DE1960773A1

DE1960773A1 - Logarithmisch periodisches Antennensystem

Info

Publication number: DE1960773A1
Application number: DE19691960773
Authority: DE
Inventors: Carter Duncan Lee
Original assignee: CARTER DUNCAN LEE
Current assignee: CARTER DUNCAN LEE
Priority date: 1968-12-05
Filing date: 1969-12-03
Publication date: 1970-07-16
Also published as: US3503074A; JPS4834338B1; NL6918123A; GB1291275A; BE742744A; FR2025468A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Antennen und insbesondere Antennensysteme, die innerhalb einer großen Bandbreite frequenzunabhängig sind; die vorliegende Erfindung ist eine "continuation-in-part¹¹-Anmeldung aer U. S. Patentanmeldung mit der Serial Mo. 563,892, eingereicht am 6. Juli 1966, die jetzt fallengelassen wurde.

Ein allgemeines Problem bei Breitbandantennen liegt in der Tatsache, daß eine große Zahl von Einselelementen verwendet wird, wobei jedes Einselelement mit einem speziellen Frequenzbereich zusammenhängt. Nach herkömmlichen '/erfahren auf ff« baute An bennen rjind deshalb im allgemein «m groß und sperrig.

Patentanwälte Dipl.-Ing. Marti>· Liclif, oipl.-Wiristfi.-ln0. Α,ίοΙ ihmu» :r.!i. UiriL-Piiys. ajba;fian Harrmams

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Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, eine kompakte Antennenanordnung zu schaffen, die über einen großen Frequenzbereich im wesentlichen frequenzunabhängig ist,

Die Erfindung besteht im wesentlichen aus einer Antenne mit einer Anzahl eng benachbarter Antennenelemente, deren Längen unterschiedlich sind aber in einem bestimmten Verhältnis zueinander'stehen, sowie Kopplungsvorrichtungen, fc die diese Elemente so miteinander verbinden, daß die Stromphase in aufeinanderfolgenden Elementen umgekehrt wird.

Es folgt nun eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnungen.

Figur 1 zeigt einen symmetrischen Dipol.

Figur 2 zeigt einen asymmetrischen Halbdipol.

Figur 3 ist eine schematische Darstellung eines Kopplungsnetzwerks für die Antenne aus Figur 1.

Figur 4 zeigt ein Kopplungsnetzwerk, das für die Antenne aus Figur 2 verwendet werden kann.

Figur 5 zeigt eine in einem dielektrischen Material eingebettete unipolare Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Figur 6 aeigt ein Kopplungsnetzwerk für die Antenne aus Figur 3.

Figur 7 ist eine graphische Darstellung der mit einer der erfindungagemäßan Antennen erzielten Ergebnisse.

Figur 8 ist οine aohemßi bische Darstellung anti i'i7/rj:i Elementen bestehender] Lärigaatrahlora,

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Figur.9 ist eine schematische Darstellung der Antenne, mit der die in Figur 7 gezeigten Ergebnisse erzielt wurden.

Figur 10 ist eine graphische Darstellung der Impedanskurven, wie sie bei einer der erfindungsgemäßen Antennen tatsächlich gemessen wurden.

Ohne hierauf beschränkt zu sein, wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die zu den linearen logarithmisch -periodischen Antennensystemen zählen. Der Grundgedanke der Erfindung kann jedoch auch für verschiedene andere Antennentypen verwendet werden, wie aus der folgenden Beschreibung hervorgellt.

In der gegenwärtig üblichen Auslegung von logarithmisch periodischen Antennen wird in den meisten Fällen die Impedanz der einzelnen Elemente nicht berücksichtigt. Das Impedanzproblem wird im allgemeinen empirisch gelöst, ohne dem eigentlichen Problem auf den Grund au gehen, abgesehen von einigen Fällen, bei denen es sich um parallel gespeiste Elemente handelt. Die meisten Dipolanordnungen werden so konstruiert, daß Parameter für den Maßstabsfaktor und den Abstand gev.ählt werden, die das gewünschte Riehtvermö'gen gemäß den liormwerten ergeben (Carrel, R. L., "Analysis and Design of the Log-Periodic Dipole Antenna", University of Illinois, Antenno Laboratory Technical Report Ho. 47» 15. JuIi 1960) j dani'i wird die Impedanz der Speiseleitung soweit angepaßt, daß zufriedenatellende Impedanßkennwerte erzielt werden,

