dicken der Verkleidungsplatte und eine den Brewster-Effekt nutzende Polarisation
der Antenne;
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7 die
Richtcharakteristik der Anordnung der 3 bei einer
Dicke der Abschirmung von 1 mm, jeweils unter der Annahme einer
Polarisierung der Antenne in der Schnittebene bzw. senkrecht dazu;
und
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8 die
Richtcharakteristik der Anordnung aus 4, jeweils
für eine
in der Schnittebene bzw. senkrecht dazu polarisierte Antenne.
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9 einen
Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Antennenabschirmung;
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10 einen
Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Antennenabschirmung;
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11 eine
perspektivische Ansicht einer Antennenabschirmung, die den Querschnitt
der 9 in einer horizontalen Schnittebene aufweist;
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12 eine
perspektivische Ansicht einer Abschirmung für zwei Antennen;
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13 einen
mittigen vertikalen Schnitt durch die Abschirmung der 12;
und
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14 einen
mittigen vertikalen Schnitt durch die Abschirmung der 12.
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1 zeigt
einen schematischen Schnitt durch eine Antennenanordnung gemäß einer
ersten, elementaren Ausgestaltung der Erfindung. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet
eine 45°-Sektorantenne mit
einer Polarisation parallel zur Schnittebene der 1.
Auf die Struktur der Antenne 1 braucht hier nicht weiter
eingegangen zu werden, da sie für
die vorliegende Erfindung nicht von Belang ist. Ein Nahfeld der
Antenne ist als gestrichelter Umriss 2 dargestellt. Unter
dem Nahfeld 2 soll hier derjenige Bereich in der näheren Umgebung
der Antenne 1 verstanden werden, in welchem das von der
Antenne ausgestrahlte elektromagnetische Feld nicht als das Feld einer
am Ursprung 0 angesiedelten Punktquelle approximiert werden kann.
Umgekehrt bedeutet dies, dass die Antenne 1 zur Beschreibung
ihres Verhaltens außerhalb
des Nahfeldes 2 als punktförmig angenommen werden kann.
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Die
Antenne 1 ist von einer Abschirmung 3 in Form
von gewölbten
Platten oder Folien aus dielektrischem Material umgeben. Im Fall
der 1 sind es zwei Platten 4, die einander
in Bezug auf eine Symmetrieebene 5 der Richtcharakteristik
der Antenne 1 spiegelsymmetrisch gegenüber liegen und jeweils einen
Querschnitt in Form einer logarithmischen Spirale mit Ursprung 0
und entgegengesetztem Drehsinn haben. Die Platten 4 berühren einander
mit ihren jeweils von der Antenne 1 abgewandten Rändern auf der
Symmetrieebene 5.
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In
Folge der logarithmischen Spiralform des Querschnitts der Platten
4 trifft
ein Funkstrahl
6 von der Antenne immer unter dem gleichen
Winkel +α bzw. –α auf eine
der Platten
5. Der Winkel α erfüllt die Brewster-Bedingung
wobei ε
R die
Dielektrizitätszahl
des Dielektrikums der Platten
4 ist. D.h., der Winkel α ist der
Brewster-Winkel des Materials der Platten
4, so dass ein
in der Schnittebene der Fig. polarisierter Strahl
6 die
Platten
4 durchläuft,
ohne an ihnen reflektiert zu werden.
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Es
sei angemerkt, dass zwar hier und auch in der weiteren in der Beschreibung
nur von einem von der Antenne 1 gesendeten Feld die Rede
ist, dass die Erfindung aber in gleicher Weise auch auf eine Empfangsantenne
anwendbar ist. Zwar kann nicht davon ausgegangen werden, dass alle
elektromagnetische Strahlung, die von außen auf die Verkleidung 3 trifft, die
Brewster-Bedingung erfüllt;
für diejenige
Strahlung, die tatsächlich
die Antenne 1 am Ursprung 0 erreicht, ist die Bedingung
jedoch auf jeden Fall erfüllt.
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Die
Verkleidung 3 der 1 hat eine
beträchtliche
Tiefe in der Hauptstrahlrichtung der Antenne 1 entlang
der Symmetrieebene 5. Diese Tiefe lässt sich nicht ohne weiteres
durch eine maßstäbliche Verkleinerung
der Verkleidung 3 reduzieren, da dann ein Teil der Platten 4 im
Nahfeld 2 verlaufen würde
und es dort, wenn die Antenne 1 nicht mehr als Punktquelle
angenähert
werden kann, zu teilweiser Reflexion kommen müsste. Eine erhebliche Reduzierung
der Bautiefe der Antennenanordnung in Hauptstrahlrichtung wird mit
der Ausgestaltung der 2 erreicht. Um das Ausmaß der Tiefenverringerung deutlich
zu machen, ist in 2 das Nahfeld 2 im gleichen
Maßstab
wie in 1 dargestellt, und die Kontur der Abschirmplatten 4 von 1 ist
in 2 jeweils als punktierte Linie eingezeichnet.
