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Die Erfindung betrifft eine Antenne zum Senden und/oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Gattungsgemäße Antennen zeichnen sich in ihrer Bauart dadurch aus, dass die Leiter im weitesten Sinne spiralförmig um ein Zentrum gewunden sind. Der wesentliche Vorteil solcher Spiralantennen liegt darin, dass sie eine zirkulare Polarisation aufweisen und somit horizontal polarisierte, wie auch vertikal polarisierte elektromagnetische Wellen empfangen oder abstrahlen können.
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Eine der hinlänglich bekannten Grundformen einer Spiralantenne ist die sogenannte archimedische Spiralantenne, die in verschiedenen Varianten und Weiterentwicklungen im druckschriftlich bekannten Stand der Technik zu finden ist. So offenbart die
DE 37 39 205 A1 beispielsweise eine mehrarmige Spiralantenne, die für Ortungszwecke genutzt werden kann. Die
DE 699 30 716 T2 zeigt eine breitbandige Spiralantenne, die in mehrere Abschnitte gegliedert ist. So bildet die dort in
1 dargestellte Spiralantenne in ihrem Zentrum einen ersten Antennenabschnitt nach Art einer archimedischen Spiralantenne aus, wohingegen der äußere Abschnitt zum Erreichen einer kompakten Bauform sinuswellenartige Modulationen der Leiter aufweist.
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Eine Spiralantenne spezieller Ausgestaltung ist in
US 4,559,539 A offenbart. Durch eine bestimmte Anordnung der Leiter wird Raum für die Anordnung weiterer Antennen geschaffen.
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Zur Prüfung elektromagnetischer Strahlung von elektronischen Geräten, insbesondere von Mobilfunkgeräten, werden sogenannte reflektionsarme oder reflektionslose Räume genutzt. Hierbei handelt es sich um Räume oder Kammern, deren Wände mit, insbesondere pyramidenförmigen Absorbern versehen sind. Für spezielle Anwendungen sind auch Absorber mit abweichenden Formen bekannt. Diese Absorber tilgen in Abhängigkeit von ihrer Größe elektromagnetische Wellen eines bestimmten Frequenzspektrums. Sie sind in der Regel in einem regelmäßigen Raster angeordnet. Um die elektromagnetische Strahlung, insbesondere beispielsweise die Antennensende- und Antennenempfangsleistung eines Mobilfunkgerätes zu testen, werden in solchen Räumen, die auch als Absorberräume bezeichnet werden, Antennen angeordnet. Durch die Absorber ist sichergestellt, dass sämtliche Fremd- und Störstrahlung getilgt ist, so dass lediglich die elektromagnetische Strahlung des Mobilfunkgerätes gemessen wird. Ein solcher Absorberraum ist beispielweise in
US 2005/0 206 550 A1 oder
US 2010/0 285 753 A1 dargestellt.
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Es versteht sich von selbst, dass das Spektrum zu prüfender Frequenzen in einem Absorberraum sich durch die Dämpfungseigenschaften der Absorber definiert. Dementsprechend definieren die Absorber das maximal mögliche, also das absolute Spektrum der Prüffrequenzen im Absorberraum.
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Die relative Grenze des Prüfspektrums innerhalb des vorgegebenen Absorberraumes wird durch die verwendeten Antennen definiert. Diese decken in der Regel nur einen Teilbereich des Prüfungsspektrums ab. Zwar ist es theoretisch möglich und teilweise in der Praxis auch umgesetzt, Antennengrößen im Absorberraum zu nutzen, die dem Frequenzspektrum der Absorber gleichen. Die damit einhergehende Antennengröße ist jedoch nicht unproblematisch. Entweder muss für solche Antennen durch Entfernen von Absorbern Raum geschaffen werden oder die Antennen sind vor den Absorbern angeordnet, was zu störenden und die Prüfung verfälschenden Reflektionen führen kann.
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Dieses Phänomen ist umso problematischer, je kleiner der Absorberraum ist.
