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Die
Erfindung betrifft eine Gruppenantenne mit einer Anzahl von Resonanz-Strahlerelementen nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus der
JP 2000134028 A bekannt
ist.
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Gruppenantennen
werden durch Kombination von einzelnen Antennenelementen und einem Netzwerk
zur gemeinsamen Speisung hergestellt. Zur Erzielung einer möglichst
großen
Anpassungsbandbreite der Gesamtantenne kommen Netzwerke in Frage,
die aus Parallelverzweigungen von Speiseleitungen bestehen (Parallel-speisung)
im Gegensatz zu solchen aus Serienordnungen (Serien-speisung). Für Gruppenantennen
mit Senkrechtstrahlung werden Parallelspeisenetzwerke verwendet,
die gleichlange Signalwege vom Speisepunkt zu jedem Strahlerelement
gewährleisten,
so daß alle
Strahler für
alle Frequenzen gleichphasig arbeiten. In solchen Gruppenantennen
ist die Anpassungsbandbreite gewöhnlich
allein durch die Bandbreite der Strahlerelemente bestimmt, da das
Netzwerk mit breitbandigen Leitungsverzweigungen aufgebaut werden
kann. Die relative Bandbreite von Gruppenantennen mit Resonanz-Strahlerelementen,
vor allem vom Typ Microstrip-Patch-Antenne wird daher auf nur wenige
Prozent begrenzt, je nach der Höhe
des verwendeten Substratmaterials. Größere Bandbreiten können erreicht werden,
wenn entsprechende Strahlerlemente verwendet werden, z.B. Mehrlagen-Elemente
(„Stacked Patch") oder aperturgekoppelte
Patch-Elemente („elektromagnetische
Kopplung"), was
jedoch erheblich aufwendiger und teurer ist als die Realisierung von
einlagigen Patch-Antennen. Ein anderer bekannter Lösungsvorschlag
sieht eine Transformationsschaltung an jedem Antennenelement vor,
das die Blindanteile der Strahlerimpedanz durch eine duale Resonatorschaltung
in der Nähe
der Resonanzfrequenz des Strahlerelements kompensiert. Eine solche
Schaltung kann ebenfalls zu beträchtlichen Mehrkosten
führen
und benötigt
zusätzlichen
Platz auf der Antennenstruktur bzw. im Speisenetzwerk.
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Gruppenantennen
mit einer Anzahl von Resonanz-Strahlerelementen und einem Speisenetzwerk,
welches eine Anzahl von zwischen einen Eingangsanschluß und die
einzelnen Resonanz-Strahler-elemente parallel geschaltete Speiseleitungen enthält, sind
allgemein bekannt.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es eine Gruppenantenne mit Resonanz-Strahlerelementen
so auszugestalten, daß eine
Erhöhung
der Anpassungsbandbreite ohne nachteiligen Mehraufwand in den Strahlern
und dem Speisenetzwerk möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Gruppenantenne gemäß dem Anspruch
1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gruppenantenne sind in
den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Durch
die Erfindung wird eine Gruppenantenne mit einer Anzahl von Resonanz-Strahlerelementen
und einem Speisenetzwerk, welches eine Anzahl von zwischen einen
Eingangsanschluß und die
einzelnen Resonanz-Strahlerelemente
parallel geschaltete Speiseleitungen enthält, geschaffen. Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, daß die
parallel geschalteten Speiseleitungen gleich lange Signalwege aufweisen
und jeweils einen schwach angekoppelten Transmissionsresonator enthalten.
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Ein
Vorteil der erfindungsgemäßen Gruppenantenne
ist es, das Speisenetzwerk gleichzeitig zur Verteilung bzw. Sammlung
der Signale an den Resonanz-Strahlerelementen und zur Kompensation
der Blindanteile der Strahlerelementimpedanz dient.
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Die
Transmissionsresonatoren sind durch zwei in den Speiseleitungen
angeordnete Blindelemente gebildet.
