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Die vorliegende Erfindung betrifft die Doppelantennen für feststehende
Stationen oder Fahrzeuge und insbesondere, aber nicht ausschließlich, die Antennen,
die für Fahrzeuge auf Rädern vorgesehen sind und deren Arbeitsfrequenzen sich
im Band der Ultrakurzwellen und Dezimeterwellen befinden, die gemäß ihrer
Abkürzung in der angelsächsischen Literatur häufig UKW- und UHF-Bänder
genannt werden.
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Unter einer Doppelantenne muß man eine Antenne verstehen, die aus
mehreren strahlenden Elementen besteht und so aufgebaut ist, daß sie zum Senden
und/oder zum Empfang in einem ersten Frequenzband mit einer ersten Anordnung
der strahlenden Elemente und in einem zweiten Frequenzband mit einer zweiten
Anordnung funktioniert; bestimmte dieser Antennen können gleichzeitig in den
zwei Frequenzbändern verwendet werden.
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Es ist bekannt, eine Doppelantenne mit einem strahlenden Element vom
einpoligen Typ für die niedrigen Frequenzen, das für die hohen Frequenzen mit einem
strahlenden Element vom Dipoltyp gekrönt ist, das durch das strahlende Element
vom einpoligen Typ versorgt wird, zu realisieren. Die bekannten Antennen dieses
Typs funktionieren in einem Frequenzband, das für bestimmte Anwendungen
unzureichend ist.
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Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, diesen Nachteil bei den
Doppelantennen mit zwei Anschlüssen zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
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Die Untersuchung von bekannten Doppelantennen mit einer einpoligen
Antenne, die mit einem Dipol gekrönt ist, wie jene, die im Patent DE 38 26 777
beschrieben ist, läßt eine Massenrückleitung des Hochfrequenzkanals erkennen, die
nicht direkt ist, sondern die durch einen Filter hindurchgeht, der im
Niederfrequenzkanal angeordnet ist; dies führt dazu, daß für eine gute Funktion die
Frequenzbänder, die den zwei Kanälen entsprechen, weit voneinander entfernt sein
müssen und daß die Antenne folglich keine Breitband-Antenne ist.
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Um das angestrebte Ziel zu erreichen, wird bei der erfindungsgemäßen
Antenne insbesondere vorgeschlagen, die einpolige Antenne durch einen Transformator
mit einer Sekundärwicklung, die mit dem strahlenden Element der einpoligen
Antenne in Reihe geschaltet ist, zu versorgen.
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Gemäß der Erfindung wird somit eine Doppelantenne vorgeschlagen,
insbesondere für ein Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes aufweist:
eine Masseebene, die mit einer Öffnung versehen ist, mit auf einer Seite der
Masseebene dem Raum außerhalb des Fahrzeugs und auf der anderen Seite einem
geschützten Raum; ein Koaxialkabel, das die Öffnung durchquert, mit einem
ersten Ende im Raum außerhalb des Fahrzeugs und einem zweiten Ende im
geschützten Raum, wobei das Kabel zwischen der Öffnung und seinem zweiten
Ende Windungen bildet; eine Verbindung zwischen dem Außenleiter des Kabels
und der Masseebene auf der Höhe des zweiten Endes; ein strahlendes Element des
Typs Dipol, das zur Versorgung mit dem zweiten Ende des Kabels verbunden ist;
einen Transformator, dessen Sekundärwicklung den Außenleiter der Windungen
umfaßt; eine Impedanz mit einem Wert gleich der charakteristischen. Impedanz
des Kabels; ein Versorgungskabel; und Mittel zum Umschalten entweder zum
Koppeln des Versorgungskabels mit dem zweiten Ende des Koaxialkabels oder
zum Koppeln des Versorgungskabels mit der Primärwicklung des Transformators
und gleichzeitigen Verbinden des zweiten Endes der Impedanz mit dem
Innenleiter des zweiten Endes des Koaxialkabels.
