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Anordnung zum Senden und/oder Empfangen ultrahochfrequenter elektrischer
Schwingungen des Dezimeter- oder Zentimeterwellenlängengebietes Die Erfindung betrifft
Anordnungen zum Senden oder/und Empfangen; ultrahochfrequenter el@ektrischer Schwingungen
des Dezimeter- oder Zentimeterwellenlängengebietes und bezieht sich. insbesondere
auf die Ausbildung des Strahlers.
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Bei derartigen Anordnungen werden zweckmäßig sogenannte Flächenstrahler
verwendet. Ein, Flächenstrahler besteht aus einem von Metallflächen gebildeten,
mit einer Öffnung (Strahlungs:durchtrittsöffnung) zum Aus- bzw. Eintritt der auszusendenden
bzw. zu empfangenden Ultrahochfrequenzenergie versehenen Hohlkörper, der auf die
auszusendende bzw. zu empfangende, Wellenlänge abgestimmt ist und' bei dem ferner
die Tiefe (d. h. der Abstand zwischen der Ebene der Strahlungsdurchtrittsöfffnung
und dem Scheitel bei parabolischer bzw. der Rückwand bei kastenförmiger Form des
Flächenstrahlers) einen Viertelwellenlänge äquivalent ist, derart, daß sich längs
des Randes der Strahlungsdurchtrittsöffnu:ng für die Betriebswellenlänge ein Spannungsbauch
(Stronvknoten) befindet. Derartige Strahler zeichnen! sich nicht nur ,durch eine
gute Bündelung an sich, sondern auch dadurch aus, da,ß ihre Strahlungscharakteristiken
weitgehendst von: Nebenmaxima frei sind(. Zum wesentlichen Teil beruhen die Vorteile
des Flächen, strahlers auch auf der besonderen Art der Ankopplung bzw. Anregung;
die grundsätzlich von, dien bekannten Anordnungen; verschieden ist, bei denen sich
im Brennpunkt eines Parabolspiegels eint Dipol
befindet und: -dem
BündKüngsvorgang dieoj#tischen Gesetze zugrunde gelegt werden. Bei diesen bekannten
Anordnungen strahlt sowohl der im Brennpunkt angeordnete Dipol als auch der Parabolspiegel,
dtr von dem Dipol her durch Strahlun:gskopplung angeregt wird. Die Brennweite des
Parabolspiegels beträgt dabei eine Viertelwellen länge der z. B. auszusendenden
ultrahochfrequenten elektromagnetischen Schwingungen. Das letztere hat den Zweck,
daß die vorn ,dem Scheitel des Parabolspiegels reflektierte Strahlung Phasenrichtung
auf den im Brennpunkt angeordneten Dipol zurückgelangt. Es überlagern sich bei den
bekannten Anordnungen zwei Strahlungen, nämlich die direkte Strahlung dies Dipols,
und ferner die Strahlung. des mach optischen Gesichtspunkten bemessenen Parabolspiegels.
Demgegenüber ist ein-Flächenstrahler grundsätzlich anders bemessen, nämlich so,
daß er in der oben angegebenen Weise als Resonator schwingt, und es ist dies weiteren
die Art der Anregung so. gewählt, daß nur eine Strahlung vorhanden ist, und zwar
die von dem den Flächenstrahler bildenden Hohlkörper erzeigte Strahlung (wobei der
Hohlkörper auch parabolisch geformt sein kann). Bei bekannten Anordnungen wird dieses
dadurch erreicht, daß, z. B. im Fall des Sendens; der Flächenstrahler über ein Kopplungsspalt
mit dem Feldraum einer zum Sender führenden, beispielsweise konzentrischen Energieleitung
in Verbindung stet und lediglich dadurch angeregt wird, daß ein Teil des Flächenstromes
dies Außenleiters der konzentrischen Energieleitung über dien Flächen strahler fließt
(Stromkopplung). An eine Energieleitung kaum man mehrere Flüchenstrahler, gegebenenfalls
über Stichleitungen oder Zweigleitungen, anschließen, so da,B ein Gruppenstrahler
entsteht.
