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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Richtnetzwerk für
Funkübertragungen, mit einer Mehrzahl von N benachbarten
Strahlerelementen, welche mittels einer Hauptleitung seriell
verbunden sind und auf dieser Hauptleitung mit einem Abstand
von einer Wellenlänge angeordnet sind. Sie betrifft ferner
eine Anordnung von derartigen Richtnetzwerken.
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Die Erfindung ist besonders gut für das Gebiet der Antennen
für Funkübertragungen in dem UHF-Band und bis in das X-Band
geeignet, wenn eine starke Richtwirkung in der Ebene des
Netzes und eines schwache Richtwirkung in der senkrechten
Ebene erwünscht sind. Wenn beispielsweise das Netz vertikal
angeordnet ist, liegt die Ebene der starken Richtwirkung
oder Richtcharakteristik in der Geländeebene, und die
senkrechte Ebene mit der schwachen Richtwirkung oder
Richtcharakteristik ist die Azimutebene.
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Im Stand der Technik sind Richtnetzwerke für
Funkübertragungen gemäß dem Oberbegriff bekannt, bei denen die
benachbarten Strahlerelemente vier kolineare Halbwellen-Dipole sind,
welche in Reihe über eine Hauptleitung mit der Impedanz Zc
gespeist werden. Wenn ZT die Impedanz am Eingang von
Nebenleitungen ist, welche die Hauptleitung mit den Dipolen
verbinden, erfolgt unter der folgenden Bedingung eine
Impedanzanpassung am Eingang des Netzwerkes:
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Zc = 4ZT
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2108
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woraus sich als Kennwert für eine koaxiale Leitung eine
Impedanz Zc = 200 Ohm ergibt, wenn ZT = 50 Ohm. Die
Hauptleitung kann in diesem Fall auf Grund der seriellen Speisung
nur zweiadrig sein. Oder diese Leitungen weisen den Nachteil
des Leistungsverlustes und vor allem einer erheblichen
Abstrahlung eines Störfeldes auf. Dies ist einer der Nachteile
der bekannten Richtnetzwerke, ein anderer Nachteil tritt im
Zusammenhang mit der Schwierigkeit auf, die Verbindung oder
den Übergang zwischen der zweiadrigen Hauptleitung mit der
hohen Impedanz und den koaxialen Nebenleitungen mit den
niedrigen Impedanzen zu realisieren.
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Um diese Nachteile zu beheben, kann man die Dipole direkt
jeweils in Zweiergruppen über Teiler-durch-zwei versorgen,
oder einzeln über einen einzigen Teiler-durch-vier. Diese
klassische Lösung hat den Vorteil, daß sie einfach zu
entwerfen ist, und sie ergibt eine zufriedenstellene
radioelektrische Funktionsfähigkeit. Gleichwohl erfordert sie einen
erhöhten Aufwand bei der Herstellung (die Dipole müssen
beispielsweise angepaßt an und symmetrisch zu einer
Befestigungsschnittstelle an einem Reflektormast ausgelegt sein)
und bei der Bereitstellung der Komponenten (der Anzahl der
Kabel und Verbinder sowie der Leistungsteiler).
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ein Richtnetzwerk für Funkübertragungen gemäß dem
Oberbegriff anzugeben, mit dem auf einfache und kostengünstige
Weise gute radioelektrische Eigenschaften erhalten werden
können und insbesondere Leistungsverluste und
Störabstrahlungen vermieden werden können.
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Die Lösung dieses technischen Problems besteht gemäß der
vorliegenden Erfindung darin, daß das Richtnetzwerk aus
einen isolierenden Substrat gebildet ist, bei dem auf einer
ersten Seite längs einer ersten Richtung die
Strahlerelemente
angeordnet sind, welche als dünne Metallschichten
realisiert sind, wobei jedes Strahlerelement einen
Strahlerschlitz aufweist, der ausgehend von einer Nebenleitung, die
zu dem Schlitz kurzgeschlossen ist, dessen Achse senkrecht
zu der ersten Richtung und parallel zu einer zweiten
Richtung, die Hauptausbreitungsrichtung genannt wird, verläuft
und sich zu beiden Seiten der Achse linear erweitert, daß
jedes Strahlerelement von jedem benachbarten Element durch
eine Viertelwellen-Schlitzleitung isoliert ist, welche zur
Entkopplung kurzgeschlossen ist, und daß die Hauptleitung
ein koaxiales Kabel ist, welches im wesentlichen senkrecht
zu jeder Nebenleitung im Schlitz verläuft und eine zentrale
Seele sowie einen leitenden Außenmantel aufweist, wobei der
Mantel des koaxialen Kabels auf der Höhe jeder Nebenleitung
über eine Länge entfernt ist, welche im wesentlichen gleich
der Breite der Nebenleitung ist, und mit zwei
Angriffspunkten an dieser Nebenleitung für die N-1 ersten
Strahlerelemente verbunden ist, wobei der Mantel und die zentrale Seele
des koaxialen Kabels jeweils mit dem einen bzw. mit dem
anderen Angriffspunkt für das Nte und das letzte
Strahlerelement verbunden sind.