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Deshalb verwendet man in den meisten Anwendungsfällen für die Prüfung der elektromagnetischen Strahlung von Geräten Antennen mit einem begrenzten Frequenzspektrum, die entsprechend kleiner bauen und besser im Absorberraum anzuordnen sind. Dies bedeutet jedoch im Zweifel, dass nach Ausschöpfen des Frequenzspektrums der verwendeten Antenne diese für die Prüfung eines anderen Frequenzspektrums ausgetauscht werden müssen.
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Es besteht deshalb der Bedarf eine Antennen zu schaffen, die gemessen am absoluten Frequenzspektrum – definiert durch die Absorber – ein möglichst breites Frequenzspektrum für die Prüfung abdeckt ohne selbst nennenswerte Störeinflüsse zu überzeugen.
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Gelöst wird die Aufgabe von einer Antenne mit den Merkmalen des Anspruches 1.
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Gemäß Erfindung wurde erkannt, dass die archimedische Spiralantenne als erster Antennenabschnitt einen besonders guten Kompromiss zwischen Einbaugröße und abgedecktem Frequenzspektrum bietet. Sie lässt sich leicht im Zentrum von vier in einem Quadrat angeordneten Absorbern anordnen und in den zwischen den vier Absorbern vorhandenen Zentralraum einsetzten. Dabei ist die Antenne tief in den von den vier in einem Quadrat angeordneten Absorbern aufgespannten Raum eingeschoben, wobei die Tiefe durch den Raum zwischen Basis und Spitze der pyramidenförmigen Absorber definiert ist
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Um das Frequenzspektrum der Antenne zu erweitern, dient der erfindungsgemäße zweite Antennenabschnitt mit wenigstens zwei parabelartig geformten Windungen. Diese lässt sich im Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Absorbern anordnen.
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Kennzeichnend für die Antenne gemäß Hauptanspruch ist weiterhin, dass die Antenne um einen dritten Abschnitt ergänzt wird. Insoweit ist vorgesehen, dass der Leiter, in Windungen geführt, einen dritten Antennenabschnitt ausbildet, der den ersten und den zweiten Abschnitt umgibt. Bevorzugt sind die Windungen viereckartig um den geometrischen Mittelpunkt der Antenne angeordnet.
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Diese Ausführungsform kann dadurch modifiziert sein, dass die viereckartig geführten Windungen in den Eckbereichen in einem 90 Grad Bogen geführt sind.
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Schließlich ist es kennzeichnen für den Gegenstand der Erfindung, dass zwei benachbarte, parabelartige Fortsätze mit dem sie umgebenden dritten Antennenabschnitt einen Freiraum bilden, der leiterlos gehalten ist, um die parabelartigen Fortsätze in einem Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Absorbern anzuordnen.
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Die
DE 40 32 891 A1 offenbart eine Antenne mit insgesamt sieben archimedischen Spiralelementen, die innerhalb einer gemeinsamen Ovalstruktur angeordnet sind. Die zwischen den Spiralelementen und der Ovalstruktur bestehenden Freiräume erlauben keine. erfindungsgemäße Anordnung der Antenne in einem Absorberraum.
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Um das effektive Frequenzspektrum der erfindungsgemäßen Antenne deutlich zu erweitern, ist vorgesehen, dass die Windungen des zweiten Antennenabschnittes genau vier parabelartige Fortsätze bilden und der Umfangswinkel zwischen jeweils benachbarten parabelartigen Fortsätzen, insbesondere deren Scheitelpunkten, identisch ist. Bei dieser Ausführungsform lässt sich die Antenne sehr gut in dem Raum zwischen den Absorbern anordnen, wobei der erste Abschnitt im Zentrum von vier in einem Quadrat angeordneten Absorbern einsitzt und jeweils ein parabelartiger Fortsatz zwischen zwei benachbarten Absorbern angeordnet ist. Aufgrund des regelmäßigen Rasters, in welchem die Absorber im Absorberraum angeordnet sind, ist vorgesehen, dass der wenigstens eine parabelartige Fortsatz eine dem geometrischen Ursprung der Antenne entspringende Längsachse ausgebildet ist die den Scheitelpunkt schneidet. Diese Ausführungsform gewährleistet eine gute Anordnenbarkeit der Antenne zwischen den Absorbern.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Längsachse des jeweiligen parabelartigen Fortsatzes orthogonal zu einer Seite des viereckartig ausgebildeten dritten Abschnitts ausgerichtet ist.
