DE2032877A1 - Antennensystem fur VHF Drehfunkfeuer Flugnavigationssystem - Google Patents

Description

DR-RPOSCHENRIEDER

DR. E. BOETTNER- F 9173

DIPL-ING. H.-J. MÜLLER

Patentanwälte

8 München so

Lucile-Grahn-Straße 38
Telefon 443755

SCANWEII lABORATORIES IFCi, 6400 Scanwell lan«, Springfield.

Virginia (U.S.A.)

Antennensystem für VHF-Drehfunkfeuer-Flugnavigationssystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antennensystem und ein Verfahren zum Ausstrahlen von Energie in einem VHF-Drehfunkfeuer-Flugnavigationssystem (VOR)·

In den vergangenen Jahren bediente sich die zivile Luftfahrt in den Vereinigten Staaten des VHF-Drehfunkfeuersystems für Flugnavigation. Im Grunde genommen ermöglicht das System die Lieferung von Funkpeilinformationen an ein Flugzeug durch die Übermittlung von zwei Signalen, deren eines ein nach Norden ausgerichtetes Bezugssignal ist' und deren anderes mit der Zeit entsprechend dem Azimut des empfangenden Flugzeuges veränderlich ist. Durch Vergleich der Phasendifferenz zwischen den beiden empfangenen Signalen kann der Azimut des Empfängers von der Sendestation bestimmt werden.

Die praktische Verwirklichung dieses Grundsystems erfordert das Aussenden einer durch eine umlaufende Welle modulierten Trägerwelle. Zur Erzeugung der umlaufenden Welle verwendeten die sehr frühen Systeme eine tatsächlich umlaufende Antenne; diese alten Systeme wurden jedoch bald durch Systeme abgelöst,

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die die Rotation des Signals auf elektrischem Wege bewirken, so daß eine mechanische Bewegung vermieden wird. Diese elektrische Drehung wird erzielt, indem zwei sinusförmig veränderliche Seltenbandfrequenzen mit 90 Phasenverschiebung einer ortsfesten Antenne zugeführt werden, so daß eine umlaufende "8ⁿ erzeugt wird. Der so erhaltene modulierte Träger nimmt die Form einer Limakoide an, die im Raum rotiert, so daß von einem Plugzuge einmal bei jeder Umdrehung der Limakoide ein bestimmtes Maximum empfangen wird. Wenn das Maximum der Limakoide die Nordrichtung durchläuft, wird ein Bezugssignal gesendet, das andeutet, daß zwischen dem Maximum der Limakoide und der Nordrichtung in diesem bestimmten Augenblick ein Phasenwinkel von O besteht. Wie bereite angedeutet, bestimmt die Phasenbeziehung zwischen dem Empfang des Bezugssignale und dem Empfang des Maximums der Limakoide durch ein Plugzeug den Azimut des Plugzeugs von der Sendestation·

Für die Einrichtung des oben beschriebenen Systems sind Antennenschaltungen entwickelt worden, sie befinden sich auch in Benutzung, sie kranken jedoch an gewlesen Schwierigkeiten· Einmal kann das zur Zeit allgemein im Gebrauch befindliche System (Alfordantenne) wegen des Problems der Vertikalpolarisation nicht direkt mit einem zentralen Tragmast verbunden werden und muß von seinem Sockel isoliert werden, da sich kein Punkt an der Rahmenantenne auf Erdpotential befindet. Ee ist infolgedessen vom konstruktiven Standpunkt unpraktisch und elektrisch undurchführbar, ein Alfordantennensystem in Strahlerebenen zu bauen· Da aber bekanntlich die Anordnung von Antennen in Strahlerebenen für die Gestaltung der Form des Ausstrahlungsdiagramms erwünscht ist, besteht für das Alfordantennensystem in dieser Hinsicht von Natur aus eine Beschränkung. Eine zweite Schwierigkeit beruht auf der Notwendigkeit, die Antennenelemente abzudecken, um die relativ empfindliche Konstruktion der ausstrahlenden Rahmenantennen ihre Teile für die Xmpedanzabstimmung und insbesondere die Isolatoren vor

