DE3035739A1

DE3035739A1 - Nachrichtenverbindungs-antenne

Info

Publication number: DE3035739A1
Application number: DE19803035739
Authority: DE
Inventors: Herbert R. Chicago Ill. Blaese
Original assignee: Avanti Research & Development inc; Avanti Research & Dev; Avanti Research & Development Inc Addison Ill
Current assignee: Orion Industries Inc
Priority date: 1980-01-04
Filing date: 1980-09-22
Publication date: 1981-07-09
Also published as: US4282531A

Description

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Nachrichtenverbindungs-Antenne

Die Erfindung betrifft Fernmelde- oder Nachrichtenverbindungs -Antennen für die Zweiweg-Funknachrichtenverbindung und insbesondere Antennen für die Ausrüstung von festen Landfunkstellen, die in bequemer Weise zur Verwendung in Frequenzbereichen dimensioniert werden können, die das 27-MHz-Jedermann-bzw. -CB-Band enthalten.

Die Funkantenne ist das Verbindungsglied zwischen einem Sender/Empfänger und der Außenwelt. Die Bedeutung einer Antenne mit guter Strahlungscharakteristik kann nicht genug betont werden. Dies trifft insbesondere für CB-Anwendungen zu, bei denen die leistung der CB-Sender durch Vorschriften oder durch Gesetz'ziemlich beschränkt ist, und bei denen im wesentlichen alle Sender so ausgebildet sind, daß sie mit der maximal zulässigen Leistung arbeiten.

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Es ist daher eine gute Möglichkeit, die Wirksamkeit der Übertragung zu erhöhen, eine Antenne zu verwenden, die •wirkungsvoll strahlt. Die Leistungsfähigkeit einer Antenne und der Wirkungsgrad,mit der sie strahlt, werden üblicherweise als Antennengewinn bezeichnet. Bei der Untersuchung des Gewinns ist es üblich,für Vergleichszwecke eine Bezugnahme zu verwenden. Eine derartige Bezugnahme.ist eine Halbwellen-Dipolantenne. Daher wird der Gewinn einer Antenne häufig durch den Vergleich ihres Strahlungsdiagramms mit dem der Bezugnahme, einer Halbwellen-Dipolantenne, charakterisiert.

Es ist offensichtlich, daß bei höherem Antennengewinn die Antenne wirksamer ist und deren Ubertragungseigenschaften wirksam sind, unter der Annahme selbstverständlich richtiger Impedanzanpassung an die Übertragungsleitung.

Antennen können auch durch ihre Richtwirkung charakterisiert werden. Sie sind rundstrahlend oder gerichtet. Eine Vorgehensweise, die zur Erhöhung des Antennengewinns verwendet wird,ist das Fokussieren des Strahlungsdiagramms, d.h., man macht sie gerichtet. Solche "Strahl"-Antennen zeigen hohen Gewinn in der Richtung ihrer maximalen Strahlung. Dieser Gewinn wird durch '-'Fokussieren" des Strahlungsdiagramms in einer Richtung und durch Verringern derEmpfindlichkeit in anderen Richtungen als der bevorzugten Richtung erhalten. Diese Richtantennen werden üblicherweise mit Antennenrotoren verwendet, damit eine Nachrichtenverbindung bzw. -übertragung in unterschiedlichen Richtungen möglich ist,

Die Größe derartiger Richtantennen, insbesondere für den CB-Betrieb, ist ziemlich groß,und derartige Antennen sind auch kostspielig. Aus diesem Grund und weil die Richtwirkung üblicherweise nicht erwünscht ist werden rundstrahlende Antennen bei den weitaus meisten Ausrüstungen für Antennen von

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festen LandfuriksteEen. verwendet. Üblicherweise werden meist für diese Antennen Viertelwellen- und 5/8-Wellen-Vertikalantennen mit Gegengewicht (Grundplatten-Antennen) und HaIbwellenantennen verwendet.

