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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antenne mit einer Vielzahl
von Wänden
in einem elektrisch leitfähigen
Material, wobei die Wände
so angeordnet sind, dass sie eine Niedrigprofilantenne ausbilden,
die eine kleine Tiefe aufweist und die folglich leicht in bestehende
Strukturen in kleinen Räumen
integriert werden kann.
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Stand der Technik
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Es
besteht ein großer
Wunsch, Antennen zu entwickeln, die in bestehende oder neue Strukturen integriert
werden können,
ohne dass sie sehr viel Volumen oder Platz für die Antenne brauchen. Vorzugsweise
sollte die Antenne eine große
Vielseitigkeit hinsichtlich beispielsweise Polarisation und Überdeckung
aufweisen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der
oben genannte Wunsch wird durch die Antenne nach der vorliegenden
Erfindung behandelt, dadurch dass diese eine Antenne mit einer Vielzahl von
Wänden
in einem elektrisch leitfähigen
Material offenbart. Die in der Antenne nach der Erfindung umfassten
Wände sind
die folgenden:
- – eine erste und eine zweite
Hauptwand mit entsprechenden Ausdehnungslängen,
- – eine
erste Endwand, und
- – eine
erste und eine zweite Seitenwand.
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Nach
der Erfindung sind die Wände
so ausgebildet, dass die erste und die zweite Hauptwand sich parallel
zueinan der erstrecken und durch die erste Endwand miteinander verbunden
sind. Zusätzlich
verbinden die Seitenwände
auch die erste und zweite Hauptwand, so dass eine Struktur mit einem Hohlraum
mit nur einer Öffnung
ausgebildet wird. Die Öffnung
des Hohlraums ist in der Form einer rechteckförmigen Öffnung, die durch eine ebenfalls
zur Antenne gehörige
Zufuhrverbindung zum Abstrahlen gebracht werden kann.
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Die
erste und zweite Hauptwand sind gekrümmt, wobei das Parallelmerkmal
sie konzentrisch macht, wodurch ein zylindrischer, gekrümmter Box- bzw.
Gehäusehohlraum
erzeugt wird, wobei die Öffnung
(205) die einzige Öffnung
in dem Gehäuse
ist, wobei die Öffnung
in der Umfangsrichtung des Zylinders orientiert ist. Des Weiteren
umfasst die Antenne nach der Erfindung eine zweite Endwand, die
sich von der zweiten Hauptwand in Richtung auf die erste Hauptwand
erstreckt. In dieser alternativen Lösung ist die Ausdehnungslänge der
ersten Hauptwand so, dass die zweite Endwand und die erste Hauptwand nicht
zusammentreffen.
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So
wird mit anderen Worten durch die Erfindung ein elektrisch leitfähiges Gehäuse oder
ein „gefalteter
Graben" angeboten,
wobei das Gehäuse
eine Öffnung
aufweist, die zum Abstrahlen gebracht werden kann. Dieses Gehäuse kann
leicht in bestehende oder neue Strukturen mit minimalen Platzanforderungen
integriert werden.
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Eine
Antenne gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist aus der
2 der Patentdruckschrift
US-A-2684444 bekannt.
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Spezifische
Anwendungen dieser und anderer Ausführungsformen der Erfindung
werden in der folgenden ausführlichen
Beschreibung gezeigt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nun im Folgenden mit Verweis auf die beigefügten Zeichnungen
ausführlicher
beschrieben, wobei gilt:
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1a und 1b zeigen
zwei verschiedene, grundlegende Ausführungsformen einer Antenne,
und
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2 zeigt
einen Querschnitt einer Anwendung der Antenne nach der Erfindung,
und
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3 zeigt
einen Querschnitt einer anderen Anwendung der Erfindung, und
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4a und 4b zeigen
eine andere Ausführungsform
der Erfindung, und
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5 und 6 zeigen
Beispiele anderer Ausführungsformen.
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Ausführungsformen
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1a zeigt
eine erste Ausführungsform 100 einer
Antenne nach der Erfindung. Wie in dieser Zeichnung gezeigt, umfasst
die Antenne 100 eine erste 110 und eine zweite 120 Hauptwand,
deren entsprechende Ausdehnungslängen
d1 und d2 sind.
