DE1766185A1

DE1766185A1 - Antennensysteme

Info

Publication number: DE1766185A1
Application number: DE19681766185
Authority: DE
Inventors: Whitehead Eric Arthur North
Original assignee: Elliott Brothers London Ltd
Current assignee: Allard Way Holdings Ltd
Priority date: 1967-04-17
Filing date: 1968-04-16
Publication date: 1971-06-09
Also published as: US3570007A; GB1200058A; FR1567356A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Antennen und Antennenayateme.

Gemäß der Erfindung ist eine Antenne vorgesehen, die eine Hochfrequenz-Antennenleitung und eingebaute Energiesende- und -Eiapfan^svorrichtumien enthält, wobei die Anordnung wahlweise,, ao betriebet] werden kann, daß die Energiesende- und -Eiapi'armsvorrichtung Energie nach zwei verschiedenen Energieverteilungsauatern oder Charakteristiken ausstrahlen oder empfangen kann.

Zweckniäßifrerweise 19t neben der ersten Antennenleitung eine zweite Antennenleituiig vorgesehen, die durch Koppluni-'üvorrichtuiJi-'c-n miteinander gekoppelt sind, wobei die eine Antennenleitur^-d^^Kneiifia ja ach der einen Charakteristik

Patentanwalt· Dipl.-Ing, Martin Licht, Dipl.-Wirtidi.-Ing. Axel Hantmann, Dipl.-Phyi. Sebastian Herrmann

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OpptMM«rMro. PATfNTANWAlT Dl. »HNHO10 SCHMIDT BAD ORIGINAL

und die andere Antennenleitung die Energie nach der anderen Charakteristik sendet oder empfängt.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist eine Antenne vorgesehen, die ein System aus Energiesende- und -Empfangavorrichtungen, eine angeschlossene erste Hochfrequenz-Antennenleitung und eine daneben befindliche zweite Hochfrequenz-Antennenleitung und eine Kopplungsvorrichtung enthält, durch welche die erste und zweite Antennenleitung miteinander gekoppelt werden, wobei die Anordnung so ausgelegt ist, daß eine erste oder zweite spezielle Empfangscharakteristik verwendet werden kann, indem entweder die erste oder zweite Antennenleitung mit einem Signal gespeist wird.

Die Energiesende- und Empfangsvorrichtung enthält vorzugsweise in der ersten Antennenleitung vorgesehene Schlitze, wobei beide Antennenleitungen Wellenleiter darstellen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Antennensystem vorgesehen, das zwei benachbarte Wellenleiter, die durch Richtungskopplungnvorrichtungen miteinander gedoppelt sind, und mehrere Energiesende- und Euipfangsvorrichtungen enthält, wobei die Sende- und Empfangsvorrichtungen und die Richtungskopplungsvorrichtung so angeordnet sind, daß die ausgestrahlte Energie gemäß einer speziellen Richtstrahlcharakteristik, und zwar abhängig von dem jeweils gespeisten Wellenleiter, gesendet wird, und wobei die Sende- und Eupfangsvorrichtung gemäß dem verwendeten Wellenleiter eine spezielle

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Empfan;;acharakteristik aufweist.

Die Energiesende- oder Enpfan-^vorrichtungen befinden sich vorzugsweise in oder auf der einen Fläche des einen Wellenleiters und können aus Schlitten bestehen, die in der Oberfläche des einen Wellenleiters vorgesehen sind.

SweckinäßigGrweise."besteht die Blchtungskopplunrsvoi-richtuni: aus einem System von Öffnungen in einer Fläche des einen Wellenleiters, wobei entsprechende Öffnungen in der t.n_ reizenden Fische des anderen Wellenleiters vorgeeehen sind.

Jeoes System von Öffnungen enthält mehrere Löcher, die eine Vorrichtung 2ur Richtungskopplung darstellen. Jedes System von Öffnungen kann stattdessen auch aus einem einzigen lang,-erstreckten Schlitz bestehen.