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In
der Speiseleitung sind ein erstes Blindelement in einem ersten Abstand
l1 und ein zweites Blindelement in einem
zweiten Abstand, der größer als der
erste Abstand l1 ist, vor dem jeweiligen
Resonanz-Strahlerelement angeordnet. Hierbei ist erfindungsgemäß das zweite
Blindelement in einem Abstand l2 ≈ N·λ/2 vor dem
ersten Blindelement angeordnet, wobei N = 1, 2, 3 ... und λ die Arbeitsmittenfrequenz
der Gruppenantenne ist.
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Vorzugsweise
verzweigen sich die Speiseleitungen von einem gemeinsamen Eingangsanschluß auf mehrere
Resonanz-Stahler-elemente.
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Vorzugsweise
sind die Signalwege aller Speiseleitungen zwischen dem Eingangsanschluß und den
jeweiligen Resonanz-Strahler-elementen gleich lang.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gruppenantenne ist es vorgesehen,
daß sich
die Speiseleitungen an jeweiligen Verzweigungen von einem jeweiligen
gemeinsamen Zweig in jeweilige einzelne Zweige aufspalten, wobei sich
das erste Blindelement strahlerelementseitig an einer bestimmten
Verzweigung befindet und sich das zweite Blindelement eingangsseitig
an einer anderen bestimmten Verzweigung befindet.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung hiervon befindet sich in einem Zweig
einer Speiseleitung zwischen dem ersten Blindelement und dem zweiten
Blindelement eine einzige Verzweigung.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform ist
es vorgesehen, daß sich
in einem Zweig einer Speiseleitung zwischen dem ersten Blindelement und
dem zweiten Blindelement mehrere Verzweigungen hintereinander befinden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Gruppenantenne
ist es vorgesehen, daß die
Gruppenantenne eine Gruppe von 2 × 2 Patch-Strahlern enthält, bei
der das Speisenetzwerk einen mit einem einzigen Eingangsanschluß verbundenen
gemeinsamen Eingangszweig enthält,
welcher sich an einer ersten Verzweigung in zwei getrennte erste
Zweige aufspaltet und wobei sich die getrennten ersten Zweige an
zweiten Verzweigungen in mit den einzelnen Patch-Strahlern verbundene
Einzelzweige aufspalten, und wobei die ersten Blindelemente in einem
ersten Abstand l1 jeweils vor den einzelnen
Patch-Strahlern angeordnet sind und die zweiten Blindelemente in
einem zweiten Abstand l2 von den ersten
Blindelementen in Richtung hin zum Eingangsanschluß vorgesehen
sind.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Gruppenantenne enthält diese
eine Gruppe von 1 × 8
Patch-Strahlern, wobei das Speisenetzwerk einen mit einem Eingangsanschluß verbundenen
gemeinsamen Eingangszweig enthält,
welcher sich an einer ersten Verzweigung in zwei getrennte erste
Zweige aufspaltet, wobei sich jeder der getrennten ersten Zweige
an zweiten Verzweigungen in jeweils zwei getrennte zweite Zweige
aufspaltet und sich jeder der getrennten zweiten Zweige an dritten
Verzweigungen wiederum in jeweils zwei mit den einzelnen Patch-Strahlern
verbundene getrennte Einzelzweige aufspaltet, und wobei die ersten
Blindelemente in einem ersten Abstand l1 jeweils
vor den einzelnen Patch-Strahlern angeordnet sind, und die zweiten
Blindelemente in einem zweiten Abstand l2 von
den ersten Blindelementen in Richtung hin zum Eingangsanschluß angeordnet
sind.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform sind
die ersten Blindelemente in den mit den einzelnen Patch-Strahlern
verbundenen getrennten Einzelzweigen angeordnet.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform ist
ein gemeinsames Blindelement in dem gemeinsamen Eingangszweig angeordnet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
sind die ersten Blindelemente zwischen den zweiten Verzweigungen
und den dritten Verzweigungen in den getrennten zweiten Zweigen
vorgesehen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
sind die zweiten Blindelemente zwischen der ersten Verzweigung und
den zweiten Verzweigungen in den getrennten ersten Zweigen vorgesehen.
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Vorzugsweise
sind die Blindelemente durch Kapazitäten gebildet.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform sind
die Kapazitäten
durch an den Speiseleitungen vorgesehene Stichleitungen gebildet.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform können die
Blindelemente durch Induktivitäten
gebildet sein.
