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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur wellenlängenselektiven Abschirmung einer auf einem Schiff angeordneten Antenne vor elektromagnetischen Störwellen.
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Auf Schiffen, insbesondere auf militärisch genutzten Marineschiffen gibt es eine Vielzahl an Antennen zum Empfangen und Senden von leistungsstarken Signalen in Form von elektromagnetischen Wellen. Gerade die auf einem Oberdeck angeordneten Antennen verursachen Feldstärken von etwa 100 V/m. Die mit der hohen Feldstärke einhergehende Feldstärkebeaufschlagung der Antennen führt dann zu einer erhöhten Störanfälligkeit im Betrieb, wenn die Antenne eine im Vergleich zur Feldstärke kleinere EMV-Festigkeit aufweist. Typischerweise haben kommerzielle seriengefertigte Antennen eine EMV-Festigkeit, die etwa bei 10 V/m und damit in der Regel unterhalb der beispielsweise auf einem Oberdeck auftretenden Feldstärken liegt.
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Um der Störanfälligkeit durch die hohen Feldstärken zu entgehen, sieht es der Stand der Technik vor, die seriengefertigte Antenne, d. h. eine components-off-the-shelf (cots)-Antenne, durch eine kostspielige Antenne mit einer entsprechend hohen EMV-Festigkeit zu ersetzen oder an einem Ort am Schiff zu platzieren, an dem eine Feldstärkenbeaufschlagung eher unwahrscheinlicher ist. Da gerade der Platz auf militärisch genutzten Marineschiffen eingeschränkt ist, lässt sich oftmals keine alternative Befestigungsstelle für die Antenne finden. Das Ersetzen der serienmäßigen Antennen ist dann in der Regel mit einem erheblichen Kostenmehraufwand verbunden, insbesondere wenn mehrere Antennen ersetzt werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die es erlaubt kommerzielle, meist seriengefertigte Antennen mit einer gegebenen EMV-Festigkeit auch in den Bereichen eines Schiffs anzuordnen, in denen die Feldstärke die EMV-Festigkeit der Antenne überschreitet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch eine Vorrichtung zur wellenlängenselektiven Abschirmung einer auf einem Schiff angeordneten Antenne vor einer elektromagnetischen Störwelle, wobei die Vorrichtung zur Abschirmung einen als Schirmkäfig ausgebildeten Faradaykäfig, der die Antenne zumindest teilweise umhüllt, umfasst, wobei der Schirmkäfig Stäbe aus elektrisch leitendem Material aufweist, die derart angeordnet sind, dass der Schirmkäfig einen Hochpass für die elektromagnetische Störwelle bildet.
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Gegenüber dem Stand der Technik hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, dass der Hochpass für eine wellenselektive Abschirmung sorgt, mit der eine langwellige, d. h. hochfrequente elektromagnetische Störwelle am Einkoppeln in den Schirmkäfig gehindert wird und folglich die Feldstärkebeaufschlagung durch die elektromagnetische Störwelle unterbunden werden kann. Handelt es sich bei der Antenne um eine Sendeantenne, ist der Schirmkäfig zudem in der Lage, das Auskoppeln von elektromagnetischen Störwellen, die in Form von Nebenaussendungen von der Antenne ausgehen, zu unterbinden. Insgesamt lässt sich dadurch die Störanfälligkeit der Antenne mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verringern, was schließlich dazu führt, dass auch Antennen mit einer ursprünglich niedrigeren EMV-Festigkeit im Bereich mit einer potentiell hohen Felsstärkebeaufschlagung einsetzbar sind.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der abgeschirmten Antenne um eine solche, deren EMV-Festigkeit einen Wert unter 20 V/m aufweist und/oder für die Satellitenkommunikation (SatCom) vorgesehen ist. Insbesondere ist der Hochpass derart ausgestaltet, dass die zum Betrieb der Antenne erforderlichen elektromagnetischen Signalwellen vom Schirmkäfig durchgelassen werden. Dabei kann es sich um eine Antenne zum Senden und/oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen handeln. