DE2427505A1

DE2427505A1 - Antennensystem mit einem in offener bauweise ausgebildeten reflektor

Info

Publication number: DE2427505A1
Application number: DE19742427505
Authority: DE
Inventors: Harold A Wheeler
Original assignee: Hazeltine Corp
Current assignee: BAE Systems Aerospace Inc
Priority date: 1973-06-25
Filing date: 1974-06-07
Publication date: 1975-01-16
Also published as: BR7404532D0; IL44559A; US3836977A; IL44559A0; JPS5034141A; FR2234671B1; DD112551A5; GB1393081A; JPS50137655A; SE389769B; CS191234B2; DE2427505C2; AU6580674A; SU814289A3; FR2234671A1; NL7408568A; PL90789B1; JPS63967B2; SE7403002L; CA1011452A

Description

Patentanwälte Dipl.- Ing. W. Scherrmann Dr.- Ing. R. Rüger

7300 Esslingen (Neckar), Fabrikstraße 24, Postfach

r- _{T n}_ . Telefon

D. JUnX 1974 Stuttgart (0711) 356539

35 9619 PA 30 rÜha Telex 07256610 smru

Telegramme Patentschutz Esslingenneckar

Kazeltine Corporation, Greenlawn, New York 11740/USA Antennensystem mit einem in offener Bauweise ausge-

bildeten Reflektor

Die Erfindung betrifft ein Antennensystem mit einem in offener Bauweise ausgebildeten Reflektor, der aus einem Gitter von im wesentlichen parallelen leitenden Säulen besteht, mit zumindest einem linear polarisierten Antennenelement zur Abstrahlung der Wellenenergie, wobei die Polarisierung der Antennenelemente im wesentlichen parallel zu dem Verlauf der leitenden Säulen gewählt ist und ein entsprechendes Traggestell für die Antennenelemente und die leitenden Säulen vorgesehen sind.

In einigen Systemen ist es erforderlich, daß die Antenne mit einem entsprechenden Reflektor ausgestattet ist, wobei der Reflektor bei der Ausbildung als geschlossene, leitende Fläche durch die angreifenden Windkräfte mechanisch stark beansprucht wird.

Daher muß der Reflektor stets aus einer mechanisch sehr steifen Konstruktion bestehen, die verhindert, daß die vorgesehene Oberflächenform verändert oder der Reflektor insgesamt zerstört wird. Zusätzlich bedeutet die angreifende Windlast eine Erschwerung beim mechanischen Drehen der Antenne, weshalb zu diesem Zweck entsprechend große Antriebsmittel vorzusehen sind.

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Um die Windbelastung des Reflektors zu verringern, hat man bei bekannten Antennensystemen einen Reflektor vorgesehen, der aus einem Gitter mit parallelen, leitenden Säulen besteht. Dieser Reflektortyp hat zwar eine geringe Windbelastung, aber ein wesentlicher Teil der auftreffenden Strahlung geht durch das Gitter hindurch als Verluststrahlung verloren.

Dieser Reflektorverlust ist kein so gravierendes Problem, wenn der Reflektor als gebogener fokussierender Reflektor ausgebildet ist; jedoch bei einer ebenen Anordnung bildet die durch den Reflektor hindurchgehende Verluststrahlung fokussierte, sogenannte "Gitter-Keulen oder -Zipfel" , die höchst unerwünscht sind.

In einem Artikel mit dem Titel "The Radiation Resistance of An Antenna In An Infinite Array Or Waveguide", der in Proceedings of The Institute of Radio Engineers, Vol. 36, No. 4, April 1948, erschienen ist, hat Harold A. Wheeler, der Erfinder der vorliegenden Erfindung, ausgeführt, daß man eine reflektierende Oberfläche durch eine Anordnung von leitenden Elementen, die aus Leitern mit der halben Wellenlängenausdehnung besteht, erhält.

Eine so ausgebildete Antenne hat T.C. Hansen in der Veröffentlichung "Microwave Scanning Antennas" Volume II, Academic Press, New York, 1966, Seite 366, gezeigt.

