DE2259082A1

DE2259082A1 - Breitbandige, vertikal polarisierte rundstrahlantenne

Info

Publication number: DE2259082A1
Application number: DE2259082A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Tymann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1972-12-02
Filing date: 1972-12-02
Publication date: 1974-06-06
Also published as: US3871000A; FR2209226A1; IT1001963B; JPS4989460A; FR2209226B1; GB1419283A

Description

Messerschmitt-Bölkow-Blohm Gesellschaft mit beschränkter Haftung München

Ottobrunn, 9> Nov. 1972 BS61 Bd/ml 7488

Breitbandige, vertikal polarisierte Rundstrahlantenne

Die Erfindung betrifft eine breitbandige, vertikal polarisierte Rundstrahlantenne, bestehend aus einer ersten, äußeren hohlzylindrischen Metallfläche, die durch einen umlaufenden Ringschlitz in einer senkrecht zur Achse stehenden Ebene in zwei Hohlzylinderringe von der Höhe 1/4 oder 1/2 der Wellen-

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länge unterteilt ist, wobei der Ringschlitz über mehrere, gleichmäßig über den Umfang verteilte Dreileitersymmetrierungen gespeist ist, sowie einer zweiten hohlzylindrischen Metallfläche, die innerhalb der ersten koaxial als Systemträger angeordnet ist.

Für bestimmte Anwendungsfälle, z.B. in der Raumfahrt sind Antennen mit guter Rundstrahlcharakteristik in einer Ebene bei mittlerem Gewinn erforderlich. Neben hoher mechanischer Stabilität wird bei vielen Raumsonden, z.B. der Sonnensonde eine extreme Temperaturbelastung, ungefähr von -80⁰C bis +200⁰C gefordert. Häufig sind die Antennenabmessungen, insbesondere der Durchmesser vorgegeben. Bei vielen Satelliten müssen mehrere Antennen übereinander angeordnet und am Ende des Antennenauslegers muß noch ein Magnetometer angebracht werden. Die erforderlichen Zuleitungen für die oberen Antennen und das Magnetometer müssen dann im Innenraum der unteren Antennen verlegt werden.

Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse Schlitzstrahler zu verwenden, die aus zwei koaxialen hohlzylindrischen Metallflächen bestehen, wobei die äußere hohlzylindrische Metallfläche in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse einen umlaufenden Ringschlitz enthält und die innere als Systemträger dient. Dabei bilden jeweils zwei durch einen Ringschlitz getrennte Hohlzylinderringe ein Schlitzstrahlerelement. Zur Bündelung der Strahlung in einer zur Zylinderachse senkrechten Ebene werden mehrere solcher Elemente koaxial übereinander zu einem collinearen System angeordnet, wobei die innere, durchgehende hohlzylindrische Metallfläche als gemeinsames Tragrohr dient (vgl. DOS 1 441 614; Jasik, Antenna Engineering, Handbook, McGraw-Hill Book Company, New York, 1961, S. 26-2 bis 26-4 sowie Silver, Microwave Antenna Theory and Design, McGraw-Hill Book Company, New York, 1949, S.309).

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BAD ORIGlNAt

Bei der in der genannten DOS beschriebenen, breitbandigen Rundstrahlantenne mit vertikaler Polarisation beträgt der Abstand zwischen zwei Schlitzstrahlerelementen ungefähr eine Wellenlänge, und der Abstand zwischen der inneren und der äußeren hohlzylindrischen Metallfläche 0,2 bis 0,12 Wellenlängen. Die äußeren Hohlzylinderringe sind über schmale Bügel an der inneren hohlzylindrischen Metallfläche befestigt. Die in den beiden anderen genannten Druckschriften angegebenen Rundstrahl antennen benutzen dp.e beiden Außenleiter der Dreileitersytnmetrierungen zur Abstandshalterung der äußeren Hohlzylinder. Diese bekannten Rundstrahlantennen erfüllen jedoch nicht die in der Luft- und Raumfahrt erforderlichen mechanischen Stabilitätsanforderungen. Eine Verstärkung der Stützen ist nicht ohne gleichzeitige Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften der Rundstrahlantenne möglich.