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Schirmkäfig individuell an die Antenne und/oder an sein Einsatzgebiet angepasst ist. Weiterhin ist es denkbar, dass die Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie auf bereits in einem Schiff integrierte Antennen aufsetzbar ist. Weiterhin ist es denkbar, dass eine Mehrzahl an Antennen zumindest teilweise innerhalb des Schirmkäfigs angeordnet ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die elektrisch leitenden Stäbe derart angeordnet sind, dass sie Maschen mit unterschiedlichen Maschengrößen und/oder Maschenform bilden. Dabei ist es denkbar, dass die Maschen im Wesentlichen die Form eines Rechtecks, eines Trapezes und/oder eines Kreises aufweisen. Weiterhin ist es denkbar, dass die Maschen zur Anpassung an die Antenne gewölbt sind. Insbesondere sind die elektrisch leitendenden Stäbe gitterartig angeordnet und legen dadurch die in sich geschlossenen Maschen des Gitters fest, wobei eine Maschengröße durch die die Masche begrenzenden Stäbe festgelegt wird. Durch die Variation der Maschen in Form und Geometrie lässt sich die Abschirmfähigkeit bestens an die vom Umfeld und den Wellenlängen der elektromagnetischen Störwelle und der Signalwelle vorgegebenen Bedingungen anpassen, um einen möglichst effektiven Abschirmeffekt zu erzielen.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Antenne im Zentrum des Schirmkäfigs angeordnet ist. Dadurch lässt sich die Abschirmung für die Antenne besonderes effektiv gestalten. Es ist auch denkbar, dass die Antenne parallel zu einer Zentralachse versetzt oder zu dieser geneigt ist. Vorzugsweise sind dann die Maschen entsprechend angepasst, um eine effektive Abschirmung zu bewirken.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass eine die Maschengröße festlegende Maschenweite innerhalb einer Masche variiert. Dabei wird die Maschenweite durch einen Abstand zwischen zwei einander gegenüberliegenden Punkten auf der Masche festgelegt. Die Maschenweite bestimmt durch ihre Größe die Schirmdämpfung. Dadurch lässt sich der Schirmkäfig gezielt so ausgestalten, dass elektromagnetische Störwellen mit einer Wellenlänge größer als eine Grenzwellenlänge, die von der Maschenweiten vorgegeben ist, abgeschirmt werden. Mit anderen Worten: die Maschenweite bestimmt in vorteilhafter Weise die Wellenlängenselektivität mit.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Maschengröße an die Form der Antenne angepasst ist. Insbesondere ist es denkbar, dass eine durch den Schirmkäfig aufgespannte Fläche im Wesentlichen parallel zu der Außenfläche der Antenne verläuft. Dadurch lässt sich die Vorrichtung möglichst passgenau an die Antenne ausgestaltet.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Schirmkäfig an einem elektrisch leitendenden Rahmengestell angeordnet ist, wobei das Rahmengestell zur Aufnahme der Antenne ausgebildet ist. Das Rahmengestell fixiert insbesondere die Antenne relativ zum Schirmkäfig und sorgt in vorteilhafter Weise für die kontaktfreie Anordnung zwischen Antenne und Schirmkäfig. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Rahmengestell Befestigungsmittel aufweist, über die die Vorrichtung am Schiff fixiert wird. Durch eine sicher am Schiff befestigte Vorrichtung lässt sich in vorteilhafter Weise sicherstellen, dass die Antenne auch bei Seegang kontaktfrei mit einem fixen relativen Abstand zum Schirmkäfig angeordnet bleibt.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass
- – eine größte Maschenweite der Maschen kleiner ist als 1/10 der Wellenlänge der elektromagnetischen Störwellen und/oder