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Durch eine geeignete Dimensionierung des Strahlerschlitzes
und der Nebenleitungen ist es ferner möglich, der Impedanz
ZT jedes Strahlerelementes einen Wert zu geben, der in der
Nähe von 50/N Ohm liegt. wobei N die gesamte Anzahl der
Strahlerelemente ist, wodurch es möglich ist, als
Hauptleitung ein koaxiales Kabel mit einer Kennimpedanz von 50 Ohm
zu verwenden, woraus sich der Vorteil eines geringen
Energieverbrauchs und eines praktisch nicht vorhandenen
Störfeldes ergibt.
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Wenn beispielsweise auf Grund von Platzbeschränkungen die
Anpassung der Impedanzen nicht vollständig realisiert werden
kann, sieht die Erfindung zur Erreichung der Anpassung vor,
daß das koaxiale Kabel von einem Viertelwellen-Transformator
abgeschlossen wird. Um das Verhältnis dieses Transformators
zu vermindern, ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, wenn
jedes Strahlerelement einen Kondensator trägt, welcher von
einer dünnen Metallschicht gebildet wird, die auf einer
zweiten Seite des Substrats, der ersten Seite
gegenüberliegend aufgebracht ist. Diese Anordnung erlaubt es in der
Praxis, die Impedanz ZT eines Strahlerelementes um den Wert
50/N herum umzugruppieren. Ein entsprechendes Ergebnis kann
erhalten werden, wenn gemäß dieser Erfindung zwei
Anpassungsleitungen zu beiden Seiten des Strahlerschlitzes
angeordnet werden.
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Auf Grund der Tatsache, daß die Strahlerelemente eine
Wellenlänge von der Hauptleitung entfernt sind, senden oder
empfangen die Strahlerelemente in Phase. Die
Hauptausbreitungsrichtung ist daher senkrecht zu der Hauptrichtung,
welche durch die Ausrichtung der Elemente längs des Netzwerkes
definiert wird. Es ist gleichwohl möglich, mit Hilfe des
erfindungsgemäßen Richtnetzwerkes ein Signal in irgendeiner
Richtung in der Geländeebene zu senden oder zu enpfangen. Zu
diesem Zweck wird eine Phasenverschiebung an jedes
Strahlerelement angelegt, wobei in der Ebene der ersten und der
zweiten Richtung eine Nebenausbreitungsrichtung definiert
wird, welche sich von der Hauptrichtung unterscheidet.
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Um beispielsweise eine Azimutablenkung in der horizontalen
Ebene zu erreichen, ist schließlich vorgesehen, eine
Anordnung von Richtnetzwerken gemäß dieser Erfindung zu
realisieren, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Richtnetzwerke
parallel und mit gleichem Abstand zueinander angeordnet sind
und daß eine Phasenverschiebung an jede Hauptleitung
angelegt wird, um eine Ausbreitungsrichtung in einer zu dieser
Anordnung senkrechten Ebene zu definieren.
