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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft eine Strahlerfeldanordnung bzw. Array-Antennenanordnung,
die geeignet ist zur Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungen
einschließlich
Flugzeugen und künstlichen Satelliten.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Beim
Durchführen
einer Strahlabtastung, bei der ein Hauptteil einer Antennenanordnung
fest ist, werden, obwohl die Strahlabtastungsfunktion zum Abdecken
eines großen
Bereichs in Antenneneinrichtungen wie z. B. in Radar- und Kommunikationsanwendungen
mit hoher Geschwindigkeit erforderlich ist, Strahlerfelder verwendet,
die allgemein die Erregungsphase zweier oder mehrer Antennenelemente ändern.
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Eine
konventionelle Strahlerfeldanordnung ist unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. 9 zeigt
Elemente der konventionellen Strahlerfeldanordnung für eine Radaranwendung,
die eine Erregungsphase ändert
durch Ausrüsten
der Antennenelemente mit einem Phasenschieber. Die Verteilungskompositionseinrichtung 10 führt eine
n-Distribution (n
ist eine ganze Zahl) eines von einer Sendeeinrichtung (nicht dargestellt)
zugeführten
Signals zu einer Zeit des Sendens aus und liefert es jeweils zu
den Phasenschiebern 21-1, 21-2, ..., 21-n.
Die Einrichtung 10 kombiniert auch die empfangenen Signale, die
von Phasenschiebern 21-1, 21-2, ..., 21-n zur
Zeit des Empfangs zugeführt
werden und gibt das kombinierte Ergebnis an einen Empfänger (nicht
dargestellt).
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Phasenschieber 21-1, 21-2,
..., 21-n führen Phasensteuerung
durch für
einen Antennenstrahl und sie steuern die Phase des Sendesignals,
das der Verteilungskompositionseinrichtung 10 zugeführt wird
zur Zeit des Sendens entsprechend dem Wert einen Phasenverschiebungssteuersignals
von einer Steuereinrichtung 40, die nachstehend genauer
beschrieben wird und führt
das Sendesignal jeweils zu den Antennenelementen 31-1, 31-2 ..., 31-n zum Senden.
Phasenschieber 21-1, 21-2, ..., 21-n steuern auch
die Phase der Empfangssignale, die von den Antennenelementen 31-n zur
Zeit des Empfangs jeweils zugeführt
werden und führt
sie der Verteilungskompositionseinrichtung 10 zu.
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Während die
Antennenelemente 31-1, 31-2 ..., 31-n das
Sendesignal, für
das durch die Phasenschieber 21-1, 21-2, ..., 21-n Phasensteuerung
ausgeführt
worden ist, in den Raum senden, können sie auch das Radarecho
von einem beobachteten Objekt empfangen und es den Phasenschiebern 21-1, 21-2, ..., 21-n als
Empfangssignal jeweils zuführen.
Die Steuereinrichtung 40 generiert das Phasenverschiebungssteuersignal
in Übereinstimmung
mit einem Steuersignal, das an die Phasenschieber 21-1, 21-2, ..., 21n ausgegeben
worden ist und steuert die Phasenverschiebung.
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Die
konventionelle Strahlerfeldanordnung verteilt das Sendesignal mit
Hilfe der Verteilungskompositionseinrichtung 10 zur Zeit
des Sendens und führt
Strahlabtastung der Zielrichtung durch Durchführen von fernerer Phasensteuerung
an den Phasenschiebern 21-1, 21-2, ..., 21-n durch.
Nachdem die Antennenelementen 31-1, 31-2 ..., 31-n das Radarecho
von einem beobachteten Objekt zur Zeit des Empfangs empfangen und
Phasensteuerung mit Hilfe der Phasenschieber 21-1, 21-2,
..., 21-n durchführen,
werden die empfangenen Signale durch die Verteilungskompositionseinrichtung 10 kombiniert zum
Erhalten des empfangenen Signals.
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In
bezug auf konventionelle Strahlerfeldanordnungen mit n Antennenelementen
und Phasenschiebern gab es jedoch, da viele Phasenschieber und zugeordnete
Steuereinrichtungen benötigt
wurden, ein Problem, dass das System kompliziert war und es schwierig
war, einen miniaturisierten und leichgewichtigen Aufbau der konventionellen
Strahlerfeldanordnung bereitzustellen.