Für die Impedanzanpassung der Schlitze können Vorrichtungen vorgesehen sein.

In einer Äusführungsform der Erfindung können in dem anderen Wellenleiter Phasenechiebervorrichtungen vorgesehen sein.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine ebene Antennengruppe vorgesehen, die aus mehreren Antennen oder Antennensystemen besteht, die nebeneinander angeordnet sind und die im folgenden noch näher erläutert werden.

Es folgt nun eine Beschreibung einer linearen Antennengruppe gemäß der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen.

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Figur 1 ist eine schaubildliche Darstellung einer linearen Antennengruppe, wobei Einzelheiten des inneren Aufbaus dargestellt sind.

Figur 2 ist ein Schaltdiagramm eines Teils der Ersatzschaltung für die Antennenanordnung aus Figur 1.

Die lineare Antennengruppe (Figur 1) besteht aus zwei benachbarten Wellenleitern 5 und 6 (oder einer anderen Ausführungsform einer Antennenleitung), die eine gemeinsame Grenzfläche 8 besitzen. Die obere Fläche des Wellenleiters 6 besitzt Schlitze 10, die ale Energiesende- oder Empfangsvorrichtungen dienen und die in Längsrichtung dieser oberen Fläche zu beiden Seiten einer gedachten Mittellinie vorgesehen sind. Wie noch näher erläutert .wird, ist durch die Schlitze 10 eine Einkopplung in die Energie des Wellenleiters 6 gegeben, wobei die Schlitze Energie abstrahlen oder aber Energie von außerhalb des Wellenleiters 6 empfangen und mit der Energie des Wellenleiters 6 koppeln. Die Lage der Schlitze 10 bestimmt die Leistungsfähigkeit der Kopplung zwischen den Schlitzen und dem Wellenleiter 6: Eine stärkere Kopplung entsteht, wenn die Schlitze weiter nach außen, an den Rand der oberen Fläche des Wellenleiters 6 verschoben werden, und eine schwächere Kopplung herrscht denn, wenn sich die Schlitze näher an der Mittellinie der oberen Fläche befinden.

Der Abstand zwischen benachbarten Schlitzen 10 entspricht etwa der halben Wellenlänge, für die der Wellen- _v leiter 6 ausgelegt ist. ^

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Die einzelnen Schlitze 10 in der oberen Fläche des Wellenleiters 6 könnten durch einen einzigen Schlitz ersetzt werden, der einen sinusförmigen Verlauf aufweist und sich abwechselnd den beiden Außenkanten der oberen Fläche nähert.

Anstelle der Schlitze 10 können auch andere Energiesendeoder Empfangselemente, beispielsweise Dipole, verwendet ■ werden..

Die beiden Wellenleiter 5 und 6 sind an ihrer - M gemeinsamen fläche 8 durch eine Reihe von Schlitzen oder löchern 18 gekoppelt, die eine Richtungskopplungsvorrichtung darstellen. Anstelle der einzelnen Schlitze kann auch ein einziger langgestreckter Schlitz in der Fläche 8 verwendet werden.

Für die Impedanzanpassung sind, wie weiter unten erläutert wird, Anpassungselemente, beispielsweise kapazitive Stäbe 20, 22 vorgesehen, die sich beispielsweise auf der Grenzfläche 8 zwischen den Wellenleitern 5 und 6 befinden. Diese kapazitiven Stäbe sind so angebracht, daß sie mit der einfallenden Energie in Wechselwirkung treten.

Um die !hase und Amplitude der von den Schlitzen auagestrahlt©n Energie zu steuern₄ können Phasqnachiebereleraente in einem der Wellenleiter oder ia beiden gleichzeitig vorgesehen seliu In Figur 1 befinden sie eich im unteren Wellenleiter 5. Solche Pha8en$cbiebereleraeHtö können · beispielsweise, wie hler gezeigt ist, aus Plastikeinsätzen bestehen. Anstelle der Phai-jenschieberelemente kann auch die

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Breite dea Wellenleiters geändert werden.