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vor Wettereinflüssen zu schützen. Die Lösung besteht bisher darin, daß über die Antenne ein Radom (Antennendom) angeordnet wird. Ein drittes Problem betrifft die Reflexion der ausgestrahlten Signale durch in der Nähe befindliche Bäume, Gebäude oder Hügel. Das letztere Problem wurde dadurch in Angriff genommen, dali weite Grundflächen in der Umgebung des Aufstellungsortes der Antenne, gewöhnlich mehrere Hektar (acres) eingeebnet werden und über der Bodenfläche in einer geeigneten Höhe unter der Antenne eine Ausgleichskapazität eingebaut wird.

Leider haben die angedeuteten Lösungen neue zusätzliche Probleme bei der Verwendung des VHP-Drehfunkfeuers geschaffen. Ansammlungen von Schnee und Eis in dem Radom oder auf der Ausgleichskapazität haben infolge der Reflexion durch den Schnee bzw· das Eis zu scharfen Verzerrungen der Strahlungsdiagramme geführt. Die Räumung von weiten Gebieten zur Schaffung geeigneter Antennenstationen stellt in Gegenden mit hoher Bevölkerungsdichte eine unpraktische und immer eine kostspielige Lösung dar.

Gemäß der Erfindung ist es Vorgesehen, um einen zentralen Tragmast Ausstrahlungselemente in solcher Weise anzuordnen, daß der Mast mit den Ausstrahlungselementen in metallischer Berührung steht, ohne daß das Strahlungsdiagramm verzerrt wird und ohne daß er selbst zu einem Strahler wird. Durch die Erfindung wird die Notwendigkeit ausgeschaltet, über die Ausstrahlungselenente Radome zu bauen, und es entfällt auch die Notwendigkeit einer Ausgleichskapa'zität, wenn die Antenne in Strahlerebenen gebaut wird. Die Anordnung der Antenne in Strahlerebenen wird durch die Erfindung erst praktisch möglich.

Die grundlegende Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Einrichtung zub Ausstrahlen von VHF-Drehfunkfeuer-Signalen zu schaffen, bei denen Rücksichten auf Wetterbedingungen und Gelände eine Möglichst geringe Rollen spielen.

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Damit hängt ferner die Forderung nach einem Antennensystem zusammen, bei dem die Notwendigkeit entfällt, eine Ausgleichskapazität vorzusehen.

In der Zeichnung sind bevorzugte Ausfuhrungaformen der Erfindung beispielsweise dargestellt.

Fig. 1 und 1a sind perspektivische Darstellungen eines bekannten

Antennensystems zur Verwendung in einem VHF-Drehfunkfeuersystem, in denen die Rahmenantennen schematisch dargestellt sind;

Fig. 2 veranschaulicht eine auf einem Turm montierte Anordnung ■±t Ausstrahlungselemente^ die übereinander entlang eines zentralen Mastes angeordnet sind;

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Rahmenantenne und Antennenanordnung gemäß der Erfindung;

Fig. h ist ein elektrisches Diagramm zur Veranschaulichung der Ebenen der elektrischen Symmetrie;

Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Antennenanordnung;

Fig. 6 zeigt ein VHF-Drehfunkfeuer-Verteilungssystem für die Benutzung in einer vertikal angeordneten Antenne.

Fig. 1 und 1a zeigen den Typus der Antennenausbildung, der sich zur Zeit bei VHF-Drehfunkf euer sy st einen in allgemeiner Benutzung befindet. Ed sind vier Rahmenantennen 10, 11, 12, 13 schematisch dargestellt, deren jede auf ihren eigenen Sockel 14, 15» 16 bzw. 17 montiert ist. Diese Sockel erstrecken sich, wie dargestellt, nach unten zu einor Ausgleichskapazität 26 in Form eines Maschendraht gitter β und (obwohl nicht dargestellt) weiter abwärts zu einer geeigneten Auflagerung und einem Anschluß, Die HF-VOR-Energie wird den Rahmenantennen über Koaxialleitungen zugeführt,