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Es ist weiter bekannt (französische Patentschrift 84z o36), eine Energieleitung
mittels eines geschlossenen Resonators an einen strahlenden Hohlkörper derart anzukoppeln,
daß, der Resonator teilweise in den Hohlkörper eintritt und mit ihm durch einen
Kopplungsspalt in Verbindung steht. Dies hat dien Nachteil, d'aß der Kopplungsspalt
seinerseits selbst Energie direkt abstrahlen kann, und dies um so mehr, je fester
seine Ankopplung an den Hohlkörper ist, d. h. je breiter der Kopplungsspalt wird.
Diese Erscheinung wind durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung des I,#,opplungsres@on
ators verhindert. = Erfindungsgemäß wird die Einrichtung- so getroffen, daß in dem
den Flächenstrahler bildenden Hohlkörper ein. mit einer zum Sender bzw. Empfänger
führenden Energieleitung :gekoppelter, geschlossener Resonator (Kopplungsresonato.r)
vorgesehen ist, dessen Feldraum ein Teil des Feldraumes des Hohlkörpers, zweckmäßig
jedöch klein gegenüber dem Feldraum des Hohlkörpers- ist und der von einem Leiter
(Kopplungsleiter 4) und den den Scheitel bzw. die Rückwand 3 dies Hohlkörpers darstellenden
Metalllflächen gebildet wird und die Form einer auf die .Betriebswellenlänge abgestimmten;
vorzugsweise einer Viertelwellenlänge oder einer halben. Wellenlänge - äquivalenten.
Doppel-Leitung besitzt, deren:- Leiterabstand. a klein zur Viertelwellenlänge ist,
insbesondere 5/ioo bis 1°/10o der Betriebswellenlänge beträgt. Durch diese Anordnung
ist es möglich, unter Vermeidung einer direkten Abstrahlung durch den Kopplungsresonator
die Ankopplun:g des Flächenstrahlers an die Energieleitung überaus fest zu machen.
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Unter geschlossenen Resonatoren sind dabei Resonatoren zu verstehen,
die im Gegensatz zu den; offenen Resonatoren (z. B. Dipol) nach außen hin entweder
gar nicht strahlen oder aber nur wenig strahlen;, indem sie mit einer .gewissen,
geringen Streustrahlung behaftet sind:. Zu dien geschlossenen Resonatoren gehören
daher die aus konzentrierter Induktivität und Kapazität bestehenden; Schwingungskreise
(insbesondere Hohlraumschwinbgungskreise) sowie Doppelleitungen (Lecherleitungen),
die z. B. aus zwei parallelen Drähten oder Bändern, bestehen. Gegenüber einer Doppeldrahtleitung
zeichnet sich z. B. eine aus parallelen Bändern gebildete Doppelleitung durch wesentlich.
geringere Strahlungsverluste (Streustrahlung) aus.
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Der Kopplungsleiter kann nun aus einem Draht bestehen, so daß der
Kopplungsresonator von einer Doppelleitung gebildet wird, deren einer Leiter aus
dem erwähnten Draht und der andere Leiter aus den zu diesem Draht parallelen Metallflächen
des strahlenden Hohlkörpers besteht. Eine in .der Mehrzähl der Fälle bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung liegt daher darin, daß, der Kopplungsleiter aus einem
bandförmigen Leiter besteht, dessen Metallflächen parallel zu den -Scheitelflächen,
des Hohlkörpers bzw. zu der Rückwand des Kastenstrahlers verlaufen. In diesem Fall
besteht also, der Kopplungsresonator sozusagen aus zwei parallelen Bändern; die
in geringem Abstand voneinander verlaufen:. Der Abstand der beiden parallelen Bänder
ist wiederum klein zur Wellenlänge und beträgt insbesondere 5hoo bis lohoo der Betriebswellenlänge.