Die zwei Hauptwände
sind durch eine erste Endwand 130 miteinander verbunden,
vorzugsweise an ihrem einen Ende.
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Die
erste und zweite Hauptwand, 110, 120, ebenso wie
die erste Endwand 130 sind in dieser Ausführungsform
flache bzw. ebene und dünne
Platten eines elektrisch leitfähigen
Materials, wobei die erste und zweite Seitenwand so ausgebildet
sind, dass sie sich parallel und in einem Abstand zueinander erstrecken,
wobei der Abstand durch die erste Endwand 130 dadurch überdeckt
wird, dass diese die zwei Hauptwände 110, 120 miteinander
verbindet. Die erste Endwand weist vier Seitenränder auf, wobei ein erster
und ein zweiter von diesen in Berührung mit der ersten und zweiten
Hauptwand sind.
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Zusätzlich zu
den in 1a gezeigten Wänden umfasst
die Antenne auch erste und zweite Seitenwände, die in der Zeichnung nicht
gezeigt sind, die sich der Leser jedoch vorstellen muss. Die erste und
zweite Seitenwand verbinden die erste und zweite Hauptwand an denjenigen
Seiten der ersten Endwand, die nicht in Berührung mit der ersten und zweiten
Hauptwand sind. Mit anderen Worten die Hauptwände bilden zusammen mit den
Seitenwänden
eine box- bzw. gehäuseartige
Struktur, die an einem Ende durch die erste Endwand geschlossen
ist. Diese Ausführungsform
wird auch als eine „Graben"-Antenne bezeichnet.
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Folglich
ist die in 1a gezeigte erste Ausführungsform
der Antenne nach der Erfindung eine elektrisch leitfähige Struktur,
die einen Hohlraum umfasst mit nur einer Öffnung, d. h. ein Quadrat oder eine
rechteckförmige Öffnung 105,
die sich von der ersten Hauptwand 110 zu der zweiten Hauptwand 120 erstreckt.
Diese Öffnung
kann zum Abstrahlen gebracht werden, indem der Hohlraum der Struktur 100 in
einer in dieser Beschreibung später
näher ausgeführten Weise
angeregt wird, was bewirkt, dass die Struktur 100 als eine
Antenne funktioniert.
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In
der Ausführungsform
der 1a ist die Länge
d2 der zweiten Hauptwand etwa λ/4, wobei λ die Wellenlänge in dem
Hohlraum bei der Betriebsfrequenz der Antenne ist. Folglich kann
eine Antenne für
eine gewünschte
Frequenz erzeugt werden, indem den ersten und zweiten Wänden geeignete
Ausdehnungen bzw. Erstreckungslängen
verliehen werden, und/oder indem der Hohlraum mit einem Material mit
einem geeigneten Wert von ε,
der elektrischen Permitivitätskonstanten,
gefüllt
wird.
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Wie
auch in 1a gezeigt ist, kann die Antenne 100 ein
Teil einer größerer Struktur
sein, dadurch dass beispielsweise der erste und zweite Wand 110, 120 in
anderen, zu der Antenne externen Bereichen 110', 120' befestigt sind.
Eine einfache Weise, um dies zu erzielen und um die Antenne 100 zu
entwerfen, besteht darin, die Hauptwände einen Teil einer Folie
aus Metall sein zu lassen, wobei die Folie aus Metall zum Ausbilden
der Hauptwände 110, 120 und
der Endwand 130 geknickt bzw. gefaltet ist.
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1b zeigt
eine zweite Ausführungsform 100' der Antenne
nach der Erfindung. In dieser Ausführungsform sind dieselben grundlegenden
Prinzipien verwirklicht wie die, die in 1a gezeigt
und oben beschrieben sind. Jedoch ist in dieser Ausführungsform 100' der gehäuseartige „Graben" Struktur der 1a ersetzt
durch eine Struktur, die als ein „gefalteter Graben" beschrieben werden
kann: In der Ausführungsform
der 1a weisen die erste und zweite Hauptwand gleiche
Längen
auf, was in 1b nicht der Fall ist. Die erste 110 und
zweite 120 Hauptwand sind in dieser Ausführung ebenfalls durch
die erste Endwand 139 miteinander verbunden und erstrecken
sich parallel zueinander, wobei beide Hauptwände immer noch flach und vorzugsweise plattenförmig sind.