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Es
gibt auch eine konventionelle Strahlerfeldanordnung, die keinen
Phasenschieber verwendet. In einer solchen Strahlerfeldanordnung
wird eine Erregerphase geändert
durch Ändern
der Frequenz eines Sendesignals.
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Ein
Beispiel einer solchen Anordnung ist in 10 gezeigt.
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Die
Strahlerfeldanordnung, die in 10 im allgemeinen
dargestellt ist, schließt
patch-artige bzw. streifenleitungsartige Antennenelemente ein, die
auf einer Oberfläche
eines Substrates 50 verteilt sind. Die Antennenelemente
sind in Serie verbunden zum Empfangen einer Elektrosignalenergiezufuhr über eine
Elektrozufuhrspur 70, wobei die Signale an einem Ende der
Spur 70 zugeführt
werden. Einem Element des derart verbundenen Feldes werden Signale einer
frequenzvariablen Einrichtung 80 zugeführt.
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Das
heißt,
die Phasenabstimmung in jedem der Antennenelemente 61-1, 61-2,
..., 61-n wird gesteuert durch die frequenzvariable Einrichtung 80 und
wird vorgenommen zum Ausbilden eines Strahls in Zielrichtung durch Ändern der
Frequenz eines Sendesignals. Jedoch, weil es Beschränkungen
der zulässigen
Frequenzbänder
gibt, die für
Antennenelemente 61-1, 61-2, ..., 61-n bei
konventionellen Strahlerfeldanordnungen, die oben beschrieben worden
sind, verwendet werden können,
gibt es ein Problem, dass ein Strahlinklinationswinkel bzw. Neigungswinkel
nicht wahlweise ausgewählt
werden könnte
durch Ändern
der Frequenz des Sendesignals.
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Zudem
war es schwierig, externe Wellenformen zu unterdrücken und
zu rechtwinkeliger Polarisation zu wechseln. Die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Anspruches 1 sind aus US-A-5 189 433 bekannt.
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RESÜMME DER
ERFINDUNG
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile konventioneller
Systeme zu vermeiden. In Übereinstimmung
mit der Erfindung wird eine Strahlerfeldanordnung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 bereitgestellt. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt
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1 eine
erste Strahlerfeldanordnung, die nicht zur Erfindung gehört;
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2 ein
Strahlungsmuster eines Strahlerfeldes der Antennenanordnung der
ersten Anordnung;
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3 eine
zweite Strahlerfeldanordnung, die nicht zur Erfindung gehört;
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4 ein
Beispiel einer Einstellung des Strahlabtastbereiches jedes Strahlerfeldes
der zweiten Anordnung;
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5 eine
Strahlerfeldanordnung, die nicht zur Erfindung gehört;
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6 ein
Strahlungsmuster vor der Antennenänderungssteuerung in der dritten
Anordnung;
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7 ein
Strahlungsmuster nach der Antennenänderungssteuerung in der dritten
Anordnung;
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8 eine
Strahlerfeldanordnung in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung;
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9 eine
konventionelle Strahlerfeldanordnung unter Verwendung von Phasenschiebern;
und
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10 eine
konventionelle Strahlerfeldanordnung unter Verwendung einer frequenzvariablen Einrichtung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Antennensysteme
und eine Ausführungsform
der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben.
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1 zeigt
eine Strahlerfeldanordnung, die nicht zur Erfindung gehört und ist
eingerichtet zur Verwendung in einer Radaranwendung.
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Die
Strahlerfeldanordnung der 1 umfasst
einen Steuerteil 100 und einen Antennenteil 200.
Der Steuerteil 100 schließt eine Schaltschaltung 110 ein.
Der Antennenteil 200 schließt Strahlerfelder 241–244 ein,
an die die Schaltschaltung 110 angeschlossen ist. Die Schaltschaltung 110 ist
gekoppelt zum Empfangen eines Sendesignals und eines Schaltänderungssignals,
das von einer Sendeeinrichtung (nicht dargestellt) zugeführt wird.