Beim Betrieb kann dem Wellenleiter 5 oder 6 Energie eingespeist werden. Die Kopplung zwischen den Wellenleitern 5 und 6, die Größe der Schlitze 10 und die Phasenlänge zwi_Ä sehen benachbarten Schlitzen 10 sind passend gewählt, so daß, wie noch näher erläutert wird, für den Pail, daß dein Wellenleiter 5 Energie zugeführt wird, die Schlitze 10 Energie mit einer ersten bestimmten Riehtstrahlcharakteristik ausstrahlen, und falls dem Wellenleiter 6 Energie zugeführt wird, Energie mit einer zweiten bestimmten Riehtstrahlcharakteristik von den Schlitzen 10 ausgestrahlt wird. In ähnlicher Weise kann das Antennensystem zum Energieempfang verwendet werden. Die Antennenanlage besitzt dann für Energie, die von den Schlitzen 10 empfangen und aus dem Wellenleiter 5 entnommen wird, eine erste bestimmte Empfangscharakteristik und für Energie, die von den Schlitzen 10 empfangen und dem Wellenleiter 6 entnommen wird, eine zweite bestimmte Empfangschara^teristiK.

Ein Teil der Ersatzschaltung für die Anordnung aus Figur 1 ist in Figur 2 dargestellt. Die Ersatzschaltung aus Figur 2 betrachtet nur die Schlitze mit der Ordnungszahl n, n+t und n+2, die sich an den zugehörigen Querschnitten 26, 28 und 30 befinden sollen. Die Phasenlängen längs der oberen fläche des Wollenleiters 6 zwischen zwei benachbarten Querschnitten sind gegeben durch ©_n, ^Θ _η+1 > ^en+2"" *' ^{und die} entsprechenden Phasenlängen zwischen den gleichen Querschnitten des Wellenleiters 5 sind gegeben durch JZi_1n, &,..,, £f

.π η+1 n+i

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Aus zeichnerischen Gründen sind in Figur 2 die -.zwischen benachbarten Querschnitten befindlichen Wellenleiterabf:chnitte durch Bereiche A und B getrennt, um die Wirkung der Richtun.-^Tskopplung demonstrieren zu können, die durch die Schlitze odjsr Löcher 18 bewirkt wird. Im Wellenleiter 5 zum G-ebiet A fließende Energie wird also teilweise durch die entsprechenden Schlitze oder Löcher 18 in den Wellenleiter 6 eingedoppelt, während der restliche Energieanteil im Wellenleiter 5 zum Bereich B weiterfließt. Die Kopplung im Bereich A sei so angenommen, daß die Amplitude der im Wellenleiter 5 vovn Bereich A abfließenden Energie gleich der Amplitude der "im Wellenleiter 5 zum Bereich A zufließenden Energie, multipliziert mit einem direkten Kopplungskoeffizienten cos OC_n ist, während die Amplitude der im Wellenleiter 6 vom Bereich A abfließenden Energie gleich der Amplitude der im Wellenleiter 5 zum Bereich A zufließenden Energie, multipliziert mit einem ■QuerkopplungsKoeffizienten j«sin ^_n ist. Die entsprechenden Ko.pplungs-Icoeffizienten für den Bereich B lautem cosoi ^ und j »sin C^_n+-J.' Es ist ■ er β ich ti ich,, daß durch die Richtungskopplung eine Phasenverschiebung um 90° bei der von dem eisaen Wellenleiter in den anderen eingekoppelten Energie auftritt. Die Kopplungskoeffizienten wurden hier für die dem Wellen,-leiter 5 zugeführte Energie angegeben j ersichtlicherweise gelten die gleichen Koeffizientenf wenn die Energie stattdessen dem Wellenleiter 6 augeführt wird* Daher ist die Amplitude der im Wellenleiter 6 vom Bereich A abfließenden'

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Energie gleich der Amplitude der im Wellenleiter 6 zum Bereich 1 zufließenden Energie, multipliziert mit einem direkten Kopplungskoeffizienten cosoi. ist, während die Amplitude der im Wellenleiter 5 vom Bereich A abfließenden Energie gleich der Amplitude der im Wellenleiter 6 zum Bereich A zufließenden Energie, multipliziert mit einem Querkopplungskoeffizienten ;j»sintd ist.'