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Die folgende Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen gibt
Ausführungsbeispiele an, welche die Erfindung nicht
beschränken, und die erläutern sollen, worin die Erfindung
besteht und wie sie realisiert werden kann. In den Figuren
zeigen:
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Fig. 1 eine Seitenansicht eines Richtnetzwerkes mit
benachbarten Strahlerelementen gemäß der
Erfindung,
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Fig. 2 eine Seitenansicht eines regulären
Strahlerelementes, welches Teil des Richtnetzwerkes
von Fig. 1 ist,
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Fig. 3a eine Vorderansicht des Strahlerelementes von
Fig. 2,
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Fig. 3b eine Vorderansicht des letzten
Strahlerelementes,
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Fig. 4 einen elektrischen Schaltplan, der dem
Richtnetzwerk von Fig. 1 entspricht,
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Fig. 5 und 6 in der horizontalen Ebene aufgenommene
Diagramme bei der Mittenfrequenz des Bandes,
welche der Hauptpolarisation bzw. der
Kreuzpolarisation entsprechen,
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Fig. 7 und 8 in der vertikalen Ebene aufgenommene
Diagramme bei der Mittenfrequenz des Bandes,
welche der Hauptpolarisation bzw. der
Kreuzpolarisation entsprechen, und
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Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung
von Richtnetzwerken gemäß der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt in Seitenansicht ein Richtnetzwerk 10 für
Funkübertragungen, welches beispielsweise an einem zylindrischen
oder einem rechteckigen Mast 100 befestigt ist, der als
Halterung und eventuell als Reflektor für das Netzwerk dient,
um die Richtwirkung in der horizontalen Ebene an die
beabsichtigte Anwendung anzupassen. Dieses Netzwerk umfaßt
mehrere, N = 4 Strahlerelemente 200i (i = 1, ..., N), welche
mittels einer Hauptleitung 300 seriell verbunden sind, wobei
die Hauptleitung eine Versorgungsleitung ist, wenn das
Netzwerk als Sendenetzwerk arbeitet, und eine Sammelleitung ist,
wenn das Netzwerk als Empfangsnetzwerk arbeitet. wie in Fig.
1 gezeigt, sind die Strahlerelemente 200i mit einem Abstand
von einer Wellenlänge λ g auf der Hauptleitung 300
angeordnet, wobei der Abstand auch als leitungsgebundene
Wellenlänge bezeichnet wird. Beispielsweise bei einer Mittenfrequenz
Fo von 925 MHz und einer Wellenlänge im leeren Raum λ von
320 mm beträgt die leitungsgebundene Wellenlänge λ für ein
Kabel aus dielektrischem Teflon etwa 0,7 λ, also 224 mm.
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Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen, daß das Richtnetzwerk aus einem
isolierendem Substrat 200, beispielsweise aus einem
Epoxidharz, gebildet wird, auf dessen erster Seite längs einer
ersten Richtung D&sub1; die Strahlerelemente 200i angeordnet sind,
welche als dünne Metallschichten gemäß dem Verfahren zum
Herstellen gedruckter Schaltungen realisiert sind. Jedes
Strahlerelement 200i umfaßt einen Strahlerschlitz 210i, der
ausgehend von einer Nebenleitung 220i, die zu dem Schlitz
kurzgeschlossen ist, dessen Achse d2i senkrecht zu der ersten
Richtung D&sub1; und parallel zu einer zweiten Richtung D&sub2;, die
Hauptausbreitungsrichtung genannt wird, verläuft und sich zu
beiden Seiten der Achse d2i erweitert. Um die
Strahlerelemente voneinander zu isolieren, weist jedes Element 200i
mindestens eine Viertelwellen-Schlitzleitung 230i auf, welche zur
Entkopplung kurzgeschlossen ist.
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Die zum Herstellen der dünnen Schichten eingesetzte
Technologie sowie die für den Strahlerschlitz 210i und die
Nebenleitung 220i, welche zu dem Schlitz kurzgeschlossen ist,
gewählte Technologie ermöglichen es, eine relativ kleine
Impedanz des Schlitzes Zf zu erhalten, weshalb als
Nebenleitung 300 ein übliches halbstarres koaxiales Kabel verwendet
werden kann, welches eine zentrale Seele 320 und einen
leitenden Außenmantel 310 aufweist. Diese Leitung weist also
eine Kennimpedanz Zc von 50 Ohm auf. Dies ist der Grund,
warum zur Realisierung einer perfekten Anpassung die
Impedanz des Schlitzes Zf gleich 50/N = 12,5 Ohm sein muß, wenn
N = 4 Strahlerelemente eingesetzt werden. Wenn es nicht
möglich ist, diesen Idealwert zu erreichen, können verschiedene
Mittel eingesetzt werden, um gleichwohl eine gute Anpassung
der Impedanzen zu erhalten, insbesondere kann die Entfernung
zwischen dem koaxialen Kabel und dem Kurzschluß der
Nebenleitung 220i variiert werden, wobei die Impedanz abnimmt,
wenn das Kabel diesem Kurzschluß näherkommt. Gleichfalls ist
vorgesehen, daß jedes Strahlerelement 220i einen Kondensator
240i aufweist, der durch eine dünne Metallschicht gebildet
wird, die auf einer zweiten Seite des isolierenden Substrats
400, der ersten Seite gegenüberliegend an einer Stelle
angeordnet ist, bei die Angriffspunkte A und B der
Nebenleitung 220i liegen. Dieser Kondensator, der eine Kapazität von
einigen Picofarad hat, stellt eine Impedanz Zl dar, die
parallel zu der Impedanz des Schlitzes Zf ist, wie in dem
äquivalenten Schaltbild von Fig. 4 gezeigt ist. Genauso können
auch zwei Anpassungsleitungen oder Stichleitungen 251i und
252i auf beiden Seiten des Strahlerschlitzes 210i geätzt
werden. Diese zwei Anpassungsstichleitungen haben vorzugsweise
eine Länge, die gleich oder geringfügig größer als λ/4 ist.