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Die
Verzweigungen sind vorzugsweise T-Verzweigungen.
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Die
T-Verzweigungen können
Wilkinson-Teiler, reaktive T-Verzweigungen,
Richtkoppler mit Phasenkompensation oder magische T-Verzweigungen sein.
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Die
Resonanz-Strahlerelemente können auch
durch Dipole oder durch Schlitzstrahler gebildet sein.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform enthält das Speisenetzwerk
symmetrische Verzweigungen.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform kann
das Speisenetzwerk unsymmetrische Verzweigungen enthalten.
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 ein
schematisiertes Schaltbild, welches die Prinzipschaltung eines Transmissionsresonators
an einem Resonanz-Strahlerelement
einer Gruppenantenne gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
Erfindung zeigt;
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2 ein
Diagramm, das die Anpassungsbandbreite von Resonanz-Strahlerelementen
für den Fall
herkömmlicher
Beschaltung und für
den Fall erhöhter
Bandbreite gemäß der vorliegenden
Erfindung wiedergibt;
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3 eine
schematisierte Darstellung einer Gruppenantenne mit einer 2 × 2-Gruppe
von Patch-Strahlern gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
Erfindung; und
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4 eine
schematisierte Darstellung einer Gruppenantenne mit einer 1 × 8-Gruppe
von Patch-Strahlern gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Bei
der in 1 dargestellten Prinzipschaltung bedeutet das
Bezugszeichen 101 ein Resonanz-Strahlerelement einer Gruppenantenne.
Dieses ist über
eine Speiseleitung 104 mit einem Eingangsanschluß 103 verbunden.
Auf der Speiseleitung 104 sind Blindelemente in Form von
quer geschalteten Kapazitäten
C1 und C2 in einem
Abstand l2 ≈ N·λ/2, mit N = 1, 2, 3 ... bei
der Arbeitsmittenfrequenz λ der Antenne
vorgesehen. Durch diesen Schaltungsteil ist ein schwach angekoppelter
Transmissionsresonator gebildet, dessen Sperrdämpfung mit der Größe der Kapazitäten steigt,
und dessen Bandbreite mit steigender Länge l2 abnimmt.
Zur Kompensation des Blindanteils der Impedanz eines Strahlerelements mit
kleiner Bandbreite wird ein großer
Abstand l2 benötigt, z.B. 2λ. Damit nimmt
der wirksame Imaginärteil
der Filterimpedanz etwa mit derselben Frequenzsteilheit ab wie der
des angeschlossenen Strahlerelements zunimmt. Die Gegenläufigkeit
der Phasengänge
muß weiterhin
eingestellt werden durch den Abstand l1.
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Mit
der in 1 dargestellten Prinzipschaltung ergibt sich am
Eingang 103 der Speiseleitung 104 der Verlauf
eines Reflektionsfaktors, der dem eines zweikreisigen Bandfilters
entspricht. Dieser Verlauf ist in 2 mit einer
strichpunktierten Linie gegen die Frequenz dargestellt. Demgegenüber hat
ein Resonanz-Strahlerelement, das ohne eine Transmissionsresonator,
wie der durch die beiden Kapazitäten C1, C2 gebildet ist,
das Refektionsverhalten eines einfach abgestimmten Resonanzkreises,
wie es in 2 mit der durchgezogenen Linie
dargestellt ist. Die Anpassungsbreite Δf' mit Transmissionsresonator, die einstellbar
ist, kann bis auf etwa die dreifache Breite 3Δf des herkömmlichen Falles Δf gesteigert werden,
abhängig
von dem zugelassenen Reflektionsfaktor innerhalb der Bandbreite.
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Die 3 und 4 zeigen
Ausführungsbeispiele
in Form einer 2 × 2-Gruppe von Patch-Strahlern
bzw. einer 1 × 8-Gruppe
von Patch-Strahlern, welche jeweils über ein Speisenetzwerk 202 bzw. 302 mit
einem Eingangsanschluß 203 bzw. 303 gekoppelt
sind, Die Speisenetzwerke 202; 302 dienen gleichzeitig
zur Verteilung bzw. Sammlung der Signale an den Resonanz-Strahlerelementen 201k bzw. 301k der
Gruppen.
