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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Plattenantenne,
welche folgendes enthält:
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Eine Mehrzahl von Antennenelementen, die in einer Reihe
in einer ersten Richtung auf einer Bezugsoberfläche
angeordnet sind, wobei jedes der Antennenelemente ein Zentrum,
eine Breite und eine Länge aufweist, wobei die Längen in
der genannten ersten Richtung und die Breiten senkrecht zu
der genannten ersten Richtung ausgerichtet sind und die
Antennenelemente ein aktives Element, mindestens ein
Reflektorelement und mindestens ein Richtelement uinfassen, und
die Bezugsoberfläche eine erste Oberfläche eines
dielektrischen Bauteils ist, das gegenüberliegend der ersten
Oberfläche eine zweite Oberfläche besitzt, die einen elektrisch
leitfähigen Belag trägt.
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In Anwendungsfällen für Lenkflugkörper (oder einfach
für Raketen) müssen Zündantennen und Verbindungsantennen
oft angepaßt an die im allgemeinen zylindrische Gestalt
eines Flugkörpers montiert werden. Antennen, die sich gut für
eine in der Form angepaßte Montage eignen, erzeugen im
allgemeinen Strahlen mit Hauptstrahlungskeulen, die normal zu
der Rakete (oder in Breitseitenrichtung hierzu) orientiert
sind, während die gewünschte Richtung der
Hauptstrahlungskeulen für die Zünd- und Verbindungsantennen im allgemeinen
nicht normal (oder breitseits) zu der Rakete ist. Die
Hauptstrahlungskeulen der Zündantennencharakteristik sind
somit typischerweise in Vorwärtsrichtung mit Bezug auf die
Rakete ausgerichtet, während die Hauptstrahlungskeulen der
Verbindungsantennencharakteristik im allgemeinen nach
hinten weisen, beispielsweise in einer Strahlrichtung von
annähernd 20º relativ zur Normalen. Um zu einem solchen
Ergebnis zu kommen, sind bekannte Verbindungsantennen im
allgemeinen aus Bauteilen aufgebaut, welche kritische Bereiche
innerhalb der Rakete einnehmen. Die Masse und das Volumen
aller Bauteile innerhalb der Rakete beeinflussen in
kritischer Weise deren Leistungsfähigkeit und jede Verminderung
in Größe und Anzahl der Bauteile ist in hohem Maße
erstrebenswert.
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Es ist in der Technik bekannt, daß
Mikrostreifen-Plattenantennen ein niedriges Profil besitzen und formangepaßt
an eine Rakete hergestellt werden können.
Unglücklicherweise erzeugen die meisten Plattenantennen ein
Antennenstrahlungsbündel normal zu der Apertur der Antenne. Man hat
verschiedene Lösungsversuche gemacht, um die
Antennenstrahlrichtung zu ändern. Vielfach-Plattenantennengruppen wurden
zur Steuerung der Antennenstrahlrichtung eingesetzt. Solche
Gruppen wurden unter Verwendung eines
Streifenleiter-Verteilungsnetzwerks aufgebaut, doch ist ein solches Netzwerk
kompliziert und macht viele Verbindungen erforderlich. Eine
weniger komplizierte Technik ist hier erwünscht.
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Es ist in der Technik auch bekannt, daß parasitäre
Elemente dazu verwendet werden können, die Richtung des
Strahls einer Antenne zu steuern. Beispielsweise verwendet
die wohlbekannte Yagi-Antenne parasitäre Elemente in
Kombination mit mindestens einem aktiven Element, um die
Richtung eines Strahles zu steuern.