Als Reaktion gibt die Schaltschaltung 110 wechselweise
in Übereinstimmung
mit dem Schaltänderungssignal ein
Sendesignal an das Strahlerfeld 241–244 ab.
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Jedes
der Strahlerfelder 241–244 umfasst zwei
oder mehr Antennenelemente A, die auf der Oberfläche eines Substrates 210 verteilt
sind. Jedes Antennenelement A ist eine Patch-Antenne, die einen diskret beschränkten Bereich
einnimmt mit einer vorbestimmten Form, z. B. einem Viereck. Jedes
Antennenelement A ist aus einem Dielektrikum und das Substrat ist
ein Isolationsmaterial. Demnach bilden die Antennenelemente A, die
als das Strahlerfeld 241–244 auf dem Substrat 210 angeordnet
sind, den Antennenteil 200.
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Während Antennenelemente
A ein Sendesignal in den Raum abstrahlen, wird das Radarecho von
einem beobachteten Objekt durch das Antennenelement A empfangen.
Elektrische Signalenergie wird jedem Antennenelement durch vier
Elektroversorgungsspuren 231–234 zugeführt, die
das Antennenelement A jedes Feldes in Serie verbinden, hierdurch
die vier Gruppen von Strahlerfeldern 241–244 bildend.
Die Enden der Elektroversorgungsspuren 231–234 sind
mit der Schaltschaltung 110 des Steuerteils 100 verbunden
zum Empfangen elektrischer Energie.
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Darüber hinaus
gibt es, obwohl die Strahlerfelder 241–244 jeweils einen
Strahl derselben Form bilden, wie in 2 gezeigt,
eine unterschiedliche Elektroversorgungsspurlänge zwischen den Antennenelementen
A jedes Strahlerfelds, die in einem Strahl mit einem Neigungswinkel
resultiert, welcher sich mit der Spurlänge zwischen den Elementen ändert.
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Nachstehend
wird der Betrieb der Strahlerfeldanordnung der ersten Anordnung
erläutert.
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Das
Sendesignal von einer Sendeeinrichtung wird einem der Strahlerfelder 241–244 zugeführt, die
von der Schaltschaltung 110 in Übereinstimmung mit dem Schaltänderungssignal ausgewählt ist und
wird von jedem Antennenelement A in den Raum ausgestrahlt. Da der
Strahlneigungswinkel jedes der Strahlerfelder sich voneinander unterscheidet,
wird, wenn eine Auswahl der Strahlerfelder 241–244 umgeschaltet
wird, der Strahl alternativ ausgebildet in einer Unterschiedlichen
von vier Richtungen.
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Aus
einem Radarecho von einem beobachteten Objekt generiertes Empfangssignal
wird auf umgekehrte Weise verarbeitet zu der oben für ein Sendesignal
beschriebenen.
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Demnach
kann gemäß der ersten
Strahlerfeldanordnung ein Strahl alternativ in vier unterschiedlichen
Richtungen ausgebildet werden ohne Phasenschieber zu verwenden.
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Als
Nächstes
wird eine nicht zu dieser Erfindung gehörende zweite Strahlerfeldanordnung
unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, die jedoch die Merkmale
des Anspruches 2 beschreibt. In 3 sind Elemente,
die mit denen in 1 übereinstimmen, durch dieselben
Bezugszeichen gekennzeichnet und es wird nur eine Erläuterung
der unterschiedlichen Merkmale in 3 bereitgestellt.
Die Strahlerfeldanordnung der 3 umfasst
ein Steuerteil 101 und einen Antennenteil 200,
wobei sich die Anordnung der 3 von der
der 1 im Einschließen der frequenzvariablen Einrichtung 120 im
Steuerteil 101 unterscheidet. Die Frequenz des Sendesignals von
einer Sendeeinrichtung (nicht dargestellt) wird wahlweise geändert und
die frequenzvariable Einrichtung 120 gib das Sendesignal
an die Schaltschaltung 110 aus.
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Nachstehend
wird der Betrieb der zweiten Strahlerfeldanordnung erläutert.