Zusätzlich
umfasst diese Ausführungsform
erste und zweite Seitenwände,
wobei alle Wände
aus einem elektrisch leitfähigen
Material sind.
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Die
Seitenwände
sind in 1b ebenfalls nicht gezeigt,
sondern der Leser muss sich diese vorstellen als Wände, die
die Hauptwände
miteinander verbinden und die sich mindestens um die gleichen Wände wie
die zweite Hauptwand 120 erstrecken. Die Ausführungsform 100' umfasst auch
eine zweite Endwand 140, die sich von der zweiten Hauptwand 120 in
Richtung zur ersten Hauptwand 110 erstreckt, in geeigneter
Weise vom Ende der zweiten Hauptwand, jedoch mindestens von einem
Punkt in der zweiten Hauptwand, der so gewählt ist, dass die erste Endwand
die erste Hauptwand nicht erreicht.
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In
geeigneter Weise weist die zweite Endwand 140 die gleichen
Abmessungen auf wie die erste Endwand, mindestens in der Richtung
von der zweiten Hauptwand zur ersten Hauptwand, jedoch weil die
erste Hauptwand kürzer
als die zweite Hauptwand ist, wird die zweite Endwand die beiden
Hauptwände
nicht verbinden. Die beiden Endwälle
sollten sich senkrecht zu der zweiten Hauptwand in Richtung zur
ersten Hauptwand erstrecken.
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Folglich
wird in einer Antenne 100' eine Struktur
mit „gefaltetem
Graben" erzeugt,
indem die Ausführungsform
der 1 benutzt wird. Der Graben 100' umfasst eine Öffnung 105', die der Längendifferenz
zwischen der ersten und zweiten Endwand entspricht.
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Wie
für die
vorhergehende Ausführungsform 100 sollte
die Länge
des Grabens, d. h. die Länge
der zweiten Hauptwand, λ/4
sein, wobei λ die
Betriebswellenlänge
der Antenne ist. Dies ist ein allgemeines Prinzip, das allen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gemeinsam ist. Wenn jedoch ein Bedarf
besteht an kleineren Antennen als diejenigen, die durch die dielektrische
Konstante von Luft erlaubt wären,
dann liegt es vollständig
innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, dass mindestens ein Teil der
Antenne mit einem Material mit einer von der von Luft verschiedenen
dielektrischen Kostante zu füllen.
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In 2 wird
eine praktische Anwendung 200 der Ausführungsform 100' aus der 1b gezeigt:
Die „Graben"-Antenne 100' ist um ein zylindrisches Objekt 203 herumgewickelt,
wobei 2 ein Querschnitt des Objekts mit der darum herumgewickelten
Antenne ist. Folglich sind die zwei Bereiche 211 der in 2 gezeigten
Antenne nur ein oberer und ein unterer Querschnitt von ein und derselben kontinuierlichen
Antenne, die in einer zylindrischen Form gebogen ist.
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Einer
der Vorteile der Erfindung tritt hier hervor: Wenn man ein Objekt
hat, wie etwa den Zylinder 203, an dem man eine Antenne
zu befestigen wünscht,
dann kann dies einfach dadurch erreicht, dass eine in dem Zylinder 203 Vertiefung
ausgebildet wird mit Abmessungen, die zumindest grob den äußeren Abmessungen
der Antenne entsprechen.
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Die
Antenne wird dann in der Vertiefung angeordnet und es wird das in 2 gezeigte
Objekt 200, d. h. ein Zylinder mit einer eingebauten Antenne, erhalten.
Das Objekt 200 wird eine Öffnung 205 aufweisen,
wie in 2 gezeigt, die aufgrund einer Zuführungsstruktur,
die ebenfalls in 2 gezeigt ist, abstrahlen wird.
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Die
für die
in 2 gezeigte Zuführungsstruktur
verwendeten Prinzipien können
in geeigneter Weise für
alle Antennen nach der vorliegenden Erfindung benutzt werden: Die
Zuführungsstruktur wird
an der ersten Hauptwand befestigt, vorzugsweise in der Nähe der Öffnung.