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was nicht immer ein geeignetes Verfahren ist. Bei Antennen— systemen mit eng benachbarten Einzelelementen und/oder einem Maßstab.sfaktor, der nahe bei 1 liegt, erreichen die Einzelelementimpedanzen Werte, die oft keine befriedigenden Ergebnisse liefern, wenn die Anordnung in herkömmlicher Weise gehandhabt wird.

Die Änderung gegenseitiger Kopplung zwischen benachbarten Einzelelementen wird im allgemeinen allein als Funktion des Abstands zwischen zwei parallelen, linearen Halbwellendipolantennen betrachtet (siehe pp. 262-272, Kraus, J.»D., "Antennas", McGraw-Hill, Hew York, 1950). Im Falle dünner, in der Mitte gespeister und nebeneinanderliegender Antennen von V2 Wellenlänge nähert sich der Eigenwiderstand minus dem gegenseitigen Widerstand dem Wert Null, wenn der Abstand zwischen den Einzelelementen gegen Null geht, eine Tatsache, die bei der Konstruktion sehr eng benachbarter Dipolanordnungen (weniger als λ/20) Probleme aufwarf. Diese Tatsache bezieht sich jedoch nur auf Dipolelemente gleicher Länge. Bei Kraus findet sich ein kurzer Abschnitt mit dem Titel "Parallel Antennas of Unequal Height", in dem er bezugnimmt auf Cox, CU., "Mutual Impedance Between Vertical Antennas of Unequal Heights", PROC. I.E.E., 35, 1367-1370, November 1947.

^: . Bei eng benachbarten Elementen ungleicher Länge ist die Differenz zwischen dem Eigenwiderstand und dem gegenseitigen Widerstand der Einzelelemente immer größer als Null, auch wenn der Abstand zwischen den Elementen gegen Null geht.

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Man "betrachte den aus zwei Elementen bestehenden längsstrahier aus Tigur 8. Die Elemente 61 und 63 haben den Abstand S und die G-esamtlängen I.. und Ip · ^^e^D beide Elemente gleich lang wären, entspräche die Anordnung zwei offenen Antennenleitungen der länge 1/2, deren Widerstand am Speisepunkt gegen Bull ginge, wenn sich der Abstand gegen Hull -verringern würde· Bei den hier dargestellten Elementen ungleicher Länge ist ersichtlich, daß, wenn beide Elemente in das gleiche elektromagnetische Wechselfeld gebracht würden, auf keinen Pail Ströme gleicher Größe und Phase in den Elementen der Antenne induziert würden. In dem Bereich, in dem das eine Element langer als λ/2 und das andere Element kürzer als λ/2 ist, würden sich die resultierenden Ströme am Speisepunkt addieren, da der Phasenumkehr, die durch das Überkreuzen der kurzen Speiseleitung verursacht wird, die Tatsache entgegenwirkt, daß das eine Element einen kapazitiven und das andere Element einen induktiven Blindwiderstand hätte.

Der Ausdruck "eng benachbart" soll in der vorliegenden Beschreibung die Tatsache bezeichnen, daß die einzelnen leiter der strahlenden Elemente auf einen genügend kleinen Haumbereich zusammengedrängt sind, so daß, soweit es die Bestimmung der HauptStrahlungskennwerte betrifft, die einzeihen Leiter die gleiche infinitesimale Raumleitung besetzen. Mit anderen Wörtern Die einzige Abstanasbegrenzung liegt darin, daß der Abstand zwischen den einzelnen Leitern nur von der räumlichen Konstruktion abhängt, do to· nur von der

