DE2415899A1 - Antennensystem, insbesondere dopplersystem - Google Patents
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Description
7300 Essiingen iNeckar), FabrikslraBe 24, Postfach 348
■o r »«■- ι r\i λ Telefon
26. März 1974 Stuttgart (0711)356539
PA 28 naha 35 9619
Telegramme Palentschutz Esslingenneckar
Telex O/^oöGIO smpU
üazeltine Corporation, Greenlawn, Mew York 11740 ,USA
Die Erfindung betrifft ein Antennensystem zur Ausstrahlung
von Wellenenergie in einen Bereich des Raumes während einer bestimmten zeitlichen Periode in einem gewünschten
Strahlungsbild, bei dem sich die Frequenz der so abgestrahlten Wellenenergie in Abhängigkeit vom Winkel einer Richtung
ändert und jjei dem eine Antenne vorgesehen ist,
die eine Vielzahl von Strahlenbündeln von einer gemeinsamen Strahlfläche in den betrachteten Bereich des Raumes
abstrahlt, insbesondere Dopplersystem.
Derartige Systeme dienen dazu, die räumliche Lage eines Zieles in Bezug auf einen Referenzort zu bestimmen/ dabei
wird ein frequenzcodiertes Strahlungsbild zur Winkelmessung benutzt. Solche Systeme sind allgemein als Doppler-Systerne
bekannt.
Die frequenzcodierte Strahlung wurde in der Vergangenheit in der Weise erzeugt, daß die Wellenenergie sequentiell von
den einzelnen Antennenelementen in einer bestimmten Anordnung ausgestrahlt wurde. Dadurch entsteht eine scheinbare
Bewegung der Strahlungsquelle, die zu einer "Doppler"-»
Frequenzverschiebung in Abhängigkeit vom relativen Winkel zwischen dem Ziel und der Antenne führt.
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Zu den Unzulänglichkeiten der sequentiell erregten Antennenanordnung
zur Erzeugung der Doppler-Signale zählen die Schwierigkeit,die Form des Strahlenbündels zu steuern und
die Komplexität des Antennenaufbaues.
Aus diesen Gründen läge es nahe,eine Vielfachsteahlenantenne
mit einer verschiedenen Frequenz für jedes Strahlenbündel anzuwenden,
um ein Doppler-codiertes Strahlungsbild abzustrahlen. Dies würde zu einer einfachen Antennenanordnung mit
einer besseren Kontrolle über die Strahlungsbildform und der Kodierung führen. Aber ein solcher Versuch, kontinuierlich
verschiedene Frequenzen über die verschiedenen Strahlungsbündel einer Vielfachantenne abzustrahlen, würde zu Zufalls-Inter
ferenz zwischen den abgestrahlten Signalen führen, was eine in weiten Grenzen schwankende Signalamplitude und Kodierungsfehler
zur Folge hätte.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, den einesteils
auftretenden Schaltungsaufwand und die andererseits möglichen Interferenzerscheinungen bei den vorstehend beschriebenen,
bekannten Anordnungen zu vermeiden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Antennensystem vorzuschlagen, dessen Aufbau und Betriebsweise
eine sichere Aussendung eines Mehrfachrichtstrahlers gewährleistet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei einem solchen Antennensystem
vorgesehen, daß eine Einrichtung zur Erzeugung einer Vielzahl von. Wellenenergiesignalen in der bestimmten
zeitlichen Periode vorhanden ist, von denen jedes einem bestimmten Eingang der Antenne zugeführt wird, daß jedes WeI-lenenergiesignal
eine Phasenlage, bezogen auf eine Referenzphase, hat, die sich in der bestimmten zeitlichen Periode
zwischen zwei Werten ändert, und daß diese jedem Wellenenergiesignal zugehörigen Werte der Phasenlage voneinander verschieden
sind.
Weitere Einzelheiten sowie Vorteile der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung der Fig. 1 bis 4 sowie den
Patentansprüchen entnommen werden.