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Die
Frequenz wird gesteuert durch die frequenzvariable Einrichtung 120.
Das Sendesignal von der Sendeeinrichtung (nicht dargestellt) wird über die Einrichtung 120 dem
Strahlerfeld zugeführt,
das durch die Schaltschaltung 110 ausgewählt ist
und wird in den Raum von jedem Antennenelement A des ausgewählten Strahlerfeldes
abgesandt.
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Ein Ändern der
Frequenz des Sendesignals, das auf das Antennenelement A des Strahlerfeldes einwirkt,
hat die Wirkung des Änderns
der Phase des Signals und demnach des Änderns der Richtung des gebildeten
Strahls, demnach gibt es eine Entsprechung zwischen Frequenz und
Phase.
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Hier,
wenn das Strahlerfeld 241 gewählt ist, wird beispielsweise
die Frequenz geändert
und ein Sendesignal wird zugeführt,
da die Phase des Sendesignals in jedem Antennenelement A des Strahlerfeldes 241 sich ändert, wird
sich ein Strahlneigungswinkel ändern
und als ein Ergebnis wird eine Strahlabtastung durchgeführt.
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In
bezug auf Empfangssignalgenerierung von dem Radarecho von einem
beobachteten Objekt ist die Betriebsablaufsreihenfolge entgegengesetzt zu
der beim Senden ausgeführten.
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Demnach
kann mit der zweiten Strahlerfeldanordnung ein Strahl abgetastet
werden innerhalb der Grenzen der Strahlerfelder 241–244 und
die variable Steuerung der Frequenz eines Sendesignals kann mit
der frequenzvariablen Einrichtung 120 ausgeführt werden.
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Auch
kann ein Strahl alternativ in vier Richtungen abgetastet werden
durch Ändern
der oben erwähnten
Schaltschaltung 110. Demnach kann gemäß der zweiten Strahlerfeldanordnung
die Strahlabtastung von zwei oder mehr Bereichen ohne die Verwendung
von Phasenschiebern ausgeführt
werden.
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Auch,
wenn die Abtastbereiche der jeweiligen Antennen 241–244 eingerichtet
sind zum Bereitstellen eines kontinuierlichen Bereichs, der zusammengenommen
wird wie in 4 gezeigt, kann die Gesamtstrahlabtastung
den Bereich von Strahlabtastungen jedes Strahlerfeldes 241–244 einschließen, wenn
in kontinuierlicher Folge ausgeführt.
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Als
Nächstes
wird ein drittes, nicht zur Erfindung gehöriges Strahlerfeld unter Bezugnahme
auf 5 beschrieben, das jedoch das Merkmal des Anspruches
3 beschreibt.
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In 5 sind
dieselben Elemente wie in 1 mit denselben
Bezugszeichen gekennzeichnet und eine Erläuterung wird nur bezüglich der
in 5 unterschiedlichen Merkmale bereitgestellt. Die
Merkmale der dritten Strahlerfeldanordnung schließen den
Steuerteil 100 einschließlich einer Schaltschaltung 110 ein
und einen Antennenteils 210 einschließlich Strahlerfeldern 261–264.
Wie in dem Fall der ersten Anordnung sind die Elemente jedes der
Strahlerfelder 261–264 des
Antennenteils 201 untereinander verbunden, so dass elektrische
Signalenergie seriell zugeführt
werden kann auf Elektrozufuhrspuren 251–254 zu den auf dem
Substrat 210 verteilten Antennenelementen A.
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Jedoch
ist die Elektrozufuhrspur zwischen den Antennenelementen A jeweils
anders und das Strahlerfeld 261 und das Strahlerfeld 262 sind
derart angeordnet, dass ein unterschiedlicher Nullpunkt durch jede
Antenne ausgebildet wird, obwohl ein Hauptstrahl derselben Form
einschließlich
desselben Neigungswinkels von jeder der Antennen 261 und 262 geformt
wird, wie in 6 und 7 gezeigt.
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In ähnlicher
Weise sind Antennenelemente A des Strahlerfeldes 263 und
des Strahlerfeldes 264 derart angeordnet, dass jede Antenne
einen unterschiedlichen Nullpunkt bildet, obwohl der Hauptstrahl derselben
Form einschließlich
desselben Neigungswinkels ausgebildet wird durch jede der Antennen 263 und 264.