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die im Inneren der Sockel i4 - 17 untergebracht sind. Die Einzelzuleitungen 18 und 19, die die Rahmenantenne 10 speisen, sind in typischer Schaltung dargestellt» Die Rahmenantenne 10, deren eingehende Darstellung auch für jede der anderen drei Rahmenantennen gilt, weist Kondensatoren 20-23 auf, die je an einer Ecke der Rahmenantenne angeordnet sind. Die elektrische Funktionsweise der Rahmenantennen ist in den U.S.A.-Patentschriften 2 283 und 2 372 651 (AIford) erläutert· Der Antennendom 1st bei 2*1, die Ausgleichskapazität bei 26 angedeutet· Diese Ausgleichskapazität hat üblicherweise einen Halbmesser von ca« 10 m (30 feet) oder darüber und ist meistens ca, eine halbe Wellenlänge unterhalb der Ebene der ausstrahlenden Rahmen angeordnet. Die Ausgleichskapazität muß groß genug sein und hoch genug über der Erde liegen, daß die Strahlung von den Rahmenantennen in horizontaler Ebene gegen den Horizont auf keine Hindernisse stoßen kann und daß die Reflexion der abwärtsgerichteten Strahlung auf einem Minimum gehalten wird.

Am oberen Ende jedes Sockels sind zwischen diesem und der Rahmenantenne nicht dargestellte Isolatoren vorgesehen, um zu verhindern, daß die Sockel infolge einfacher Stromleitung eine verzerrende Strahlung von nennenswertem Ausmaß erzeugen. Selbst dann wird in den Sockeln durch die Ausstrahlung von den nicht an diesem Sockel montierten drei Rahmenantennen etwas HF-Energie induziert. Bei dieser Anordnung tritt infolgedessen in dem ausgestrahlten Signal ein gewisses Maß an vertiakler Polarisation auf. Es ist zu bemerken, daß wegen der symmetrischen Anordnung der Rahmen auf dem Sockel an diesem gewöhnlich keine * von den zugeordneten Rahmen induzierte Energie vorhanden ist.

Fig. 2 zeigt eine Antennenanordnung in Turmmontage gemäß der Erfindung, bei der fünf Antennensätze oder Strahlerebenen 30-3^ an einem zentralen Mast 35 montiert sind. Der Mast 35 kann, wie bei 36 und 37 angedeutet, durch Abspannseile gesichert sein.

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Fig, 3 aselgt «ine toevss-ssugta

gemäß der Erfindung_D Äis eta© p^afefeioeSaoro AmofiMhz-ung der ist Fig« 2 gezeigt®» Eenetrralstloss φϊΊ3©β2,Α©&ΐ3 _o Figo J beliebigen der

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Wie Fig. 3 zeigt, weist
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Die elektrische Wirkungsweise des Rahmens kO wird an Hand der Fig. h erläutert. Hier sind die Konstruktionsglieder des Rahmens schematisch mit gleicher Erregung an dem Symmetrlerglied-Spalt 54-57 dargestellt* Die Ströme in jedem der dreieckigen Teilrahmen des Elementes kO sind mit Ij-Ih bezeichnet. Da bei einer Addition der Ströme in dem Kadialglied 66 die einander entgegengesetzt gerichteten Ströme I₁ und I_ summiert werden, ist leicht zu erkennen, daß, wenn I, und I„ gleich sind, In dem Radialglied kein resultierender Strom fließt. Wenn man berücksichtigt, daß die Konstruktion in bezug auf die Linien A-A und B-B symmetrisch ist, müssen auch die Stromfunktionen in bezug auf diese Achsen symmetrisch sein. Daraus geht hervor, daß I₁ = I_ ist, und daß damit die Kadialglieder unerregt sind und zur Ausstrahlung nicht beitragen.