Die Zuführungsstruktur geht
durch eine der anderen Wände,
beispielsweise die zweite Hauptwand, und ist an dem Punkt in der ersten
Hauptwand befestigt. Als ein Beispiel kann die Zuführungsstruktur
in der Form eines Koaxialkabels ausgebildet sein.
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In 3 wird
noch ein anderer, von der vorliegenden Erfindung gebotener Vorteil
veranschaulicht. Wenn es gewünscht
wird, eine Antenne mit einem kleinen RCS (Englisch: Radar Cross
Section, Radarquerschnitt) zu erhalten, dann kann dies durch die
in 3 gezeigte Ausführungsform 300 stark
erleichtert werden. Die Antenne aus der 1b ist durch
Herstellen eines „gefalteten
Grabens" erzeugt worden,
der den im Zusammenhang mit 1a beschriebenen
allgemeinen Prinzipien folgt. In diesem Beispiel ist der gefaltete
Graben aus einem massiven Stück
eines elektrisch leitfähigen
Materials hergestellt worden.
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Weil
der einzige Bereich der Antenne 300 nach der Erfindung,
der für
die Außenwelt
elektromagnetisch sichtbar zu sein braucht, die Öffnung 305 ist, wird
das elektrisch leitfähige
Material 309 dann durch ein Radar[strahlung] absorbierendes
Material (RAM) 307 überdeckt,
so dass der einzige Teil der Antenne, der nicht von RAM überdeckt
ist, die Öffnung
ist.
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Zusätzlich kann
ein RAM mit einer elektrischen Dicke, die signifikant kürzer als λ/4 ist, so
ausgebildet werden, dass es die Antenne einschließlich der Öffnung überdeckt.
Das Wort „signifikant" sollte hier so verstanden
werden, dass es mindestens zweimal so kurz, vorzugsweise fünfmal kürzer bedeutet.
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In 4a wird
eine andere Anwendung 400 der Grabenantenne der 1b gezeigt:
In dieser Ausführungsform
war es gewünscht,
die Hülle
beispielsweise von einem Schiff oder einem Flugzeug auszustatten
mit einer Antenne mit geringer Sichtbarkeit, die kein großes Volumen
zur Installation erfordert und die die Aerodynamik oder ähnliche
Eigenschaften des Seefahrzeugs bzw. Flugzeugs nicht beeinflusst.
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Zum
Erreichen der oben genannten Ziele wird die gefaltete Grabenantenne
nach der Erfindung eingesetzt. Die Prinzipien der Antenne werden
hier nicht wieder beschrieben, jedoch gilt das allgemeine Prinzip,
dass eine flache bzw. ebene Grabenantenne mit einer sich entlang
einer Seite der Antenne erstreckenden Öffnung 405 erzeugt
worden ist. Die Antenne 400 ist dann auf der beabsichtigten
Oberfläche 470,
d. h. dem Flügel
eines Flugzeugs oder der Hülle eines
Schiffs oder eines Flugzeugs angeordnet. In geeigneter Weise ist
die Antenne so ausgebildet, dass die Öffnung 405 parallel
zu einer Hauptoberfläche
der Hülle
oder des Flügels
ist.
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In 4a kann
ein Merkmal gesehen werden, das in vorhergehenden Zeichnungen noch
nicht veranschaulicht worden ist: Die erste Seitenwand 450 ist
in 4a deutlich sichtbar und die zweite Seitenwand 460 ist
vorgesehen, weil die zwei Seitenwände 450, 460 die
erste Hauptwand 410 und die zweite Hauptwand verbinden,
wobei die zweite Hauptwand „die
Unterseite" der
Antenne ist.
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Die
mittlere Betriebsfrequenz λ der
Antenne wird als λ/4
= d festgelegt, wobei d die Länge
der zweiten Hauptwand der Antenne ist.
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Ein
anderes Merkmal der Erfindung ist in 4 ebenfalls
gezeigt, ein Merkmal, das bei allen Ausführungsformen der Erfindung
eingesetzt werden kann. Das Merkmal wird benutzt, um den RCS der Antenne 400 zu
verringern: Eine oder mehrere Dioden, vorzugsweise PIN-Dioden, werden über der Öffnung der
Antenne angeordnet, und erstrecken sich von der ersten Hauptwand
zu der zweiten Hauptwand oder, mit anderen Worten, überbrücken den Zwischenraum,
was durch die Tatsache erzeugt wird, dass die erste Hauptwand kürzer als
die zweite Hauptwand ist.