Auch der Einbau eines toroidförmigen Dielektrikums zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit bringt Nachteile. Für Raumsonden, z.B. für die Sonnensonde muß ein verlustarmes Dielektrikum gefunden werden, das mindestens 200⁰C verträgt. Außerdem ist es sehr schwierig, insbesondere bei thermischen und mechanischen Beanspruchungen, einen guten Kontakt zwischen Dielektrikum und Metalloberfläche zu erreichen. Bei großen Temperaturschwankungen tritt infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Metall und Dielektrikum ein Luftspalt auf. Da die elektrische Feldstärke im Luftspalt höher ist als im Dielektrikum, kann ein Durchschlag erfolgen. Ferner wird die Antenne sehr frequenzempfindlich, insbesondere bei Ausführung als Koaxialleitungsstrahler (vgl. hierzu auch Silver, aaO).

Bereits die Montage der Hohlzylinderringe mit konstanter Schlitzbreite über den gesamten Ringschlitz bereitet Schwierigkeiten. Jede Veränderung der meist sehr schmalen Schlitzbreite oder eine Exzentrizität der Hohlzylinderringe bringt erhebliche Abweichungen im Strahlungs- und Impedanzdiagramm.

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BAD ORiGiNAt.

Die in der genannten DOS beschriebene Rundstrahlantenne wird über Zweidrahtleitungen gespeist, die auf der Innenseite der Hohlzylinderringe verlegt sind. Bei vielen Einspeisestellen und mehreren Ringschlitzen wird dieses System sehr kompliziert und unübersichtlich, zumal noch Impedanzwandler und konzentrierte Blindelemente in das Speiseleitungssystem eingefügt werden müssen·

Bei den in den beiden anderen genannten Druckschriften beschriebenen Rundstrahlantennen ist der Raum innerhalb der zweiten hohlzylindrischen Metallfläche als Hohlleiter oder Koaxialleiter ausgebildet· Die Hochfrequenzenergie wird über Sonden ausgekoppelt und den Ringschlitzen zugeführt. Damit bei vorgegebener Frequenz eine Welle angeregt werden kann, muß der Hohlleiter einen entsprechenden Durchmesser aufweisen. Bei Ausführung als Koaxialleiter muß mit Rücksicht auf den Wellenwiderstand ein bestimmtes DurchmesserverhUltnis von Außen- zu Innenleiter eingehalten werden· Wählt man den Durchmesser des Innenleiters so groß, daß in seinem Innenraum Fremdkabel verlegt werden können, so wird häufig der Durchmesser der Antenne im Verhältnis zur Wellenlänge zu groß. In beiden Fällen besteht keine Möglichkeit, stärkere Versorgungsleitungen für oberhalb der Rundstrahlantenne angeordnete Komponenten innerhalb der hohlzylindrischen Metallflächen in der Nähe der Systemachse zu verlegen.

Ist der Durchmesser der Rundstrahlantenne groß im Vergleich zur Wellenlänge, so ergibt die Verwendung von Ringschlitzen bei diskreter Speisung eine starke Unrundheit im Strahlungsdiagramm. Bei Ringschlitzen ist das Strahlungsdiagramm im Azimut nur durch die Zahl der Koppelstellen und den Durchmesser der Rundstrahlantenne beeinflußbar. Außerdem ist eine breitbandige Ankoppelung der Ringschlitze kaum möglich.