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Die
Umsetzung des anhand der 1 erläuterten Prinzips auf eine Gruppenantenne
mit einem Parallelspeisenetzwerk 202 bzw. 302,
welches eine Anzahl von zwischen den Eingangsanschluß 203; 303 und
die einzelnen Resonanz-Strahlerelemente 201k ; 301k parallel geschaltete Speiseleitungen 204k bzw. 304k enthält, führt allgemein
zu einer Anordnung der Kapazitäten
C1 und C2 in dem
Speisenetzwerk 202; 302 in der Weise, daß die parallel
geschalteten Speiseleitungen 204k ; 304k gleich lange Signalwege aufweisen,
und daß die
Signalwege in gleicher Weise über
eine Folge der im Abstand l2 angeordneten
Kapazitäten
C1 und C2 verlaufen.
Die Kapazitäten
C1 sind durch gleiche Leitungslängen l1 von den Resonanz-Strahlerelementen 201k ; 301k getrennt.
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Bei
der in 3 dargestellten 2 × 2-Gruppe von Patch-Strahlern
ist das Speisenetzwerk 202 nach Art von baumförmig kombinierten
T-Verzweigungen
aufgebaut. Die zu jedem der Strahlerelemente 201k führenden
parallel geschalteten Speiseleitungen 204k ,
von denen eine mit gestrichelten Linien dargestellt ist, verlaufen
in einem Teil des Speisenetzwerk 202 gemeinsam und trennen
sich erst unmittelbar vor den einzelnen Strahler-elementen 201k in einzelne Leitungszweige 211k auf. Im einzelnen enthält das Speisenetzwerk 202 einen
mit dem Eingangsanschluß 203 verbundenen
gemeinsamen Eingangszweig 205, der sich an einer ersten
Verzweigung 206 in zwei getrennte erste Zweige 207i aufspaltet. Die getrennten ersten
Zweige 207i spalten sich ihrerseits
an zweiten Verzweigungen 208i in
die mit den einzelnen Patch-Strahlern 201k verbundenen Einzelzweige 211k auf. Die ersten Blindelemente in Form
der ersten Kapazitäten
C1 sind in einem ersten Abstand l1 jeweils vor den einzelnen Patch-Strahlern 211k angeordnet. Die zweiten Blindelemente
in Form der zweiten Kapazitäten
C2 sind in einem zweiten Abstand l2 von den ersten Blindelementen C1 in Richtung hin zum Eingangsanschluß 203 angeordnet.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist, sind die ersten Kapazitäten C1 für
jedes Strahlerelement 201k getrennt
in dem Einzelzweig 211k des Speisenetzwerks 202 angeordnet,
wohingegen die zweite Kapazität
C2 für alle
Speiseleitungen 204k in Form der
Leitungszweige des Speisenetzwerks 202 gemeinsam in dem mit
dem Eingangsanschluß 203 gekoppelten
gemeinsamen Eingangszweig 205 angeordnet ist.
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Die
Kapazitäten
C1, C2 sind jeweils
in Form einer kurzen leerlaufenden Stichleitung vorgesehen. Wegen
der gleich langen Signalwege in dem Speisenetzwerk 202 sind
alle vier Abstände
zwischen den die Kapazitäten
C1 bildenden Stichleitungen und der die
Kapazität
C2 bildenden Stichleitung gleich.
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Bei
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel einer 1 × 8-Gruppe
von Patch-Strahlern sind die einzelnen Strahler-elemente 301k über
ein Speisenetzwerk 302 mit einem gemeinsamen Eingangsanschluß 303 gekoppelt.
Jeder der einzelnen Strahler 301k ist über eine
Speiseleitung 304k , von denen in 4 einer
gestrichelt dargestellt ist, des Speisenetzwerks 302 mit
dem gemeinsamen Eingangsanschluß 303 gekoppelt.
Ein gemeinsamer Eingangszweig 305, der mit dem Eingangsanschluß 303 verbunden
ist, spaltet sich an einer ersten Verzweigung 306 in zwei
getrennte erste Zweige 307i auf.