- – eine kleinste Maschenweite der Maschen größer ist als 1/10 der Wellenlänge einer elektromagnetischen Signalwelle. Vorzugsweise liegt eine durchschnittliche Maschenweite der Maschen zwischen einem 1/10 der Wellenlänge der elektromagnetischen Störwelle und einem 1/10 der Wellenlänge einer elektromagnetischen Signalwelle. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise bewirken, dass die elektromagnetische Störwelle effektiv gedämpft wird und gleichzeitig die elektromagnetische Signalwelle möglichst verlustfrei den Schirmkäfig in vorteilhafter Weise passieren kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass eine EMV-Festigkeit der Antenne kleiner ist als 15 V/m. Diese Anforderungen sind vorzugsweise bei kommerziellen, seriengefertigten Antennen vorzufinden, die aufgrund ihrer massenhaften Herstellung zumeist preisgünstig zu erstehen sind. Das Ersetzen der Spezialanfertigungen, die in ihrer Anschaffung mit Mehrkosten verbunden sind, durch die kommerziellen seriengefertigten Antennen führ zu einer Kostenersparnis, ohne die Funktionalität der Antenne zu gefährden.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Maschengrößen angepasst sind an weitere elektromagnetische Störwellen, die von weiteren auf dem Schiff angeordneten Antennen ausgehen. Durch die individuelle Anpassung an die vom Schiff vorgegebenen Bedingungen lässt sich ein möglichst störungsfreier Gebrauch der Antenne ermöglichen.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Stäbe ein nicht-ferromagnetisches Metall aufweisen und/oder eine Stabdicke an die elektromagnetische Störwelle angepasst ist. Durch das geeignete Material und die Dicke der Stäbe lässt sich die Störanfälligkeit der Antenne im Betrieb weiter reduzieren.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Schirmkäfig nichtquadratisch geformt ist. Vielmehr ist es vorgesehen, dass der Schirmkäfig zumindest teilweise gewölbt ist. Würde der Schirmkäfig die Antenne quadratisch umgeben, würde die Vorrichtung entsprechend viel Platz einnehmen (abhängig von der längsten Erstreckung der Antenne innerhalb des Schirmkäfigs). Entsprechend erlaubt das nichtquadratische Ausgestalten des Schirmkäfigs eine möglichst platzsparende Formung der Vorrichtung, die sich entsprechend einfach in das Schiff integrieren lässt.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegende Erfindung ist es vorgesehen, dass der Schirmkäfig derart ausgestaltet ist, dass er für die elektromagnetische Störwelle eine Dämpfung vom mehr als 10 dB, bevorzugt mehr als 15 dB und besonders bevorzugt mehr als 20 dB aufweist. Dadurch lassen sich die elektromagnetischen Störwellen derart abschwächen, dass die durch die langwelligen elektromagnetischen Störwellen andernfalls auftretende Feldstärkebeaufschlagung in vorteilhafter Weise unterdrückt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung einen austauschbaren Schirmkäfig und/oder einen weiteren Schirmkäfig aufweist, der auf den Schirmkäfig zur Anpassung an eine geänderte Störwellenlänge, aufsetzbar ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass durch die jeweilige Wahl des Schirmkäfigs bzw. des weiteren Schirmkäfigs eine an die Umgebung angepasste Abschirmung bewirkt werden kann. Es ist dabei denkbar, dass unterschiedliche externe Störquellen elektromagnetische Störwellen mit jeweils verschiedenen Störwellenlängen aussenden. Abhängig vom Standpunkt des Schiffes relativ zu den externen Störquellen kann dann der Schirmkäfig oder der weitere Schirmkäfig gewählt werden, der zu einer möglichst effektiven Abschirmung vor elektromagnetischen Störwellen, die von der externen Quelle ausgehen, geeignet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der Schirmkäfig an den Ort der Antenne auf dem Schiffs angepasst ist. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Antenne einseitig stärker durch elektromagnetische Störwellen, beispielsweis durch seine Anordnung relativ zu einem leistungsstarken Sender, belastet wird und das entsprechend der Schirmkäfig, insbesondere seine Maschenform ausgestaltet ist, dass eine möglichst effektive Abschirmung für die Antenne erzielt werden kann.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Schiff mit einer Vorrichtung wie sie oben beschrieben wurde. Dadurch lässt ich ein Schiff realisieren, bei dem man nicht auf Spezialanfertigungen für Antennen mit einer reduzierten Störanfälligkeit angewiesen ist.