Handelt es sich um einen Kastenstrahler, so besteht der eben geschilderte Kopplungsresonator
aus zwei parallelen, in parallelen Ebenen verlaufenden Bändern. Ist der Hohlkörper
bzw. Flächenstrahler etwa parabolisch gewölbt, so. ist der bandförmige Kopplungsleiter
entsprechend zu wölben, so daß er mit den. gegenüberliegenden Teilen des Scheitels
des Hohlkörpers eine Doppelleitung aus zwei parallelen Bändern bildet. Der so beschaffene
Koppfungsresonator hat nur eine sehr geringe, für -den vorliegenden Zweck vernachlässigbare
Streustrahlung und liefert daher praktisch keine direkte Strahlung. Lediglich der
durch den Kopplungsresonator angeregte Hohlkörper wird (im Fall des Senders) zum
Schwingen angeregt, und nur er bewirkt (als Primärstrahler) die Ausstrahlung. Die
Breite des bandförmigen Kopplungsleiters beträgt zweckmäßig weniger als eine Viertelwellenlänge;
in: bevorzugten Fällen ist sie klein gegen- eine Viertelwellenlange.
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Der Kopplungsresonator kann insbesondere eine Doppelleitung bilden,
die einer Viertelwellenlänge oder einer halben Wellenlänge äquivalent ist. Die Anregung
des Kopplungsnesonators der. erwähnten
Art kann, erfindungsgemäß
dadurch erfolgen, daß der droht- oder (vorzugsweise) bandförmige Kopplungsleiter
an den Innenleiter einer konzentrischen, zum Sender bzw. Empfänger führenden Energieleiturig
angekoppelt, vorzugsweise galvanisch angeschlossen ist. Die Ankoppiungsstelle bzw:
Anschlußstelle des Kopplungsleiters an dien. -In.nenileiter der konzentrischen Energieleitung
befindet sich im Fall einer halben Wellenlänge äquivalenten Kopplungsleitung, zweckmäßig
inRichtung der größeren Ausdehnung des Kopplungsleiters gesehen, zwischen dem einen
freien Ende und der Mitte desselben, und ist vorzugsweise so gewählt, daß in der
Energieleitung eine rein laufende Welle auftritt. Da für konzentrische Energieleitungen
vom üblichen Wellenwiderstand (z. B. 76 Ohm) Leiter von verhältnismäßig großen Durchmess,errn
Anwendung finden:, ist es zweckmäßig, die Leiber der konzentrischen Energieleitung
unmittelbar vor dem Flächenstrahler zu verjüngen.., und zwar so:, -daß dabei der
Wellenwiderstand der gleiche bleibt, aber der Durchmesser des Außenleiters dem Durchmesser
eines Ausschnittes: im Scheitel bzw. in der Rückwand des Flächenstrahlers entspricht,
an dessen Ränder seine Ränder (vorzugsweise galvanisch) angeschlossen werden sollen.
Der Durchmesser dieses Ausschnittes ist vorteilhaft so. beimessen, daß er gleich
oder kleine r ist als die Breite des bandförmiglen Kopplungsleiters, die ihrerseits
kleiner als eine Viertelwellenlänge sein soll. Auf diese Weise ist auch vermieden,
daß-aus dem Ende der, Energieleitung direkt Strahlung austritt.
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Durch. Wahl der Anschlußstelle des Innenleiters der konzentrischen
Energieleitung an den Kopplungsleiter (zwischen freiem Ende und der Mitte) kann
der gewünschte Grad der Kopplung hergestellt werden und ferner eine Anpassung derart
erzielt werden, daß auf.der konzentrischen Energieleitung praktisch eine rein laufende
Welle auftritt. Für den. Grad der Kopplung zwischen Hohlkörper b:zw. Flächenstrahler
und Resonator ist im übrigen, die Größe des Feldraumes maßgebend, den dies"- beiden
Teile gemeinsam haben. Die Kopplung ist um so stärker, je größer der gemeinsame:
Feldraum ist. Andererseits darf die Größe des gemeinsamen! Feldraumes und: damit
der Leiterabstand der den Kopplungsreso:nator darstellenden Leitung nicht zu groß
gewählt werden, da sonst, wenn der Abstand etwa eine Viertelwellenlänge beträgt,
der Kopplungsresonator als Strahler wirkt, ähnlich wie bei den obenerw ähnten bekannten
Anordnungen, bei denen im Brennpunkt eines Parabolspiegels ein Lipol angeordnet
ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das insbesondere für Strahler
zum. Senden vorteilhaft ist, ist in den Abb. i .und 2 dargestellt. Abb. i zeigt
den Seitenriß, Abb. 2 die Draufsicht eines kostenförmigen Flächenstrahlers, der
von: einer konzentrischen Energieleitung, in welcher eine rein laufende Welle bestehen
soll, erfindungsgemäß angeregt wird. Die Betriebswellenlänge ist mit A, bezeichnet.