Es ist wichtig, auch zu bemerken, daß das Potential zwischen den Ecken 60 und 62 und zwischen den Ecken 61 und 63 Null ist, da die zur Verfügung stehenden Strompfade von 60 nach 62 oder von 61 nach 63 jeweils zwei entgegengesetzte, gleich· Quellen enthalten; beispielsweise ist der Strompfad von 60 über 61 nach 6Z gleich und entgegengesetzt dem Pfad von 60 über 63 nach 62. Daher liegen in der Tat Verbindungslinien von 60 nach 62 und von 61 nach 63 in Ebenen vom Potential Null unter rechtem Winkel zur Ebene der ... Rahmen. Da nun die durch die Ecken des Rahmens hindurchgehenden Ebenen sich auf dem Potential Null befinden, folgt, daß an jeder Ecke ein metallischer Träger direkt mit dem Rahmen verbunden werden kann, ohne daß die Strahlungeeigenschaften der Antenne beeinträchtigt werden und ohne daß dieser Träger selbst zu einem Strahler wird. Es gibt also nur eine geringe oder gar keine vertikale Polarisation durch die Funkfrequenzenergie in dem Mast 35 gemäß Fig* 2 und 3 als Folge der körperlichen metallischen Verbindung der vier Rahmen mit dem Mast, Natürlich setzt die ausgeglichene Schaltung eine einwandfreie Orientierung der Verbindungen über die Symmetrietglied-Spalten sowie ein einwandfrei ausgebildetes Verteilsystem für

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die Erregung der Antenne voraus» Außerdem kann beobachtet werden, daß die vertikale Polarisation infolge der in dem Mast 35 induzierten Ströme durch die Symmetrie der Konstruktion im wesentlichen ausgeschaltet ist«

Fig· 2 zeigt ©ine vertikale Anordnung von Strahlungs-elementen, die in Strahler-ebenen angeordnet sind«. Der Vorteil einer derartigen Anordnung besteht darin, daß ein wohlgeformtes Strahlungsdiagramm erzeugt wird, bei dem nur s@hr geringe Mengen an Strahlung nach unterhalb der horizontalen Ebene des untersten Satzes 30 gelangen· Durch dies© Ausbildung des Strahlungsdiagramms wird die Reflexion vom umgebenden Boden, den Bäumen und Gebäuden auf einem unbedeutenden Wert gehalten, und folglich entfällt die Notwendigkeit, weite Landstriche zu räumen bzw« große und hinderliche Irapodansausgleichtnittel vorzusehen· Der Gedanke, vertikale Anordnungen zu verwenden, ist zwar nicht neu, jedoch ist es bisher nicht praktisch möglich, VHF-Drehfunkfeuerantennen mit vertikal übereinander angeordneten Strahlerebenen zu bauen· Eine Untersuchung des Standee der Technik, für den die Aueführungsform nach Fig. 1 mit ihren Sockeln, Isolatoren, Wetterkuppeln, Kapazitäteladungseinrichtungen usw. typisch ist, veranschaulicht, wie plump die Konstruktion und wie schwierig die Anpassung einer solchen Anordnung sein würde. Durch die Ausbildung gemäß der Erfindung wird hingegen eine vom konstruktiven Standpunkt einwandfreie Vertikalantennenanordnung mit übereinanderliegenden Antennensätzen ermöglicht·

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung, das bisher nicht erwähnt worden ist, besteht darin, daß die Antennenrahmen als Breitbandantennen ausgebildet sind und keiner kritischen Einstellung bedürfen, wie dies für den oinwandrelen Betrieb von Rahmenantennen bekannter VHF-Drehfunkfeuer erforderlich ist.

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Gemäß Fig·: 2 ist ein Antennensats; 31 an einem¹ zentralen. Mast. 35 in einem gewissen Abstand oberhalb des Antennenaatses 30 angeordnet. In ähnlicher Weise wurden in Abständen oberhalb des Antennensatzes 31 weitere Antennensätze 32» 33 und 3h aßgeordnet. Alle Antennensätze bestehen aus mit ihren Ecken montierten ■ Rahmen gemäß Fig. 3· In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß die Hinzufügung von Antennensätzen 32, 33 und 3²S--.in erster. Linie deshalb erwünscht ist, um die Intensität des ausgestrahlten Signals zu erhöhen· Im allgemeinen sind zwei Strahlerebenen, zur Formung des Strahlungsdiagramms in solcher Weise ausreichend, daß die Notwendigkeit eines Impedanzauegleichs beseitigt wird»