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Die dreiteilige Antenne kennzeichnet sich weiterhin dadurch, dass zwischen zwei benachbarten, parabelartigen Fortsätzen des zweiten Antennenabschnitts und den Windungen des dritten Abschnitts ein Freiraum verbleibt.
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Nunmehr ist zu erkennen, dass der zwischen den vier in einem Quadrat angeordneten Absorbern angeordnete Raum optimal genutzt ist. Der erste, entsprechend einer archimedischen Spiralantenne ausgebildete Abschnitt befindet sich Zentrum der vier Absorber. Der zweite Abschnitt liegt mit seinen parabelartigen Fortsätzen zwischen benachbarten Absorbern und der dritte Antennenabschnitt ist um die vier Absorber herumgeführt. Somit wird im Bereich der durch die Basen der Absorber definierten quadratischen Fläche befindliche und zwischen den sich pyramidenförmig verjüngenden Absorbern zur Verfügung stehende Raum von der Antenne optimal genutzt. Dabei kann die Antenne möglichst tief in den von den Absorbern aufgespannten Raum eingeschoben werden, wobei die Tiefe hier durch den Raum zwischen Basis und Spitze der pyramidenförmigen Absorber definiert ist. Durch eine entsprechend tiefe Anordnung nahe der Absorberbasen reduzieren sich die von der Antennenstruktur hervorgerufenen Reflektionen der elektromagnetischen Wellen auf ein Minimum.
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Es ist vorstellbar, dass die Windungen der drei Antennenabschnitte freitragend ausgebildet sind. Es ist dann von Vorteil, wenn die Antenne als Stanzteil ausgebildet ist.
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Alternativ ist vorgesehen, dass die Windungen der drei Antennenabschnitte auf einem Trägermaterial aufgebracht sind. Hier ist dann in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Antenne von auf einer Platine aufgebrachten Leiterbahnen gebildet ist. Um bei dieser Ausführungsform eine Anordnung in der Tiefe zwischen den Absorbern zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass im Trägermaterial Ausnehmungen gebildet sind, die zwischen zwei benachbarten, parabelartigen Fortsätzen des zweiten Antennenabschnitts und den Windungen des dritten Antennenabschnittes angeordnet sind.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch von einem reflektionsarmen Raum gemäß nebengeordnetem Anspruch 11 gelöst.
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Weitere Vorteile, sowie ein besseres Verständnis der Erfindung folgen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
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1: Eine erfindungsgemäße Antenne in Aufsicht,
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2: Den zentralen ersten Abschnitt der Antenne gemäß 1,
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3: Den zweiten Abschnitt der Antenne gemäß 1,
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4: Den dritten Abschnitt der Antenne gemäß 1,
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5: Vier in einem Quadrat angeordnete Absorbern in Aufsicht,
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6: Die Absorber gemäß 5 in Seitenansicht,
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7: Die Antenne gemäß 1, angeordnet zwischen den Absorbern gemäß 5 in perspektivischer Ansicht,
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8: Die Darstellung gemäß 7 in Seitenansicht.
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In den Darstellungen ist eine erfindungsgemäße Antenne insgesamt mit der Bezugsziffer 10 versehen.
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Die Antenne 10 ist in ihrer Gesamtheit in 1 dargestellt und gliedert sich in drei, in den 2, 3 und 4 jeweils einzeln dargestellte Abschnitte 17, 18, 19.
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Die Antenne 10 wird von einem ersten elektrischen Leiter 11 und einem zweiten elektrischen Leiter 12 gebildet. Beide Leiter sind um einen geometrischen Mittelpunkt G der Antenne 10 herum in Windungen geführt. Dabei lässt sich die Antenne 10 in insgesamt drei Abschnitte 17, 18, 19 unterteilen.