Es ist allgemein erkannt, daß bei den üblicherweise verwendeten' CB-Rundstrahl-Vertikalantennen die 5/8-Welle den höchsten Gewinn erreicht. Zum Vergleich mit einem Halbwellendipol besitzt eine Viertelwellen-Vertikalantenne mit Gegengewicht einen niedrigen Gewinn iron -1,8 dB, während eine 5/8-Wellen-Antenne einen höheren Gewinn von 1,2 dB besitzt. Das Erhöhen der Länge der Antenne über die 5/8-Welle hinaus erzeugt aus praktischen Gründen keinen größeren Gewinn, vielmehr besitzt eine 3/^-Wellen-Antenne einen geringeren Gewinn als die HaIbwellendipol-Bezugsantenne.

Eines der Probleme bei Viertelwellen- und 5/8-Wellen-Antennen ist die Notwendigkeit einer Grundplatte. Insbesondere bei CB-Betrieben wird eine derartige Grundplatte üblicherweise durch sich radial erstreckende Viertelwellenelemente erreicht. Im CB-Bereich sind diese Elemente annähernd 2,75 m (9 ft) lang, weshalb diese Antennen einen wesentlichen seitlichen oder horizontalen Raum, mehr als 5)5 m (lö ft), erfordern, was ungünstig ist. " Diese Grundplatten-Antennen werden auch sehr stark von der Umgebung/ wie von Gebäuden, Abspannseilen und anderen interferierenden Massen ,beeinflußt.

Es ist daher wünschenswert, eine Rundstrahlungsantenne mit verbesserter Gewinncharakteristik angeben zu können, wobei simultan die Raumanforderungen für eine derartige Antenne aufs Äußerste verringert sind. Eine derartige Antenne würde dann gute Gewinncharakteristik bei minimalem Platzbedarf erreichen. Wenn weiter eine derartige Antenne relativ einfach und kostengünstig aufgebaut werden könnte, würde sich ein hocherwünschtes und brauchbares Produkt ergeben.

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Es ist also Aufgabe der Erfindung, eine einfache wirkungsvolle Rundstrahlantenne anzugeben, die hervorragende Strahlungs-Gewinncharakteristiken besitzt und geringsten Raüfti für die Anordnung erfordert.

Die Rundstrahlantenne hohen Gewinns gemäß der Erfindung verwendet ein vertikales längliches Strahlungselement mit üblicherweise einer Länge von etwa 3/k Wellenlänge., die mit einer Übertragungsleitung verbunden ist, d.h., nahe ihrem unteren Ende über eine geeignete Imp.edanzanpaßschaltung, wie einer Gammaanpassung. Die Länge des Strahlungselements kann gegebenenfalls in diskreten Inkrementen erhöht werden.

Diese Antenne enthält eine divergierende Elementeneinrichtung mit einer elektrischen Länge von etwa l/k Wellenlänge, die an einem Ende mit dem unteren Ende des vertikalen Strahlers verbunden ist und sich von dem unteren Ende des 3/^t-Wellen-Strahlers nach oben unter einem spitzen Winkel dazu erstreckt. Die divergierende Elementeneinrichtung besitzt typisch die Form mehrerer gleichförmig beabstandeter länglicher Elemente, obwohl auch andere Ausbildungen, wie ein konusförmiges Glied, verwendet werden können.

Die Antenne gemäß der Erfindung weist sowohl den Vorteil auf, daß die lateralen oder radialen Abmessungen der Antenne aufs Äußerste verringert werden, als auch den Vorteil, daß erhöhte Gewinncharakteristiken erhalten werden. Die verbesserten Strahlutigscharakterxstiken und die Abmessungsverringerung

werden vorteilhaft erhalten, wenn der spitze Winkel zwischen den divergierenden Elementen und dem vertikalen Strahler zwischen etwa 5 und etwa 30 liegt, obwohl in einigen Fällen Winkel über 30° ebenfalls einen verbesserten Gewinn erreichen können.

Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel zur Verwendung im CB-Band beträgt die maximale radiale Abmessung zwischen dem

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Antennen-Strahler und den divergierenden Elementen etwa 38 cm (15in). Bei diesem Ausführungsbeispiel der Antenne wird ein Gewinn im Vergleich zu einem Halbwellendipol von. etwa 2,2 dB erreicht. Bei etwas größeren Winkeln, bei denen die radialen Abmessungen selbstverständlich größer sind, z.B. bei einem Winkel von etwa 30 , bei dem die radiale Abmessung etwa 137 cm (4,5ft) beträgt, ist der Gewinn gegenüber einer Halbwellen-Dipolantenne etwa 2,7 dB.

Vorteilhaft ist die die Erfindung verwendende Antenne einfach, stabil, im Aufbau zuverlässig und verwendet eine geringste Anzahl an Isolatoren. Wenn der Speisepunkt, der Punkt, an dem die Übertragungsleitung mit der Antennenanordnung verbunden ist, dort angeordnet ist, wo alle Komponenten konstruktiv miteinander verbunden sind, erreicht die Übertragungsleitungs-Verbindungseinrichtung (bzw. der -Stecker) die notwendige Isolation, wobei das Ergebnis eine im wesentlichen steifere Anordnung ist.

Weiter kann durch Verwenden eines Querelements ,wie eines leitenden Rings,der die Enden der divergierenden Elementeneinrichtung verbindet, die Bandbreite der Antenne bezüglich des Aufrechterhaltens eines niedrigen Stehwellenverhältnisses (SWR) als Funktion der Frequenz erweitert werden unter simultanem Verkürzen der körperlichen Länge und damit der maximalen radialen Abmessung der divergierenden Elemente.

Durch die erfindungsgemäße Antenne wird der laternale oder radiale Raum um etwa 5O-85 % im Vergleich zu einer Viertelwellen- oder 5/8-Wellen-Vertikalantenne mit Gegengewicht verringert, wobei simultan ein besserer Gewinn als bei der 5/8-Vertikalantenne erreicht wird.

Die Erfindung gibt also eine Fernmelde- oder Nachrichtenübertragungs-Antenne an, die eine verbesserte mechanische Festigkeit, einen verbesserten Gewinn und verringerte seit-

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liehe Abmessungen besitzt. Die Antenne enthält ein vertikal angeordnetes längliches 3/^-Wellen-Strahlungselement und mehrere divergierende Viertelwellen-Elemente, die an ihreni bodenseitigen Ende mit dem bodenseitigen Ende des vertikalen Strahlers verbunden sind. Die divergierenden Elemente ragen nach oben und nach außen von dem Strahler unter einem spitzen Winkel, der typisch zwischen etwa 5° und etwa 30° liegt. Die Bandbreite der Antenne kann durch Verbinden der freien Enden der divergierenden Elemente,wie mittels eines leitenden Rings, verbreitert werden.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Antenne gemäß der Erfindung, Fig. 2 vergrößert in Teilansicht eine Tragschelle zum

Befestigen der divergierenden radialen Teile, Fig. 3 in Aufsicht die Schelle gemäß Fig. 2.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es sei erwähnt, daß selbstverständlich noch zahlreiche andere Ausführungsformen möglich sind.

Die in der Zeichnung dargestellte Antennenanordnung 10 gemäß der Erfindung weist ein längliches Strahlungselement 12 auf, das so ausgebildet ist, das es in einer Vertikalebene angeordnet ist. Das Strahlungselemmt 12 besitzt eine elektrische Länge von etwa einer 3/^-Wellenlänge bei der Frequenz, auf die die Antenne abgestimmt ist, z.B. annähernd 8,25 m (27 ft) bei einer Antenne, die zur Verwendung im CB-Band bestimmt ist. Zum einfacheren Transport besteht der Antennenstrahler bzw. das Strahlungselement 12 aus mehreren teleskopierenden Abschnitten 14, die ineinander—greifen und die zur gewünschten Länge auseinandergezogen werden können und in Lage 'durch geeignete Klemmglieder l6 geklemmt werden können.