Fig« 5 zeigt eine andere, jedoch ähnliche Ausführungsfora der Erfindung, Die Ausstrahlungselemente 90-93 siad von runder Ausbildung, und die benachbarten Radialarme jedes Rahmens ©lud als Einzelradialarme 80-83 zusammengefügt.dargestellt, Fig„ 5-läßt einen zentralen Mast 35 erkennen, an dem die Radialarme 8Q-83 montiert sind. Wie gemäß Fig, 3 liegen die Radialarme vorzugsweise in der Ebene der Elemente und erstrecken sich vom Mast zu diesen. Auch hi»r ist die Konstruktion der Radialarm® und der äusstrahlungselemente rohrförmig oder hohl, so daß Koaxialkabel zu ihren Endpunkten an den betreffenden Symmetrierglled-Spalten hindurchgeführt werden können, die mit 9^-97 bezeichnet sind« Die im Zusammenhang mit Fig. h besprochene elektrische Analyse gilt auch für diese abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, Weder Trägerfrequenz- noch Seitenbandfrequenzerregung erzeugt in dem vertikalen zentralen Mast 35 Ströme, Im Fall der Trägerfrequenzerregung heben einander die Ströme an den Radialgliedern auf, so daß kein resultierender Strom für die Erregung des Mastes zur Verfügung steht· Für die Seitenbanderregung sind die Radialströme für jeden Halbrahmen denen am Mast 35 entgegengesetzt gerichtet. Auch hier ist der Mast an ein Nullpotential gelegt und bleibt daher unerregt.

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in. solcher Weise, daß die gegen den Boden abwärtsgarlchteten Komponenten der Strahlung praktisch ausgeschaltet werden«

Ee ist also asu ersehen, daß die Erfindung eine VHF-Drehfunkfeuer an tenne von derber Konstruktion schafft, bei der jegliche Notwendigkeit von Kadotaen(Schutzkuppelti), plumpen Impedanzausgleichaeinrichtungen(künstlichen Erden)und großen freien Geländeflächen entfällt.

Obwohl die Grundsätze der Erfindung im Zusammenhang mit spezifischen Ausführungsformen dargelegt wurden, ist die Beschreibung als beispielhaft und nicht beschränkend aufzufassen« Mannigfaltige Abwandlungen der Erfindung ergeben sich für den Fachmann nach Kenntnis der Offenbarung« Beispielsweise könnten die hohlen Arme und Elemente durch massive Teile ersetzt werden, die mit Klemmen zum Tragen der freiliegenden Koaxialkabel versehen sind.

Patentanspruch·

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1,) Ant ennenvor richtung mit VHF-Drehfunkfeuer (VOR)-Ausstrahlungs-* ^* elementen in Hohlkonstruktion, die in der horizontalen Ebene in einer geometrischen Anordnung zusammengefügt sind, dadurch gekennzeichnet, daß Radialarm® (66-69) in Hohlkonsiruktion eich in der Ebene der Eleuente von der·Verbindungsstelle mit diesen Elementen zu einem zentral angeordneten Anschluß einwärts erstrecken, daß Im Mittelpunkt jedes der Elemente ein Symmetrierglied-Spalt (EMI-Schleifen bzw. balun-Spalt) (54 57) angeordnet ist, daß mit den Elementen, in metallischer Berührung mit diesen, ein Tragmast (35) verbunden ist, daß sich durch diesen Mast zu dem zentral angeordneten Anschluß (65) Koaxialleitungseinrichtungen (70) erstrecken» daß mit den Koaxialleitungseinrichtungen Koaxial-Zuleitungen (71-7*0 verbunden sind, die sich von dem zentral angeordneten Anschluß durch die hohlen Arne und die hohlen Elemente (50-53) zu den Syraetriergiied-Spalten (54-57) erstrecken, daß der ©ine Leiter Jeder der Koaxial-Zuleitungen mit einem der Elemente (51) an einer «raten Seite des betreffenden Symmetrierglied-Spaltes verbunden ist und der andere Leiter (76) sich über den Symmetrierglied-Spalt hinüber erstreckt und mit dem einen der Elemente an der gegenüberliegenden Seite dieses Spaltes verbunden ist, so daß den Auestrahlungselementen VHP-Drehfunkfeuer (VOR)-Energie cugeliefert werden kann, ohne daß der Tragmast selbst EU eines Strahler wird·