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Insbesondere erlauben es die Spezialanfertigungen für die Antennen durch seriengefertigte, d. h. components-off-the-shelf (cots)-Antenne, zu ersetzen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die 1 zeigt ein Schiff mit Antennen, für das eine Vorrichtung zur wellenlängenselektiven Abschirmung der Antennen gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
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Die 2 zeigt eine Vorrichtung zur wellenlängenselektiven Abschirmung der Antenne vor elektromagnetischen Wellen gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist ein Schiff 10 dargestellt, für das die Vorrichtung zur wellenlängenselektiven Abschirmung einer Antenne 1 vor elektromagnetischen Störwellen 5 vorgesehen ist. Vorzugsweise umfasst das Schiff 10 eine Antenne 2, die zum Empfangen und/oder Senden von Signalen in Form von elektromagnetischen Wellen, den elektromagnetischen Signalwellen ausgebildet ist. Dabei ist die Antenne 1 auf einem solchen Schiff einer Vielzahl von elektromagnetischen Störwellen 5 ausgesetzt, die sich untereinander im Wesentlichen durch ihre Wellenlänge bzw. Frequenz unterscheiden. Insbesondere können die einzelnen elektromagnetischen Störwellen 5 von einer externen Quelle, beispielsweise einem Satellit 3, einem anderes Schiff oder einer Sendezentrale an Land, und/oder einer internen Quelle, beispielsweise einer weiteren Antenne 2 auf dem Schiff 10, erzeugt werden. Nicht für den Betrieb der Antenne 1 vorgesehene elektromagnetische Störwellen wirken sich unter Umständen nachteilig auf die Funktionstüchtigkeit der Antenne 1 aus. Ein Maß für die Störanfälligkeit der Antenne 1 ist durch ihre EMV-Festigkeit gegeben. Seriengefertigte Antennen 1 haben beispielsweise bei Frequenzen zwischen 1.5 MHz und 30 MHz eine EMF-Festigkeit von etwa 10 V/m, wobei von Antennen auf einem Oberdecksbereich eines Marineschiffs durchaus auch Feldstärken um die 100 V/m erzielt werden. Daher ist mit einer die Funktionstüchtigkeit der Antenne 1 einschränkenden Feldstärkebeaufschlagung durch die elektromagnetische Störwelle 5 zu rechnen. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die insbesondere die störanfälligen, seriengefertigten Antennen 1 zum Senden und/oder Empfangen von elektromagnetischen Signalwellen 5 unabhängig von der am Einsatzort herrschenden Feldstärkebeaufschlagung einsatzfähig macht. Dazu ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung einen als Schirmkäfig 4 ausgeformten Faradaykäfig umfasst. Der Schirmkäfig 4 umhüllt dabei die vor den elektromagnetischen Störwellen 5 andernfalls gestörte Antenne 1 zumindest teilweise. Insbesondere ist der Schirmkäfig 4 derart ausgestaltet, dass er einen Hochpass bildet. Als solcher blockiert der Schirmkäfig 4 elektromagnetische Störwellen 5 mit einer großen Wellenläge, d. h. kleiner Frequenz, und lässt elektromagnetische Signalwellen mit einer kleinen Wellenläge, d. h. großer Frequenz passieren. Dadurch lässt sich vorteilig verhindern, dass die hohen Feldstärken der langwelligen Störsignale nicht in den Käfig einkoppeln bzw. dass – im Falle einer Sendeantenne im Schirmkäfig 4 – keine langwelligen von der Antenne 1 ausgehenden Nebenaussendungen aus dem Schirmkäfig 4 ausgekoppelt werden. Stattdessen können die für den Betrieb der Antenne 1 erforderlichen kurzwelligen Nutzsignale bzw. elektromagnetischen Signalwellen den Schirmkäfig 1 weitgehend verlustfrei passieren.
