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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Richtantennensystem mit
gekreuzter Polarisation, das insbesondere für den Mobilfunk bestimmt ist.
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In
dem Dokument EP-A-0 730 319 wird ein Richtantennensystem beschrieben,
das aus einem ebenen Reflektor und einer Antennenanlage besteht,
die von diesem Reflektor gehalten wird. Jede der Antennen ist ein
Dipol, der von zwei geraden leitfähigen Elementen definiert wird,
die zur Befestigung am Reflektor auf zwei Trägern montiert sind und die
mit den + und – Anschlüssen einer
Stromversorgungsquelle verbunden sind. Die Antennen der Anlage sind
an einer der Achsen des Reflektors ausgerichtet. Sie weisen innerhalb
der Anlage eine einfache Polarisation auf.
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Im
Dokument US-A-5 030 962 wird ein Richtantennensystem mit gekreuzter
Polarisation beschrieben, das ein Substrat mit hohem elektrischen
Widerstand, insbesondere aus Silikon, ein auf dem Träger aufgebautes
Antennensystem und eine dielektrische Linse beinhaltet, die mit
der Einheit verbunden ist. Jede Antenne besteht aus zwei Dipolen
und vier Dioden, die jeweils zwei Dipole miteinander verbinden.
Die Dioden sind in einer Schleife installiert und verbinden auf
diese Weise die vier Zweige der beiden Dipole, wobei die beiden Dioden,
die der Schleife gegenüber
angeordnet sind, eine den beiden anderen Dioden entgegengesetzte
Polarität
aufweisen.
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Im
Dokument WO 97/22159 A1 wird ein System gemäß der Einleitung zu Anspruch
1 beschrieben.
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In
diesem Antennensystem sind die passiven Elemente, die durch die
Dipole definiert werden, und die aktiven Elemente, wie beispielsweise
die Dioden, sowie eventuell andere Bauteile, die mit den Dipolen
verbunden sind, mittels Mehrschicht-Fotoätztechniken auf dem Substrat
ausgeführt.
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Die
Zweige der Dipole weisen insbesondere jeweils die Form eines geraden
und schmalen Leiterbandes, oder in einer Variante die Form eines
dreieckigen Leiterbereichs auf, es sind jeweils zwei gegenüberliegend
angeordnet, wobei die jeweiligen Achsen der beiden Dipole senkrecht
zueinander verlaufen.
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Diese
bekannten Antennen mit doppelter Polarisation sind für Radaranwendungen
vorgesehen und funktionieren mit sehr hohen Frequenzen in einer
Größenordnung
von 100 GHz. Sie sind nicht geeignet für Mobilfunk-Anwendungen, bei
denen die Antennen mechanisch besonders robust und vom Typ Übertragungsbreitband
mit einer vorher festgelegten Frequenz sein müssen, die unterhalb der Frequenzen
des vorgenannten, bekannten Aufbaus liegt, beispielsweise im Bereich
von 915 MHz für
GSM-Übertragungen,
1780 MHz für DCS-Übertragungen, bzw. 1920 MHz
für PCS-Übertragungen.
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Die
vorliegende Erfindung hat zum Ziel, ein kompaktes Richtantennensystem
mit gekreuzter Polarisation zu realisieren, das für Mobilfunkanwendungen
geeignet ist.
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Sie
hat ein Richtantennensystem mit gekreuzter Polarisation zum Gegenstand,
das aus einem praktisch ebenen, rechteckigen Reflektor und mindestens
einer Strahlungszelle besteht, die auf dem genannten Reflektor befestigt
ist, wobei jede Zelle mindestens zwei erste leitfähige Elemente
beinhaltet, die einander entgegengesetzt montiert sind und von einer
ersten externen Energiequelle versorgt werden, die einen ersten
Dipol bilden, dadurch gekennzeichnet, dass jede Strahlungszelle
zwei zweite leitfähige
Elemente beinhaltet, die auf identische Weise wie die ersten montiert
sind und von einer zweiten externen Energiequelle versorgt werden,
die einen zweiten Dipol bilden, sowie dadurch, dass es sich bei
den genannten leitfähigen
Elementen um Elemente handelt, die V-förmig gefaltet sind und wobei
die zweiten in Bezug auf die ersten senkrecht montiert sind.