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Die
Verkleidung 3' der 2 setzt
sich zusammen aus vier Platten 4', 7' mit spiralförmigem Querschnitt, von denen
die zwei äußeren Platten 4' deckungsgleich
mit den Platten 4 der 1 verlaufen,
allerdings in der Breite erheblich reduziert sind. Zwei weitere
spiralförmige
Platten 7' erstrecken
sich jeweils von einem gemeinsamen Scheitelpunkt 8', der auf der
Symmetrieebene 5 knapp außerhalb des Nahfeldes 2 liegt,
mit jeweils entgegengesetztem Drehsinn nach außen zu Schnittpunkten 9' mit den äußeren Platten 4'. Die Ausdehnung
der Antennenanordnung in der Symmetrieebene 5 ist gegenüber derjenigen
der 1 auf ca. ein Drittel reduziert.
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Eine
abermals kompaktere Form der Verkleidung ist, wiederum in gleichem
Maßstab,
in 3 dargestellt. Hier setzt sich die Verkleidung 3'' aus insgesamt sechs Platten 4'', 7'' in
Form von sich an ihren Enden berührenden
logarithmischen Spiralen mit jeweils abwechselndem Drehsinn zusammen.
In 3 sind die Abmessungen aller vier Platten 7'' der Einfachheit halber identisch;
die Bautiefe in der Hauptstrahlrichtung ließe sich noch etwas weiter reduzieren,
wenn man die Abmessungen der Platten 4'', 7'' jeweils so wählt, dass die zwei ursprungsnahen
Scheitelpunkte 8'' an der Grenze
des Nahbereichs liegen und die drei ursprungsfernen Scheitelpunkte 9'' auf einer gleichen, zur Mittelebene 5 senkrechten
Linie.
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In 4 ist
eine zweite Ausgestaltung einer Antennenanordnung gezeigt, die aufgefasst
werden kann als abgeleitet aus der Ausgestaltung der 2 durch
Weglassen der äußeren Platten 4' und verlängern der
zwei inneren Platten 7' nach
außen
bis zu einer als punktierte Linie 10 dargestellten Grenze
des Strahlungskegels der Antenne 1. Die Verkleidung der 4 kann
seitlich durch nicht dargestellte Platten abgeschlossen sein, die
sich geradlinig entlang der Linie 10 oder außerhalb
dieser Linie in einem Gebiet erstrecken, in welches die Antenne 1 nicht
maßgeblich
abstrahlt und wo folglich der Verlauf dieser Wände die Richtcharakteristik
der vollständigen
Anordnung nicht beeinflusst.
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Die 5 bis 8 stellen
jeweils Richtcharakteristiken einer Antennenanordnung mit einer 45°-Sektorantenne und
einer herkömmlichen
Verkleidung bzw. einer Verkleidung nach unterschiedlichen Ausgestaltungen
der vorliegenden Erfindung dar.
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5 zeigt
die Richtcharakteristik einer Antennenanordnung mit einer herkömmlichen
Verkleidung in Form einer auf der Hauptabstrahlrichtung der Antenne
senkrecht stehenden ebenen Verkleidungsplatte, jeweils für Dicken
d der Verkleidungsplatte von 1, 3 bzw. 5 mm und eine Sendefrequenz
von 26 GHz. Die Kurvenverläufe
für den
durchgelassenen Strahl un terscheiden sich für die drei Dicken nicht wesentlich;
allerdings ist ein deutliches Spiegelbild des Strahls bei Winkeln
um ± 180° zu erkennen,
das im günstigsten
Fall einer Dicke d von 3 mm um ca. 17 dB gegenüber dem Hauptstrahl gedämpft ist.
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6 zeigt
die Richtcharakteristik einer ersten erfindungsgemäßen Antennenanordnung,
mit einer Antennenverkleidung von dem in 3 gezeigten
Typ und einer horizontal, in der Schnittebene der 3,
polarisierten Antenne. Außerhalb
des Sektors der Antenne schwankt die Intensität stark mit dem Azimutwinkel θ, so dass
die in dem Diagramm aufgetragenen Kurven für Dicken d der Verkleidung
von 1, 3 bzw. 5 mm schwierig auseinander zu halten sind. Einen merklichen
Qualitätsunterschied
zwischen den Richtcharakteristiken für die verschiedenen Dicken gibt
es nicht. Unabhängig
von der Dicke der Verkleidung ist die Dämpfung außerhalb des Sektors der Antenne überall besser
als 24 dB, und ein reflektierter Strahl ist nicht zu erkennen.