Jedoch sind die Strahlerfelder 261, 262 und die
Strahlerfelder 263, 264 jeweils so ausgerichtet,
dass der Hauptstrahl mit unterschiedlichen Neigungswinkeln ausgebildet
ist.
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Nachstehend
wird der Betrieb der dritten Strahlerfeldanordnung erläutert.
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Das
Sendesignal von einer Sendeeinrichtung (nicht dargestellt) wird
einem Strahlerfeld zugeführt,
das von der Schaltschaltung 110 entsprechend dem Schaltänderungssignal
ausgewählt
ist. Als ein Ergebnis wird das Sendesignal von dem Strahlerfeld abgegeben,
das von dem Schaltänderungssignal ausgewählt ist
und ein Hauptstrahl wird gebildet mit einem Neigungswinkel, der
im Voraus hierdurch eingestellt ist. Wenn das Strahlerfeld 261 und
das Strahlerfeld 263 aus diesem Grund wechselweise geschaltet
werden, kann ein Strahl in zwei Richtungen ausgebildet werden.
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Um
von einem Radarecho oder von einem beobachteten Objekt ein Empfangssignal
zu generieren, ist die Verarbeitungsreihenfolge entgegengesetzt
zu der zum Senden ausgeführten.
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Hier,
wenn ein Radarecho empfangen worden ist, beispielsweise unter Verwendung
eines Strahlerfeldes 261, und eine unnötige Elektrowelle auftritt,
schaltet die Einrichtung an einer Seitenkeule des Antennenfeldes 261,
wie in 6 gezeigt, zu dem Strahlerfeld 267 mit
Hilfe der Schaltschaltung 110. Hierbei, wie in 7 gezeigt,
wird kaum die unnötige
elektrische Welle empfangen, weil die Größe der unnötigen Welle durch den Nullpunkt
der Antenne 262 reduziert ist.
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Daher
kann gemäß der dritten
Strahlerfeldanordnung ohne die Verwendung von Phasenschiebern ein
Strahl in zwei unterschiedlichen Richtungen ausgebildet werden.
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Auch
wenn aus einer Seitenkeulenrichtung der ausgewählten Strahlerfeldanordnung
eine unnötige
elektrische Welle auftritt, kann der Empfang der unnötigen elektrischen
Welle durch Umschalten zu dem Strahlerfeld mit demselben Neigungswinkel
auf seinem Hauptstrahl und einem Nullpunkt, der sich in der Position
unterscheidet, reduziert werden.
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Zudem
wird in der dritten Anordnung, wenn sie modifiziert ist, um ein
Sendesignal an die Schaltschaltung 110 durch die frequenzvariable
Einrichtung 120 der zweiten Einrichtung auszugeben, ein
Strahlabtasten mit einer Reduzierung unnötigen Elektrowellenempfangs
erzielt werden durch Frequenzsteuerung des Sendesignals.
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Zudem,
wenn sie veranlasst wird, den Strahlabtastungsbereich jedes Strahlerfeldes
fortzusetzen, kann sie quer breit abtasten und ein Strahl kann kontinuierlich
abgetastet werden.
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Als
Nächstes
wird eine Strahlerfeldanordnung einer Ausführungsform der Erfindung gemäß 8 beschrieben.
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In 8 sind
Elemente, die die Gleichen sind wie in 1, durch
dieselben Bezugszeichen identifiziert und eine Erläuterung
wird nur bezüglich der
unterschiedlichen Merkmale der 8 bereitgestellt.
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Die
Merkmale der Strahlerfeldanordnung der Ausführungsform der Erfindung schließen den
Steuerteil 100 einschließlich der Schaltschaltung 110 ein und
einen Antennenteil 202 einschließlich Strahlerfeldern 281–284.
Die Elemente des Strahlerfeldes 281 und des Strahlerfeldes 283 des
Antennenteils 202 sind derart miteinander verbunden, dass
elektrische Signalenergie seriell zugeführt werden kann auf einer Elektrozufuhrspur 271 und
einer Elektrozufuhrspur 273 zu Antennenelementen A, die
auf dem Substrat 210 verteilt sind wie in der ersten Anordnung.