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BAD ORIGINAL

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne mit guter Rundstrahlcharakteristik in einer Ebene und großer Bandbreite zu schaffen, wobei die Güte der Rundstrahlung, nahe-* zu unabhängig vom Durchmesser der Antenne ist, die bei leichter Montierbarkeit eine hohe mechanische und thermische Festigkeit aufweist, deren Speisesystem einfach und unempfindlich ist und deren Aufbau die Verlegung fremder Versorgungsleitungen innerhalb der Antennenstruktur, insbesondere in der Nähe der Systemachse, erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelö3t, daß der . Ringschlitz in gleichmäßig am Umfang verteilte Einzelschlitze unterteilt ist, die Rechteckform besitzen, oder sich konisch oder stufenförmig erweitern, oder als Dumbbell-Schlitze ausgebildet sind, daß jeder Einzelschlitz über eine Dreileitersymmetrierung gespeist ist, daß innerhalb der ersten beiden hohlzylindrischen Metallflächen eine ein·oder mehrere Koaxialleiter und erforderlichenfalls auch andere Leiter umfassende dritte hohlzylindrische Metallfläche koaxial angeordnet ist, wobei die zweite und die dritte höh!zylindrische Metallfläche als Speisekoaxialsystem der Antennenanordnung ausgebildet sind und die Innenleiter der Dreileitersymmetrierungen durch Bohrungen in der zweiten hohlzylindrischen Metallfläche berUhrungsfrei durch diese hindurchgeführt und kapazitiv oder galvanisch an die dritte hohlzylindrische Metallfläche angekoppelt sind.

Eine Bündelung der Strahlung in einer Ebene durch die Systemachse wird dadurch erreicht, daß zwei Hohlzylinderringe mit dazwischen angeordneten Einzelschlitzen als zylinderförraiges Rundstrahlerelement ausgebildet sind, daß mehrere solcher Rundstrahlerelemente, deren Höhe ungefähr gleich der halben mittleren Betriebswellenlänge ist, koaxial übereinander in Form einer strahlergruppe angeordnet sind, wobei die einzelnen Rundstrahlerelemente durch umlaufende Ringschlitze getrennt sind·

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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Rundstrahlerelemente ohne trennende Ringschlitze in Form einer durchgehenden hohlzylindrischen Netallfläche aneinandergefügt sind.

Die Einspeisung, die nicht auf die erfindungsgemäße Antenne beschränkt ist, erfolgt bei BreitbandausfUhrung derart, daß mindestens ein Koaxialleiter innerhalb der dritten hohlzylindrischen Netallfläche als Speisekoaxialleiter ausgebildet ist, daß der Außenleiter des Speisekoaxialleiters mit der dritten hohlzylindrischen Metallfläche und der Innenleiter leitend mit der zweiten hohlzylindrischen Metallfläche verbunden sind.

Um die Einspeisung bei fertigmontierter Antennenanordnung einfach von außen montieren zu können und zur Erzielung elektrischer Vorteile ist die Anordnung zur Einspeisung von Strahlergruppen gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung so ausgelegt, daß der koaxiale Anschluß zur Einspeisung in der Mitte der Strahlergruppe angeordnet 1st, daß der Außenleiter des Speisekoaxialleiters mit der dritten hohlzylindrischen Metallfläche über einen diese durchdringenden Hohlzylinderfortsatz leitend von außen verschraubt ist, daß der Innenleiter des Speisekoaxialleiters mittels eines von außen anschraubbaren Hohlzylinders koaxial durch den Hohlzylinderfortsatz herausgeführt und mittels einer weiteren Schraubverbindung leitend von außen mit der zweiten hohlzylindrischen Metallfläche verschraubt ist und, daß zur Einstellung der Amplituden- und Phasenverhältnisse auf dem Speisekoaxialleiter •ine justier- und fixierbare Kurzschlußebene am freien Ende des Speisekoaxialleiters in einer Entfernung von ca· 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge vorgesehen ist.