Forderung, daß die einzelnen Leiter einander nicht berühren dürfen. - . ·

• Die vorliegende Ausführungsform einer frequenzunabhängigen Antenne benötigt also als Angabe für ihre räumlichen Abmessungen nur eine Dimension, nämlich die Lange, und keine Angabe in zwei oder drei Dimensionen, wie das bei den bisherigen frequenzunabhängigen Antennen erforderlich war. In der

W bisherigen Technik bezeichnete der Ausdruck "eng" einen Abstand benachbarter Elemente in der Größenordnung von V4 - ^Α/20 Wellenlänge, und fast nie einen größeren oder kleineren Abstand. Wenn diese bisherigen Antennensysterne Abstände von beträchtlich weniger als */20 Wellenlänge aufwiesen,¹ waren sie keine frequenzunabhängigen Antennen mehr. Der Abstandsparameter ist in jedem Fall ein sehr wichtiger Parameter. In keiner der bisher über Antennen herrschenden Lebrmeinungen darf der Abstand sehr eng oder sehr weit sein, d. h. außerhalb des allgemeinen, oben angegebenen Bereichs, wenn die Antenneneigenschaften erhalten bleiben sollen. In der bisherigen-Technik müssen außerdem die Leiter angenähert in einer Ebene liegen, und, falls die Elemente in Längsrichtung spitz'zulaufen, muß das allmählich und längs der Ebene geschehen. I¹Ur die linearen logarithmisch periodischen Antennen der vorliegenden Erfindung gelten diese Einschränkungen nicht. Die Elemente können in beliebiger Gruppierung gebündelt sein, wobei die Aufstellung das Netzwerks jedoch vereinfacht wird, wenn die leiter nmk einem gewissen Örclnungsprinzip angeordnet sind.

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Als Beispiel seien im folgenden die räumlichen Abmessungen bisheriger logarithmisch periodischer Antennen angeführt. Die kleinste, im Handel erhältliche Ausführungsform eines ebenen logarithmisch periodischen Antennensystems, ausgedrückt in Größe gegenüber Wellenlänge für die niedrigste Frequenz ist,eine Anordnung, die einen Frequenzbereich von 3-30 MHz überdeckt. Es handelt sich dabei um eine halbseitige Struktur, die einen Flächenbereich, von etwa 54 x 30 m (176 χ 100 Fuß) bedeckt. Der gleiche Frequenzbereich könnte von einem linearen logarithmisch periodischen Dipol gemäß der vorliegenden Erfindung überdeckt werden, wobei der Dipol eine Länge von 36,6 m (120 Fuß) und eine Dicke im Bereich von 12,7-0,8 mm (ty2-Y32 Zoll) aufweist, was eine 2400-fache Ver-. ringerung der Abmessungen bedeutet. Ein linearer logarithmisch periodischer Dipol könnte aus sehr viel dünnerem Kupferdraht hergestellt werden, wobei die gesamte Anordnung in der Mitte nicht dicker als ein normaler Schaltdraht No. 20 wäre.

In Figur 1 ist ein Kopplungsnetzwerk 10 zwischen zwei identischen Antennensystemen gezeigt, wodurch ein normaler Dipol gebildet wird. Zur Erläuterung sind die sich zur einen Seite des Kopplungsnetzwerkserstreckenden Einzelelemente mit den Bezugsziffern 13-29 bezeichnet, wobei die gegenüberliegenden Elemente ein Spiegelbild dieser beschrifteten Elemente darstellen.

In Figur 3 ist ein Kopplungsnetzwerk gezeigt, das aus einer Anzahl von Spulen, von denen zwei mit den Sezugs-

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ziffern 22 und 24 bezeichnet sind, und zugehörigen Kondensatoren 26 und 28 besteht. Ersichtlicherweise bewirkt dieses Kopplungsnetzwerk angenähert eine Umkehr der Stromphase in benachbarten Elementen.