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Die Antennenanordnung 10 gemäß d-er Erfindung enthält auch eine divergierende Elementeneinrichtung, die. als aus mehreren gleichförmig beabstandeten divergierenden Elementen 20 bestehend dargestellt ist, wobei in der Zeichnung drei wiedergegeben sind. Die divergierenden Elemente 20 sind an ihren Unterenden an dem Unterende des vertikalen Strahlungselements 12 befestigt und sind damit elektrisch verbunden.

Die Unterenden der divergierenden Elemente 20 sind mit dem vertikalen Strahlung^element 12 mittels einer in drei Teile aufgeteilten Schelle 22 verbunden.Die Schelle 22 enthält drei Elemente 2k mit jeweils einem gekrümmten Mittelabschr.itt 26, der für einen Oberflächenkontakt mit der Basis des Strahlungselements 12 ausgebildet ist. Flansche 28 erstrecken sich radial nach außen von dem Mittelabschnitt 26 und damit auch im zusammengebauten Zustand von dem vertikalen Strahlungselement 12. Jeder der Flansche 28 ist mit zwei radial beabstandeten Öffnungen 30 versehen. Die innere Öffnung 30 ist zur Aufnahme einer Befestigungseinrichtung 3k, wie einer Anordnung aus Bolzen und Mutter,ausgebildet, die durch die Flansche 28'der benachbarten Elemente 24 hindurchtreten, um sie miteinander zu verbinden und um die Schelle 22 am Strahlungselement 12 festsitzend anzubringen. Die Unterenden der Elemente 20 können abgeflacht sein zum Einbringen zwischen benachbarte Flansche 28 und sind daraus mittels Befestigungseinrichtungen 3k befestigt, die durch die äußere Öffnung hindurchgeh en.

Wenn die Übertragungsleitung mit der Antenne nahe deren unterem Ende zu verbinden ist, ist eine Verbindungsplatte kO zwischen den Flanschen 28 eines der Teile 2k der Schelle befestigt. In der Mitte der Verbindungsplatte 40 ist ein Verbindungsglied k2 vorgesehen, das zur Aufnahme eines zusammenpassenden Verbindungsglieds von einer Übertragungsleitung,

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üblicherweise eines Koaxialkabels (nicht dargestellt), ausgebildet ist. Der Außenteil des Verbindungsglieds 42 ist elektrisch mit der Verbindungsplatte 40 verbunden und damit mit derBasis des Antennen-Strahlungselements 12 und mit den unteren Enden der Elemente 20, während der Mittelstift 44 mit einem Ende einer Impedanzanpaßanordnung, wie einem Gammaanpaßglied 46,verbunden ist. Das andere Ende des Gammaanpaßglieds 46 ist mit dem Strahlungselement 12 an einer geeigneten Stelle 47 verbunden zum Anpassen der Impedanz der Antennenanordnung 10 an die Impedanz der Übertragungsleitung. Es sei erwähnt, daß andere Verbindungspunkte zwischen der Antenne und der übertragungsleitung verwendet werden können.

Die Elemente 20 divergieren oder erstrecken sich nach oben und nach außen von dem vertikalen Strahlungselement 12 mit einem spitzen Winkel dazu. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel zwischen den divergierenden Elementen 20 und dem vertikalen Strahlungselement 12 annähernd 10 . Es wurde festgestellt, daß verbesserte Gewinncharakteristiken unter simultanem Verringern der radialen Abmessungen der Antenne erreicht werden können, wenn der zwischen dem vertikalen Strahlungselement 12 und den Elementen 20 eingeschlossene Winkel zwischen etwa 5 und etwa 30° liegt. Wenn auch Gewinnverbesserungen mitunter erreicht werden können, wenn der Winkel etwas größer als etwa 30 ist, ist jedoch der Vorteil verringerter seitlicher Abmessungen bei diesen größeren Winkeln herabgesetzt.

Die divergierenden Elemente 20 sind zwischen ihren Enden durch eine Tragstütze 48 getragen. Die Tragstütze 48 enthält eine dreiteilige Schelle 50, die im allgemeinen Aufbau ähnlich der Schelle 22 ist. Eine isolierende Verlängerung 52 ist mit den Flanschen der Schelle 50 verbunden, um so die Elemente 20 von dem zugehörigen Strahlungselement 12 zu isolieren. Das andere Ende jeder isolierenden Verlängerung 52 ist mit einer ü-förmigen Klemme 54 verbunden,

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durch die eines der Elemente 20 hindurchtritt.

