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Aus
DE 16 16 252 0A ist
eine Rundstrahlantennenanordnung mit einem Aperturstrahler bekannt, bei
welcher im Strahlungsfeld einer elektromagnetischen Welle ein Reflektor
und ein dielektrisches Substrat angeordnet sind. In Strahlrichtung
einer als Sendesignal dienenden Welle ist der Reflektor hinter dem Substrat
angeordnet.
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Aus
DE 40 13 165 A1 ist
eine Antenne mit einer so genannten Janus-Richtcharakteristik bekannt.
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Antennen
mit einem bidirektionalen Antennendiagramm werden beispielsweise
für die
bidirektionale Übertragung
von Funksignalen in linienförmigen
Versorgungsbereichen benötigt.
Diese auch dem Namen "Linienfunk" bekannten Funkübertragungssysteme
werden z.B. als Betriebsfunksysteme für die Überlandstrecken (Fernverbindungen)
der Eisenbahn oder der Magnetschwebebahn verwendet. Sie finden jedoch
auch Verwendung als Betriebs- oder allgemeine
Funksysteme entlang der Autobahnen bzw. Überlandstraßen für den Kraftfahrzeugverkehr. Denkbar
ist auch deren Verwendung als Funksysteme entlang der schiffbaren
Flußläufe für die Binnenschiffahrt.
Aber auch deren Verwendung als Betriebsfunksysteme entlang der Verkehrswege
für fahrerlose
Fahrzeuge in geschlossenen Systemen wie z.B. in Hochregallagern
oder im Bergbau ist möglich.
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Charakteristisch
für all
diese Systeme ist, daß sie
als "Linienfunkübertragungssystem" einen geographischen
Bereich funktechnisch versorgen, dessen Längsausdehnung sehr viel (i.a.
um Größenordnungen)
größer ist
als dessen Querausdehnung. Dabei können selbstverständlich mehrere
dieser linienförmigen
Bereiche miteinander verbunden sein und z.B. netz- oder sternförmige Gebilde
bilden, die jedoch so strukturiert sein müssen, daß benachbarte linienförmige Bereiche
sich funktechnisch nicht gegenseitig stören.
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Linienfunkübertragungssysteme
dieser Art weisen bekanntlich mehrere Feststationen (auch Basisstationen
genannt) auf, die längs
der einzelnen linienförmigen
Versorgungsbereiche angeordnet sind. Ihre Abstände untereinander sind dabei
so gewählt, daß der gesamte
zu versorgende Bereich funktechnisch möglichst vollständig ausgeleuchtet
ist.
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Innerhalb
des Versorgungsbereichs befinden sich eine oder mehrere Mobilstationen,
die über
Funk mit den Feststationen verbunden sind. Dabei sind die Mobilstationen
und/oder die Feststationen üblicherweise
jeweils mit einem bidirektionalen Antennendiagramm ausgestattet.
Die Systeme sind hinsichtlich ihrer Funkreichweite so ausgelegt,
daß die
Mobilstationen bei ihrer Bewegung entlang des Versor gungsbereichs
im Idealfall immer nur mit den jeweils direkt benachbarten Feststationen
in Funkverbindung stehen. Im Falle eines Eisenbahn-Linienfunksystems z.B.
bewegt sich eine Lokomotive (Mobilstation) auf einer Überland-Bahntrasse
(Versorgungsbereich) und tritt während
ihrer Fahrt nacheinander mit Feststationen in Funkverbindung, die
längs dieser
Bahntrasse angeordnet sind und dabei eine Funkkette bilden, die
mit einer Betriebsfunk-Zentrale
verbunden sind.
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Diese
Funkverbindungen Mobilstation – Feststation
können
unidirektional oder bidirektional ausgelegt sein.
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Eine
bidirektionale Übertragung
ist eine besondere Art der Übertragung
für solche
linienförmige Versorgungsbereiche.