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Die EP-A-0 018 878 (entsprechend der US-A-4 384 290)
beschreibt eine Yagi-Antenne, die aus einer Mehrzahl von
Antennenelementen besteht, die in einer Reihe auf einer
Bezugsoberfläche in Gestalt einer Oberfläche einer
dielektrischen Platte angeordnet sind, wobei jedes der
Antennenelemente ein Zentrum, eine Breite und eine Länge aufweist,
wobei die Längen in der ersten Richtung und die Breiten
senkrecht zu der genannten ersten Richtung orientiert sind. Die
Antennenelemente enthalten zwei kollineare aktive Elemente
und zwei kollineare Reflektorelemente, welche unmittelbar
mit einer Bezugs-Erdungsebene verbunden sind, sowie zwei
Richtelemente. Diese Bauteile sind in Form einer gedruckten
Schaltung auf der dielektrischen Platte vorgesehen und sind
streifenartig. Die Platte ist dazu bestimmt, an der Wand
eines Flugzeugs als Teil eines
Freund-/Feind-Identifizierungs- und Abfragesystems befestigt zu werden. Die Bezugs-
Erdungsebene hat die Form eines elektrisch leitfähigen
Belages, der sich über einen Seitenbereich der
Bezugsoberfläche hinter den Reflektorelementen, um den Rand dieser Seite
der dielektrischen Platte und über einen Teil der anderen
Oberfläche der dielektrischen Platte unterhalb der
Reflektorelemente und der aktiven Elemente erstreckt. Der von den
kollinearen aktiven Elementen gebildete Dipol wird über
eine koaxiale Verbindung gespeist, deren Außenleiter an die
Erdungsebene angeschlossen ist und deren Mittelleiter an
ein Element des Dipols angeschlossen ist.
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Eine ähnlich Technik ist für die Verwendung bei
Gruppenantennen mit parasitären Schlitzen bekannt, wie sie in
der Veröffentlichung von R.J. Coe und G. Held, I.E.E.E.
Transactions on Antennas and Propagation, Band Ap-12, Nr.
1, S. 10-16, Januar 1994 beschrieben ist. In solch einer
Gruppe sind ein Reflektorelement und ein Richtelement durch
hohlraum-abgestinunte parasitäre Schlitze gebildet, so daß
bei Anregung eines beaufschlagten Bauteils (eines
Schlitzes) ein Strahl in Richtung des Wellenrichters in der Ebene
der Antennenelemente erzeugt wird. Die Gruppe parasitärer
Schlitze ergibt eine fluchtend montierbare Antenne, die für
einen Anwendungsfall geeignet ist, in welchem kein
Vorsprung oberhalb einer glatten Oberfläche gewünscht wird.
Wie jedoch zuvor angemerkt, erfordert eine Zündantenne oder
Verbindungantenne im allgemeinen eine
Antennenstrahlrichtung annähernd 20º von der Normalen oder der
Breitseitrichtung der Antennenöffnung abliegend, so daß eine Gruppe oder
Reihe parasitärer Schlitze kaum in einer Rakete eingesetzt
wird.
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Die US-A-3713162 beschreibt eine dünne, flexibel rundum
gewickelte Antennenanordnung für eine Rakete. Die Anordnung
enthält einen inneren zylindrischen dünnen Leiter, der
bündig auf der Gehäusehaut der Rakete angebracht werden kann,
sowie einen kürzeren, konzentrisch positionierten äußeren
zylindrischen dünnen Leiter mit einer axialen Länge, welche
ein Viertel der Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz ist.
Eine zylindrische Dielektrikumschicht befindet sich über
dem inneren Leiter und füllt den Raum zwischen dem inneren
Leiter und dem äußeren Leiter. Ein Ende des äußeren Leiters
befindet sich an einem Ende des inneren Leiters und diese
beiden Enden sind durch Lötung elektrisch kurzgeschlossen.