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7 zeigt
zwei Richtcharakteristiken p und s für eine Antennenverkleidung
des in 3 gezeigten Typs, jeweils bei einer Materialstärke von
1 mm. Die mit p bezeichnete Kurve ist eine der drei auch in 9 dargestellten
Kurven. Man erkennt, dass für die
Materialdicke von d = 1 mm die Dämpfung
außerhalb
des Antennensektors mindestens 27 dB beträgt. Die mit s bezeichnete Kurve
zeigt die Richtcharakteristik einer Antennenanordnung, die sich
von der der Kurve p lediglich durch die Polarisation der Strahlung der
Antenne, senkrecht zu ihrer Einfallebene auf die Verkleidung, unterscheidet.
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Die
Richtcharakteristik der Kurve p ist völlig degradiert.
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Eine
Reihe von weiteren Ausführungsvarianten
der erfindungsgemäßen Antennenverkleidung werden
anhand der 9 bis 13 erläutert.
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9 zeigt
einen schematischen Schnitt durch eine Antenne 1 und deren
Verkleidung 3, bei der sich die Verkleidung aus drei identischen
Elementen aus jeweils zwei Platten 4 mit spiralförmigem Querschnitt
zusammensetzt, wobei sich jedes Element von der Antenne 1 aus
gesehen in der Schnittebene über
einen Winkel von 60° erstreckt.
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Wie
leicht nachzuvollziehen ist, kann die Zahl von identischen Elementen,
aus denen sich die Querschnitte der erfindungsgemäßen Verkleidungen zusammensetzen,
beliebig groß gemacht
werden; im Grenzfall kann sie so groß sein bzw. können die
einzelnen Elemente so klein sein, dass ihre Spiralkrümmung vernachlässigbar
wird und sie als unter dem Brewster-Winkel angeordnete ebene Flächenstücke aufgefasst
werden können.
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10 zeigt
diesen Fall anhand eines schematischen Schnitts durch eine Antenne 1 und
deren Verkleidung 3. Da die Platten 4 bei dieser
Ausgestaltung eben sein können,
ist die Fertigung der Verkleidung 3 erheblich vereinfacht.
Allerdings besteht bei dieser Ausgestaltung die Möglichkeit,
dass die in großer
Zahl zwischen den einzelnen Platten 4 vorhandenen Kanten,
die in der Praxis jeweils die Brewster-Bedingung nicht erfüllende Zonen von
endlicher Breite darstellen, die Strahlung der Antenne in unerwünschter
Weise streuen.
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11 zeigt
in einer perspektivischen Ansicht eine Antennenverkleidung 3h , die in einem Schnitt entlang ihrer
horizontalen Mittelebene (der Ebene z=0 im Koordinatensystem der
Fig.) den in 9 gezeigten Querschnitt hat
und in jeder zur y-Achse senkrechten Schnittebene einen halbkreisförmigen Querschnitt
aufweist. Die Verkleidung 3h weist
eine vernachlässigbare
Reflexion für
von einer am Ursprung des Koordinatensystems platzierten Antenne
emittierte, horizontal polarisierte Strahlung auf. Für von der
gleichen Antenne emittierte vertikal polarisierte Strahlung ist
die Brewster-Bedingung nicht erfüllt.
Um sie für
letzte zu erfüllen,
würde es
genügen,
die Abschirmung 3h der 11 um
90° um die Hauptstrahlachse
der Antenne 1 zu drehen.
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Eine
Antennenverkleidung 3 für
zwei Sektorantennen 1h , 1v mit geringer Strahlausbreitung in
Elevationsrichtung ist in den 12 bis 14 in
einer perspektivischen Ansicht bzw. im Schnitt entlang der Ebenen
y=0 bzw. y=-0,5 der 12 gezeigt. Die Antennenverkleidung 3 setzt
sich aus zwei Segmenten zusammen, einem unteren Segment 3h , dessen Gestalt der Verkleidung 3h aus 11 im
Koordinatenintervall -0,4<z<+0,4 entspricht,
und die den Strahlkegel einer im Ursprung x=y=z=0 des Koordinatensystems
der Figur angeordneten horizontal polarisierten Antenne 1h abschirmt. Während das Segment 3h die
Antenne 1h im Azimut über
einen Winkelbereich von 180° abschirmt,
tut sie dies in der Elevation nur über einen wesentlich kleineren
Winkelbereich, hier von ca 50°.
Da die Ausdehnung des Strahls einer Sektorantenne in Elevation im
Allgemeinen wesentlich kleiner ist als im Azimut, passiert dennoch
praktisch die gesamte Sendeleistung der Antenne 1h das Segment 3h .
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Das
obere Segment 3v in Form einer
halben Diskusscheibe entspricht dem um 90° gedrehten mittleren Abschnitt
der Abschirmung 3h aus 11. Es
schirmt die bei etwa x=y=0, z=0,4 platzierte vertikal polarisierte
Antenne 1v reflexionsfrei ab. Auch
hier passiert praktisch die gesamte Sendeleistung der Antenne 1v das Segment 3v .
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Die
beiden Segmente 3h , 3v sind über eine Kegelfläche 11 kontinuierlich
miteinander verbunden.