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Hierbei
werden in bestimmten Abständen Feststationen
längs der
Trasse installiert, deren Antennen beide Richtungen gleichseitig,
d.h. bidirektional ausleuchten. Entsprechend sind die Mobilstationen üblicherweise
mit bidirektionalen Antennen ausgerüstet, um in beiden Richtungen
und in beiden Positionierungen des Fahrzeugs senden und empfangen
zu können,
Eine bidirektionale Übertragung bringt
bezüglich
der Leistungsbilanz auf den ersten Blick keine Vorteile, da durch
die verfügbare
halbe Sendeleistung und notwendige doppelte minimale Strahlungsdichte
am Empfangsort sich zwar die maximale Reichweite halbiert, dafür aber,
weil die Funkverbindungen nach Erreichen von Rmax/2
durch die nächste
Feststation übernommen
werden kann, der Abstand der Fest station 2·Rmax/2
beträgt,
d.h. es ändert
sich nichts gegenüber
der unidirektionalen Übertragung.
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Bei
Nutzung von Frequenzen insbesondere im Mikrowellen- bzw. mm-Wellenbereich
(z.B. bei f = 40 GHz) muß jedoch
in den Systemauslegungen der Einfluß der Niederschläge berücksichtigt
werden.
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Ist
R
max die unter Berücksichtigung der Niederschläge bestimmte
maximale Reichweite für
den unidirektionalen Fall, so ergibt sich für den bidirektionalen Fall
mit R'
max eine
transzendente Gleichung
wobei a die atmosphärische Dämpfung (dB/Längeneinheit)
ist.
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Da
der Exponentialausdruck größer 1 ist,
gilt
so daß der zulässige Abstand der Feststationen (2R'
max)
bei bidirektionaler Übertragung
größer wird als
im unidirektionalen Fall, und somit die Funkanlage kostengünstiger
wird.
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Bei
der bidirektionalen Übertragung
können jedoch
ohne geeignete Maßnahmen
erhebliche Intersymbolinterferenzen auftreten. Wenn z.B. eine Feststation
sendet, so kann die Mobilstation neben dem direkten Signal mit der
rückseiti gen
Antenne auch ein von einem Hindernis (z.B. Gegenzug) reflektiertes
Signal empfangen.
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Die
Nutzung von zirkularer Polarisation kann bekanntlich diesen Effekt
zumindest bei steilen Einfallswinkeln unterdrücken, da sich bei der Reflexion der
auf die Ausbreitungsrichtung bezogene Drehsinn der Polarisation ändert.
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Nun
sind zirkularpolarisierte Antennen zumindest im Mikrowellen- bzw.
mm-Wellenbereich aufwendig, wenn man noch technische Nebenbedingungen
wie Schwenkbarkeit des Antennendiagramms, schmale Bauformen, niedrige
Verluste usw. berücksichtigt.
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Wie
in einer mit gleichem Zeitrang eingereichten Patentanmeldung der
Anmelderin im einzelnen beschrieben wird, kann der gleiche Zweck,
d.h. Unterdrückung
des Empfangs von störenden
Reflexionen, durch eine lineare, aber gegenüber der Vertikalen um z.B. ±45° gedrehte
Polarisation erreicht werden. Hierzu müssen alle Antennen der Feststationen die
gleiche Polarisation aufweisen (z.B. +45°, d.h. Drehung der vertikalen
Polarisation um +45° nach rechts,
in die jeweilige Senderichtung gesehen).
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Alle
Antennen der Mobilstationen haben bei dieser Lösung eine hierzu orthogonale
oder zumindest annähernd
orthogonale Polarisation (d.h. in diesem Beispiel: Drehung der vertikalen
Polarisation um –45°). Hier ist
zu erwähnen,
daß eine
+45°-Antenne nur
mit einer –45°-Antenne
kommunizieren kann (und umgekehrt).
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Antennenanordnung
mit bidirektionalem Antennendiagramm ("Janus"-Antenne) zu schaffen, das dergestalt
linear polarisiert ist, daß die Polarisationen
der beiden (entgegengesetzten) Haupt-Abstrahlrichtungen der Antennenanordnung, in
jeweiliger Senderichtung gesehen, um 45° oder annähernd 45° im gleichen Drehsinn aus der
Senkrechten heraus gedreht sind.
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Die
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 wiedergegeben.