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Vorzugsweise
weist dieses Antennensystem auch mindestens eines der folgenden
Zusatzmerkmale auf:
- – jedes leitfähige Element
besteht aus einer V-förmig
gefalteten Platte;
- – die
V-förmigen,
leitfähigen
Elemente weisen jeweils eine Öffnung
zwischen 20 und 80° auf,
vorzugsweise zwischen 40 und ca. 50°;
- – die
V-förmigen,
leitfähigen
Elemente weisen eine Ausrichtung in einem von Null verschiedenen
Winkel in Bezug zur Horizontalen auf, damit die Polarisationsrichtung
in einem bestimmten Winkel in Bezug zur Horizontalen verschoben
ist;
- – die
Polarisationsrichtung beträgt
ca. +45° und –45° für die leitfähigen Elemente
der beiden Dipole;
- – jedes
leitfähige
Element weist eine leitfähige
Lasche auf, die einerseits fest mit der Basis des V verbunden ist
und auf einer Seite des V über
eine Länge
von etwa einem Viertel der abgestrahlten Wellenlänge über den entsprechenden Dipol
hinausragt und die andererseits an dem genannten Reflektor befestigt
ist; vorteilhafterweise ist ein leitfähiges Teil zur Befestigung
der Laschen der leitfähigen
Elemente einer Zelle am Reflektor vorgesehen, wobei die Enden der
genannten Laschen in das genannte Befestigungsteil eingelegt und
mit diesem verschweißt
sind; außerdem
kann ein Verbindungsstück
aus einem Material mit erhöhtem elektrischem
Widerstand vorgesehen werden, das die genannten leitfähigen Elemente
einer Zelle miteinander verbindet;
- – ein
Zellennetzwerk ist entlang der Längsachse
des Reflektors installiert.
- – zwei
Hauptkabel sind einerseits jeweils mit zwei Koaxverbindern verbunden,
die an einem der beiden Enden des Reflektors angeordnet und den
genannten ersten und zweiten Quellen zugeordnet werden, und sie
sind andererseits jeweils mit zwei Stromteilern verbunden, die wiederum
jeweils mit den ersten und den zweiten Kabeln verbunden sind, die
der Versorgung der beiden Dipole der verschiedenen Zellen zugeordnet
sind;
- – der
Reflektor trägt
die Profile, die parallel zur Längsachse
montiert und symmetrisch zu beiden Seiten des Zellennetzwerks angeordnet
sind, um auf diese Weise einen Kopplungskondensator zu bilden.
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Die
Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus
der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsvariante
deutlich, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist. In
diesen Zeichnungen:
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1 ist
eine Vorderansicht einer Richtantennenzelle mit doppelter Polarisation
gemäß der Erfindung;
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2 ist
eine Seitenansicht der Zelle aus 1;
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3 ist
eine Vorderansicht eines Antennenanlage-Systems gemäß der Erfindung;
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4 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV aus 3;
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5 ist
eine vereinfachte Schnittansicht der Antennenanlage aus 3,
in der zwei Winkel gemäß einer
ersten Ausführungsvariante
dargestellt sind;
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6 ist
eine vereinfachte Schnittansicht der Antennenanlage aus 3,
in der zwei Winkel gemäß einer
zweiten Ausführungsvariante
dargestellt sind.
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In
Bezug auf 1 und/oder 2 beinhaltet
die Strahlungszelle gemäß der Erfindung
zwei Richtantennen 1 und 2 mit gekreuzter Polarisation.
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Jede
dieser beiden Antennen stellt einen Dipol dar, der von einem Paar
V-förmiger,
leitfähiger
Elemente 1A und 1B oder 2A und 2B,
je nach Dipol, gebildet wird.
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Die
beiden leitfähigen
Elemente eines Dipols sind einander entgegengesetzt installiert.
Die beiden leitfähigen
Elemente eines der beiden Dipole sind senkrecht zueinander angeordnet.
Die leitfähigen
Elemente von Dipol 1 sind zur Stromversorgung durch eine
erste externe Energiequelle mit einem Koaxialkabel 3 verbunden.