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Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel.eines Antennensystems
gemäß der vorliegenden Erfindung,
gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung der Phase des in Zusammenhang mit einer Antenne nach Fig. 1 benutzten
Wellenenergiesignals,
Wellenenergiesignals,
Fig. 3 zeigt die Arbeitsweise der Antenne nach Fig. 1 und
Fig. 4 zeigt die weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Das Antennensystem nach Fig. 1 umfasst die Antenne, bestehend aus einer Vielzahl von Hornstrahlern 10a,b,c, die gegen
einen fokussierenden Reflektor 11 strahlen. Die Hornstrahler 10 sind nahe der Fokus-Achse eines parabolischen, zylindrischen Reflektors 11 und gegeneinander so versetzt, daß die von jedem Hornstrahler 10 gegen den Reflektor 11
gestrahlte Wellenenergie ein Strahlenbündel verursacht, das unter einem bezüglich des Antennensystems
unterschiedlichen Winkel in den Raum abgestrahlt wird. Die genaue Ausbildung einer solchen Antenne wird jedoch nicht
weiter erläutert, da diese Ausbildung nicht Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist.
einen fokussierenden Reflektor 11 strahlen. Die Hornstrahler 10 sind nahe der Fokus-Achse eines parabolischen, zylindrischen Reflektors 11 und gegeneinander so versetzt, daß die von jedem Hornstrahler 10 gegen den Reflektor 11
gestrahlte Wellenenergie ein Strahlenbündel verursacht, das unter einem bezüglich des Antennensystems
unterschiedlichen Winkel in den Raum abgestrahlt wird. Die genaue Ausbildung einer solchen Antenne wird jedoch nicht
weiter erläutert, da diese Ausbildung nicht Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist.
Mit jedem der Hornstrahler 1O ist ein entsprechender
Eingang 12a, b und c für die zugeführte Wellenenergie verbunden. Jeder dieser Eingänge 12 ist mit einem zugehörigen Phasenschieber 14a,b und c über entsprechende Übertragungsleitungen 13a,b,c verbunden. Ein Oszillator 15 gibt die
Wellenenergie an einen Verteiler 16 ab. Die an den
Ausgängen des Verteilers 16 anstehende Wellenenergie wird
den Phasenschiebern 14 zugeführt. In einer Steueranordnung werden Phasensteuersignale erzeugt, die den einzelnen Steuer-
Eingang 12a, b und c für die zugeführte Wellenenergie verbunden. Jeder dieser Eingänge 12 ist mit einem zugehörigen Phasenschieber 14a,b und c über entsprechende Übertragungsleitungen 13a,b,c verbunden. Ein Oszillator 15 gibt die
Wellenenergie an einen Verteiler 16 ab. Die an den
Ausgängen des Verteilers 16 anstehende Wellenenergie wird
den Phasenschiebern 14 zugeführt. In einer Steueranordnung werden Phasensteuersignale erzeugt, die den einzelnen Steuer-
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eingängen der Phasenschieber 14 zugeführt werden. Auf
diese Weise werden die den Phasenschiebern 14 zugeführten Wellenenergiesignale in Abhängigkeit von den Phasensteuersignalen
in der Weise phasenverschoben, daß die über die Übertragungsleitungen zu den Eingängen 12 der Hornstrahler
10 gelangenden Signale voneinander abweichende Phasenlagen haben.
Der Oszillator 15, der Verteiler 16, die Phasenschieber 14, die Übertragungsleitung 13 und die Steueranordnung 17
stellen insgesamt eine Einrichtung d'ar, mit deren Hilfe gleich zeitig eine Vielzahl von Wellenenergiesignalen an die
Eingänge 12 der Antenneneinheit angelegt werden, wobei jedes der Wellenenergiesignale bezüglich des anderen
eine vorbestimmte und abweichende Phasenlage hat.