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Ausgehend vom geometrischen Mittelpunkt sind die elektrischen Leiter 11, 12 bogenartig geführt und bilden eine archimedische Spiralantenne aus, wie sie in 2 dargestellt ist. Dies ist der erste Antennenabschnitt 17. Die hier bogenartig geführten Windungen gehen dann über in einen zweiten Antennenabschnitt 18 über, der um die archimedische Spiralantenne im ersten Antennenabschnitt 17 herumgelegt ist. Die Windungen verlaufen hier unter Zwischenschaltung einer rhombenartigen Struktur im Wesentlichen parabelartig. Die vier parabelartigen Fortsätze bilden vier, dem geometrischen Mittelpunkt G entspringenden Längsachsen S1, S2, S3, S4 aus. Jeweils benachbarte Längsachsen S1, S2, S3, S4 weisen zueinander identische Umfangswinkel von jeweils 90 Grad auf, sodass jeweils benachbarte Längsachsen S1, S2, S3, S4 orthogonal zueinander gerichtet sind. Infolge dessen weisen auch benachbarte parabelartige Fortsätze des zweiten Antennenabschnitts zueinander einen identischen Umfangswinkel auf. Dies gilt insbesondere für den Umfangswinkel zwischen den Scheitelpunkten der parabelartigen Fortsätze.
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Ausgehend vom zweiten Antennenabschnitt 18 mit seinen parabelartigen Fortsätzen bilden die elektrischen Leiter 11 und 12 einen dritten Antennenabschnitt 19. Dieser ist im Wesentlichen viereckartig ausgebildet, wobei die Leiter 11, 12 in den Eckbereichen bogenartig mit einem Winkel von etwa 90 Grad geführt sind. Dieser dritte Antennenabschnitt 19 umgibt wiederum den ersten und zweiten Antennenabschnitt 17, 18 in wenigstens einer, jedoch bevorzugt mit mehren Leiterwindungen.
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Jeder Seite dieses viereckartig ausgebildeten dritten Antennenabschnitts 19 ist eine der Längsachsen S1, S2, S3, S4 zugeordnet. Diese schneiden die jeweilige Seite orthogonal. Dies hat dann auch eine entsprechende Ausrichtung der parabelartigen Fortsätze auf Seiten des dritten Antennenabschnittes 19 zur Folge.
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Wie insbesondere der 1 zu entnehmen ist, schließen zwei benachbarte parabelartige Fortsätze mit dem sie umgebenden Bereich des dritten Antennenabschnittes einen Freiraum ein, der leiterlos gehalten ist. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem vierstrahlig ausgeführten, zweiten Antennenabschnitt 18 werden so vier Freiräume zwischen jeweils benachbarten, parabelartigen Fortsätzen und dem den zweiten Antennenabschnitt 18 umgebenden dritten Antennenabschnitt 19 ausgebildet. Diese Freiräume sind mit F1, F2, F3, F3 bezeichnet.
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Ein nicht dargestellter Absorberraum ist an seinen Wandflächen mit in regelmäßigen Rastern angeordneten Absorbern 13 versehen. Diese Absorbern 13 sind pyramidenförmig. Ihre Basen 14 dienen der Befestigung an einer Wand 15. In der Regel sind die Absorberbasen 14 benachbarter Absorber 13 unmittelbar aneinander angeordnet.
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5 zeigt vier in einem Viereck nebeneinander angeordnete Absorber 13 in Aufsicht.
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6 zeigt die Absorber 13 gemäß 5 in einer Seitenansicht. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, dass die Basen 14 der Absorber 13 auf der Oberfläche einer Wand 15 befestigt sind.
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Die in 5 innerhalb eines Vierecks angeordneten Absorber 13 bilden ein gemeinsames Zentrum Z. Die Absorber 13 spannen einen Raum auf, der in der Ebene der Basen 14 seine erste Begrenzung und in der gemeinsamen Ebene der Absorberspitzen 16 seine zweite Begrenzung findet. In diesem Raum R lässt sich ein durch die vier Absorber 13 eingegrenzter Zentralraum definieren, dessen Zentrum mit dem Zentrum Z der Absorberanordnung fluchtet. Die entsprechende Achse ist orthogenal zu den Absorberbasen 16 gerichtet. Zwischen zwei benachbarten Absorbern 13 liegen Zwischenräume.