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Die
Elemente des Strahlerfeldes 282 und des Strahlerfeldes 284 sind
parallel verbunden, um elektrische Signalenergie zu empfangen und
sind derart eingerichtet, dass elektrische Signalenergie zugeführt werden
kann aus einer Richtung, die rechtwinklig zu der Richtung der serienverbundenen
elektrischen Energiezufuhr ist. Die Antennenelemente A der Strahlerfelder 282, 284 sind
jeweils auf dem Substrat 210 auf der Elektrozufuhrspur 272 bzw.
der Elektrozufuhrspur 274 verteilt. Auch sind das Strahlerfeld 281 und
das Strahlerfeld 282 derart eingestellt, dass die Strahlen
durch deren Polarisationen auf demselben Inklinationsquatrat ausgebildet
sind während
des Generierens von Polarisationen, die sich gegenseitig senkrecht
schneiden bedingt durch die oben beschriebenen Elektrozufuhrverbindungen zu
den Antennen.
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Das
Strahlerfeld 283 und das Strahlerfeld 284 sind
im selben Verhältnis
eingestellt wie für
die Antennen 281, 282 beschrieben. Jedoch sind
die Gruppe der Strahlerfelder 281, 282 und die
Gruppe der Strahlerfelder 283, 284 so eingestellt,
dass der Strahl der einen Gruppe mit einem Neigungswinkel ausgebildet
werden kann, der sich von dem der anderen Gruppe unterscheidet.
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Nachstehend
wird der Betrieb der Strahlerfeldanordnung der Ausführungsform
der Erfindung erläutert.
Ein Sendesignal wird dem durch die Schaltschaltung 110 in Übereinstimmung
mit dem Schaltänderungssignal
ausgewählten
Strahlerfeld zugeführt
und wird in den Raum abgegeben.
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Hierdurch
wird ein Strahl mit einem Neigungswinkel gebildet, der im Voraus
eingestellt ist für das
ausgewählte
Strahlerfeld.
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Wenn
beispielsweise das Strahlerfeld 281 und das Strahlerfeld 283 wechselweise
geschaltet sind, kann ein Strahl abwechselnd in zwei Richtungen
ausgebildet werden.
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Wenn
das Strahlerfeld 282 und das Strahlerfeld 284 auch
wechselweise geschaltet werden, können darüber hinaus das Strahlerfeld 281 und
das Strahlerfeld 283 wechselweise einen Strahl zu den beiden
unterschiedlichen Richtungen mit einer Polarisation formen, die
sich senkrecht schneidet. Während
ein Strahl ohne die Verwendung von Phasenschiebern wechselweise
in zwei unterschiedlichen Richtungen ausgebildet werden kann entsprechend der
Strahlerfeldanordnung der Ausführungsform
der Erfindung, kann sie demnach auch umschalten zu einer Polarisation,
die jeden Strahl senkrecht schneidet.
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Im
Betriebsablauf dieser Ausführungsform kann
außerdem,
wenn sie identifiziert ist, um ein Sendesignal an die Schaltschaltung 110 auszugeben durch
die frequenzvariable Einrichtung 120 der zweiten Anordnung,
durch Frequenzsteuerung eine Strahlabtastung ausgeführt werden
mit einem Strahl, der ein ausgewähltes
Strahlerfeld bildet.
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Auch
kann eine Strahlabtastung eines großen Gebietes ausgeführt werden
durch wechselweises Umschalten des Bereichs, in dem eine Strahlabtastung
jedes Strahlerfeldes mit möglicher
Polarisation, die senkrecht schneidet, wenn sie fortgesetzt wird.
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Auch,
obwohl der obige Fall den Betriebsablauf des Strahlerfeldes erläutert worden
ist, das die diskreten Patch-Antennenelemente
verwendet, kann es ähnlich
mit einer Antenne ausgeführt
werden unter Verwendung anderer Antennenelemente (beispielsweise
Schlitzantennenelemente), die einen Strahlneigungswinkel steuern
können.