Wenn die Größe des Substrats in der Richtung d2i nicht
ausreichend ist, können diese Anpassungsleitungen 251i und 252i
jedoch auch symmetrisch umgebogen werden, um die Erzeugung
eines störenden Kreuzfeldes zu vermeiden. Die durch die
Anpassungsstichleitungen gebildete Impedanz Z2 trägt zur
Anpassung der Impedanz Zt bei, welche am Eingang der
Nebenleitungen auftritt. Um eine endgültige Anpassung der Impedanz
des Netzwerkes zu erreichen, wird schließlich ein
Viertelwellentransformator 500 mit geeignetem, vorzugsweise kleinem
Verhältnis am Ende der Hauptleitung 300 angeordnet.
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Das Richtnetzwerk gemäß der Erfindung nimmt also das
Aussehen einer metallisierten Substratplatte sehr geringer Dicke
an, der Höhe in der Größenordnung von Nλg liegt und der
Breite geringfügig größer als oder gleich λ/4 ist.
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Die Anmelderin hat ein Richtnetzwerk realisiert, bei dem die
Impedanz ZT der Nebenleitung gleich 18 Ohm ist. Um die
Impedanz am Eingang des Kabels 300 auf 50 Ohm zu bringen, muß
der Transformator 500 mit einer Impedanz Z'c ausgebildet
werden, die der folgenden Gleichung genügt
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In der Praxis wird der Übergang zwischen dem koaxialen Kabel
und der Schlitz-Nebenleitung 220i, wie in Fig. 3a gezeigt,
dadurch erhalten, daß der Mantel 310 des Kabels auf der Höhe
jeder Nebenleitung über eine Länge entfernt wird, die im
wesentlichen gleich der Breite dieser Nebenleitung ist, und
indem der Mantel beispielsweise an zwei Angriffspunkten A
und B der Nebenleitung für die N-1 ersten Strahlerelemente
durch Löten verbunden wird. Für das Nte und das letzte
Strahlerelement zeigt Fig. 3b, daß der Mantel 310 und die
zentrale Seele 320 jeweils mit Angriffspunkten A und B
derart verbunden sind, daß ein Kurzschluß am Ende der Leitung
hergestellt und so der elektrische Kreis geschlossen wird.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen die von der Anmelderin in der
horizontalen
Ebene bei der Mittenfrequenz Fo des Bandes für die
Hauptpolarisierung bzw. die Kreuz- oder Feldpolarisierung
aufgenommenen Diagramme. Man erkennt einen schwachen Pegel
der Kreuzpolarisierung, der mehr als 20 dB unter der
Hauptpolarisierung liegt. Andererseits ist die Richtwirkung des
Hauptdiagramms gering, die Dämpfung bei ± 90º der
Hauptrichtung der Strahlung liegt nur in der Größenordnung von 5 dB,
was beispielsweise für die Allrichtwirkung oder
Omnirichtwirkung des horizontalen Diagramms in einer runden
Netzwerkanordnung mit mehreren (2, 4 oder 8) Richnetzwerken gemäß
der Erfindung besonders vorteilhaft ist.
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Die Fig. 7 und 8 zeigen gleichfalls bei der Mittenfrequenz
Fo in der vertikalen Ebene D&sub1;, D&sub2;, welche das Netzwerk
enthält, aufgenommene Diagramme für die Hauptpolarisation bzw.
die Kreuzpolarisation. Man beachte, daß die
Kreuzpolarisation relativ zur entsprechenden Hauptpolarisation um 10 dB
größer ist. Die Untersuchung dieser vertikalen Diagramme
zeigt, daß die Öffnung bei 3 dB des Bündels in der Nähe von
17º ist, was der bekannten Näherungsformel entspricht:
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wobei L die gesamte Länge des Richtnetzwerkes ist.