Die mit der Erfindung ersielten Vorteile bestehen darin, daß in einer Ebene eine gute Rundstrahlcharakteristik auftritt, die weltgehend unabhängig vom Verhältnis Antennendurchmesser sur Wellenlänge 1st· Die Verwendung von Einzelschiltsen und

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verschiedener geometrischer Schlitzformen ergibt optimale Breitbandanpassung. Außerdem kann, falls erforderlich, durch verschiedene Längen der Einzelschlitze die Symmetrie verbessert oder eine gewünschte Unsymmetrie im Strahlungsdiagramm erzeugt werden. Dur.ch Ausbildung als Einzelschlitze und Verwendung größerer Antennendurchmesser, was durch die Unabhängigkeit der Güte der Rundstrahlcharakteristik vom Verhältnis Antennendurchmesser/Wellenlänge möglich ist, erzielt man insbesondere bei Ausführung ohne trennende Ringschlitze zwischen den Strahlerelementen sehr hohe mechanische Festigkeit. Die durchgehende äußere hohlzylindrische Metallfläche bringt eine weitere Versteifung. Infolge der erfindungsgemäßen Speiseanordnung können Fremdkabel innerhalb der Antennenstruktur in der Nähe der Systemachse geführt und gleichzeitig kann eine Breitbandverkabelung vorgenommen werden, die auch nach Endmontage der Antennenanordnung von außen zugänglich ist. Durch Sonden oder andere Anschlußstücke hervorgerufene StOrimpedanzen können teilweise durch Kurzschlußebenen an beiden Enden der erfindungsgemäßen Rundstrahlantenne zwischen der zweiten und der dritten hohlzylindrischen Metallfläche kompensiert werden. Da kein Dielektrikum verwendet wird, besitzt die erfindungsgemäße Antenne auch eine hohe thermische Festigkeit· Außerdem werden alle atmosphärischen Aufladungen sicher abgeleitet, da sämtliche Teile der Antenne auf Masse liegen. Die erfindungsgemäße Rundstrahlantenne könnte auch ohne die dritte höh!zylindrische Metallfläche über eine Hohlleiteranordnung gespeist werden. Ebenso könnte die dritte hohlzylindrische Metallfläche als Außenleiter einer Speisekoaxialleitung verwendet werden. Es gehen aber dann die Vorteile der Breitbandverkabelung und der Fremdkabelverlegung nahe der Systemachse verloren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen :

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Fig. la die erfindungsgemäße Rundstrahlantenne mit Strahlerelementen mit einer Höhe von ca. 1/2 der Wellenlänge;

Fig. Ib die erfindungsgemäße Rundstrahlantenne mit durchgehender äußerer hohlzylindrischer Metallfläche;

Fig. 2 die erfindungsgemäße Speiseanordnung in der Mitte einer Strahlergruppe.

Figur la zeigt eine Rundstrahlantenne, bei welcher ein Strahlerelement 12 eine Höhe von ca. 1/2 der Wellenlänge aufweist. Jedes Strahlerelement 12 enthält in einer zur Zylinderachse senkrechten Ebene gleichmäßig am Umfang verteilte, rechteckförmige Einzelschlitze 4. Jeder Einzelschlitz 4 wird über eine Dreileitersymmetrierung 589 gespeist. Die Außenleiter 8 und 9 der Dreileitersymmetrierungen dienen zugleich zur Abstandshalterung von einem koaxial zu den Strahlerelementen 12 angeordneten hohlzylindrischen Metallfläche 10. Eine weitere hohlzylindrische Metellfläche 14, in deren Innenraum mehrere Koaxialleitet 15 und 16 verlaufen, ist koaxial im Innenraum der hohlzylindrischen Metallfläche 10 angeordnet. Der Innenleiter 5 Jeder Dreileitersymmetrierung ist an einem Ende Jeweils mit einer in den Einzelschlitz hineinragenden Nase 7 leitend verbunden. Durch Bohrungen in der hohlzylindrischen Metallfläche 10 ist jeder Innenleiter 5 berührungsfrei hindurchgeführt und mit der dritten hohlzylindrischen Metallfläche 14 leitend verbunden. Die einzelnen Strahlerelemente sind durch Ringschlitze 3 voneinander getrennt.