Eine solche Anordnung von reflektierenden Elementen kann jedoch in der Praxis nicht verwirklicht werden, da für die zu halternden Antennenelemente auch Zuführungsleitungen für die Wellenenergie vorhanden sind, die wiederum die Anordnung verstimmen wurden.

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Es ist Zweck der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der bekannten Reflektoren von Antennen zu vermeiden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Antennensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Verluststrahlung wesentlich Unterdrückt wird.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß der Reflektor mit einer Vielzahl von jeweils in einer Linie angeordneten, reflektierenden Elementen zur Unterdrückung der durch den Reflektor gehenden Strahlung ausgerüstet ist, und die einzelnen Elemente in vorgegebener Weise abgestimmt sind, daß die jeweils in einer Linie angeordneten, reflektierenden Elemente im wesentlichen parallel zu den leitenden Säulen und in einem bestimmten Abstand dazu auf dem gleichen Traggestell angeordnet sind.

Nach einer Ausbildung des Antennensystems ist vorgesehen, daß eine Vielzahl von Antennenelementen vorhanden ist und die Antennenelemente auf zumindest einigen der leitenden Säulen montiert sind.

Eine baulich vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß für die Zuführung der Wellenenergie zu den Antennenelementen Übertragungsleitungen vorgesehen sind, die in den leitenden Säulen mit den darauf montierten Antennehelementen verlaufen (Fig. 2).

Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung,der beigefügten Zeichnungen sowie den Patentansprüchen entnommen werden.

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_ 4 Fig. 1 zeigt ein Antennensystem gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Anbringung eines Antennenelementes auf einer leitenden Säule.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung von in einer Linie befindlichen reflektierenden Elementen.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht des Systems nach Fig. 1, bei dem schematisch der Strahlungsverlauf angedeutet ist.

Das Antennensystem nach Fig_f 1 zeigt eine Vielzahl von Dipolen 10, die als Antennenelemente zur Ausstrahlung der Wellenenergie dienen. Die Dipole 10 sind an leitenden Säulen 11 befestigt, die ein ebenes Gitter bilden. Zwischen den leitenden Säulen 11 befinden sich in einer Linie parallelverlaufende Anordnungen 12 von reflektierenden Elementen 13. Die parallelen Anordnungen 12 und die leitenden Säulen 11 werden von einem Traggestell 14 gehalten. Das ebene Gitter von leitenden Säulen und die parallelen Anordnungen bilden eine "offene" Konstruktion; darunter soll verstanden werden, daß die gegenseitigen Abstände zwischen Säulen und parallelen Anordnungen größer als der Durchmesser der Säulen und parallelen Anordnungen ist, viel größer sogar.

Die leitenden Säulen 11, die parallelen Anordnungen 12 und das Traggestell 14 bilden einen eben ausgebildeten Reflektor für die Wellenenergie. Alle Dipole sind an den leitenden Säulen 11 montiert, und zwar auf der gleichen Seite des Reflektors. Der Reflektor besitzt eine Größe und Form, die der Größe und der Form

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herkömmlicher Genzmetallreflektoren für eine ebene Anordnung von Dipolelementen entspricht. Die örtliche Verteilung und die Zahl der Dipole 10 entspricht den bekannten Grundregeln, die jeden Antennenfachmann geläufig sind, wobei insbesondere die Amplitude und die Phase der den einzelnen Dipolen 1Ό zugeführten Wellenenergie eine Rolle spielt. Die Dipole 10 bei der in Fig. 1 gezeigten Antenne sind so ausgerichtet, daß die Polarisation der Elemente parallel zu den leitenden Säulen 11 verläuft. Andere linear polarisierte Elemente als Dipole können bei einem Antennensystem gemäß der Erfindung ebenfalls eingesetzt werden, soweit sie eine Polarisation parallel zu den leitenden Säulen 11 besitzen. Ein Beispiel für ein anderes Element ist eine Resonanzrahmenantenne.