Der koaxiale Viertelwellenlängenhohlraum, der auf diese
Weise gebildet ist, wird durch ein Signal angeregt, das vom
Inneren der Rakete durch ein Koaxial-Kabel zugeführt wird,
dessen Innenleiter an den Leiter eines
Kombinationsnetzwerks für Mehrfachspeisung und Impedanzanpassung
angeschlossen ist, welches von der freiliegenden Oberfläche der
dielektrischen Schicht getragen wird und den Innenleiter
des Koaxial-Kabels mit dem zylindrischen Außenleiter der
Antennenanordnung verbindet. Die Antennenanordnung wird
beispielsweise mit 2,2 Ghz betrieben und erzeugt ein
Strahlungsmuster entsprechend einer Wälzkurve um die
Raketenachse mit tiefen Nullstellen oder Einkerbungen unmittelbar
in Vorwärtsrichtung und in Rückwärtsrichtung relativ zu der
Rakete.
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Die DE-A-2138384 beschreibt eine gedruckte
Yagi-Antenne, bei der eine rechteckige Platte aus dielektrischem
Material eine Yagi-Gruppenanordnung gedruckter Leiter trägt,
welche einen gefalteten Dipol als aktives Element und ein
Reflektorelement auf einer Fläche und einen
Bezugsebenenbelag auf der anderen Fläche aufweist. Die Bezugsebene
bedeckt einen rechteckigen Bereich der Unterseite der Platte,
der von einem kürzeren Rand der Platte bis zu einer Stelle
unterhalb des Reflektorelementes reicht. Die Yagi-Gruppe
befindet sich auf der Oberseite in einem Bereich, der von
der Position des Reflektorelementes zum anderen kurzen Rand
der Platte reicht, so daß sich kein Leitermaterial unter
den Dipol- und Richtelementen befindet. Die gedruckten
Leiter, welche die Bauteile der Yagi-Gruppe bilden, haben
vernachlässigbare Breite.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Antenne
derart, wie sie oben eingangs definiert wurde dadurch
gekennzeichnet, daß das aktive Element ein rechteckiges Platten-
strahlerelement ist, das eine Länge und eine Breite
zwischen 0,3 und 0,5 einer Wellenlänge eines von ihm
abzustrahlenden Hochfrequenzenergiestrahles ist, daß das
Reflektorelement eine Breite von annähernd 0,494 der
Wellenlänge, eine Wellenlänge von annähernd 0,304 der Wellenlänge
und einen Abstand seines Zentrums von annähernd 0,570 der
Wellenlänge hat, daß das genannte Richtelement eine Breite
von annähernd 0,266 der Wellenlänge, eine Länge von
annähernd 0,114 der Wellenlänge und einen Abstand seines
Zentrums von dem Zentrum des Plattenstrahlerelementes von
annähernd 0,456 der Wellenlänge hat, und daß der elektrisch
leitfähige Belag sich unterhalb sämtlicher Antennenelemente
erstreckt, derart, daß im Betrieb der genannte
Hochfrequenzenergiestrahl in einer Richtung schräg zu der
Bezugsoberfläche unter einem Winkel von annähernd 20º zu einer
Normalen der Bezugsoberfläche abgestrahlt wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ergibt eine verbesserte Antenne, welche einen Strahl
mit einer Hauptstrahlungskeule aufweist, die annähernd 20º
gegenüber einer Normalen relativ zur Rakete geneigt ist,
während die Eigenschaften einer geringen Bauhöhe und eines
geringen Volumens beibehalten werden und wobei eine leichte
Anpaßbarkeit bezüglich einer bündigen Anbringung an einer
Rakete gegeben ist.
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Die bevorzugte Ausführungsform hat die Gestalt einer
Mikrostreifen-Plattenantenne mit parasitären Elementen,
welche bündig an der Seite einer Rakete angebracht sind, um
eine Antennencharakteristik mit einer Hauptstrahlungskeule
zu erhalten, die annähernd 20º gegenüber der Normalen zu
der Rakete orientiert ist, wobei diese Antenne eine
gespeiste Plattenantenne, ein Reflektorelement und zwei
Richtelemente in Kombination mit geeigneten Verbindungselementen
enthält, wobei die Reflektor-und Richtelemente parasitäre
Elemente sind.