Die elektrische Länge der divergierenden Elemente 20 beträgt eine Viertelwellenlänge, was etwa 2„75 m (9 ft) bei Antennen entspricht, die zur Verwendung im CB-Band bestimmt sind. Zum Verbreiten der Bandbreite der Antenne bezüglich des Aufrechterhaltens eines niedrigen Stehwellenverhältnisses (SIfR) als eine Funktion der Frequenz ist ein leitender Reif oder Ring 55 soi den freien Enden der Elemente 20 über geeignete mechanische Verbindungsglieder 56 befestigt. Die Verwendung des Rings 55 verbreitert nicht nur die Bandbreite der Antenne 10 sondern verringert auch wirksam die körperliche Länge dex~ Elemente 20 bei Aufrechterhalten ihrer elektrischen Länge_;einer Viertelwellenlänge=.

Beispielsweise beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Länge der Elemente 20 ohne den Ring 55 etwa 272 era (107 in), vrährend bei der Hinzufügung des Rings 55 die Länge der Elemente 20 etwa 227 cm (89,5 in) beträgt. Daher verringert der Ring 55 weiter die Länge der Elemente 20 und damit die laterale oder radiale Abmessung der Antennenanordnung 10 .

Bei einer Ausführungsform zeigte eine Antennenanordnung gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Gesamtlänge von etwa 832 cm (328 in), mit Elementen 20 einer Länge von etwa 227 cm (89,5 in) und mit mit einem leitfähigen Ring eines Durchmessers von etwa 75 cm (29,5 in) verbundenen Enden der Elemente einen Gewinn im Vergleich zu einer 5/8-Wellen-Antenne von etwa Eins. Da 5/8-Wellen-Antennen einen Gewinn im Vergleich zu einem Halbwellenlängendipol von etwa 1,2 besitzen, ergibt sich ein Gewinn des Ausführungsbeispiels im Vergleich zu einem Halbwellendipol von etwa 2,2.

Bei einem Winkel von etwa 30°, bei dem derAbstand zwischen

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den Enden der divergierenden Elemente 20 etwa 2,75 m (9 ft) beträgt, ist " ' der Gewinn der Antenne gemäß der Erfindung etwa 2,8 im Vergleich zu einem Halbwellendipol.

Daher erreicht die erfindungsgemäße Antenne sowohl körperliche als auch elektrische Vorteile. Die seit- : liehen Abmessungen der Antenne können verringert werden, während gleichzeitig der Gewinn verbessert werden kann. lieiter sind die wesentlichen konstruktiven Verbindungen Metall-Metall-Verbindungen, wodurch die Festigkeit und Steifigkeit der Anordnung verbessert wird.

Selbstverständlich sind, wie erwähnt, noch andere Ausführungsformen möglich.

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Claims

DIPL.-ING. HANS W. GROENING

A 36-2

AVANTI RESEARCH & DEVELOPMENT, Inc.

340 Stewart Avenue

Addison, Illinois 60101, U.S.A.

Patentansprüche

• 1.JZweiwegnachrichtenverbindungs-Antenne, ^y gekennzeichnet durch

ein längliches Strahlungselement (12) mit einer elektrischen Länge von etwa einer j/k Wellenlänge, und eine divergierende Elementeneinrichtung (20), die an einem Ende mit dem Strahlungselement (12) nahe einem von dessen Enden verbunden ist und von dort zum anderen Ende des Strahlungselements (12) unter einem spitzen Winkel dazu wegragt, wobei die divergierende Elementeneinrichtung (20) eine effektive elektrische Länge von etwa 1/4 Wellenlänge besitzt.

2. Antenne nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der spitze Winkel zwischen der divergierenden Elementeneinrichtung (20) und dem Strahlungselement (12) zwischen etwa 5° und etwa 30 liegt.