Jeder Schlitz 10 sei auf Resonanz abgestimmt und ψ habe einen Wirkwiderstand R. In Figur 2 ist die Kopplung zwischen federn der Schlitze 10 und dem Wellenleiter 6 durch einen Transformator 32, 34, 36 dargestellt, deren zugehörige Übertragungsverhältnisse 1»M^> ^ ^tivIn+1 ^und ^ ^iIVIn+2 ^{von dem} Abstand der Schlitze 10 zur Kante des Wellenleiters 6 abhängen. Der Zahlenwert von M wird größer, wenn die Schlitze 10 zur gedachten Mittellinie der Oberfläche des Wellenleiters 6 hin verschoben werden.

Die Kapazitäten der kapazitiven Stäbe 20 und 22

£ sind G^, C-, C p···*·» ^a^-^e sind so gewählt, daß jeder Schlitzbereich des Wellenleiters 6 dem nächstfolgenden Schlitzbereich für eine in VorwärtsricLtung redachtt- Eneiviefortpflanzung angepaßt ist. Die durcn aie kapazitiven Stabe 20, 22 vorgesehene Anpassung vereinfacht den Aui'beu der Anlage.

Wenn nun V , Vi, Vo ^{die an deri} Schlitzen

10 erforderlichen relativen Spannungen sind, wenn dem einen Wellenleiter Energie zugeführt wird, und wenn V , V ·., V _n+p···' die an den Schlitzen erforderlichen relativen Spannungen sind,

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wenn dem anderen Wellenleiter Energie zugeführt wird, und wenn W_n, W_n+1, W_n+2.,... und ^_n, W_n+1, W_n+2..... die zuge hörigen relativen Spannungen im Wellenleiter 5 sind, kann gezeigt werden, daß folgendes gilt:

Diese Gleichungen können für die Werte ^_n, β . oC und U
gelöst werden»

i und

⁷D - ^Vn₊1 \

Wenn nun die Bedingungen an den Klemmen.der Antenne festgelegt sind, laaoeu sich aua diesen Gleiohunpen die erforderlichen Schlitzgrööen, Koprlurji'ukoeffizienten und Phaaenlängen

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bestimmer]. Wenn die Wellenleiter an einer passenden last enden, sind die Bedingungen an den Klemmen bis zu einem gewissen Grade willkürlich wählbar, solange folgendes gilt:

	Λ	η	Λ
V	W ;	V
η	η ⁷	η

I W

Die jeweiligen Klemmenbedingungen werden mindestens teilweise durch Ausprobieren bestimmt werden müssen.

Mit Hilfe dieser Gleichungen kann das Antennensystem so ausgelegt werden, da£ es verschiedene StrahlcharsK-teristiken aufweist, je nachdem, ob dem Wellenleiter 5 oder 6 Energie zugeführt wird. Es ist ersichtlich, daß bei der Energiezufuhr durch den Wellenleiter 5 die zu Anfang in den Wellenleiter 6 eingekoppelte Energiemenge Iu wesentlichen Null ist, so daß wenig oder gar keine Energie an den ersten Schlitzen 10 ausgestrahlt werden kann. Während sich die Energie im Wellenleiter 5 fortpflanzt, wird ein immer größerer xrozentsatz an Energie in den Wellenleiter 6 ein^euoppelt, wodurch sich die durch die Schlitze 10 ausgestrahlte Energie erhöht, bis die in den Wellenleiter 6 eingerioppelte Energie ein Maximum erreicht, woraufhin dann die Energie wieder abnimmt, wenn sie in den Wellenleiter 5 zuruCit_;eekoppelt wird. Die Schlitze 10 senden also eine spezielle Energieverteilun-skurve aus. Wenn andererseits durcn den Wellenleiter 6 Energie zugeführt wird, rot zu .Beginn die an den err-ten Schlitzen 10 ausgestrahlte energie maximal i;rob; während sich jedoch aic gle iui WeJ leule.i tür 6 fortpflanzt, v„iru ein immer rrüiuorer