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Die
Diode oder Dioden werden in der folgenden Weise eingesetzt: Während der Übertragungs (Tx)-
oder Empfangs (Rx)-phasen der Antenne werden die Dioden nicht leitfähig gemacht.
Wenn die Antenne jedoch nicht in der Übertragungs (Tx)- oder Empfangs
(Rx)-Phase ist, werden die Dioden leitfähig gemacht, indem eine geeignete
Spannung angelegt wird. Dies wird dazu führen, dass die Dioden ein leitfähiges Gitter über die Öffnung erzeugen,
das in einer bekannten Weise die Streuung von fremden elektromagnetischen
Wellen durch die Antenne signifikant verringern wird.
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Der
Abstand d1 zwischen den Dioden wird dann
signifikant werden, weil d1 signifikant
kleiner sein sollte als eine Hälfte
der kürzesten
Wellenlänge, die
voraussichtlich auf die Antenne auftreffen wird. Wiederum sollte
das Wort „signifikant" hier so gelesen
werden, dass es mindestens zweimal so kurz und vorzugsweise fünfmal kürzer bedeutet.
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So
kann der RCS der Antenne stark verringert werden, indem die Dioden
mit gewählten
Abständen
angeordnet werden und indem sie elektrisch leitfähig gemacht werden.
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4b zeigt
ein anderes Merkmal, das in die Antenne 400 eingebaut sein
kann: Die in 4a gezeigte Antenne kann Gleichstrom-Charakteristiken aufweisen,
die die Diodenanordnung verbieten würden. Um die Diodenanordnung
zu ermöglichen,
kann eine separate Gleichstrom-Schicht in „den Graben" eingefügt werden.
Wie in 4b gezeigt, umfasst diese Gleichstrom-Schicht
ein leitfähiges
Material, das in der Nähe
der Wand 420 parallel zu der Diode, jedoch von dieser für Gleichstrom
isoliert, angeordnet wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden,
dass die Gleichstrom-Schicht in einem dielektrischen Material angeordnet
wird. In geeigneter Weise gibt es für alle Di oden eine gemeinsame Gleichstrom-Schicht,
jedoch sind auch individuelle Gleichstrom-Schichten für einzelne
Dioden möglich.
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Eine
Antenne nach der Erfindung kann leicht in bestehende Strukturen,
wie beispielsweise etwa Masten integriert werden. Wenn die durch
eine Antenne gebotene Überdeckung
nicht ausreichend ist, dann können
in ein und dieselbe Struktur mehr als eine Antenne integriert werden.
Ein Beispiel dafür
ist in 5 gezeigt, wobei auch ein zusätzliches Merkmal gezeigt wird.
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5 zeigt
eine Querschnittsansicht von oben einer an einem Mast montierten
Antenne 500. Die Antenne 500 weist vier Teilantennen 5001 –5004 auf. Alle Teilantennen sind einander ähnlich und
sind Versionen der „Grabenantenne" der 1b.
Um jedoch den Einbau an oder die Integration in einem kreisförmigen Mast
zu erleichtern, sind die erste 510 und zweite 520 Hauptwand
der Teilantennen gekrümmt,
so dass die vorher genannte Paralleleigenschaft die Hauptwände zueinander
konzentrisch macht.
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Die
Seitenwände
können
in geeigneter Weise ebenfalls entsprechend gekrümmt werden, um die erste und
zweite Hauptwand miteinander zu verbinden. Die Endwand 530 ist
jedoch nicht gekrümmt sondern
gerade und verbindet die zwei Hauptwände an einem Ende der Kurve.
Weil die vier gekrümmten Antennen 5001 –5004 miteinander um einen kreisförmigen Mast
verbunden sind, können
Endwände
zwischen benachbarten Antennen gemeinsam benutzt bzw. geteilt werden,
so dass beispielsweise die erste Endwand 530 von einer
Antenne 5001 als die zweite Wand
einer benachbarten Antenne 5002 dienen kann.