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Gemäß der Erfindung wird auch eine Doppelantenne vorgeschlagen,
insbesondere für ein Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes aufweist;
eine Masseebene, die mit einer Öffnung versehen ist, mit auf einer Seite der
Masseebene dem Raum außerhalb des Fahrzeugs und auf der anderen Seite einem
geschützten Raum; ein Koaxialkabel, das die Öffnung durchquert, mit einem
ersten Ende im Raum außerhalb des Fahrzeugs und einem zweiten Ende im
geschützten Raum, wobei das Kabel zwischen der Öffnung und seinem zweiten
Ende Windungen bildet; eine Verbindung zwischen dem Außenleiter des Kabels
und der Masseebene auf der Höhe des zweiten Endes; ein strahlendes Element des
Typs Dipol, das zur Versorgung mit dem zweiten Ende des Kabels verbunden ist;
einen Transformator, dessen Sekundärwicklung den Außenleiter der Windungen
umfaßt; eine Impedanz mit einem Wert gleich der charakteristischen Impedanz
des Kabels; ein erstes und ein zweites Versorgungskabel; und Mittel zur
Verzweigung zum Gestatten einer Kopplung zwischen dem ersten Kabel und der
Primärwicklung des Transformators, zwischen dem zweiten Kabel und dem zweiten
Ende des Koaxialkabels und zwischen dem zweiten Ende der Impedanz und dem
Innenleiter des zweiten Endes des Koaxialkabels.
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Die vorliegende Erfindung wird besser verstanden mit Hilfe der
nachstehenden Beschreibung und der Figuren, welche sich auf diese beziehen und, folgendes
darstellen:
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- Fig. 1 eine vereinfachte Ansicht einer Monopol-Antenne, die mil: einem
Dipol gekrönt ist,
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- Fig. 2 und 3 elektrische Diagramme der Antenne gemäß Fig. 1, in jeder
ihrer zwei Funktionsarten,
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- Fig. 4 und 5 Diagramme von zwei Varianten der Antenne gemäß Fig. 1.
In den verschiedenen Figuren sind die entsprechenden Elemente mia denselben
Bezugszeichen bezeichnet.
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Die folgende Beschreibung betrachtet Sendeantennen, aber aufgrund der
Reversibilität der elektromagnetischen Wellen können diese Antennen natürlich auch
für den Empfang funktionieren.
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Fig. 1 stellt eine Antenne mit schaltbaren Elementen dar. Für ein besseres
Verständnis der Zeichnung wurden die Verhältnisse zwischen den Abmessungen
in dieser Figur nicht beachtet.
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Die Antenne, die für die Beschreibung, die folgen wird, als Beispiel gedient
hat, ist eine Antenne, die dazu vorgesehen ist, im Band 30-400 MHz zu
funktionieren.
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Die Antenne ist derart dargestellt, daß sie auf dem im Schnitt gesehenen
Metalldach M eines Fahrzeugs montiert ist. Sie umfaßt unter dem Dach M ein
Metallgehäuse B, im Schnitt gesehen, dessen Inhalt später beschrieben wird; auf dem
Dach M umfaßt die Antenne strahlende Elemente, die durch eine Antennenkuppel
3 geschützt sind. Die strahlenden Elemente umfassen einen Manteldipol 1 und
einen zylindrischen Leitungsabschnitt 20, der aus dem Außenleiter des oberen
Teils eines nachgiebigen Koaxialkabels 2 besteht; dieses Koaxialkabel durchquert
das Dach Mund der untere Teil ist im Gehäuse B enthalten; die Durchquerung
des Dachs durch das Kabel 2 erfolgt durch ein kreisförmiges Loch mit einem
Isolierring 30 zwischen dem Kabel und den Rändern des Lochs.