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In 2 ist eine Vorrichtung zur wellenlängenselektiven Abschirmung der Antenne 1 von elektromagnetischen Störwellen 5 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass der Schirmkäfig 4 elektrisch leitende Stäbe 8, vorzugsweise aus einem nicht-ferromagnetischen Metall, aufweist, wobei die Stäbe 8 gitterartig angeordnet sind und dabei Maschen 7 ausbilden. Vorzugsweise unterscheiden sich zumindest zwei Maschen 7 durch ihre Maschengröße und/oder -form, wobei die jeweilige Maschengröße durch die (Leer-)Fläche festgelegt ist, die zwischen den die einzelne Maschen 7 begrenzenden Stäben 8 angeordnet ist. Die Maschengröße legte ein Apertur der Masche 7 fest, die mitbestimmt welche elektromagnetischen Störwellen 5 in Hinblick auf ihre Wellenlängen vom Faradaykäfig gedämpft werden und ist entsprechend an die Wellenlänge einer oder mehrerer langwelligen elektromagnetischen Störwellen 5 angepasst. Weiterhin umfasst die Vorrichtung ein, vorzugsweise elektrisch leitendendes, Rahmengestell 6, das zur Aufnahme der Antenne 1 ausgestaltet ist, unmittelbar oder mittelbar am Schirmkäfig 4 angebracht ist und vorzugsweise Befestigungsmittel aufweist, mit denen die Vorrichtung am Schiff 10, beispielsweise an dessen Außenhaut, montiert werden kann. Die durch das Rahmengestell 6 in den Schirmkäfig 4 hineinragende Antenne 1 wird damit zumindest teilweise vom Schirmkäfig 4 umhüllt und ist vorzugsweise zentral in ihr angeordnet. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass der Schirmkäfig 4 in seiner Form an die Gestalt der Antenne 1 angepasst ist. Insbesondere verläuft eine vom Schirmkäfig 4 aufgespannte Fläche im Wesentlichen parallel zu einer Außenfläche der Antenne 1. Dabei weist der Schirmkäfig 4 in seiner Form eine Krümmung auf. Dabei sind die Maschen 7 in einem Krümmungsbereich vorzugsweise trapezartig ausgestaltet bzw. die die Maschen bildenden Stäbe 8 sind derart angeordnet sind, dass sie einen trapezartigen Rahmen für die Masche 7 bilden. Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Schirmkäfig 4 als weitere Maschenform eine kreisrunde Masche 7 aufweist, die vorzugsweise in Längsrichtung der Antenne 1 oberhalb dieser angeordnet ist. Weiterhin ist es vorgesehen, dass es mindestens zwei Maschenweiten 9 für die einzelnen Maschen gibt. Insbesondere ändert sich die Maschenweite 9 innerhalb der Erstreckung der einzelnen Masche 7. Dabei wird die Maschenweite 9 als der Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden Punkten auf der in sich geschlossenen Masche 7 festgelegt. Weiterhin ist es vorgesehen, dass eine größte Maschenweite kleiner ist als 1/10 der Wellenlänge der elektromagnetischen Störwellenlänge 5 und/oder eine kleinste Maschenweite größer ist als 1/10 der Wellenlänge der elektromagnetischen Signalwelle.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antenne
- 2
- weitere Antenne
- 3
- Satellit
- 4
- Schirmkäfig
- 5
- elektromagnetische Welle
- 6
- Rahmengestell
- 7
- Masche
- 8
- elektrisch leitender Stab
- 9
- Maschenweite
- 10
- Schiff