Im allgemeinen hängt der Abstand zwischen einzelnen Elementen von mechanischen Festigkeitseigenschaften oder Einschränkun-gen bezüglich einem Zusammenbruch der Spannung ab, wie oben erwähnt wurde, nicht jedoch von irgendwelchen Forderungen bezüglich der Strukturgestaltung. Die Elementabstände, die Stromgröße und die Phasendii'ferenzen zwischen den einzelnen Elementen erzeugen für jede Frequenz innerhalb des von der Antenne überdeckten Bereichs Fernfelder ähnlich denen eines Halbwellendipols. Die Abstände zwischen den einzelnen Elementen des frequenzunabhängigen Dipols, wie er in Figur gezeigt ist, sind klein und praktisch vernachlässigbar bezüglich der vom Kopplungsnetzwerk verursachten Phasenverschiebung.

Der Maßstabsfaktor T, der die relative Länge der Einzelelemente darstellt, ist hauptsächlich eine Funktion der Bandbreite der Einzelelemente und der gewünschten Bandbreite des gesamten Antennensystems. Beispielsweise kann für eine Anordnung aus sehr kurzen geladenen Elementen ein liaßstabsfaktor von 0,999 und für eine Vielfachanordnung aus konischen .Unipolen oder Dipolen ein Maßstabsfaktor von 0,500 verwendet werden. Dementsprechend kann ein einfacher Dipol einen Maßstabsfaktor zwischen 0,7 und 0,9 haben.

Der asymmetrische halbseitige Dipol aus Figur 2

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zeigt eine weitere Ausführung»!" orm der Erfindung. Tatsächlich stellt üie Anordnung die eine Hälfte der Antenne aus Figur 1 dar, wobei sich "benachbarte Einzelelemente aus Figur 1 auf entgegengesetzten Seiten des Kopplungsnetzwerks 30 erstrecken. Zum besseren Verständnis sind die Elemente mit den Bezugsziffern >1—47 in der Reihenfolge ihrer vom Kopplungsnetzwerk 30 nach außen ragenden Länge bezeichnet. -Ein hierfür geeignetes Kopplungsnetzwerk ist schematisch in Figur 4 gezeigt, wobei die Induktionsspulen mit 32 und 34 und die zugehörigen kapazitiven Elemente mit 36 und 38 bezeichnet sind, die wiederum die gewünschte Phasenumkehr bewirken.

Figur 5 zeigt einen frequenzunabhängigen Unipol iait speziellen Einzelelementen. Das Kopplungsnetzwerk enthält wiederum die in entsprechender Anzahl sich erstreckenden Einzelelemente, z. B-. 55 und 57. In dieser speziellen Ausführungsform kann ein flaches Kabel in Verbindung mit der Antenne verwendet werden, das aus dünnen, in einem dielektrischen Material eingebetteten Drahtelementen besteht. Die verschiedenen Stufen 53 in Figur 5 ergeben sich durch die verschiedenen Kabelabschnitte, die das gewünschte Verhältnis zu den einzelnen Antennenelementen darstellen. Das Kopplungsnetzwerk 50, daa in Verbindung mit der Anordnung aus Figur 5 verwendet wird, ist im einzelnen in Figur 6 gezeigt und besteht aus verschiedenen Spulen und Kondensatoren, die in der dargestellten Weise miteinander verbunden sind, wobei die Antennenelemente versetzt angebracht sind, wie" bei 55 und 57 gezeigt ist.

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Ersichtlicherweise besteht die Grundeinheit der erfindungsgeniäßen Antennenanordnung aus zwei verschieden langen, eng benachbarten Elementen, die so gespeist werden, daß in benachbarten Elementen angenähert eine Umkehr der Stromphase auftritt. Eine Breitbandantennenanlage kann dadurch hergestellt werden, daß diese Grundform praktisch unendlich oft wiederholt wird, wobei die Elemente durch ein entsprechendes Kopplungsnetzwerk miteinander verbunden sind. Wie bei anderen logarithmisch periodischen Anlagen üblich ist, sind die Elemente mit der höchsten Frequenz in unmittelbarer Nähe des Speisepunkts angebracht. Das die Drahtelemente enthaltende Netzwerk muß als Antennenleitung zwischen'den aktiven Elementen der Anordnung und dem Speisepunkt dienen, und zwar als Impedanzanpassungsnetzwerk im aktiven Bereich der Antenne.