Jeder Hornstrahler 10 nach Fig. 1 ist so ausgebildet, daß er gegen den Reflektor 11 strahlt, der eine gemeinsame
Strahlungsfläche darstellt. Die Antenne strahlt für jeden der Hornstrahler 10 ein Strahlenbündel in eine Richtung ab , die
einzig dem jeweiligen Hornstrahler zugeordnet ist. Eine besondere Erläuterung hinsichtlich des genauen Versatzes der
Hornstrahler erübrigt sich in diesem Zusammenhang. Jeder der Eingänge 12 der Hornstrahler 11 ist daher einem bestimmten
Antennenstrahl zugehörig.
Es ist für den Fachmann selbstverständlich, daß die Antenneneinheit
nach Fig. 1 auch durch andere Arten von Vielfachstrahlantennen ersetzt werden kann. Die Antenne muß in der
Lage sein, eine Vielzahl von Strahlenbündeln in verschiedene Richtungen einer gewünschten Raumzone über eine gemeinsame
Strahlfläche abzustrahlen, wobei eine Vielzahl von Wellenenergie-Eingängen vorhanden ist, von denen jeder einem
bestimmten Strahl zugeordnet ist. Antennen dieses Typs
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werden auch als sogenannte "Beamport"-Antennen bezeichnet.
Die Übertragungsleitungen 13 können beliebiger Art sein,
sofern sie auf den Frequenzbereich des Antennensystems abgestimmt sind. Allerdings ist es wichtig darauf hinzuweisen,
daß bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 diese Übertragungsleitungen jeweils eine solche Phasenlänge in
Bezug auf die andere haben, daß die Wellenenergiesignale an den Eingängen 12 die erforderlichen gegenseitigen
Phasenunterschiede aufweisen. Die Phasenschieber 14 können ebenfalls von beliebiger, im Frequenzbereich der Wellenenergiesignale
arbeitender Art sein. Beispiele geeigneter Phasenschieber sind Ferrit-Phasenschieber und Dioden-Phasenschieber
. Bei beiden Arten kann durch Phasensteuersignale die wirksame elektrische Länge geändert werden, wodurch
eine Phasenverschiebung der Wellenenergiesignale verursacht wird. Die Phasensteuersignale, die von der Steuereinheit
17 abgegeben werden, sollten natürlich von der Art sein, die zur Steuerung der für das Antennensystem gewählten
Phasenschieber 14 geeignet sind. Sie können entsprechend dem Phasenschiebertyp logische Digitalsignale oder Analogsignale
sein.
Als Oszillator 15 kann jeder Wellenenergieerzeuger in dem gewählten
Frequenzbereich verwendet werden. Der Leistungsteiler kann von der allgemein benutzten Art sein, die in großer
Zahl bekannt sind, z.B. Kupplungsspulen, T-Glieder oder Blindteiler.
Es ist offenbar, daß auch andere Einrichtungen dazu benutzt werden können, die erforderlichen Wellenenenergiesignale
mit der gegenseitigen Phasenverschiebung zu erzeugen.Zum Beispiel kann die Phasensteuerung bei einer von der
abzustrahlenden Frequenz verschiedenen Frequenz erfolgen, was dann noch Frequenzumsetzer erfordert; weiterhin ist
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eine digitale oder analoge Frequenzsynthese zur Erzeugung der erforderlichen Signale möglich. Die Phasensteuerung
kann man auch durch die Anwendung von Mischern anstelle von Phasenschiebern erreichen.
Fig. 2 zeigt in typischerweise die verschiedenen Phasen der den Eingängen 12 der Antenne gemäß Fig. 1 zugeführten
Signale. Die Phasenlage ist dargestellt mit Bezug auf die Phasenlage des Signals "C"/ das z.B. am Eingang 12c des
Antennensystems ansteht. Aus dem Diagramm ersieht man, daß die Phasenlagen der Signale "A" und "B" an den Eingängen
12a und 12b von dieser Bezugsphase des Signals "C" und voneinander verschieden sind. Die Phasenlage der Signale
verändert sich während einer Periode normalerweise linear von einem ersten, vorbestimmten Phasenpunkt jedes
Signals zu einem zweiten bestimmten Punkt. Die Phasenänderung kann auch von der linearen Änderung abweichen,
abhängig von besonderen Eigenschaften verschiedener Antennen, wie z.B. defokussierende oder Hornstrahler mit nichtgleichem
Abstand etc. Die Phasenänderungsperiode kann sich kontinuierlich wiederholen,wie in Fig. 2 gezeigt, wodurch
sich eine im wesentlichen kontinuierliche Frequenzcodierung ergibt.