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Die Antennenkuppel aus einem dielektrischen Material, das für die
elektromagnetischen Wellen durchlässig ist, hält die strahlenden Elemente in der
vertikalen Position und macht sie mit dem Gehäuse B fest verbunden.
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Bei dieser Montage bilden das Dach M und das Gehäuse B ein Gegengewicht
für die Antenne, das heißt einen Komplex von Leitern, der zur Antenne, die vom
Boden isoliert ist, eine Massenreferenz liefert.
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Der Manteldipol 1 umfaßt einen vertikalen leitenden Stab 11 für seinen oberen
Teil und einen Mantel 12, der aus einem leitenden Rohr mit einem mit einem
Loch versehenen Boden ausgebildet ist, für seinen unteren Teil. Dieser Dipol wird
in seinem Zentrum durch das Koaxialkabel 2 versorgt; dazu ist der Innenleiter 21
des Kabels an seinem oberen Ende mit dem unteren Ende des vertikalen Stabes 11
verbunden, und die Metallitze, die den Außenleiter des Kabels bildet, ist mit den
Rändern des in den Boden des Mantels 12 gebohrten Lochs verbunden. In Fig. 1
wurde der Mantel 12 nur durch seine Linien in der Ebene der Zeichnung
dargestellt, um zu ermöglichen zu sehen, wie das Koaxialkabel 2 an seinem oberen
Ende mit dem Dipol 1 verbunden ist.
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Nachdem das Kabel 2 das Dach M durchquert hat, um in das Gehäuse B zu
gelangen, wickelt es sich um einen ferromagnetischen Kern 5, indem es eine Spule
22 bildet, dann ist zu seinem unteren Ende hin sein Außenleiter mit dem Gehäuse
B und sein Innenleiter mit dem vierten Anschluß eines Schalters 7 mit fünf
Anschlüssen und zwei Stellungen verbunden.
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Der Schalter 7 ist ein mechanischer Schalter, dessen elektrische Steuerung
durch einen mit Pfeil versehenen, unterbrochenen Strich 70 dargestellt ist. Der
erste Anschluß des Schalters 7 ist mit dem Innenleiter eines
Versorgungskoaxialkabels 8 verbunden, das, indem es vom Äußeren des Gehäuses B kommt, zu
einem in dieses Gehäuse gebohrten Loch gelangt; die Metallitze des Außenleiters
des Kabels 8 ist an die Wände dieses Lochs geschweißt. Der zweite Anschluß des
Schalters 7 ist über einen Widerstand 6 mit dem Gehäuse B verbunden. Der dritte
Anschluß ist an einem Punkt P der Spule 22 mit dem Außenleiter des Kabels 2
verbunden und der fünfte Anschluß ist nicht verbunden. In seiner oberen Stellung,
wie in Fig. 1 dargestellt, verbindet der Schalter 7 seinen ersten Anschluß mit
seinem dritten Anschluß und seinen zweiten Anschluß mit seinem vierten
Anschluß, während er in seiner unteren Stellung seinen ersten Anschluß mit seinem
vierten Anschluß und seinen zweiten Anschluß mit seinem fünften Anschluß
verbindet.
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Somit sind mit dem Schalter 7 in der unteren Stellung das Versorgungskabel 8
und das Kabel 2 im Inneren des Gehäuses B aneinander angeschlossen und alles
geschieht, als ob die Versorgung des Dipols 1 durch ein einfaches Koaxialkabel
erfolgen würde, das denselben Ursprung hätte wie das Kabel 8 und das wie das
Kabel 20 in das Zentrum des Dipols 1 gelangen würde.