In Figur Ib ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Rundstrahlantennf! dargestellt, die im wesentlichen den genau gleichen Aufbau wie Figur la zeigt. Es fehlen lediglich die trennenden Ringschlitze 3. Der Abstand zwischen zv/ei ringförmig angeordneten Einzelschlitzzeilen beträgt es. 1/2 der mittleren Betriebswellen.länge.

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In Figur 2 ist eine Speiseanordnung dargestellt, die sich in der Mitte einer Strahlergruppe befindet. Der Koaxialleiter 16 mündet in einen Hohlzylinder 20, der zusammen mit einem . Innenleiter 21 einen Koaxialleiter bildet. Der Außenleiter des Koaxialleiters 16 ist leitend mit dem Hohlzylinder,der Innenleiter mit dem Innenleiter 21 leitend verbunden. Der Hohlzylinder 20 tangiert die hohlzylindrische Metallfläche Durch eine Bohrung in der hohlzylindrischen Metallfläche 14 ist ein rechtwinklig angesetzter Hohlzylinderfortsatz 23 des Hohlzylinders 20 herausgeführt und mit einer Schraubverbindung 24 von außen an der hohlzylindrischen Metallfläche 14 ♦ befestigt. Im Hohlzylinderfortsatz 23 wird koaxial der Innenleiter 21 über einen weiteren Fortsatz mit Innengewinde 26, einer Schraubverbindung 31 und einem Hohlzylinder 27 mit stufenförmiger Erweiterung 28 herausgeführt. Der Hohlzylinder ist durch eine Bohrung in der hohlzylindrischen Metallfläche 10 hindurchgeführt und mittels eines Flansches 29 von außen leitend mit der hohlzylindrischen Metallfläche 10 verschraubt. Im Abstand von ca. 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge ist im innersten Koaxialleiter, dem Speisekoaxialleiter 20,21 eine justier- und fixierbare Kurzschlußebene zur Kompensation einer durch die Einspeiseanordnung verursachten Fehlanpassung vorgesehen.

Die äußerste hohlzylindrische Metallfläche enthält die Schlitzstrahler, die eine vertikal polarisierte, elektromagnetische Welle abstrahlen. Die nächste hohlzylindrische Metallfläche dient als Systemträger, Außenleiter des Speisekoaxialsystems der Antennenanordnung und Reflektor. An dieser Metallfläche liegt der Innenleiter des Speisekoaxialleiters an. Der nächst innere Hohlzylinder bildet den Innenleiter des Speisekoaxialsystems der Antennenanordnung. Er ist mit dem Außenleiter des Speisekoaxialleiters verbunden.

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Ohne den E.rfindungsgedanken zu verlassen, kann die erfindungsgemäße Rundstrahlantenne auch für horizontale Polarisation ausgebildet werden.

Die erfindungsgemäße Einspeisevorrichtung ist nicht nur auf Antennen der vorstehend beschriebenen Art beschränkt, sondern gilt allgemein für einzelne Strahlerelemente oder Strahlergruppen.

Bevorzugte Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Rundstrahlantenne sind die Luft- und Raumfahrt, sowie für mobile und stationäre Telemetriestationen. Besonders geeignet ist die beschriebene Rundstrahlantenne für die Anordnung mehrerer Antennen übereinander. Ein weiteres vorteilhaftes Anwendungsgebiet findet die Antenne als Primärstrahler für Reflektorantennen, insbesondere Zylinderparabolantennen.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