Es sei darauf hingewiesen, daß während jeder einzelnen Periode der Effekt der linearen Phasenänderung eine
Freuqenzänderung des entsprechenden WellenenergieSignaIs
verursacht.
Allerdings führt dies nicht dazu, daß fortlaufend Wellenenergiesignale unterschiedlicher Frequenz den Eingängen
der Antenne zur Erzeugung bestimmter Strahlungsbilder zugeführt werden, da die in Zusammenhang mit dem Problem der
Signal-Interferenz zu beachtenden Phasenbeziehungen nur währen
einer bestimmten Periode auftreten.
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Dopplerfrequenzcodierung ist meistens verbunden mit der Anwendung einer Antenne, die Energie von einer beweglichen
Strahlungsquelle abstrahlt. Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt der Antenne des in Fig. 1 gezeigten Antennensystems,
Zu Beginn einer Periode haben die Wellenenergiesignale, die den Hornstrahlern 10 zugeführt werden, eine gemeinsame
so Phase, wenn sie von den Hornstrahlern 10/abgestrahlt werden,
daß sie eine Phasenfront 18a haben, die in Richtung 19a fortschreitet
und den Reflektor 11 um den Punkt 20a bestrahlt. Während einer Periode ändert sich die Phasenlage der zugeführten
Wellenenergie so, daß die bestrahlte Zone senkrecht über den Reflektor wanderten Ende der Periode bildet die durc)
die Hornstrahler 10 abgestrahlte Wellenenergie die Phasenfront 18b, die in der Richtung 19b fortschreitet und eine
Zone um den Punkt 20b auf dem Reflektor bestrahlt. Dieser Vorgang kann für mehrere Perioden wiederholt werden. Die
in Fig. 3 festgelegten Punkte 20a und 20b haben nur beispielhaften Charakter. Der bestrahlte Bereich kann um jeden
Punkt des Reflektors herum, liegen.Die Bewegung der bestrahlten
Zone auf dem Reflektor verursacht ein Strahlungsbild der Antenne,welches einer sequentiell erregten Anordnung
gleicht, bei der die Strahlungsfrequenz sich mit einerWxnkelkomponente der Antennenrichtung ändert.
Die Gruppe der Hornstrahler 10 kann als eine phasenversetzte Anordnung zur Bestrahlung des Reflektors 11 angesehen
werden, wobei die für die Anordnung maßgebenden Konstruktionsmerkmale gültig sind.
Der gegenseitige Abstand zwischen den Hornstrahlern sollte so gewählt werden, daß auf dem Reflektor während keiner
innerhalb einer Periode auftretenden Phasenlage ein sogenanntes "Gitter-Strahlungsbild" (grating lobes) erzeugt wird.
- 8 409844/0670
Die Anzahl der Hornstrahler ist eine Funktion des Öffnungswinkels des Raumes, in den ein bestimmtes Strahlungsbild ausgestrahlt werden soll. Eine größere Anzahl
von Hornstrahlern würde eine engere bestrahlte Zone verursachen und damit zu einem größeren Raumwinkel führen,
in den das frequenzcodierte Strahlungsbild abgestrahlt wird. Andere Merkmale sind für den Fachmann leicht erkennbar.