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Mit dem Schalter 7 in der oberen Stellung sind die Außenleiter der Kabel 2
und 8 immer durch das Gehäuse B, das als Massenreferenz dient, miteinander
verbunden; dagegen ist der Innenleiter des Kabels 8 an einem Punkt P des
Außenleiters der Spule 22 angeschlossen. Der Außenleiter der Spule 22 mit dem Kern 5
bildet einen Autotransformator mit: einem gemeinsamen Punkt, der mit der Masse
verbunden ist, einer Primärwicklung, die sich zwischen der Masse und dem Punkt
P befindet, und einer Sekundärwicklung, die sich zwischen der Masse und dem
Abschnitt 20 befindet, von dem vorher bei der Bezeichnung der strahlenden Elemente
der Antenne die Rede war. Somit wird in der oberen Stellung des Schalters
7 das vom Kabel 8 gelieferte Signal an den Außenleiter des Kabels 2 angelegt.
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Der Wert des Widerstandes 6 wird absichtlich gleich der charakteristischen
Impedanz der Übertragungsleitung gewählt, die aus dem Koaxialkabel 2 besteht;
und wenn der Schalter 7 diesen Widerstand mit dem unteren Ende des Kabels 2
verbindet, zeigt die Leitungstheorie, daß alles auf der elektrischen Ebene
geschieht, als ob der Widerstand zwischen den oberen Enden des Innen- und des
Außenleiters des Kabels 2 angeschlossen wäre.
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In dem Fall, in dem sich der Schalter 7 in der oberen Stellung befindet, was
der Verwendung der Antenne im niedrigen Band, 30-108 MHz, ihrer
Betriebsfrequenzen entspricht, kann das radioelektrische Diagramm der Antenne wie in Fig.
2 angegeben gezeichnet werden. In dieser Figur wurde der Einfluß des Mantels 12
des Dipols 1 durch eine Impedanz 12' dargestellt, die auf der Höhe des unteren
Endes des Mantels angeordnet ist. Bei den betrachteten Verwendungsfrequenzen
ist diese Impedanz induktiv und weist einen vernachlässigbaren Wert auf. Der
Einfluß des Widerstandes 6, von dem vorstehend die Rede war, ist durch einen
Widerstand 6' gleich dem Widerstand 6 dargestellt, welcher zwischen den
Elementen 11 und 12 angeordnet ist.
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Die Antenne ist in ihrer Konfiguration gemäß Fig. 2 eine einpolige Antenne,
die durch eine Induktivität 12', die nur eine vernachlässigbare Rolle spielt, und
durch einen Widerstand 6', der es ermöglicht, die Überspannung dieser einpoligen
Antenne zu schwächen und folglich ihre Bandbreite zu verbreitern, aufgeladen
wird. Diese einpolige Antenne weist auf der Höhe ihres Fußes eine Masseebene M
auf, die aus dem Dach des Fahrzeugs besteht, und wird an ihrem Fuß durch den
Autotransformator 22-5 versorgt, an dessen Primärwicklung das
Versorgungskabel 8 angeschlossen ist.
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In dem Fall, in dem sich der Schalter 7 gemäß Fig. 1 in der unteren Stellung
befindet, was der Verwendung der Antenne im hohen Band, 108-400 MHz, ihrer
Betriebsfrequenzen entspricht, kann das radioelektrische Diagramm der Antenne
wie in Fig. 3 angegeben gezeichnet werden.
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Die Antenne ist in ihrer Konfiguration gemäß Fig. 3 ein Dipol 11-12, der in
seinem Zentrum durch die Kabel 8, 2, die aneinander angelegt sind, versorgt wird.
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Kurven A2 und A1 stellen die Verteilung des Stroms dar, der jeweils in der
einpoligen Antenne 20, 12, 11 gemäß Fig. 2 und im Dipol 11-12 gemäß Fig. 3
fließt.