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Das
vorhergehend genannte zusätzliche Merkmal
der Antenne 500 ist das folgende: Um die Ausdehnungslänge der
Antenne(n) zu verringern, d. h. in dem Beispiel mit gekrümmten Antennen,
um den Umfang zu verringern, umfassen die einzelnen Antennen 5001 –5004 eine an der zweiten Endwand, d. h. in
der Nähe
der Öffnung 505 der
einzelnen Antenne, befestigte dritte Hauptwand 520.
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Die
dritte Hauptwand 525 ist ebenfalls eben und parallel (in
diesem Fall konzentrisch) zu der zweiten Hauptwand 520,
von der sie sich erstreckt. Aufgrund der dritten Hauptwand ist der
Abstand d, der die Betriebswellenlänge λ der Antenne gemäß der Formel λ/4 = d bestimmt,
nun effektiv verdoppelt, weil der in den einzelnen Antennen 5001 –5004 enthaltene Abstand der Abstand von
der zweiten Endwand 540 zur ersten Endwand 530 und
zurück
sein wird.
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Eine
andere Art, dieses auszudrücken,
ist dass der Abstand, der die Betriebswellenlänge der Antenne bestimmt, nun
den Abstand betrifft von einem Punkt auf der zweiten Endwand 540 oberhalb der
dritten Endwand 525 bis zu einem Punkt auf der ersten Endwand 530,
die in einem Punkt auf der zweiten Endwand 540 unterhalb
der dritten Endwand 525 endet.
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6 zeigt
ein anderes Beispiel einer Ausführungsform 600,
die ein in 5 offenbartes Prinzip verwendet:
erste 610 und zweite 620 Hauptwände werden
mit der ersten 630 und zweiten 640 Endwand kombiniert,
um zusammen mit den ersten und zweiten Seitenwänden einen Hohlraum zu bilden
gemäß den im
Zusammenhang mit 1b offenbarten Prinzipien, wobei
der Hohlraum eine Öffnung 605 aufweist.
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Um
den Abstand d, der die Betriebswellenlänge λ der Antenne nach der Gleichung λ/4 = d bestimmt,
auszudehnen, verwendet die Antenne 600 eines der im Zusammenhang
mit 5 offenbarten Prinzipien: Der gehäuseartige
Hohlraum der Antenne 600 umfasst eine Anzahl von Zwischen-
bzw. dazwischen liegenden Wänden 625.
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Das
Beispiel in 6 zeigt drei dazwischen liegenden
Wände,
jedoch kann diese Anzahl unter Benutzung der offenbarten Prinzipien
variiert werden: Die dazwischen liegenden Wände 625 erstrecken sich
parallel zu der ersten und zweiten Hauptwand, die dazwischen liegenden
Wände sind
abwechselnd mit der ersten und zweiten Hauptwand verbunden.
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Jede
dazwischen liegende Wand erstreckt sich von der Seitenwand, mit
der sie verbunden ist, in Richtung zu der anderen Seitenwand, weist
jedoch eine Ausdehnung auf, so dass die dazwischen liegende Wand
nicht die dazwischen liegende Wand erreicht, an der sie nicht befestigt
ist. Auf diese Weise wird ein Labyrinth, mit anderen Worten ein
meanderförmiger
Pfad innerhalb des Hohlraums der Antenne 600 erzeugt. Folglich
wird der Abstand d der Gleichung λ/4
= d vergrößert und
wird zur Gesamtlänge des
meanderförmigen
Pfads.
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1 ist kein Teil der vorliegenden Erfindung,
sondern dient nur erläuternden
Zwecken. Des Weiteren sind die 3, 4a, 4b, 5 und 6 in
ihrer exakten Form keine Teile der Erfindung, sondern werden benutzt,
um bestimmte Teile der Erfindung zu erläutern. Weil jedoch strukturelle Elemente
aus diesen Figuren in der gekrümmten Struktur
gemäß dem Anspruch
1 verwendet und implementiert werden, dienen diese Figuren nicht
nur erläuternden
Zwecken, sondern dienen in ihrer allgemeinen Form auch dazu, zu
veranschaulichen, wie die Patentansprüche 5 bis 7 implementiert werden.