Fig. 2 zeigt eine Technik zur Anbringung eines typischen Dipolelementes 10 an einer leitenden Säule 11. Bei dieser Ausbildung ist die leitende Säule 11 hohl, so daß die Übertragungsleitung 15, die der Energiezufuhr zu dem Dipol 10 dient, im Inneren der leitenden Säule 11 verläuft. Dadurch hat die übertragungsleitung 15 selbst keinen Einfluß auf die Strahlungseigenschaften des Antennensystems. Für den Fachmann ist es selbstverständlich, daß die Übertragungsleitung 15 auch außerhalb der leitenden Säule 11 angebracht sein kann und im wesentlichen ohne Einfluß auf die Strahlungseigenschaf t der Antenne bleibt, solange die übertragungsleitung in unmittelbarer Nähe verläuft und an .der leitenden Säule geerdet ist.

Fig. 3 zeigt einen Teil einer der parallelen Anordnungen 12 mit den reflektierenden Elementen 13. Bei dieser Ausführung besteht die parallele Anordnung 12 aus einem nichtleitenden Rohr 16 aus Isoliermaterial. Auf der Außenseite des Rohres 16 sind reflektierende Elemente

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angebracht, die aus länglichen, leitenden Zylindern bestehen. Die Länge, der Durchmesser und der Abstand der reflektierenden Elemente 13 sind so gewählt, daß. die reflektierenden Elemente 13 darauf abgestimmt sind, eine Strahlung durch das Gitter der leitenden Säulen 11 (in Fig.1) zu unterdrücken. Die reflektierenden Elemente 13 müssen nicht zylindrisch ausgebildet sein, sondern können auch den speziellen Anforderungen einer bestimmten Ausführung angepasst sein. Bei einigen Anwendungsfällen können die reflektierenden Elemente längliche Streifen eines leitenden Materials sein, die auf eine nicht leitende , flache Oberfläche aufgebracht sind.

Die Abstimmung der reflektierenden Elemente ist der bestimmende Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung. Es ist allgemein bekannt, daß ein länglicher Leiter, dessen effektive Länge gleich der halben Wellenlänge der Betriebsfrequenz ist, in Eigenresonanz gerät, d.h. die Ströme in einem Leiter mit halber Wellenlänge sind bei Anwesenheit eines elektromagnetischen Feldes wesentlich größer als bei einem durchgehenden Leiter. Bei einem reflektierenden Element mit halber Wellenlänge wird die vorhandene Induktivität durch die Eigenkapazität kompensiert, was zur Resonanz führt, bei der das reflektierende Element ein Impedanzminimum hat. Wenn man das reflektierende Element in ein elektromagnetisches Feld der Wellenlänge bei Eigenfrequenz bringt, dann führt es ein Strommaximum. Dieser Strom verursacht eine Sekundärstrahlung, die in bestimtai Richtungen zur Interferenz mit dem originären elektro magnetischen Feld führt. Wegen des bei einem resonanzabgestimmten, reflektierenden Element vorhandenen größeren Stromes, ist die Interferenz mit der originären Wellenenergie größer als bei nicht resonanzabgestimmten Elementen. Folglich ist das Maß der