Die leitfähigen
Elemente von Dipol 2 sind in gleicher Weise zur Stromversorgung
durch eine zweite externe Energiequelle, die unabhängig von
der ersten ist, mit einem anderen Koaxialkabel 4 verbunden.
Die Polaritäten
sind in Bezug auf die beiden entsprechenden leitfähigen Elemente
jeweils mit + und – gekennzeichnet.
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In
dieser 1 wurden die beiden gekreuzten Polarisationen
der Strahlungszelle, die den Symmetrielinien der leitfähigen Elemente
der beiden Dipole 1 und 2 entsprechen und aus
denen sich die Ströme
in diesen Elementen ergeben, mit 5 und 6 bezeichnet.
Diese gekreuzten Polarisationen 5 und 6 sind die
Hauptkomponenten der Polarisation, die durch die mit Strom versorgten
Dipole 1 und 2 erzielt wird. Sie weisen die gleiche
Phase auf wie die beiden leitfähigen
Elemente des gleichen Dipols.
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In 7A–7B und 8A–8B sind
außerdem
die beiden sekundären
Komponenten senkrecht zu den Polarisations-Hauptkomponenten dargestellt.
Diese sekundären
Komponenten liegen in jedem leitfähigen Element der Dipole in
Gegenphase vor.
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Die
V-Form jedes leitfähigen
Elements der Dipole hat den Vorteil, den Entfernungseffekt dieser
orthogonalen Komponenten zu minimieren, die die Tendenz haben, sich
jeweils zu zweit gegenseitig aufzuheben. Zum Vergleich sei hier
in Bezug auf die Dipole mit leitfähigen Elementen, die durch
zwei vollständig
V-förmige Platten
oder Schichten gebildet werden, angeführt, dass der Entfernungseffekt
der orthogonalen Komponenten weiterhin erheblich ist. In einem solchen
Dipol weiten sich die Stromleitungen nämlich in der Nähe der Ränder der
vollständigen
V-Form auf und folgen diesen Rändern,
und dies hat zur Folge, dass die orthogonalen Komponenten nicht
mehr in Gegenphase vorliegen.
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Die
V-förmigen
leitfähigen
Elemente der beiden Dipole sollten vorzugsweise V-förmig gefaltete
Platten sein. Diese Ausführung
mit Platten anstelle von elektrischen Leitern wie z.B. Draht ermöglicht es,
die Bandbreite der Dipole zu erhöhen.
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Die
V-förmige Öffnung in
jedem leitfähigen
Element sollte vorzugsweise zwischen 20 und 80° liegen. Sie sollte vorzugsweise
zwischen ca. 40 und 50° liegen,
um eine Optimierung der Antennen-Impedanz
zu ermöglichen.
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Außerdem sollte
die Ausrichtung der V in Bezug auf die Horizontale oder die Vertikale
vorzugsweise so gewählt
werden, dass weder die eine noch die andere Polarisation 5 und 6 die
horizontale Richtung aufweist, um auf diese Weise die Übertragungseigenschaften
der beiden Dipole zu optimieren. Insbesondere sollte die Ausrichtung
der V derart ausgeführt
werden, dass die Polarisationsrichtungen 4 und 5 bei
+45° bzw.
+45° in
Bezug zur Vertikalen liegen.
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Aus 2 ist
ersichtlich, dass die V-förmigen
leitfähigen
Elemente jeweils die beiden Zweige jedes V enthalten, ebenso wie
eine Lasche 9A oder 9B, die quer zu dem V verläuft und
von dessen Basis ausgeht.
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Die
beiden Zweige des V und die Lasche bilden ein Teil, wobei die Lasche
gleichzeitig mit den Zweigen gefaltet wird.
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In
dem Antennensystem mit gekreuzter Polarisation entspricht die Länge jedes
Dipols in etwa der Hälfte
der Wellenlänge
der abgestrahlten Energie. Die Laschen, wie z.B. 9A oder 9B,
weisen wiederum eine Länge von
etwa einem Viertel der Wellenlänge
auf und spielen die Rolle von Strom-Balunen, die den beiden Elementen
des gleichen, mit Strom versorgten Dipols die Polarität + und – verleihen.
Auf diese Weise wird die elektrische Leistung, die von der Energiequelle
geliefert wird, die mit einem der Dipole verbunden ist, in Hochfrequenzwellen
umgewandelt, die von dem Dipol gemäß einem gewünschten Breitbanddiagramm abgestrahlt werden.