Es sollte erwähnt werden, daß die in den Zeichnungen dargestellten Anordnungen in Serie gespeist werden. Das gleiche Verfahren eignet sich jedoch auch für parallel gespeiste Anlagen. Ob Serien- oder Parallelspeisung verwendet wird, hängt in der Praxis hauptsächlich von mechanischen Forderungen ab, da die beiden Verbindungsarten elektrisch nahezu gleich sind.

Figur 7 zeigt die mit der vorliegenden Erfindung erreichbare Frequenzunabhängigkeit, wobei das Diagramm von einer symmetrischen Anlage aufgenommen wurde, die aus dünnen Draht-Dipolelementen besteht, die so angeordnet sind, daß sie ein Kabel von etwa 12,7 mm Durchmesser in der Mitte der Antenne darstellt und nach außen hin auf etwa 0,8 mm an den _f

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Enden der Antenne spitz zuläuft. Eine solche Anordnung ist schematisch in Figur 9 gezeigt, wobei sich die Elementegruppen 71 und 73 in entgegengesetzten Richtungen von dem Kopplungsnetzwerk 75 nach außen erstrecken. Ea wurde ein Maßstabsfaktor Υ verwendet, der die fünfte Wurzel aus ty2 oder etwa 0,87 darstellt, wobei die 18 Elemente eine Länge von 46 - 4,3 m (151 - 14 Fuß) aufweisen. Es tritt eine geringfügige Strahlung höherer Ordnung auf, die eine gewisse Schärfung des Dipolmusters oberhalb von 10 MHz verursacht. Diese Strahlung höherer Ordnung kann bis zu gewissem G-rade durch Änderung der Antennenparameter und durch Anbringen von Haftstellen in den einzelnen Elementen gesteuert werden.

Figur 10 ist eine Teildarstellung eines Smithschen Leitungsdiagramms für eine Antenne, wie sie im vorstehenden beschrieben wurde.

Kurve A zeigt die Impedanz eines Einzelelements, wie es schematisch in Figur 8 dargestellt ist, und zwar in dem Bereich, in dem e« zweckmäßigerweise als linearer logarithmisch periodischer Dipolstrahler verwendet wird.

Mit Figur 6 als illustrativem Beispiel stellt Kurve B die transformierte Impedanz dar, die sich aus der Addition der Parallelkapazität zwischen Klemme 57 und Erdpotential ergibt· Kurve C zeigt die weitere Transformation, die sich aue der Addition der Serienkapazität des Netzwerks ergibt, während Kurve D die resultierende Impedanz über einen speziellen Frequenzbereich darstellt, die sich daraus ergibt, daß mehrere

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solcher Elemente mit ihren zugehörigen Netzwerken verwendet werden. Sämtliche der obigen Kurven enthalten eingezeichnete Punkte, die die spezielle Frequenz in MHz angeben, die bei den Testversuchen verwendet wurde. Diese Kurven wurden zum Zeichnen der Kurve des Welligkeitsfaktors (VSWR) aus Figur verwendet.

Die Antenne der vorliegenden Erfindung ist die

W einzige Art logarithmisch periodischer Antennen, die keine Erhöhung des Richtvermögens oder Verstärkungsfaktors gegenüber einer einfachen Dipolantenne aufweist. Soweit dem Erfinder bekannt ist, schlugen bisher alle Versuche fehl,, die darauf abzielten, die bisher bekannten logarithmisch periodischen Antennensysteme auf ein lineares Dipolsystem mit eng benachbarten Einzelelementen zurückzuführen.

Es ist ersichtlich, daß die vorstehende Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen nur zur Erläuterung dient,

_fc und daß das erfindungsgemäße Prinzip sowohl für kurze geladene Antennen als auch für VHF-Parabolreflektoren, VLF-Systeme und Elemente von ebenen logarithmisch periodischen Anlagen, wie sie im vorstehenden gezeigt wurden, oder aber, kurz gesagt, für eine große Zahl sämtlicher bisher verwendeter Antennenarten Anwendung findet. Die Erfindung ist also allein durch die folgenden Ansprüche begrenzt.