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Die in 1 gezeigte Antenne 10 kann nunmehr mit den in 5 in Aufsicht dargestellten Absorbern 13 in Überdeckung gebracht werden, sodass eine Montagesituation entsteht. In dieser taucht die Antenne 10 in den durch die Absorber 13 aufgespannten Raum R in Richtung der Basen 14 ein, wobei der geometrische Mittelpunkt G der Antenne 10 in etwa mit dem Zentrum Z der Absorberanordnung fluchtet. Die entsprechende Achse ist orthogonal zu den Absorberbasen 16 gerichtet.
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Die pyramidenförmigen Absorbern 13 werden in den Freiräumen F1, F2, F3, F4 einsitzen, der erste Antennenabschnitt ist im Zentralraum der vier Absorbern 13 angeordnet, die parabelartigen Fortsätze erstrecken sich in die Zwischenräume benachbarter Absorber 13 und der dritte Antennenabschnitt 19 läuft außenumfänglich um die vier in den Freiräumen F1, F2, F3, F4 einliegenden Absorbern 13 herum.
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Diese Einbausituation ist in 7 dargestellt. Es handelt sich um eine perspektivische Ansicht auf die Anordnung der erfindungsgemäßen Antenne 10, montiert im durch die Absorber 13 aufgespannten Raum R dar, in 8 ist eine entsprechende Seitenansicht dargestellt.
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Die in den 7 und 8 dargestellte Antenne 10 ist von auf einer Leiterplatte aufgebrachten Leiterbahnen gebildet. Eine freitragende Konstruktion der Antenne 10 ist ebenfalls denkbar. In diesem Fall sind die Leiter 11, 12 aus einem ausreichend stabilen, elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einem Draht, gebildet und bedürfen zur Bildung einer stabilen Struktur keiner weiteren Unterstützung. Es ist auch denkbar, die Antennenstruktur aus einem Material auszustanzen.
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Die Eintauchtiefe der Antenne 10 in Richtung der Absorberbasen 14 im Raum R hängt insbesondere von der räumlichen Ausdehnung der drei Antennenabschnitte ab. Je weniger Raum diese durch in einer Ebene nebeneinander angeordnete Windungen einnehmen, desto mehr kann die Antenne 10 an die Absorberbasen 14 herangerückt werden. Gleichzeitig führt dies jedoch zu einer Verkürzung der Leiter 11, 12 und somit zu einer Veränderung des nutzbaren Frequenzspektrums.
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Es hat sich herausgestellt, dass Antennenstrukturen, die, ausgehend von den Absorberspitzen 16, um etwa ein drittel bis die Hälfte des Weges in Richtung der Absorberbasen 14 in den Raum R eingebracht werden können, selbst kaum störende Reflektionen elektromagnetischer Strahlungen verursachen, jedoch aufgrund der Länge der Leiter 11, 12 ein ausreichendes Frequenzspektrum für Prüfzwecke abdecken. Dies liegt in der Regel nahe oder ist identisch mit dem durch die Absorbergröße bzw. die Größe des Absorberraumes definierten, absoluten Prüfspektrum.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel geht von vier regelmäßig angeordneten Absorbern aus, die einen Zentralraum und Zwischenräume ausbilden. Zentraler Gedanke der Erfindung ist es, Leiterstrukturen der Antenne so auszubilden, dass diese in um einen Zentralraum angeordneten Zwischenräumen anordenbar sind. So sind die Anzahl der parabelartigen Fortsätze in Abhängigkeit der ausgebildeten Zwischenräume variabel, wie auch die geometrische Form des dritten Antennenabschnitts. Sowohl die Anzahl der parabelartigen Fortsätze wie auch die geometrische Form des dritten Antennenabschnitts werden von dem Raster bzw. der Anordnung der Absorber bestimmt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Antenne
- 11
- erster Leiter
- 12
- zweiter Leiter
- 13
- Absorber
- 14
- Absorberbasis
- 15
- Wand
- 16
- Absorberspitze
- 17
- erster Antennenabschnitt
- 18
- zweiter Antennenabschnitt
- 19
- dritter Antennenabschnitt
- F1
- Freifläche 1
- F2
- Freifläche 2
- F3
- Freifläche 3
- F4
- Freifläche 4
- G
- geometrisches Zentrum
- R
- Raum
- S1
- Längsachse 1
- S2
- Längsachse 2
- S3
- Längsachse 3
- S4
- Längsachse 4
- Z
- Zentrum der Absorberanordnung