Jeder der getrennten ersten Zweige 307i spaltet
sich wiederum an zweiten Verzweigungen 308i in
jeweils zwei getrennte zweite Zweige 309j auf.
Jeder der getrennten zweiten Zweige 309j spaltet
sich wiederum an dritten Verzweigungen 310j in
jeweils zwei getrennte Einzelzweige 311k auf,
die ihrerseits mit den einzelnen Strahlerelementen 301k verbunden sind. Die ersten Blindelemente
in Form der ersten Kapazitäten
C1 sind in einem ersten Abstand l1 jeweils vor den einzelnen Strahlerelementen 301k in den zweiten Zweigen 309j angeordnet, also jeweils eine Kapazität C1 gemeinsam für zwei Strahlerelemente 301k und im gleichen Abstand l1 vor
denselben. Die zweiten Blindelemente in Form der zweiten Kapazitäten C2 sind in einem zweiten Abstand l2 von den ersten Kapazitäten C1 in
Richtung hin zum Eingangsanschluß 303 angeordnet und
zwar jeweils auf den ersten Zweigen 307i , also
jeweils eine Kapazität
C2 gemeinsam für vier Strahlerelemente 301k bzw. für vier Speiseleitungen 304k .
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Die
Kapazitäten
C1, C2 sind wie
bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
jeweils durch eine von den Speiseleitungen 304k abzweigende
Stichleitung gebildet. Die Längen
aller durch die Speiseleitungen 304k gebildeten
Signalwege ist für alle
Strahlerelemente 301k gleich, ebenso
die Abstände
l1 und l2, in welchen
die einzelnen Kapazitäten C1 und C2 zueinander
und von den Strahlerelementen 301k wie
auch vom Eingangsanschluß 303 entfernt
angeordnet sind.
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Abweichend
von den beiden dargestellten Ausführungsbeispielen sind auch
andere Varianten des Konzepts zur Verbreiterung der Anpassungsbandbreite
möglich,
je nach Größe der Gruppe
und Aufbau des Speisenetzwerk.
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Es
sind andere Leitungsarten einsetzbar, z.B. Hohlleiter oder Koaxialleitung
und andere T-Verzweigungen, z.B. Wilkinson-Teiler, reaktive T-Verzweigungen
mit Wellenwiderstands-Sprüngen
in den Abzweigeleitungen, Richtkoppler mit Phasenkompensation oder
magische T-Verzweigungen.
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Je
nach Leitungsart können
die Kapazitäten C1, C2 auf andere
Weise realisiert werden, z.B. durch Tauchstifte oder Blenden in
Hohlleitertechnik. Auch können
für die
Herstellung der Transmissions-Resonatorstruktur anstelle von Kapazitäten auch
induktive Blindelemente verwendet werden.
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Die
Anwendung ist darüber
hinaus nicht auf Gruppenantennen mit Patch-Strahlern begrenzt, sondern auf alle
Strahlertypen anwendbar, deren Speisepunktimpedanz durch eine Schwingkreisresonanz
bestimmt ist, z.B. Dipole oder Schlitzstrahler, gegebenenfalls auch
in Kombination mit weiteren Schaltungselementen, wie Koppel-Blindwiderständen oder
zusätzlichen
Leitungsstücken.
Ebenso ist das Konzept gleichermaßen anwendbar auf Antennen
mit Gleichbelegung der Strahlerelemente (symmetrische 1:1-Teiler
im Speisenetzwerk) oder mit Nichtgleichbelegung (unsymmetrische
Teiler), jedenfalls aber mit gleich langen Signalwegen, d.h. mit gleicher
Phase der Strahlerelemente.
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- 101;
201k; 301k
- Resonanz-Strahlerelemente
- 202;
302
- Speisenetzwerk
- 103;
203; 303
- Eingangsanschluß
- 104;
204k; 304k
- Speiseleitung
- 205;
305
- gemeinsamer
Eingangszweig
- 206;
306
- erste
Verzweigung
- 207i; 307i
- erste
Zweige
- 208i; 308i
- zweite
Verzweigung
- 309j
- zweite
Zweige
- 310j
- dritte
Verzweigung
- 211k; 311k
- Einzelzweige