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Die übrigen Ansprüche enthalten
vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
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Selbstredend
kann die erfindungsgemäße Antennenanordnung
sowohl als Sende- als auch als Empfangsantenne benutzt werden; an
der räumlichen
Anordnung der Reflektoren und Substrate ändert sich hierdurch nichts
(wenn man also, mit anderen Worten, jeweils in Strahlrichtung der
elektromagnetischen Welle schaut, sind die Reflektoren im "Sendefall" hinter den Substraten
angeordnet und im "Empfangsfall" (wenn sich die Strahlrichtung
gegenüber
dem Sendefall umkehrt) vor den Substraten).
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Mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Antenne als
Teil einer Feststation kann beispielsweise der zugeordnete linienförmige Versorgungsbereich
(Bahntrasse o.ä.)
in zwei entgegengesetzte Richtungen gleichmäßig ausgeleuchtet werden bzw.
als Teil einer Mobilstation Funksignale in beiden Richtungen gesendet.
oder empfangen werden. Durch die um 45° oder annähernd um 45° aus der Senkrechten (oder der
Flächennormalen
zur Bezugsebene der Mobilstation) gedrehten Polarisationen der beiden
Hauptkeulen wird der störende
Einfluß von
Reflexionen durch z.B. entgegenkommende andere Mobilstationen oder feststehende
Objekte wie Häuser
o.ä., erheblich
gemildert, wenn nicht sogar beseitigt.
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Die
erfindungsgemäße Antennenanordnung ist
besonders vorteilhaft im Mikrowellen- und hier insbesondere im Millimeterwellen-Bereich
einsetzbar. Ihre Konstruktion läßt sehr
kompakte Bauformen zu. Vor allem sind mit der erfindungsgemäßen Antennenanordnung
schmale Bauformen möglich,
bei denen die Querabmessungen die zur Bildung der azimutalen Halbwertsbreite
notwendigen Aperturabmessungen nicht wesentlich überschreiten.
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Die
Reflektoren bzw. Substrate der Antennenanordnung können auf
folgende Weise im Strahlungsfeld der elektromagnetischen Welle angeordnet werden:
Der
erste Reflektor und das zweite Substrat liegen in einer gemeinsamen
ersten Ebene, die gegenüber der
Bezugsebene senkrecht zur Strahlrichtung der elektromagnetischen
Welle um einen Winkel φ1 im Uhrzeigersinn (oder alternativ: im Gegenuhrzeigersinn)
gedreht ist bzw. der zweite Reflektor und das erste Substrat liegen
in einer gemeinsamen zweiten Ebene, die gegenüber der Bezugsebene um einen Winkel φ2 im Gegenuhrzeigersinn (oder alternativ:
im Uhrzeigersinn) gedreht ist und sich damit in ihrer Ausrichtung
von der der ersten Ebene unterscheidet (nämlich um den Winkel (180°-φ1 – φ2).
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Durch
individuelle Ausrichtung/Platzierung der beiden Winkel φ1 und φ2 ist es möglich, die beiden Antennendiagramme
der Antenne an die örtlichen
Gegebenheiten des Versorgungsbereichs oder an die individuellen
Eigenschaften des Strahlungsfeldes der elektromagnetischen Welle
anzupassen.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Antennenanordnung
mit über
eine gemeinsame Koppelkante miteinander verbundenen Reflektoren
und Substraten;
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2 die
Reflektor/Substrat-Anordnung gemäß 1 von
unten sowie eine vektorielle Zerlegung der Polarisation der elektromagnetischen
Welle in zwei Anteile S und P;
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3 eine
Seitenansicht einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antennenordnung
im Querschnitt mit senkrecht aufeinanderstehenden Reflektoren und
Substraten sowie mit einem Hornstrahler zur Erzeugung der elektromagnetischen
Welle.
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Die
Antennenanordnung in 1 besteht aus zwei Reflektoren
(z.B. Metallreflektoren) 1 und 2 und zwei dielektrischen
Substraten (z.B. aus Kunststoff) 3 und 4, die über eine
allen gemeinsame Koppelkante 8 miteinander verbunden sind.
Die Anordnung 1–4 befindet
sich im Strahlungsfeld einer ebenen und linear polarisierten elektromagnetischen Welle 5,
die hier (beispielhaft) als Sendesignal von unten auf die Antennen-Anordnung 1–4 trifft.
Die Strahlrichtung der Welle 5 ist dabei mit dem Bezugszeichen 50 versehen,
die hierzu senkrecht verlaufende Bezugsebene mit dem Bezugszeichen 51.