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Proaeiitsatz an Energie in den Wellenleiter 5 eingekoppelt, bin "der lunkt erreicht ist, an dem der Wellenleiter 6 nahezu die Ensrgie üull hat, woraufhin dann die Energie aus dem Wellenleiter 5 in den Wellenleiter 6 zurückgekoppelt wird. Auf diese «-eise senden die Schlitze 10 also eine andere Ener^ieverteilungskurve aus, Ähnliche Betrachtungen können öiirei'tbllt werden, für den Fall, dsß die Anordnung für den Energieempfang verwendet wird. . ■ .

Zur Herstellung einer ebenen Antennengruppe können zwei oder mehrere der in Figur 1 dargestellten linearen Anordnungen nebeneinander angebracht werden, so daß eine ebtr.e Anordnung entnteht, die zwei verschiedene Energieverteilung skarvei: ausstrahlt oder empfängt, ^e nachdem, ob säi-i+licne unteren Wellenleiter (entsprechend dem Wellenleiter 3 ει·Γ· Firur 1) oder sämtliche oberen Wellenleiter (entsprechend de... Wellenleiter 6 aus Fi^ur 1) aller linearen Anordnviveii errc't v/erden. Oie Energie kenn den linearen Anordnuii-en, ar.β denen die ebene Antennengruppe aufgebaut ist, in reeigneter Weise zugeführt werden. Beispielsweise kann die Energie über zwei Zuführungen gespeist werden, die der linearen Anordnung aus Fi.s'ur 1 entsprechen,. In einer solchen Anordnung v.üraen die Schlitze 10 der einen Zuführung durch, Koppelelemente .ersetzt, die eine Einkopplung in die unteren Wellenleiter (entsprechend dem Y/ellenleiter 5 aus Figur 1) der ebenen Ant^nrjengruppe ermöglichen, während die Schlitze 10 der anderen Zuführung durch Koppelelemente ersetzt würden, die eine ·

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Einkopplung in die oberen Wellenleiter (entsprechend dem Wellenleiter 6 aus Figur 1) der ebenen Antennengruppe ermöglichen. Durch' diese Anordnung erhält die ebene Antennengruppe die Möglichkeit, Energie mit vier verschiedenen Verteilungskurven -auszustrahlen, und zwar je nachdem, welcher der vier Eingänge der beiden Zuführungen erregt wird. In ähnlicher Weise kann die Anordnung vier verschiedene Empfangs-Charakteristiken aufweisen.

Eine lineare Anordnung, wie sie in Figur 1 gezeigt ist, kann dazu verwendet werden, übliche lineare Gruppen mit Energie zu speisen, indem anstelle der Schlitze 10 Kopplunrselemente verwendet werden.

Die beschriebenen Antennensysteme senden oder empfangen Energie nach zwei verschiedenen Verteilungskurven. Die in Figur 1 gezeigte lineare Anordnung kann deshalb im Brennpunkt eines zylindrischen Parabolreflektor oder eines ähnlichen Gerätes angebracht sein, um die Strahlen zu bündeln; die erfindungsgemäße Anlage besitzt also den Vorzug, daß sie die Funktion zweier herkömmlicher linearer Gruppen erfüllt, die nebeneinander angebracht sein müssen und deshalb nicht beide im Brennpunkt des Parabolreflektor liegen können.

Die in Figur 1 gezeigte lineare Anordnung läßt sich bequem mit weiteren ähnlichen Anordnungen zu einer ebenen Antennengruppe, wie sie oben beschrieben wurde, kombinieren, die viele Vorzüge gegenüber einer ebenen Antennenanordnung aufweist, die aus horizontal und vertikal angeordneten

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herkömmlichen Einzelelementen aufgebaut ist und bei der durch die enge Kopplung zwischen benachbarten Anordnungen Schwierigkeiten auftreten können.