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Eine Ablenkung des Bündels relativ zum Horizont kann auf
Grund desselben Prinzips vorgesehen werden, wobei die
Strahlerelemente in Reihe angeschlossen werden. Die
Mittenfrequenz Fo der Ablenkung ist Null, weil alle Schlitze in
Phase sind und die Wellenfront vertikal ist. Bei der
Frequenz Fo + ΔF und für ein lineares Netzwerk mit
fortschreitenden Wellen (Wanderwellen) ist die Neigung der Wellenfront
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wobei d = λg die Entfernung zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Schlitzen des Netzwerkes ist. Diese Formel ergibt eine
Ablenkung in der Größenordnung von ± 3º in einem Band von 8
%. Gleichwohl ist das Netzwerk gemäß der Erfindung kein
Wanderwellennetzwerk sondern ein Netzwerk für stationäre
Wellen, und die Neigung der Wellenfront ist geringer, abhängig
von den einzelnen Impedanzen der Schlitze, den Kopplungen
zwischen den Schlitzen und anderen Beugungsphänomenen.
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Die Seitenkeulen, die als Nebenkeulen bezeichnet sind, haben
einen Pegel, der mehr als 15 dB unter dem Maximum der
Hauptkeule liegt, und in einem Band von 8 % bleibt der Pegel der
Nebenkeulen noch immer mehr als 12 dB unter dem Maximum. In
vereinfachter Schreibweise liegt dieser Pegel bei 11,5 dB,
wobei der Standardfaktor des Netzwerkes hier gleich
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ist, wobei Θ der vom Zenit aus gemessene Polwinkel ist. Die
durch das Einzeldiagramm eines Schlitzes eingeführte
Gewichtung und die genaue Ungleichmäßigkeit der Erregung des
Schlitzes erklären den niedrigen Pegel der Seitenkeulen, was
offensichtlich für eine gute Konzentration der
Stahlungsenergie in dem Bündel sehr vorteilhaft ist.
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Der Pegel der Kreuzpolarisation in der vertikalen Ebene ist
schließlich auf Grund des speziellen Entwurfes des
Netzwerkes gemäß der Erfindung sehr niedrig.
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Wenn die Strahlerelemente in Phase sind, verläuft die
Hauptausbreitungsrichtung D&sub2; senkrecht zur Richtung D&sub1; des Netzes.
Um eine beliebige Ausbreitungsrichtung in der Ebene D&sub1;, D&sub2;
(vertikale Ebene) zu erhalten, muß eine Phasenverschiebung
an jedes der aufeinanderfolgenden Strahlerelemente angelegt
werden, woraus sich die Möglichkeit der elektronischen
Abtastung des Bündels ergibt.
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Die Fig. 9 zeigt eine Anordnung von P Richtnetzwerken 10j,
wobei j sich von 1 bis P ändert, die parallel und mit
gleichen Abständen zueinander angeordnet sind. Um in einer
horizontalen Ebene P, die senkrecht zu der Anordnung ist, eine
azimutale Ausbreitungsrichtung zu definieren, wird eine
Phasenverschiebung an jede Hauptleitung 300j angelegt. Eine
azimutale Ablenkung wird erhalten, indem diese
Phasenverschiebung elektronisch variiert wird.
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Die isotrope Verstärkung des Richtnetzwerks gemäß der
Erfindung wurde durch Vergleichen mit einer Etalon-Antenne
gemessen. Der Wert der Verstärkung liegt sehr nahe bei 10 dBi.
Dies läßt sich einfach aus der Tatsache erklären, daß vier
ausgerichtete Strahlerelemente, die jeweils eine Verstärkung
von ungefähr 2 dBi haben und ein lineares Netzwerk bilden,
das mit einem Viertelwellen-Abstand vor einem Reflektormast
angeordnet ist, der eine zusätzliche Verstärkung in der Nähe
von 3 dBi bringt. eine Verstärkung von 11 dBi erzeugen. Wenn
man die technologisch bedingten Verluste und die Verluste
auf Grund von Reflexionen am Eingang des Netzwerkes
berücksicht und andererseits berücksichtigt. daß der Reflektormast
nicht unendlich groß ist, läßt sich der gemessene Wert
bestätigen.