In der Figur ist die Polarisation (52 in 2)
der elektromagnetischen Welle senkrecht zur Papierebene ausgerichtet.
Die beiden Reflektoren 1 und 2 sowie die beiden
Substrate 3 und 4 sind so ausgerichtet, daß der erste
Reflektor 1 und das zweite Substrat 4 um einen Winkel φ1 im Uhrzeigersinn und der zweite Reflektor 2 und
das erste Substrat 3 um einen Winkel φ2 im
Gegenuhrzeigersinn gegenüber
der Bezugsebene 51 gedreht sind. Mit 11, 21, 31 und 41 sind
die äußeren (freien)
Kanten der vier Bauteile 1–4 bezeichnet.
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In 2 ist
diese Antennenanordnung von unten gezeigt. Zu erkennen sind die
beiden Substrate 3 und 4 mit ihren freien äußeren Kanten 31 und 41 und
der gemeinsamen Koppelkante 8. Ferner sind mit einem Pfeil 52 die
Richtung der Polarisation der elektromagnetischen Welle 5 angedeutet
sowie mit 30 bzw. 40 die Metallstreifen bezeichnet,
die auf denjenigen Oberflächen
der Substrate 3 und 4 angeordnet sind, die den
(in 2 nicht sichtbaren) Reflektoren (1, 2 in 1)
abgewandt sind. Die Metallstreifen 30 bzw. 40 sind
zueinander parallel ausgerichtet.
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Ihre
Projektionen auf die Bezugsebene 51 gemäß 2 schließen mit
den freien Kanten 31 und 41 jeweils einen Winkel
von 45° ein.
Somit bilden die Metallstreifen auf dem Substrat mit den freien
Kanten 31 bzw. 41 die Winkel φ3 =
arctan (1/cos φ2) bzw. φ4 = arctan (1/cos φ1).
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Ferner
ist in 2 in einer separaten Darstellung die vektorielle
Zerlegung des Vektors der Polarisation 52 gezeigt, und
zwar in einen Anteil S, der senkrecht zu den Projektionen der Metallstreifen 30 bzw. 40 steht,
und ein Anteil P, der entsprechend parallel verläuft.
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Die
Antenne besteht also aus den zwei ebenen rechteckförmigen Reflektoren 1, 2,
die an einer Kante 8 zusammenstoßen und bei den vorgebbaren Winkelstellungen φ1 und φ2 fixierbar sind, und aus den zwei ebenen
und ebenfalls rechteckförmigen
dielektrischen Substraten 3, 4, die analog zu
den Reflektoren 1, 2 positioniert sind. Die Funktion
der Antenne wird zunächst
für den
Sonderfall beschrieben, daß die
Winkel φ1 und φ2 jeweils 45° betragen. Die Abstrahlung erfolgt
dann in exakt entgegengesetzten Richtungen. Der allgemeine Fall
kann danach leicht verstanden werden.
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Auf
dem jeweiligen Substrat 3 bzw. 4 bilden die Metallstreifen 30 bzw. 40 dann
für den
betrachteten Sonderfall mit der Substratkante 31 bzw. 41 bzw. mit
der Polarisation 52 einen Winkel φ3 = φ4 = arctan (1/cos 45°) ≈ 54,7°.
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Eine
von unten eingespeiste elektromagnetische Welle 5 mit z.B.
zur Blattebene senkrechter Polarisation kann in die zwei Anteile
P und S entsprechend +45° Polarisation
aufgeteilt werden. Die Polarisationsteile S senkrecht zu den Metallstreifen 30 bzw. 40 durchstrahlen
die Substrate 3 bzw. 4 im Prinzip ungedämpft und
werden erst an den Re flektoren 1 bzw. 2 um jeweils
90° reflektiert.
Die Polarisationsanteile P parallel zu den Metallstreifen 30 bzw. 40 werden
an diesen im Winkel von 90° reflektiert
und durchstrahlen das jeweils gegenüberliegende Substrat 4 bzw. 3 im
Prinzip ungedämpft,
da hier die Polarisationen senkrecht zu den Metallstreifen 40 bzw. 30 stehen.
Die Anteile P und S addieren sich im Fernfeld der Keule des jeweiligen
Antennendiagramms.