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Claims

PATENTANWÄLTE Dipl.-Ing. M ARTI N LI CHT

PATENTANWÄLTE LICHT, HANSMANN, HERRMANN J\ Dr. REIN HOLD SCHMIDT

8MDNCHENa-THERESIENSTRASSE-SS **"*

Dipl.-Wirtsch.-Ing. AXEL HANSMANN Dipl.-Phys. SEBASTIAN HERRMANN

München, den

3-

Ihr Zeichen Unser Zeichen

Duncan Lee Carter

Denham Springs, Louisiana

Patentanmeldung: Logarithmisch periodischen Antennensystem.'

PATENTANSPRÜCHE

1. Frequertzunabhängige Dipolantenne, gekennzeichnet durch mindestens drei Dipolelemente abnehmender Länge, wobei die relative Länge einzelner Elemente durch den im wesentlichen konstanten Maßstabsfaktor T bestimmt wird, der eine Funktion der Bandbreite der einzelnen Elemente und der vorausberechneten Bandbreite der Gesamtantenne ist; wobei der Abstand zwischen den einzelnen Dipolelementen im wesentlichen weniger als */20 Wellenlänge beträgt und durch mechanische Festigkeitseigenschaften und Einschränkungen bezüglich einem Zusammenbruch der Spannung festgelegt wird; mit einem Kopplungsnetzwerk, das aus punktförmig verteilten Induktivitäten und Kapazitäten besteht und die Elemente so speist, daß in aufeinanderfolgenden Elementen .eine Umkehr der Stromphase stattfindet, wodurch Fernfelder erzeugt werden, die

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i'ot-is-'iißveiie Ό-.ρ'Λη^. A^rMn Licht, Dlpl.-wirtich.-fng. Ax·! Hanimar.rt, Dipl.-Phyt. Sebacic» Herrmann tAüHCHSH J, THERfSIENSTRASSE 33 · T.l.fmn 2H302 · T.äieramnt-Atlr.i!*« Upafff/MSnchwt

g, Kta.-Hr.rnm ' ta

—si,—

bei jeder Frequenz innerhalb des von der Antenne überdeckten Bereichs im wesentlichen denen eines einfachen Halbwellendipols gleich sind} und mit Vorrichtungen, um eine Antennenleitung mit dem kleinsten dieser Dipoleleniente zu verbinden.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente in einem ebenen Aufbau angeordnet sind.

^ 3·' Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Elemente in einem dielektrischen Material eingebettet sind.

4. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente eine symmetrische Dipolanordnung bilden.

5. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente eine asymmetrische, halbseitige Dipolanordnung bilden.

f 6. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Elemente so angeordnet sind, daß sie ein Kabel bilden.

7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet," daß die Elemente in einem dielektrischen Material eingebettet sind.

8. Frequenzunabhängige Unipolantenne, geicennzeichnet durch mindestens drei lineare Elemente abnehmender Längs, wobei

. die relative Länge einzelner Elemente durch einen im lichen konstanten Maflstabsfaktor T bestimmt wird, der

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is

funktion der Bandbreite der einzelnen Elemente und der vorausberechneten Bandbreite der Gesamtantenne ist; wobei der Abstand zwischen den einzelnen Elementen im wesentlichen weniger als V20 Wellenlänge beträgt und durch mechanische Festigkeitseigenschaften oder Einschränkungen bezügliche einem Zusammenbruch der Spannung festgelegt wird} mit einem Kopplungsnetzwerk, das aus punktförmig verteilten Induktivitäten und Kapazitäten besteht und "die Elemente so speist, daß in aufeinanderfolgenden Elementen eine Umkehr der Stromphase auftritt, wodurch Fernfelder erzeugt werden, die bei jeder Frequenz innerhalb des von der Antenne überdeckten Bereichs im wesentlichen denen eines einfachen Halbwellendipol s gleich sind j und mit Vorrichtungen, um eine Antennen- · leitung mit dem kleinsten der Elemente zu verbinden.

•9· Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente in einem ebenen Aufbau angeordnet sind.

10. Antenne nach Anspruch 9_f dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente in einem dielektrischen Material eingebettet Bind.

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