   2· VHF-Drehfunkfeuer (VOR)-Antenne, dadurch gekennzeichnet, daß si· zwei oder mehrere Strahlerebenen (30-34), je bestehend aus einer Antennenvorrichtung gemäß Anspruch 1, aufweist.

   3· Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die VHP-Drehfunkfeuer (VOR)-Energie den Ausstrahlungselementen (50-53) durch dl· Koaxialleitungseinrichtungen (70) über ©in© Schaltung

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   zugerührt wird, die eine Leistungsteilereinrichtung und eine HF-Brückeneinrichtung enthält«

   4. Antenne.nach Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung vier getrennte Ausgangs-Soaxialleitungen (71-7*0 aufweist, deren jede zugeordnete Ausstrahlungselemente (50-53) auf den Niveaus der vertikal übereinander angeordneten Antennen über Einrichtungen speist, die weitere Leistungsteilereinrichtungen enthalten.

   5. VHP-Drehfunkfeuer (VOR)-Antennenanordnung, bestehend aus vier übereinstimmenden VOR-Antennenvorrichtungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Vorrichtung eine Rahmenantenne aufweist und daß jede Rahmenantenne fest und symmetrisch in metallischer Berührung mit dem vertikalen Tragmast (3d) an einem der Anschlüsse der Elemente montiert ist.

   6. VHF-Drehfunkfeuer (VOR)-Antenne, bestehend aus zwei oder mehreren Strahlerebenen (30-3*0> dadurch gekennzeichnet, daß jede Strahlerebene eine VOR-Antennenanordnung gemäß Anspruch enthält.

   7· Antenne mach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die VHF-Drehfunkfeuer (VOR)-Energie den Ausstrahlungselementen (50-53) durch die Koaxialleitungseinrichtungen (70) über eine Schaltung zugeführt wird, die eine Leistungsteilereinriehiung und eine HF-Brückeneinrichtung enthält«

   8. Antenne nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung vier getrennte Ausgangs-Koaxialleitungen (71-7*0 aufweist, deren jede zugeordnete Ausstrahlungselemente auf den Niveaus der vertikal übereinander angeordneten Antennen über Einrichtungen speist, die weitere Leistungsteilereinrichtungen enthalten.

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   9. Verfahren zw.» Atsaetra&less. ir®© VBR-BkQfo£muzff®u@v (¥OM)-Em©rgi©, dadurch g=ekeaas5®i©liiiet ₉ da© Aate»ia<3ia einer geoma-öriseüsem Gestalt otigQ®iPdlB©t ward©!» „ <äi© eymmetrlecli am ©iiaoe trertillSGiaa Ts'agaä Berührung mit diesöia aoatiorft werden AmordniiBgew. eolclier Sleeeat© (5®-»53) übereinander la g®eigfa@tom Ah®tä.nd@n f©©tg©l®gt- ti©rd©ia_p daß deri Elementen ttbor ©ia© Hfee^teagusgsleitraag ia dQi®-Mast (70)" VHF-DrehfaialsfeÄes¹ (VORl-Eaes'ifl© ausg©ll©f©3rt wi^d» öaß Übertragungsleitung? mit elea Eleiaaateia ±a sole&@Jä° Iföis© bunden wis*d_s daß der "vertikal© Tragsast dteelh, «Si©©© Energie stielst erregt wird_s 0© da© VHF-BrelafiamtefQuer Enargie am weit aatferat® lapfangssstatioiaoa nw? von

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