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Interferenz bei einem reflektierenden Element mit der originären Wellenenergie einstellbar durch Abstimmung oder Verstimmung des reflektierenden Elementes, d.h. durch die Einstellung seiner Länge. Der Betrag der Sekundärstrahlung eines reflektierenden Elementes ändert sich langsam mit der Frequenz, damit ist der Interferenzeffekt über ein begrenztes Frequenzband vorhanden. Die parallele, gradlinige Anordnung von reflektierenden Elementen 13 gemäß Fig. 3a besteht aus leitenden Elementen 13, die weniger als halb so lang wie eine Wellenlänge sind. Die Elemente können auch auf Resonanz abgestimmt werden, und zwar durch entsprechende Einstellung der Abstände zwischen benachbarten Elementen der parallelen, geradlinigen Anordnung. Die Abstände haben eine Kapazität zur Folge, die zum Abgleich mit der Induktivität der gekürzten Elemente 13 änderbar ist. Die Stärke der Sekundärstrahlung von der parallelen Anordnung in Fig. 3a kann in ähnlicher Weise eingestellt werden wie die Sekundärstrahlung von isolierten, reflektierenden Elementen, die wegen ihrer Länge entsprechend der halben Wellenlänge im Resonanzzustand sind. Die in Fig. 3a gezeigte parallele Anordnung hat. mehr erwünschte Eigenschaften als eine parallele Anordnung mit Elementen von halber.Wellenlänge, da sie eine größere Resonanzbandbreite besitzt. Die Bandbreite kann man auch dadurch vergrößern, daß man den Durchmesser der reflektierenden Elemente vergrößert, aber dies hat den Nachteil einer Vergrößerung des Windwiderstandes.

Alternativlösungen zu der Anordnung gemäß Fig. 3a sind in Fig. 3b und 3c gezeigt. In Fig. 3b besteht die zum Abgleich der Induktivität der reflektierenden Elemente 13 erforderliche Kapazität aus den festen Kondensatoren 17. Die Anordnung nach Fig. 3c ist in der

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Ausgestaltung ähnlich derjenigen in Fig. 3a, aber es ist zusätzlich eine Schutzhülle 18 aus dielektrischem Material vorhanden, die verhindert, daß die Abstimmung der Anordnung durch Verwitterung oder Ablagerungen verschlechtert wird.

Die Arbeitsweise des in Fig. 1 gezeigten Antennensystems kann leicht erklärt werden, wenn man sich zuvor die Eigenschaften der parallelen Anordnung 12 vergegenwärtigt. Beim Fehlen der parallelen Anordnung 12 würde die linear polarisierte Wellenenergie, die durch die Dipole 10 abgestrahlt wird, durch das Gitter, bestehend aus den leitenden Säulen 11, teilweise reflektiert und teilweise hindurchgelassen.

Die parallelen Anordnungen 12 sind so ausgelegt, daß die Sekundärstrahlung von den Elementen 13 der parallelen Anordnungen 12 in der Amplitude gleich der Wellenenergie ist, die durch das Gitter aus den leitenden Säulen 11 geht. Die örtliche Lage der parallelen Anordnungen 12 ist so eingestellt, daß die Phasenlage der Sekundärstrahlung von den reflektierenden Elementen 13 genau entgegengesetzt der Phasenlage der Wellenenergie ist, die durch das Gitter aus den leitenden Säulen 11 geht. In den meisten Fällen werden die parallelen Anordnungen 12 annähernd in der gleichen Ebene wie die leitenden Säulen 11 liegen. Die Sekundärstrahlung von den parallelen Anordnungen 12 interferiert mit der Wellenenergie, die durch das Gitter aus den leitenden Säulen 11 geht und bewirkt damit einen wesentlichen Rückgang der Verluste der Wellenenergiesignale durch den Reflektor. Die parallele Anordnung 12 kann in Amplitude und Phase so eingestellt werden, daß der Wellenenergieverlust in eine bestimmte Richtung völlig verhindert wird oder so, daß die Verluste in einem bestimmten Winkelbereich wesentlich verringert werden.

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Es ist meist wünschenswert, daß die Dipole 10 gemäß Fig. 1 ein einziges Strahlenbündel abstrahlen. Da bei einer Ausführung gemäß Fig. 1 die Abstände der Dipole gleich denjenigen der leitenden Säulen sind, wählt man die Abstände üblicherweise so, daß sie kleiner als eine Wellenlänge der Betriebsfrequenz sind und vermeidet dadurch das Auftreten von unerwünschten Strahlenbündeln, den sogenannten "Gitter-Keulen oder -Zipfeln".