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Das
so erzeugte symmetrische Strahlungsdiagramm mit jeweils einer Keule
auf jeder Seite hat in den beiden Strahlungsmaxima lineare Polarisationen,
die, in jeweiliger Senderichtung gesehen, um 45° im gleichen Drehsinn aus der
Senkrechten heraus gedreht sind.
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Die
optimale Dimensionierung des Substratmaterials (Permittivität), der
Substratdicke, der Breite und des Abstandes der Metallstreifen 30 bzw. 40 als Funktion
der Frequenz ist Stand der Technik und kann der Literatur entnommen
werden.
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Für den Fall,
daß die
beiden Keulen nicht exakt bidirektional ausgerichtet sein sollen,
d.h. miteinander einen Winkel verschieden von 180° einschließen sollen,
müssen
die Winkel φ1 und φ2 entsprechend abweichend von 45° eingestellt
werden. Die Metallstreifen müssen
dann zu den Substratkanten 31 bzw. 41 bzw. zur
Polarisation 52 der elektromagnetischen Welle 5 einen
Winkel φ4 bzw. φ3 von arctan (1/cos φ1)
mit i = 1,2 einnehmen, damit gemäß 2 in
der Projektion für
die Welle 5 ein Winkel von 45° erreicht werden kann.
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In 3 ist
der Spezialfall dargestellt, daß φ1 = φ2 45° ist,
d.h. daß die
Reflektoren 1 und 2 und Substrate 3 und 4 jeweils
senkrecht aufeinanderstehen. Die Substrate 3 und 4 liegen
bei diesem Ausführungsbeispiel
mit ihren äußeren Kanten 31 bzw. 41 auf
dem Rand eines Hornstrahlers 6, 7 mit rechteckförmigem Querschnitt.
Der Hornstrahler 6, 7 ist über einen Hohlleiterflansch 7 an
einen (nicht gezeigten) Hohlleiter anschließbar. Dabei sind die zur Polarisationsrichtung 52 der
elektromagnetischen Welle senkrechten Seitenwände (in der 3 also
die zur Bildebene parallelen Seitenwände) des Hornstrahlers 6, 7 durch
dielektrische Platten 9 verlängert, zwischen denen die Reflektoren 1, 2 und
die Substrate 3, 4 eingespannt sind.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wird das ebene und linear polarisierte Strahlungsfeld der elektromagnetischen
Welle im "Sendefall" über den Hornstrahler 6, 7 abgestrahlt
(die Polarisation steht dabei senkrecht zur Papierebene) und trifft
zunächst
auf die Substrate 3, 4, die – wie zuvor geschildert – einen
Teil (P) der Strahlung direkt (und zwar in Richtung des jeweils
anderen Substrats, das diesen Teil der Strahlung (mehr oder minder)
ungehindert passieren läßt) reflektieren
und den anderen Teil (S) der Strahlung (mehr oder minder) ungehindert
durchlassen, der erst anschließend
an dem jeweiligen Reflektor reflektiert wird (und zwar in die entgegengesetzte
Richtung wie der am zugehörigen
Substrat reflektierte Teil der Strahlung).
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Es
addieren sich also im jeweiligen Fernfeld:
- a)
der am ersten Reflektor 1 reflektierte S-Anteil der Strahlung
und der am zweiten Substrat 4 reflektierte P-Anteil der Strahlung
und
- b) der am zweiten Reflektor 2 reflektierte S-Anteil der
Strahlung und der am ersten Substrat 3 reflektierte P-Anteil der Strahlung.
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Im "Empfangsfall" laufen diese Vorgänge natürlich in
genau umgekehrter Reihenfolge ab, so daß sich eine nähere Erörterung
dieses Falls erübrigt.
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Die
Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern
vielmehr auf weitere sinngemäß übertragbar.
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So
ist es z.B. möglich,
in den Strahlengang des Hornstrahlers zur Optimierung der Bedingungen für ein ebenes
Strahlungsfeld (d.h. Strahlungsfeld mit ebenen Wellenfronten) zusätzlich eine
entsprechend dimensionierte (angepaßte dielektrische) Linse einzubringen.
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Anstelle
des Hornstrahlers kann auch ein anderer Aperturstrahler (z.B. ein
Array-Strahler) verwendet werden.