Breitbandige, vertikal polarisierte Rundstrahlantenne, bestehend aus einer ersten, äußeren hohlzylindrischen Metallfläche, die durch einen umlaufenden Ringschlitz in einer senkrecht zur Achse stehenden Ebene in zwei Hohlzylinderringe von der Höhe 1/4 oder 1/2 der Wellenlänge unterteilt ist, wobei der Ringschlitz über mehrere, gleichmäßig über den Umfang verteilte Dreileitersymmetrierungen gespeist ist, sowie einer zweiten hohlzylindrischen Metallfläche, die innerhalb der ersten koaxial als Systemträgef angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringschlitz in gleichmäßig am Umfang verteilte Einzelschlitze unterteilt ist, die Rechteckform besitzen, oder sich konisch oder stufenförmig erweitern, oder als Dumbbell-Schlitzeausgebildet sind, daß jeder Einzelschlitz (4) über eine Dreileitersymmetrierung (589) gespeist ist,.daß innerhalb der ersten beiden hohlzylindrischen Metallflächen eine ein oder mehrere Koaxial.leiter (15,16) und erforderlichenfalls auch andere Leiter umfassende dritte hohlzylindrische Metallfläche (14) koaxial angeordnet ist, wobei die zweite und die dritte hohlzylindrische Metallfläche als Speisekoaxialsystem der Antennenanordnung ausgebildet sind und die Innenleiter der Dreileitersymmetrierungen (589) durch Bohrungen in der zweiten hohlzylindrischen Metallfläche berührungsfrei durch diese hindurchgeführt und kapazitiv oder galvanisch an die dritte hohlzylindrische Metallfläche (14) angekoppelt sind.

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Rundstrahlantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Hohlzylinderringe (1,2) mit dazwischen angeordneten Einzelschlitzen als zy]inderförmiges Rundstrahlerelement (12) ausgebildet sind, daß mehrere solcher Rundstrahlerelemente (12), deren Höhe ungef'ihr gleich der halben mittleren Betriebswellenlänge ist, koaxial übereinander in Form einer Strahlergruppe angeordnet sind, wobei die einzelnen Rundstrahlerelemente (12) durch umlaufende Ringschlitze (3) getrennt sind.

3. Rundstrahlantenne nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Rundstrahlerelemente (1?) ohne trennende Ringschlitze in Form einer durchgehenden hohlzylindrischen Metallfläche aneinandergefügt sind.

4. Anordnung zur Einspeisung von einzelnen Strahlerelementen oder Strahlergruppen, insbesondere von Rundstrahlantennen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e k e η η zeichnet , daß mindestens ein Koaxialleiter (16) innerhalb der dritten hohlzylindrischen Metallfla'che als Speisekoaxialleiter (20,21) ausgebildet ist, daß der Außenleiter des Speisekoaxialleiters leitend mit der dritten hohlzylindrischen Metallfläche (14) und der Innenleiter leitend mit dor zweiten hohlzylindrischen Metallflä'r.he (10) verbunden sind.

5. Anordnung zur F.inr.peisung von einzelnen Strahlerelementen oder Strahlergruppen nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet , daß der koaxiale Anschluß zur Einspeisung in der Mitte der Strahlergruppe angeordnet

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, daß der Außenleiter (20) des Speisekoaxialleiters mit der dritten hqhlzylindrischen Metallfläche (14) über einen diese durchdringenden Hohlzylinderfortsatz (23) leitend von außen verschraubt ist, daß der Innenleiter (21) des Speisekoäxialleiters mittels eines von außen anschraubbaren HohlZylinders.(27,28) koaxial durch den Hohlzylinderfortsatz (23) herausgeführt und mittels einer weiteren Schraubverbindung leitend von außen mit der zweiten hohlzylindrischen Metallfläche verschraubt ist und daß zur Einstellung der Amplituden- und Phasenverhältnisse auf dem Speisekoaxialleiter (20,21) eine justier- und fixierbare Kurzschlußebene am freien Ende des Speisekoaxialleiters in einer Entfernung von ce. 1/4 der mittleren Betriebswellenlänge vorgesehen ist.

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