i ist der als Strahler dienernde: Kasten (Kastenstrahler)--einer Tiefe
d, -äquivalent -;j/49 so daß an seinen vorderen; Rand 2 für die Betriebswellenlänge
eine Knotenlinie des Stromes besteht. Das elektrische Feld e des Kastenstrahlers
soll in Richtung des Pfeiles der Abb. 2 schwingen. Zur Anregung ist nahe der Kastenrückwand
3 ein. bandförmiger Leiter 4 angeordnet, der zusammen, mit der Rückwand 13 eine
Kopplungsleitung bildet, die auf die Betriebswellenlänge abgestimmt ist und! vorzugsweise
eine #/2 äquivalente Länge besitzt. Die Breite b dieser bandförmigen Leitung wird
mög" lichst groß, jedoch klein zur 44-Wellenlänge- gewählt. Die Kopplung zwischen
der Kopplungsleitung 3, 4 und dem kastenförmigen Resonator i ist um so fester, je
größer der den beiden Resonatoren gemeinsame Feldraum ist. Die Kopplung wird für
größere Werte des Abstandes a. zwischen 3 und 4 groß sein: und um so kleiner werden,
je kleiner der Abstand a gewählt wird. Für die Wahl von: a: sind. folgende
Überlegungen maßgebend: a muß klein im Vergleich zu A/4 gewählt werden, denn sonst
strahlt der Kopplungsleiter 4, und sein! Strahlungsdiagramm überlagert sich störend
dem Strahlungsdiagramm dies Kastens i. Wenn man a. also: klein. gegen A/4 wähnt,
so: wird, wie Versuche ergeben haben, das Strahlungsdiagramm des Kastens i durch:
die Anwesenheit des Leiters 4 nicht beeinfiußt. Andererseits darf a nicht so klein
,gewählt werden, daß die Kopplung zwischen der Kopp:l:un:gsleitung 3, 4 und dem
Kasten i auf Werte absinkt, die für die Energieübertragung nicht mehr ausreichen.
Praktische Versuche bei einer Wellenlänge von A = 14 en, haben, ergeben, daß der
Leiter 4 eine Länge von etwa 7 en, und einen Abstand a. von einigen Millimetern,
insbesondere etwa 8 bis. 12 mm haben: muß. Unter diesen Verhältnissen müßte die
speisende Energieleitung mit dem Innenleiter 7 und dem Außenleiter 8, -,venrn sie
in: der Nähe des freien; Endes des Leiters 4 angekoppelt würde, einen: Wellenwiderstand
von etwa + foo Ohm haben. Wünscht man: nun auf dem Leiter 7, 8 eine laufende Welle
und setzt man voraus, daß, wie üblich, ihr Wellenwiderstand 76 Ohm ist, so erhält
man die laufende Welle nur, wenn man den Anschlußp.unkt des Innenleiters. 7 nicht
am Ende des Leiters, 4, sondern von diesem nach der Mitte verschoben anordnet; den
bei einer stehenden Welle zwischen dien Leitern: 3 und 4 mit Spannungsbäuchen an
beiden Enden muß, um eine rein laufende Welle zu erhalten, der Wellenwiderstand
der speisenden Leitung7, 8 um so kleiner sein, je näher der Anschlußpunkt vom freien
Ende des Leiters 4 nach dessen Mitte hin verschoben, wird:. (Mit der Entfernung
des Anschlußpunktes vom freien Ende des Leiters 4 nimmt die Spannung der laufenden
Welle an der Leitung 7, 8 ab, während ihr Strom mit Rücksicht auf die konstant angenommene
Energieabstrahlung des. Kastens zunimmt. Der Quotient zwischen Strom und, Spannung
an: der Leitung 7, 8 ergibt den Wellenwiderstand in dieser Leitung.) Da die Bandbreite
des Leiters 4 zweckmäßigerweise nicht größer als etwa to bis 15 mm (bei A; = 14
cm) gewählt wird, um unerwünschte Schwingungen. zu verhindern, und: da andererseits
die
üblichen Energieleitungen in vielen Fällen Durchmesser haben,
die weit oberhalb zo bis 15 mm liegen, so ist es zweckmäßig, die vom Sender kommende
Leitung 5, 6 in dem konischen Stück 7, 8 ohne Änderung des Wellenwiderstandes zu
verjüngen auf einen Durchmesser, der in der Nähe, vorzugsweise unterhalb der Breite
des Bandes q. liegt.