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In 3 und/oder 4 besteht
das dargestellte Antennensystem aus einer Anlage mit Antennen mit
doppelter Polarisation, die alle miteinander und mit der Zelle in 1 identisch
sind und die alle mit der gleichen allgemeinen Referenz 10 bezeichnet
sind, wobei diese allgemeine Referenz in 1 und 2 entsprechend
verwendet wird. Diese Antennenanlage bzw. die Strahlungszellen 10 werden
von einem ebenen, rechteckigen Reflektor 11 gehalten. Er
ist in der Längsachse
des Reflektors angeordnet. In dem dargestellten Beispiel besteht
er aus vier Zellen. Jede Zelle wird über zwei Kabel 3 und 4 mit
Strom versorgt, die mit den beiden Dipolen der Zelle verbunden sind.
Der Reflektor weist eine Breite auf, die in etwa der Wellenlänge der von
den Antennen abgestrahlten Energie entspricht. Zur Stromversorgung
der Dipole der verschiedenen Zellen sind die Kabel 3 dieser
verschiedenen Zellen über
einen Stromteiler 15 mit einem Hauptkabel 13 verbunden,
und auf ähnliche
Weise sind die Kabel 4 über
einen zweiten Stromteiler 16 mit einem anderen Hauptkabel 14 verbunden.
Diese beiden Hauptkabel 13 und 14 sind im Übrigen mit
zwei Koaxverbindern 17 und 18 verbunden, die von
einem der Enden des Reflektors gehalten werden und die für die beiden
Energiequellen vorgesehen sind und die den Dipolen der verschiedenen
Zellen 10 zugeordnet werden.
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Unter
Bezug insbesondere auf 1, 2 und 4 wird
erläutert,
dass jede Zelle 10 mit Hilfe eines leitfähigen Teils 19 am
Reflektor befestigt ist, das am Ende der Laschen, z.B. 9A und 9B,
der beiden Dipole vorgesehen und selbst am Reflektor befestigt ist.
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Dieses
Teil 19 weist eine runde und relativ flache Form auf. Es
weist auf einer Seite vier Bohrungen auf, in die die Enden der vier
Laschen, z.B. 9A und 9B, eingelegt und verschweißt sind,
und es ist selbst mit Schrauben am Reflektor befestigt.
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Die
V-förmigen
leitfähigen
Elemente, die mit einer eigenen Lasche ausgerüstet sind, und das Befestigungsteil 19 bestehen
aus Messing.
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Unter
Bezug auf 1 bis 3 wird außerdem erläutert, dass
ein anderes Teil 20 mit hohem elektrischen Widerstand,
beispielsweise aus Kunststoff, vorteilhafterweise zwischen die vier
leitfähigen
Elemente des gleichen Dipols installiert wird, um die Befestigung
der Einheit zu verstärken.
Dieses Teil 20 dient auch zur Befestigung der beiden Koaxialkabel 3 und 4,
deren Kernader jeweils mit einem der leitfähigen Elemente verschweißt ist.
Dieses Verbindungsstück
ist durchbrochen, um seinen Einfluss auf die betreffende Zelle 10 zu minimieren.
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Die
Antennenanlage mit gekreuzter Polarisation ist außerdem mit
mindestens mit einer Metalltrennwand, wie z.B. 21, zwischen
den Zellen oder Zellengruppen der Anlage ausgerüstet. Die einzelne Wand 21, die
in dem Antennensystem gemäß den 3 und 4 verwendet
wird, ist entlang der Querachse des Reflektors 11 vorgesehen.
Sie ist am Reflektor befestigt, wobei sie über diesen hinausragt. Sie
verhindert eine direkte Kopplung zwischen den Strahlungselementen,
die auf beiden Seiten der Wand angeordnet sind.
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Ebenfalls
gemäß der Erfindung
ist dieses Antennensystem außerdem
mit einem indirekten Luft-Kopplungskompensator zwischen den Dipolen
ausgerüstet,
wobei diese indirekte Kopplung zum Großteil aus der Kopplung zwischen
den elektrischen Feldern durch Störungsrückstrahlungen auf den Reflektor
resultiert, insbesondere an den Längskanten, die im Allgemeinen
gefaltet vorgesehen sind und mit 11A und 11B bezeichnet werden.