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Die Antenne, die für die Beschreibung, die vorangeht, als Beispiel gedient hat,
weist folgendes auf:
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- eine Gesamtlänge von jedem der Elemente 11, 12 gleich 5/8 der Wellenlänge
bei 400 MHz, welche im wesentlichen 45 cm beträgt,
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- eine Gesamthöhe über dem Dach M gleich 5/8 der Wellenlänge bei 108
MHz, welche im wesentlichen 170 cm beträgt,
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- einen Antennenkuppeldurchmesser von 20 mm, um eine bestimmte
Diskretion an der Antenne zu bewahren,
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- eine charakteristische Arbeitsimpedanz von 93 Ohm, was es erfordert, einen
Impedanztransformator zwischen den Schalter 7 und das Kabel 8 zu schalten, um
die Antenne mit den auf einen charakteristischen Impedanzwert von 50 Ohm
normierten Stellen kompatibel zu machen; um nur die für das Verständnis der
Erfindung erforderlichen Elemente beizubehalten, wurde dieser
Impedanztransformator in den Figuren nicht gezeichnet.
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Die Fig. 4 ist das Diagramm einer ersten Variante der Antenne gemäß Fig.
1. Es handelt sich um eine Antenne mit zwei Anschlüssen, an denen jeweils zwei
Sender und/oder Empfänger angeschlossen werden können, aber ein einziger
dieser zwei Sender und/oder Empfänger kann gleichzeitig funktionieren.
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Die Antenne gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von jener gemäß Fig. 1 nur
durch einen Schalter 7', dessen Verkabelung von jener des Schalters 7 verschieden
ist und durch die Anwesenheit von zwei Versorgungskoaxialkabeln 8a, 8b
anstelle eines einzigen.
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Der Schalter 7' ist ein mechanischer Schalter mit zwei Stellungen und fünf
Anschlüssen im Betrieb; seine elektrische Steuerung ist durch einen mit Pfeil
versehenen, unterbrochenen Strich 70' dargestellt. Die Kabel 8a, 8b kommen wie das.
Kabel 8 gemäß Fig. 1 von außerhalb des Gehäuses B, gelangen jeweils in zwei
in dieses Gehäuse gebohrte Löcher und die Metallitze ihres Außenleiters ist an die
Wand des Gehäuses geschweißt; ihre Innenleiter setzen sich jeweils bis zum
zweiten und vierten Anschluß des Schalters 7' fort.
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In der oberen Stellung, wie in Fig. 4 angegeben, läßt der Schalter 7' das
Kabel 8a ohne Verbindung mit der Antenne, aber über seinen dritten und vierten
Anschluß stellt er eine Verbindung des Innenleiters des Kabels 8b mit dem
unteren Ende des Innenleiters des Kabels 2, das heißt mit der
Hochfrequenz-Dipolantenne, sicher.
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In der unteren Stellung läßt der Schalter das Kabel 8b ohne Verbindung mit
der Antenne, aber über seinen ersten und zweiten Anschluß stellt er eine
Verbindung des Kabels 8a mit dem Punkt P, das heißt mit der Primärwicklung des
Autotransformators zur Versorgung der einpoligen Niederfrequenz-Antenne, sicher.
Außerdem verbindet der Schalter 7' in der unteren Stellung über seinen dritten und
fünften Anschluß den Widerstand 6 mit dem unteren Ende des Innenleiters des
Kabels 2.
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Die Fig. 5 ist das Diagramm einer zweiten Variante der Antenne gemäß
Fig. 1. Es handelt sich um eine Antenne mit zwei Anschlüssen, an denen jeweils
zwei Sender und/oder Empfänger angeschlossen sein können, dieses Mal mit der
Möglichkeit einer gleichzeitigen Funktion der zwei Sender und/oder Empfänger.
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Die Antenne gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von jener gemäß Fig. 1 nur
durch die Abwesenheit des Schalters, der durch einen Duplexer 9 ersetzt ist, durch
die Anwesenheit von zwei Versorgungskoaxialkabeln 8a, 8b und durch eine
spezielle Verkabelung auf der Höhe der Kabel und des Duplexers. Bezüglich der
Antenne gemäß Fig. 4, bei der das Umschalten ein Umschalten im Raum mit Hilfe
des Schalters 7' war, handelt es sich hier um ein Frequenzumschalten mit Hilfe
des Duplexers 9.