So ist zum Beispiel die Dauer der Periode der Phasenänderung abhängig vom Betrag der im Rahmen des Strahlungsbildes gewünschten Frequenzänderung. Die Form und Größe
des Reflektors 11 sowie der Hornstrahler 10 sind von dem zu erfassenden Bereich und der Gestalt des Strahlungsbündels
abhängig. Die Anwendung anderer Strahlelemente als Hornstrahler und anderer Fokussieranordnungen als parabolische
Reflektoren sind dem Fachmann geläufig.
Fig. 4 zeigt eine andere Ausbildung des erfindungsgemäßen Antennensystems. So werden in Fig. 4 die Wellenenergiesignale
den Antenneneingängen 21a,b,c und d durch ähnliche Einrichtungen 14 bis 17 wie in Fig. 1 zugeführt.
Der Hauptunterschied zwischen den Antennenausbildungen
gemäß Fig. 1 und Fig. 4 besteht darin, daß die Anordnung nach Fig. 4 eine Anordnung von Elementen 22 aufweist, die
mit den Eingängen 21 über eine sogenannte Butler-Matrix 23 verbunden sind. Die Eigenschaften der Butler-Matrix sind
allgemein bekannt. Grundsätzlich ist jeder der Eingänge 21 über die Butler-Matrix in der Weise mit Antennenelementen
22 verbunden, daß die einen der Eingänge 21 zugeführte Wellenenergie in einem solchen Strahlenbündel und in einer
solchen Richtung über die Elemente 22 abgestrahlt wird, die jeweils dem einen Eingang zugeordnet ist. Daher hat die
in Fig. 4 gezeigte Antenne die gleichen Grundeigenschaften wie diejenige nach Fig. 1, d.h. es handelt sich um verschiedene
Formen einer sogenannten "Beam-Port"-Antenne.
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Wellenenergiesignale, die eine gegeneinander versetzte Phasenlage besitzen, gelangen, wenn sie gleichzeitig
den Antenneneingängen 21 in Fig. 4 zugeführt werden, sequentiell zu den Elementen 22,so daß der Eindruck einer
bewegten Strahlungsquelle entsteht. Diese Arbeitsweise ist infolge der Eigenschaften der Butler-Matrix 23
leicht einzusehen. Daher stehen dem Fachmann weitere Ausbildungen des erfindungsgemäßen Systems ohne weitere
größere Überlegungen zur Verfügung. So können auch andere Matrixanordnungen zur Erzeugung der Mehrfachstrahlen bündel
bzw. zur Darstellung der Funktion einer Mehrfach-Eingangs-Antenne benutzt werden, einschließlich solcher
Antennen, bei denen zusätzlich eine Frequenzumsetzung stattfindet. Auch können Einrichtungen, die von sich aus
noch keine Matrix darstellen, wie z.B. gekapselte Linsen, die aber aufgrund ihrer Übertragungscharakteristik die
gleichen Eigenschaften haben, im Rahmen des erfindungsgemäßen Antennensystems angewendet werden.
Obwohl in den vorstehenden Erläuterungen vorzugsweise von eine Sendeantenne die Rede war, können die Merkmale der Erfindung
auch bei Empfangsantennen benutzt werden, was dem Fachmann, ohne am Wortlaut der Erläuterungen und Patentansprüche
zu kleben, ohne weiteres klar ist.
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Claims (13)
- PatentansprücheT.' Antennensystem zur Ausstrahlung von Wellenenergie in einen Bereich des Raumes während einer bestimmten zeitlichen Periode in einem gewünschten Strahlungsbild, bei dem sich die Frequenz der so abgestrahlten Wellenenergie in Abhängigkeit vom Winkel einer Richtung ändert und bei dem eine Antenne vorgesehen ist, die eine Vielzahl von Strahlenbündeln von einer gemeinsamen Strahlfläche in den betrachteten Bereich des Raumes abstrahlt, insbesondere Doppler-System, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Erzeugung einer Vielzahl von Wellenenergiesignalen (14,15,16) in der bestimmten zeitlichen Periode vorhanden ist, von denen jedes einem bestimmten Eingang (18a-c) der Antenne zugeführt wird, daß jedes Wellensignal eine Phasenlage, bezogen auf eine Referenzphase (C),hat, die sich in der bestimmten zeitlichen Periode zwischen zwei Werten ändert und daß diese jedem Wellenenergiesignal zugehörigen Werte der Phasenlage voneinander verschieden sind.