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Der Erfindung sei nun beispielsweise unter Bezugnahme
auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
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Fig. 1 eine Skizze ist, welche allgemein die in
Betracht gezogene Anordnung einer Mikrostreifenantenne in
einer Ausführungsform der Erfindung und die Ausrichtung der
Antennenstrahlen zeigt;
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Fig. 2 eine perspektivisch gezeichnete, aus Gründen der
Deutlichkeit der Darstellung teilweise aufgeschnitten
wiedergegebene Ansicht einer Mikrostreifenantenne entsprechend
der Erfindung ist; und
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Fig. 3 eine Aufsicht auf die Mikrostreifenantenne von
Fig. 2 zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Es sei nun auf Fig. 1 Bezug genommen. Hier ist eine
Rakete 10, vorliegend ein halbaktiver Flugkörper, gezeigt,
der eine Zündantenne 12 und eine Verbindungantenne 16
enthält. Es ist in der Technik wohlbekannt, daß die
Hauptstrahlungskeule des Antennenstrahls von der Zündantenne 12
typischerweise von einer Normalen zu der Rakete 10 aus nach
vorwärts weisen muß, wie durch den Strahl 14 deutlich
gemacht ist, da irgendein Zielobjekt (nicht dargestellt) von
der Rakete 10 aus voraus auftreten würde. Im Gegensatz
hierzu muß die Hauptstrahlungskeule einer
Verbindungsantenne
16 typischerweise von einer Normalen aus nach rückwärts
weisen, wie durch den Strahl 18 deutlich gemacht ist, da
Signale zur Verbindungsantenne 16 hin oder von ihr weg von
einer nicht dargestellten Station kommen oder dorthin
gerichtet sind, die hinter der Rakete 10 gelegen ist.
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Bezugnehmend nunmehr auf Fig. 2 erkennt man, daß hier
eine Mikrostreifenantenne 100 der vorliegend betrachteten
Art gezeigt ist, welche Antennenelemente 30, 32, 34 und 36
enhält, die auf einer Platte 28 angeordnet sind, welche aus
einem dielektrischen Material hergestellt ist. Ein
derartiges dielektrisches Material kann beispielsweise der
Werkstoff sein, der unter dem Namen "Duroid" bekannt ist, oder
ein anderes Tetrafluoräthylen-Fiberglas-Material. Die
Antennenelemente 30, 32, 34 und 36 werden gebildet, indem ein
elektrisches Leitermaterial (vorliegend Kupfer) in einer
gebräuchlichen Weise auf der Platte 28, wie dargestellt,
abgelagert wird. Die zweite Seite der Platte 28 ist mit
einem elektrisch leitfähigen Belag überdeckt, um eine
metallische Erdungsebene 26 zu erzeugen. Die Antennenelemente
30, 32, 34 und 36 sind in einer Reihe angeordnet, wobei ein
gespeistes Element (hier auch als "Plattenteil 30"
bezeichnet) vorliegend das zweite Antennenelement von rechts ist.