Bei einem Abstand unter einer Wellenlänge lässt sich eine im wesentlichen volle Verhinderung von Verlustoder Streustrahlung durch die Anordnung einer einzigen Säule mit reflektierenden Elementen in jedem Zwischenraum von benachbarten leitenden Säulen des Gitters erreichen. In diesem Fall entfalten die reflektierenden Elemente ihre größte Wirksamkeit, wenn sie zu dem nächstliegenden Paar leitender Säulen den gleichen Abstand haben.

Ein Reflektor der in Fig. 1 gezeigten Ausführung ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Antenne die Form einer ebenen Anordnung von Elementen hat. Wie in Fig. gezeigt ist, hätte die Anordnung von Elementen 10 ohne die Anwendung der vorliegenden Erfindung bei Zufuhr von gleichphasigen Wellenenergiesignalen ein Hauptstrahlenbündel oder eine Hauptstrahlenkeule 22, die senkrecht zu der Gitterebene 21 der leitenden Säulen 11 verläuft. Verluste der Wellenenergie durch das Gitter 21 aus den leitenden Säulen 11 hindurch haben auch einen Antennenstrahl 19 zur Folge, einen sogenannten Hinterzipfel oder Hinterkeule, der in die entgegengesetzte Richtung wie der Antennenstrahl 22 zeigt. Die Wellenenergiesignale, die durch das Gitter'21 hindurchgehen, sind im wesentlichen in einer fokussierten Phase der Strahl 19 und haben eine Amplitude, die

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eine gegenüber dem beabsichtigen Strahl 22 beachtliche Größe erreicht.

Wenn die parallele Anordnung 12 aus reflektierenden Elementen 13 in der gezeigten Weise durch die Gitteranordnung 21 aus leitenden Säulen 11 durchsetzt ist, dann hat dies eine beträchtliche Verminderung der Verluststrahlung durch das Gitter 21 hindurch zur Folge. Der unerwünschte Strahlenzipfel 19 wird in seiner Größe beträchtlich verringert und erreicht eine Größe wie sie durch den Strahlenzipfel 20 angedeutet ist, was ein annehmbares Größenverhältnis zwischen dem Hauptzipfel 22 und dem Verlustzipfel 19 ergibt.

Die Anwendung von sogenannten "abgestimmten" parallelen, in gleicher Linie befindlichen Anordnungen gemäß der Erfindung ist hinsichtlich der Unterdrückung von Hinterzipfeln erheblich wirksamer als die bloße Anwendung von entsprechend leitenden Säulen. Versuche haben ergeben, daß die Hinterzipfel bei einer Antehnenanordnung, die nur leitende Säulen anstatt der Anwendung einer parallelen Anordnung besaß, nur eine 13 dB kleinere Amplitude als der Hauptzipfel 22 hatten.

Bei der gleichzeitigen Anordnung, die demgegenüber mit einer abstimmbaren Anordnung ausgestattet ist ist die Strahlung der Hinterzipfel um 35dB gegenüber der Hauptstrahlung abgesenkt.

Bei diesem Versuch bestand die Grundebene aus leitenden Säulen mit einem Durchmesser von 0,2 Wellenlängen, die bezüglich der Betriebsfrequenz einen gegenseitigen Abstand von O,88 Wellenlängen hatten. Die reflektierenden Elemente bestanden aus leitenden Zylindern, deren Durchmesser O,05 Wellenlängen und deren Länge 0,26 Wellenlängen

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betrug. Die reflektierenden Elemente wurden durch Einstellung des zwischen zwei benachbarten Elementen liegenden Zwischenraumes abgestimmt, wobei der Zwischenraum etwa-O,O1 Wellenlängen betrug.

Weiterhin wurde ein einziges, linear polarisiertes Antennenelement benutzt, das 0,20 Wellenlängen von einer der leitenden Säulen entfernt befestigt war.