- 2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der Wellenenergiesignale dienende Einrichtung Steuerschaltmittel (14a-c,17) zur individuellen Steuerung der Phasenlage jedes Wellenenergiesignals zwischen zwei jeweils einem Wellenenergiesignal zugehörigen Werten enthält, daß weitere Schaltmittel (13a-c) vorgesehen sind, über welche den Antenneneingängen (12a-c) während der bestimmten zeitlichen Periode die phasengesteuerten Wellen energiesignale gleichzeitig zugeführt werden und daß die Antenne das vorbestimmte Strahlungsbild aussendet.- 11 -409844/0670
- 3. Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltmittel zur Steuerung der Phasenlage der Wellenenergiesignale eine entsprechende Anzahl von Phasenschiebern (14a-c) und Schaltmittel (17) zur Steuerung der Phasenschieber enthalten.
- 4. Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltmittel zur Steuerung der Phasenlage der Wellenenergiesignale eine entsprechende Anzahl von Mischern enthalten und daß Steuersignalgeneratoren vorgesehen sind, deren Ausgangssignale ebenso wie die entsprechenden Wellenenergiesignale den Mischern zugeführt werden.
- 5. Antennensystem nach Anspruch 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,daß die zur Erzeugung der den Antenneneingängen zugeführten Wellenenergiesignale dienende Einrichtung Schaltmittel zur Frequenzumsetzung der an den Ausgängen der Phasensteuerschaltmittel anstehenden Signale enthält.
- 6. Antennensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Wellenenergiesignale eine solche Phasenlage, bezogen auf eine Referenzphase, hat, die sich zeitlich linear zwischen den beiden Werten ändert.
- 7. Antennensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenenergiesignale während einer Folge von bestimmten zeitlichen Perioden den Eingängen der Antenne zuführbar sind.- 12 -409844/0670
- 8. Antennensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne eine die Wellenenergie fokussierende Einrichtung (11) besitzt, daß eine Vielzahl von strahlerzeugenden Elementen (10a-c) vorhanden ist, von denen jedes einen Wellenenergieeingang (12a-c) hat, daß jedes der strahlerzeugenden Elemente (10a-c) ein solches Strahlungsbild auf die fokussierende Einrichtung (11) abstrahlt und daß jedem Strahlenbündel ein strahlerzeugendes Element zugeordnet ist.
- 9. Antennensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die fokussierende Einrichtung ein parabolischer,zylindrischer Reflektor (11) ist.
- 10. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne eine Anordnung von Antennenelementen (22a-d) besitzt, daß eine Vielzahl von Wellenenergieeingängen (21a-d) vorhanden ist und daß eine Koppelanordnung (23) zur Verbindung der Antennenelemente und der Wellenenergieeingänge so angeordnet ist, daß jedem Eingang eines der Strahlenbündel entspricht.
- 11. Antennensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelanordnung eine Matrix (23) von Übertragungsleitungen und Koppelgliedern enthält.
- 12. Antennensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung von Antennenelementen eine lineare Anordnung von Elementen mit gleichem Abstand ist, daß die Zahl der Eingänge (21a-d) derjenigen der Antennenelemente (22a-d) entspricht und daß die Koppelanordnung eine Butler-Matrix (23) enthält.409844/0670
- 13. Antennensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelanordnung eine Matrix enthält, die bei einer von der auszusendenden Frequenz verschiedenen Frequenz arbeitet, daß die Eingänge der Matrix mit den Antenneneingängen verbunden sind und daß die Ausgänge der Matrix über eine entsprechende Vielzahl von Frequenzumsetzern mit den Antennenelementen verbunden sind.4098A4/0670
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