Man kann beobachten, daß das Plattenelement 30, wenn es aus
sich selbst betätigt ist, in der Weise wirksam ist, daß es
einen Strahl aufgrund einer Streuung von Feldern rund um
den Rand dieser Platte bildet und daß die
Hauptstrahlungskeule dieses Strahles breitseits zu dieser Platte
orientiert ist. Weiter erkennt man, daß das Plattenelement 30,
wenn es an eine Einspeisung angepaßt ist, wirkungsmäßig
einem Resonanzhohlraum gleichwertig ist. Ein Kurzschlußstift
38 in elektrischem Kontakt mit der Mitte des
Plattenelements 30 reicht durch die Platte oder Tafel 28, um an der
Erdungsebene 26 befestigt zu werden. Der Kurzschlußstift 28
hat keinen Einfluß auf die Strahlung oder die Impedanz der
zu beschreibenden Antenne, sondern bietet nur einen
Niederfrequenzweg zwischen dem Plattenelement 30 und der
Erdungsebene 36. Das Plattenelement 30 wird vorliegend durch
eine Koaxialleitung 20 gespeist, die an die Erdungsebene 26
angeschlossen ist. Demgemäß ist ein Außenmantel 24 der
Koaxialleitung 20 auf irgendeine bekannte Art und Weise an die
Erdungsebene 26 gelegt. Ein Mittelleiter 22 der
Koaxialleitung 20 ist auf irgendeine bekannte Art an das
Plattenelement 30 angeschlossen. Obwohl die Lage des
Verbindungspunktes zwischen dem Plattenelement 30 und dem Mittelleiter 22
die Resonanzfrequenz nicht beeinflußt, hat diese Lage wohl
Einfluß auf die Eingangsimpedanz der zu beschreibenden
Antenne, weshalb darauf zu achten ist, daß eine richtige
Impedanzanpassung an die Impedanz der Koaxialleitung 20
erreicht wird. Ein Reflektorelement 32, ein erstes
Richtelement 34 und ein zweites Richtelement 37 stellen die
parasitären Elemente der Mikrostreifenantenne 100 dar. Die
parasitären Elemente sind hier in der Weise wirksam, daß sie in
der gewünschten Weise eine Änderung der Richtung der
Hauptstrahlungskeule in der von dem Plattenelement 30
abgestrahlten Charakteristik bewirken.
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Parasitäre Elemente sind inaktive Elemente, was
bedeutet, daß sie nicht mit einem Signal gespeist oder
beaufschlagt werden und diese Elemente sind an der Frontseite
der Mikrostreifenantenne 100 in enger Nachbarschaft zu dem
Plattenelement 30 angeordnet. Der Vorteil dieser Lösung
besteht darin, daß die Richtung der Hauptstrahlungskeule in
dem Strahl ohne den Nachteil einer Strahlverengung geändert
werden kann, welche mit Antennenspeisenetzwerken verbunden
ist. Durch Variieren der Länge, der Breite, der Lage und
der Zahl der parasitären Elemente wird die Richtung der
Hauptstrahlungskeule von der Normalen weg in der
gewünschten Weise geändert. Es sind zwei Arten von parasitären
Elementen vorgesehen, nämlich ein Richtelement und ein
Reflektorelement. Die Länge des parasitären Elementes relativ zu
dem schmalen Rand des Plattenelements 30 bestimmt die Art
des betreffenden Elementes, wobei kürzere Elemente als
Wellenrichter dienen, während längere Elemente als Reflektoren
wirken. Das Element 32, vorliegend ein parasitäres Element,
das als Reflektor wirkt, verschiebt den (nicht
dargestellten) Strahl von dem parasitären Element weg. Die Elemente
34 bzw. 36, welche vorliegend parasitäre Elemente der
Wellenrichterart sind, verschieben den (nicht dargestellten)
Strahl in der Richtung der parasitären Elemente. Das
Vorhandensein der parasitären Elemente beeinflußt die
Impedanzanpassung des Plattenelementes 30. Eine resultierende
Fehlanpassung der Impedanz kann durch Wiederabstimmung des
Plattenelements 30 mit den vorhandenen parasitären
Elementen kompensiert werden. Dies erreicht man leicht entweder
durch Verändern der Dimensionen des Plattenelementes 30
oder durch Einstellung der Lage des Einspeisungspunktes. In
Verbindung mit der letztgenannten Methode der Einstellung
sei bemerkt, daß der Einspeisungspunkt, d.h. der Punkt an
welchem der Mittelleiter 22 an dem Plattenelement 30
befestigt ist, auf der Mittellinie des Plattenelementes 30
liegt. Wie man auch immer den Einspeisungspunkt einstellt,
so sollte der Befestigungspunkt doch auf dieser Mittellinie
verbleiben.