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In vielen Fällen ist der einer hälben Wellenlänge äquivalente Kopplungsresonator
bzw. die einer halben Wellenlänge äquivalente Kopplungsleitung eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung. In anderen Fällen kann jedoch auch mit besonderem Vorteil einer Viertelwellenlänge
äquivalenter Kopplungsresonator bzw. eine einer Viertelwellenlänge äquivalente Kopplungsleitung
Anwendung finden. Ein Ausführungsbeispiel für diesen Fall ist in der Abb. 3 dargestellt.
Die dort gezeigte Anordnung stimmt in allen sonstigen Teilen mit der in Abb. z,
2 veranschaulichten Anordnung überein, und es sind daher insoweit d neselben Bezugszeichen
gewählt. Jedoch ist nun bei> dem Ausführungsbeispiel nach der Abb. 3 an das freie
Ende des Innenleiterstückes 7 der konzentrischen Energieleitung ein Kopplungsleiter
9 von solcher Länge :angeschlossen, daß er zusammen mit der Rückwand 3 des Kastenstrahlers
eine einer Viertelwellenlänge äquivalenteDoppelleitungbildet. Auch hierbei besteht
der Kopplungsleiter aus einem bandförmigen Leiter; so daß die breite -Fläche des
Bandes parallel zur Rückwand 3 des Kastenstrahlers verläuft. Bezüglich der Breite
des Bandes gelten die oben gemachten Angaben. Die Länge des bandförmigen Leiters
g beträgt wenigstens angenähert eine Viertelwellenlänge und ist jedenfalls so bemessen,
daß der Leiter 9 zusammen mit der Rückwand 3 des Kastenstrahlers eine einer Viertelwellenlänge
äquivalente Doppelleitung darstellt. In der Abb. 3 ist die Stelle der Einmündung
des Außenleiterstückes 8 der konzentrischen Energieleitung genau so gewählt wie
in der Abb. z. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, diese Stelle in anderer
Weise anzubringen und z. B. in die Mitte der Rückwand 3 des Kastenstrahlers zu verlegen.
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Bezüglich der Anbringung dieser Mündungsstelle bestehen auch noch
andere Möglichkeiten. Bei einer in vielen Fällen besonders. vorteilhaften Anordhung
befindet sich die erwähnte Mündungsstelle nicht in der Scheitelfläche bzw. Rückwand
des Flächenstrahlers bzw. Kastenistrahlers, sondern in einer seitlichen Begrenzungswand.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für diesen Fall ist in der Ab#b. q. dargestellt.
Die Mündungsstelle befindet sich liier in einer seitlichen Begrenzungswand r' des
Kasten strahlers und insbesondere an, der Stoßstelle zwischen dieser Seitenwand,
r' und der Rückwand 3 des Kastenstrahlers. Diese Anordnung bietet, wie aus der Zeichnung.
ersichtlich, vielfach wesentliche Vorteile hinsichtlich der räumlichen, Anordnung,
insbesondere wenn es sich darum handelt, etwa mit ein und derselben Energieleitung,
mehrere Flächenstrahler zu verbinden und einen! Gruppenstrahler zu schaffen, dessen,
Flächenstrahler nebeneinander und übereinander angeordnet sein sollen.