Vorzugsweise verwendet man eine Anordnung gemäß der Erfindung für ebene Anordnungen von Strahlerelementen, wie in Fig. 1 gezeigt. Es ist für den Fachmann selbstverständlich, daß die Erfindung auch zur Bildung eines Reflektors in im wesentlichen offener Bauweise für die Anwendung in anderen Antennensystemen geeignet ist. Eine solche andere Anordnung würde z.B. aus einem in offener Bauweise erstellten, fokussierenden Reflektor und einem linear polarisierten Antennenelement zur Anstrahlung des Reflektors bestehen. Es ist auch eine nicht ebene Anordnung von Antenennelementen, denen eine nicht ebene, reflektierende Fläche zugeordnet ist, denkbar, bei der letztere gemäß der Erfindung ausgebildet ist.

Bei diesen abweichenden Anordnungen besteht zwar nicht die kritische Forderung nach möglichst wenig Verluststrahlung wie bei der ebenen Anordnung, bei welcher die Verluststrahlung einen fokussierten Hinterzipfel bildet, aber bei den betrachteten abweichenden Anordnungen hat man den Vorteil der bekannten Anordnungen', deren Reflektor in offener Bauweise ausgeführt ist.

Es sei schließlich noch darauf hingewiesen, daß die Erfindung grundsätzlich sowohl für Sende- als auch für Empfangsantennen anwendbar ist.

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Claims

Patentansprüche

1 .J Antennensystem mit einem in offener Bauweise ausgebildeten Reflektor, der aus einem Gitter von im wesentlichen parallelen leitenden Säulen besteht, mit zumindest einem linear polarisierten Antennenelement zur Abstrahlung der Wellenenergie, wobei die Polarisierung der Antenenelernen te im wesentlichen parallel zu dem Verlauf der leitenden Säulen gewählt ist und ein entsprechendes Traggestell für die Antennenelemente und die leitenden Säulen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor mit einer Vielzahl von jeweils in einer Linie (12) angeordneten, reflektierenden Elemeten (13) zur Unterdrückung der durch den Reflektor gehenden Strahlung ausgerüstet ist und die einzelnen Elemente in vorgegebener Weise abgestimmt sind, daß die jeweils in einer Linie (12) angeordneten, reflektierenden Elemente (13) im wesentlichen parallel zu den leitenden Säulen (11) und in einem bestimmten Abstand dazu auf dem gleichen Iraggestell (14) angeordnet sind.
2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Antennenelementen (10) vorhanden ist und die Antennenelemente (10) auf zumindest einigen der leitenden Säulen (11) montiert sind.
3. Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zuführung der Wellenenergie zu den Antennenelementen (10) übertragungsleitungen (15) vorgesehen sind, die in den leitenden Säulen (11) mit den darauf montierten Antennenelementen (10) verlaufen (Fig. 2).

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4. Antennensystem nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter aus leitenden Säulen (11) ein ebenes Gitter ist.
5. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander parallelen leitenden Säulen (11) mit gleichem Abstand im ebenen Gitter angeordnet sind.
6. Antennensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände von jeweils zwei benachbarten leitenden Säulen (11) kleiner als dieWellenlänge der Betriebsfrequenz des Antennensystems ist.
7. Antennensystem nach einem derAnsprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet," daß die Antennenelemente (10) Dipole sind.
8. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils in einer Linie

(12) angeordneten, reflektierenden Elemente (13)

in jedem Zwischenraum zwischen benachbarten leitenden Säulen (11) angeordnet sind.
9. Antennensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung, der jeweils in einer Linie (12) angeordneten, reflektierenden Elemente

(13) zu den benachbarten leitenden Säulen jeweils gleich ist.
10. Antennensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes reflektierende Element (13) ein leitendes Element ist, dessen effektive Länge gleich der halben Wellenlänge der Betriebsfrequenz des Antennensystems ist.

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11. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Elemente (13) leitende Elemente und kürzer als die halbe Wellenlänge der Betriebsfrequenz sind, die durch Einstellung des Zwischenraumes von zwei benachbarten in einer Linie (10) befindlichen reflektierenden Elementen (13) reflektiv abstimmbar sind.
12. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede Anordnung (12) mit den reflektierenden Elementen (13) aus einem Stab aus isoliertem Material und einer Vielzahl von darauf angebrachten leitenden, reflektierenden Elementen besteht.

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