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Ein hohen thermischen Schutz gewährendes Fenster 50
(nachfolgend auch als "Fenster 50" bezeichnet) ist an der
Rakete 10 montiert und überdeckt die Platte 28 und die
Antennenelemente 30, 32, 34 und 36, wenn die
Mikrostreifenantenne 100 an der Rakete 10 (Fig. 1) befestigt ist. Das
Fenster 50 ist vorliegend ein keramisches, starres, mit Fasern
versetztes Isolationsmaterial, welches unter der
Bezeichnung "HTP 12-22" bekannt und von der Firma Lockheed
Missiles and Space Company, Inc., Sunnyvale, Californien,
entwickelt worden ist. HTP 12-22 zeigt gute
Widerstandsfähigkeit gegen thermischen Schock, niedrige Wärmeleitfähigkeit,
gute Festigkeit und niedrige Dielektrizitätskonstante für
die Verwendung als Fenster 50. Das Fenster 50 schützt die
Mikrostreifenantenne 100 vor einer rauhen Umgebung, welche
wirksam ist, während sich die Rakete 10 (Fig. 1) im Flug
befindet. Für einen weiteren Schutz kann das Fenster 50 mit
einer Silan-Polymer-Lösung behandelt werden, um die
Feuchtigkeitsdichte zu verbessern, sowie mit einem äußeren
reaktionsgehärteten Belag auf Glasbasis versehen werden, um
eine erhöhte Oberflächenzähigkeit und Widerstandsfähigkeit
gegen Rißausbreitung zu erhalten.
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Nun sei auf Fig. 3 Bezug genommen. Hier ist eine
Aufsicht auf die Mikrostreifenantenne 100 gezeigt. Man
erkennt, daß das Plattenelement 30 eine Breite C und eine
Länge D aufweist. Das Plattenelement 30 ist so konstruiert,
daß die Breite C gleich 0,380 L in Wellenlängen L
ausgedrückt ist und daß die Länge D gleich 0,494 L ist. Das
Reflektorelement 32 hat eine Breite A und eine Länge B. Das
Reflektorelement 32 ist so gebaut, daß die Breite A gleich
0,494 L und die Länge B gleich 0,304 L beträgt. Es sei
bemerkt, daß die Mitte des Reflektorelementes 32 von der
Mitte des Plattenelementes 30 durch einen Abstand H
getrennt ist, welcher gleich 0,570L ist. Die
Mikrostreifenantenne 100 enthält außerdem das Richtelement 34 und das
Richtelement 36. Das Richtelement 34 hat eine Breite F und
eine Länge G. Das Richtelement 34 ist so konstruiert, daß
die Breite F 0,266 L gleich ist und die Länge G gleich
0,114 L ist. Die Mitte des Richtelementes 34 ist von der
Mitte des Plattenelementes 30 durch den Abstand I getrennt,
welcher 0,456 L beträgt. Das Richtelement 36 hat eine
Breite F' und eine Länge G'. Das Richtelement 36 ist so gebaut,
daß die Breite F' gleich 0,266 L ist und die Länge G' 0,114
L beträgt. Die Mitte des Richtelementes 34 ist von der
Mitte des Richtelementes 36 durch den Abstand J getrennt,
welcher gleich 0,228 L ist.
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Nach der Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist es
für den Fachmann nun ersichtlich, daß die Zahl und
Anordnung der parasitären Elemente geändert werden kann, ohne
daß dies Einfluß auf die vorliegende Erfindung hat.
Beispielsweise kann die Zahl der Richtelemente auf eins oder
drei vermindert bzw. erhöht werden, um auf diese Weise
weiter
die gewünschte Strahlrichtung zu steuern. Aus diesem
Grunde ist die vorliegende Erfindung offenbar nicht auf das
angegebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern findet
ihre Grenze nur durch die Gedanken und den Umfang der
anliegenden Ansprüche.