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Der Erfindungsgegenstand bietet die Möglichkeit, eine gewünschte hinreichend
feste Kopplung zwischen, Energieleitung und Flächenstrahler zu erzielen. Außerdem
läßt sich die Ankopplung des Flächenstrahlers in einfacher Weise so gestalten, daß
insbesondere im Fall des Senders die Energieleitung eine rein laufende Welle führt.
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Statt eines Flächenstrahlers in Form eines rechteckigen Kastens kann
in; entsprechender Weise irgendeine andere Querschnittsform, z. B. eine kreisförmige
oder elliptische Dose von einer Tiefe, d!ie äquivalent A/4 ist, angewendet wenden,
so daß der Querschnitt in Achserrichtung der gleiche bleibt.
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An Stelle eines solchen Hohlkörpers bzw. Kastens mit ebener Rückwand
kann auch irgendein anderer geformter Hohlkörper (Hohlraum) als Strahler verwendet
werden, z. B. ein Hohlkörper mit gewölbter Rückwand. Bei gewölbter Rückwand wäre
der Kopplungsleiter q. bzw. 9 der Krümmung, der Wand anzupassen, also zu dieser
parallel anzuführen, Das gleiche gilt, wenn der Hohlkörper bzw. Flächenstrahler
in seinem ;ganzen, durch die Achse .gelegten Querschnitt andere als rechteckige
Gestalt, z. B. parabolische Gestalt, besitzt und also beispielsweise einen parabolischen
Zylinder darstellt.
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Die erfindungsgemäße Ankopplung von Flächenstrahlern kann auch vorteilhaft
bei Gruppenstrahlern Anwendung finden, also bei Strahleranordnungen, bei denen mehrere
Flächenstrahler von: einer gemeinsamen Energieleitung gespeist werden, die ihrerseits
zum Sender bzw. Empfänger führen. Zu diesem Zwecke kann beispielsweise die in denn
Abbildungen dargestellte Anordnung verwendet werden, indem eine Energieleitung (Hauptenergieleitung)
in geeigneten. Abständen mit Strichleitungen versehen ist und jede Stichleitung
in der in Abb. r, 3 oder q. dargestellten Weise ausgebildet und mit einem Flächenstrahler,
insbesondere Kastenstrahler, gekoppelt ist. Am Ende jeder der zweckmäßig als konzentrische
Lecherleitunagen ausgebildeten Stichleitungen ist dann: in der in Abb. z dargestellten
Weise ein Flächenstrahler bzw. Kastenstrahler vorgesehen. Auch die Hauptenergieleitun:g
ist zweckmäßig als, konzentrische Energieleitung ausgebildet.
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An Stelle von. Stichleitungen werden vielfach mit besonderem Vorteil
Zweigleitungen verwendet, und: zwar Zweigleitungen, die dadurch. gebildet werden,
daß in den Feldraum der Energieleitung eine oder mehrere sogen:annteTrennwän@deeingefügt
werden, die sich senkrecht zur elektrischen Feldstärke der Energieleitung erstrecken.
Hierdurch kann die Hauptenergieleitung in zwei oder mehrere Zweigleitungen (Teilleitungen)
aufgeteilt werden, und zwar ohne daß an der Verzweigungsstelle eine Reflexion; auftritt.
Es. bleibt vielmehr auf der Hauptenergieleitung die rein laufende Welle erhalten.,
indem an der Verzweigungsstelle die Summe der Wellenwiderstände der Teilleitungen
gleich dem Wellenwiderstand der Hauptenergielei.tung ist. An jede der Teilleitungen
bzw. an das. Ende derselben
kann nun ein. Flächenstrahler in der
erfindungsgemäßen Weise aalgefügt werden.