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Der
Kopplungskompensator enthält
zwei Profile oder Winkel 23A, 23B. Diese Winkel
sind auf dem ebenen, rechteckigen Reflektor parallel zu den Längskanten
installiert und auf symmetrische Weise auf beiden Seiten der Längsachse,
an der die vier Zellen ausgerichtet sind, angeordnet.
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Die
beiden Winkel bieten zusätzliche
reflektierende Oberflächen
in Bezug auf die Kanten, so dass die Rekombination der von den Kanten
und den Winkeln reflektierten elektrischen Felder zu einer erheblichen
Verringerung der Kopplung zwischen den beiden orthogonalen Polarisationen
des Antennensystems führt.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsvariante
der Erfindung,
5, umfasst jeder Winkel
23A oder
23B eine
Basis
24A oder
24B, die auf dem Reflektor
11 befestigt
ist, und einen Grat
26A oder
26B, der um einen Winkel α unter 180
Grad in Bezug auf die Basis gefaltet ist, beispielsweise einen rechten
Winkel. Die verschiedenen Maße
des in
5 dargestellten Antennensystems lauten in Millimeter
(mm) beispielsweise:
| – Breite
des Reflektors | 250
mm |
| – Höhe jeder
Kante | 32
mm |
| – Höhe des Grats
auf jedem Winkel | 35
mm |
| – Abstand
des Grats zur nächsten
Kante | 84
mm |
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsvariante
der Erfindung,
6, umfasst jeder Winkel
23A oder
23B ein
Flachstück
28A oder
28B,
das in Bezug auf den Grat gefaltet ist, beispielsweise in einem
rechten Winkel, und in Richtung der entsprechenden Längskante
11A oder
11B ausgerichtet
ist. Die verschiedenen Maße
des in
6 dargestellten Antennensystems lauten beispielsweise:
| – Breite
des Reflektors | 300
mm |
| – Höhe jeder
Kante | 48
mm |
| – Höhe des Grats
auf jedem Winkel | 20
mm |
| – Abstand
des Grats zur nächsten
Kante | 128
mm |
| – Breite
des Flachstücks | 37
mm. |
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In
den beiden vorgenannten Beispielen weist das Antennensystem eine
Bandbreite zwischen 872 MHz und 960 MHz auf, wobei das Zentrum bei
915 MHz liegt. Um die Kopplung zwischen den beiden orthogonalen
Polarisationen des Antennensystems experimentell zu bestimmen, wird
eine elektromagnetische Leistung von einer Energiequelle an die
Dipole 1A–1B der
vier identischen Zellen 10 geschickt, deren Polarisation
mit der Längskante 11A einen
Winkel von +45 Grad bildet. Die Dipole 2A–2B der
Zellen 10, deren Polarisation mit der Längskante 11B einen
Winkel von –45
Grad bildet, erfassen eine Leistung durch die Kopplung, die beim
Vorhandensein der beiden, in den vorgenannten Beispielen beschriebenen
Winkel in einer Größenordnung
von einem Tausendstel der von der Energiequelle ausgesandten Leistung
liegt; ist der Winkel nicht vorhanden, liegt sie in einer Größenordnung
von einem Hundertstel. Auf diese Weise bieten die beiden Winkel
die Möglichkeit,
die Kopplung zwischen den beiden gekreuzten Polarisationen des Antennensystems, das
von 20 Dezibel (dB) auf 30 dB wechselt, auf ein Zehntel zu verringern.
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In
einer nicht abgebildeten Variante kann der Kompensator auf jeder
Seite der vier Zellen mehrere Winkel wie die zuvor beschriebenen
oder ein Profil mit mehreren Graten wie die zuvor beschriebenen
Winkel beinhalten.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die Struktur des Antennensystems gemäß der Erfindung
zusätzlich mit
einer Radarkuppel 30 ausgerüstet ist, die an den Rändern des
Reflektors 11 befestigt ist, wie in 3 und 4 dargestellt.
Zur besseren mechanischen Festigkeit der Radarkuppel ist ein Halteteil 31 am
Mittelteil der Metallwand 21 befestigt.