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Claims

Patentanmeldung* Antennensysteme, PATENTANSPRÜCHE

1. Antenne mit einer Hochfrequenz-Antennenleitung und eingebauten Energiesende- und/oder -Empfangsvorrichtungen, gekennzeichnet durch Vorrichtungen, um längs der Antennenleitung eine bestimmte Verteilungskurve der elektromagnetischen Energie zu erzeugen, wobei die Sende- und/ oder Empfangsvorrichtungen (10) jeweils eine von mehreren Energieverteilungskurven senden oder empfangen können.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Erzeugen von Energieverteilungskurven eine weitere Antennenleitung (5) enthält, die neben der ersten Antennenleitung (6) angebracht und durch Kopplungsvorrichtungen (18) mit dieser gekoppelt ist, wobei

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Patentanwälte Dipl.-ing. Martin Lieht, Dipl.-Wirhch.-lng, Axe! Hanimann, Dipl.-Phys. Sebattian Herrmann

eine erste Verteilungskurve dadurch ausgewählt wird, daß die erste Antennenleitung, und eine zweite Yerteilungskurve dadurch ausgewählt wird, daß die zweite Antennenleitung gespeist wird.

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Antennenleitung ein Wellenleiter (5) ist,

4. Antenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Antennenleitung ein Wellenleiter (6) ist. ^l

5. Anti-.nne nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurcl: gekennzeichnet, daß die Energiesende- und/oder -Eapfangsvorrichtung aus Schlitzen (10) in der Antennenleitung "besttht»

6. Antenne nach Anspruch 5, dadurch «gekennzeichnet, äaZ Vorrichtungen (20, 22) für die Impedanzanpassung der Schlitze vorgesehen sind.. .' 7· Antenne nach einen der vorstehenden Ansprüche,

dadurch" ;; ekenivzeichnet, daß in einer der Antennenleitungen ■ * -.' j* Phacerisehiebervorrichtuncen (24) vorgesehen sind.

d. Antexme nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3-7, "bezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsvorrichtung eine Richtungskoppliing bewirkt.

9. Antenne nach Anspruch 8, daourch gekennzeichnet, daß die Richtungskopplungsvorrichtung aus einer oder mehreren Öffnungen (18) in der Fläche (8) der Antennenleitung besteht, die mit entsprechenden Öffnungen in der angrenzenden Fläche

■" ■ ■ . · ■

der zweiten Antennenleitung fluchten. '

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10. Antenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung aus einem langgestreckten Schlitz "besteht.

11. Ebene Antennengruppe, gekennzeichnet durch mehrere nebeneinander angebrachte Antennen nach einem der vorstehenden Ansprüche.

12. Ebene Antennengruppe, gekennzeichnet durch mehrere lineare Antennensysteme nach Anspruch 2 oder einem der An-

W Sprüche 3-10, bezogen auf Anspruch 2, zwei Zuführungevorrichtungen, die jede aus zwei angrenzenden Zuführungs-Antennenleitungen bestehen, Richtungskopplungsvorrichtungen, die die Antennenleiterpaare miteinander koppeln, eine Gruppe von Kopplungsvorrichtungen, von denen je eine Kopplungsvorrichtung eine bestimmte lineare Antennengruppe mit einer der Zuführungs-Antennenleitungen koppelt, so daß die eine der Zuführungsvorrichtungen mit der einen Antennenleitung jeder linearen Antennengruppe und die andere Zuführungsvorrichtung

Jk mit der anderen Antennenleitung jeder linearen Antennengruppe gekoppelt ist, und selektive Eingangs-Zuführungsvorrichtungen, die die Zuführungsleitungen speisen, so daß die ebene Antennengruppe jeweils eine von vier verschiedenen Charakteristiken aufweist.

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I e e r S e i te