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SIEBEKTSin.4 · 8000 MtXCtIEX 80 · POB 860340 · KAHEi: RHEIKPATiST · TjEL. (088) 471070 · TELEX 0·!!30<ΊΙ»

3· Antenne nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß der spitze Winkel zwischen dem Strahlungselement (12) und der divergierenden Elementeneinrichtung (20) etwa 10 beträgt.

4. Antenne nach einem der Ansprüche 1-3 j dadurch gekennzeichnet,

daß das Strahlungselement (12) in einer Vertikalebene ausgerichtet ist, und daß das bodenseitige Ende des Strahlungselements (12) und das bodenseitige Ende der divergierenden Elementeneinrichtung (20) elektrisch miteinander verbunden sind.

5· Antenne nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch ein elektrisch leitfähiges Glied (55)j das die freien Enden der divergierenden Elementeneinrichtung (20) verbindet,und das sich bei dem und um das Strahlungselement (12) erstreckt.

6. Antenne nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet,

daß die divergierende Elementeneinrichtung (20) mehrere längliche divergierende Elemente (.20) aufweist, die jeweils an einem Ende mit dem Strahlungseleraent (12) nahe dessen Ende verbunden sind.

7. Antenne nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß die divergierenden Elemente (20) in Umfangsrichtung um das Strahlungselement (12) gleichförmig beabstandet sind.

O. Zweiwegnachrichtenverbindungs-Antennenanordnung zur Verwendung im CB-Band,
gekennzeichnet durch

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ein längliches Strahlungselement (12) zur Halterung in einer Vertikalebene, mit einer Länge von etwa 8,25 m (27 f"t), entsprechend etwa einer 3/4 Wellenlänge, mehrere divergierende Elemente (20), die mechanisch und elektrisch an ihren unteren Enden mit dem Strahlungselement (12) verbunden sind und sich von dort nach oben und nach außen unter einem spitzen Winkel dazu erstrecken, wobei die divergierenden Elemente (20) eine Länge von etwa 1/4 Wellenlänge I_n der Mitte des CB-Bandes besitzen, und eine Verbindungseinrichtung (40,42) zum Verbinden einer Übertragungsleitung mit der Antennenanordnung (10).

9» Antennenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die ÜbertragungsleitungsVerbindungseinrichtung ClO,42) eine Einrichtung (44,46,47) zum Anschließen eines Leiters einer Zweidraht-Übertragungsleitung an das Strahlungselement (12) und zum Anschließen des anderen Leiters der Übertragungsleitung an die Basis des Strahlungselements (12) und die divergierenden Elemente (20) enthält, einschließlich einer Impedanzanpaßschaltung zum Anpassen der Impedanz der Antennenanordnung (10) an die Impedanz der Übertragungsleitung.

10. Antennenanordnung nach Anspruch 8 oder 9» gekennzeichnet durch ein leitendes Glied (55)» das von dem Strahlungselement (12) beabstandet ist und in einer Ebene angeordnet ist, die allgemein quer dazu ist, und das die divergierenden Elemente (20) an deren freien Enden miteinander verbindet, wobei die Länge der divergierenden Elemente (20),die an dem leitenden Glied (55) enden, eine körperliche Länge besitzen, die geringer als ihre elektrische Länge ist.

11. Antennenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet ,

daß das leitende Glied (55) krummlinig ausgebildet ist, und

daß die Enden der divergierenden Elemente (20) von dem Strahlungselement (12) um einen Abstand von etwa 38 ^cm (15 in) beabstandet sind.

12. Antennenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die divergierenden Elemente (20) eine Länge von etwa 229 cm (90 in) besitzen.

13. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 8-12, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Strahlungselement (12) und jedem der divergierenden Elemente (20) eingeschlossene Winkel zwischen etwa 5 vend etwa 30 liegt.

14. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 8-I3, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Strahlungselement (12) und jedem divergierenden Element (20) eingeschlossene Winkel etwa 10° beträgt.

15. Ant ennenanor dnung nach einem der Ansprüche 8^-14, dadurch gekennzeichnet, daß drei divergierende Elemente (20) vorgesehen sind.

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