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Die Kabel 8a, 8b kommen vom Äußeren des Gehäuses B, gelangen jeweils in
zwei in dieses Gehäuse gebohrte Löcher und die Metallitze ihres Außenleiters ist
an die Wand des Gehäuses geschweißt, während sich ihre Innenleiter zum Punkt P
durch eine direkte Verbindung 90 bzw. zum ersten Eingang eines Duplexers 9,
dessen anderer Eingang mit dem Widerstand 6 verbunden ist, fortsetzen; der
Ausgang des Duplexers 9 ist mit dem unteren Ende des Innenleiters des Kabels 2
verbunden und die Masse des Duplexers ist mit dem Gehäuse B verbunden.
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Durch den Duplexer 9 geschieht alles, als ob es der Widerstand 6 wäre, der für
die niedrigen Frequenzen angeschlossen wäre, das heißt für die einpolige
Antenne, während für die hohen Frequenzen, das heißt für die Betriebsfrequenzen der
Dipolantenne, alles geschieht, als ob es das Kabel 8b wäre, das angeschlossen
wäre. Es ist zu beachten, daß die Funktion des Duplexers erfordert, daß das Band
der hohen Frequenzen und jenes der niedrigen Frequenzen um den
Duplexabstand, der für die verwendeten Duplexer geeignet ist, voneinander entfernt sind.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und gezeichneten Beispiele
begrenzt, deshalb gilt:
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- das Koaxialkabel 2 kann ein relativ starres Kabel sein, um keine
Antennenkuppel oder zumindest keine starre Antennenkuppel verwenden zu müssen, und
dies unter dem Vorbehalt, die Konstruktion 1-2 gemäß Fig. 1 ausreichend starr
zu machen,
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- anstelle des Autotransformators 22-5 ist es möglich, einen Transformator zu
verwenden, dessen Sekundärwicklung beispielsweise aus der Spule 22 bestehen
würde, die Primärwicklung könnte aus einer weiteren Spule bestehen, die um den
Kern 5 über der Spule 22 gewickelt ist, wobei ein erstes Ende mit der Masse verbunden
ist, beispielsweise in Kontakt mit dem unteren Ende des Außenleiters des
Kabels 2; das zweite Ende der Primärwicklung des Transformators wäre mit dem
Leiter verbunden, der in den Fig. 1, 4 und 5 zum Punkt P gelangt und der nun
nicht mehr dorthin gelangt, wobei der Punkt P außerdem keine Rolle mehr zu
spielen hat,
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- der vertikale Stab 11 kann einen mehr oder weniger großen Durchmesser
aufweisen und beispielsweise denselben Durchmesser aufweisen wie der Mantel;
er kann auch gegen einen Fadenleiter ausgetauscht sein, der durch Kondensatoren
aufgeladen wird, das heißt durch eine Linie, die aus Leitungsabschnitten besteht,
die durch Kondensatoren getrennt sind, mit beispielsweise drei
Leitungsabschnitten und zwei Kondensatoren,
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- der Manteldipol 1 kann selbst durch jegliche andere Antenne vom Dipoltyp
ersetzt werden, die bei den betrachteten Arbeitsfrequenzen verwendet werden
kann,
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- zwei Filter können eingeführt werden, um die Anpassung der Antenne an die
Stelle zu verbessern, für die sie vorgesehen ist: ein Tiefpaßfilter für die Funktion
im Niederfrequenzband und ein Hochpaßfilter für die Funktion im
Hochfrequenzband,
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- die Arbeitsfrequenzen können sich vor allem hinsichtlich der Antennen für
ortsfeste Stationen im Band der Dekameterwellen befinden, welches häufig
gemäß seiner Abkürzung in der angelsächsischen Literatur HF-Band genannt wird,
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- die Schalter 7 und 7' können elektronische Schalter sein.