DE2415020A1

DE2415020A1 - Antennensystem

Info

Publication number: DE2415020A1
Application number: DE2415020A
Authority: DE
Inventors: Peter W Hannan
Original assignee: Hazeltine Corp
Current assignee: BAE Systems Aerospace Inc
Priority date: 1973-04-03
Filing date: 1974-03-28
Publication date: 1974-10-17
Also published as: SE394924B; JPS586410U; DD110956A5; CS187412B2; IL44496A0; CA991742A; BR7402610D0; AU6569074A; IT1010886B; JPS49131359A; NL7404187A; FR2224888B1; PL94574B1; IL44496A; GB1425142A; US3881178A; FR2224888A1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Scherrmann Dr.-Ing. R. Roger

7300 Essüngen (Neckar), Fabrikstraße 24, Postfach 348

_Telefon PA 25 naha 8t»ti_g._rt

^- Telegramme Patentschutz

Esslingenneckar

Telex 07256610 smru

Hazeltine Corporation, Greenlawn, New York 11740,USA

Antennensystem

Die Erfindung betrifft ein Antennensystem zur Ausstrahlung einer Vielzahl von ebenen Strahlenbündeln/ bei dem jedes Strahlenbündel in der zugehörigen Strahlungsebene einen bestimmten öffnungswinkel hat, bei dem eine Einrichtung zur zylindrischen Fokussierung der auftretenden Wellenenergie vorhanden ist und bei dem Strahlenerzeuger vorgesehen sind, welche die auftretende Wellenenergie in Richtung der Einrichtung zur zylindrischen Fokussierung abstrahlen.

In Funkpeilsystemen ist es allgemein üblich, die Komponenten eines Richtungsvektors auf einer Anzeige entweder in Planar-oder in Kegelkoordinaten zu messen; so ist es z.B. üblich ,die Azimuth-Richtung in Planar-Koordinaten anzuzeigen und den Elevations-Winkel in Kegelkoordinaten.

Wenn man also entweder Planar-oder Kegelkoordinaten in einem Funkpeilsystem mit Richtantennen benutzt, ist es erwünscht, daß der Verlauf des AntennenStrahls an das benutzte Koordinatensystem angepasst ist. Diese Maßnahme macht eine etwaige Koordinatentransformation überflüssig. Moderne Funkpeilsysteme erfordern Antennen, die eine sehr schnelle Strahlbewegung erlauben oder die mit vielen Strahlen gleichzeitig arbeiten können. Diese Eigenschaften erlauben einen schnellen Wechsel eines Strahls zwischen verschiedenen Zielen oder erlauben, daß mit der Antenne und

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und mehreren gleichzeitig vorhandenen Strahlen mehr als ein Ziel erfasst werden kann.

Ein bekanntes Antennensystem zur Funkortung in einem Planar-Koordinaten-System ist eine mechanisch rotierende "Fächer-Strahl"-Antenne, die z.B. allgemein für Such-Radar und v/eitere Anwendungen benützt wird. Dieser Antennentyp besitzt einen speziell geformten Reflektor und Strahlerzeuger oder eine lineare Anordnung von Antennenelementen, denen Signale mit gleicher Phasenlage zugeführt werden. Jeder dieser Antennen strahlt einen einzelnen, ebenen "Fächer-Strahl" (fan beam) ab, dessen Bewegung im Raum durch mechanische Drehung der Antenne bewirkt wird.

Bekannte Antennen mit mehrfachen Fächer-Strahlen besitzen eine lineare Anordnung von Antennenelemcnten, bei denen diese Strahlen durch Änderung der Phasenlage der jedem Element zugeführten Energie erzeugt werden. Ein andere Mehrfachfächerstrahlsystem ist ein Parabolspiegel mit einem großen Seitenverhältnis sowie mehreren Strahlquellen. Beide Systeme erzeugen kegelförmige Strahlenbündel.

Eine kreisförmige Anordnung von Antennenelementen ist in der Lage, eine Vielzahl von ebenen Fächer-Strahlen zu erzeugen. Ein solches Antennensystem erfordert allerdings eine große Zahl von Elementen und einen sehr komplizierten Schaltungsaufbau,um eine genaue Funkortung zu ermöglichen.

In einem Artikel von R.N. Ässaly und L.J. Ricordi, dessen Titel "A Theoretical Study of A Multo-Elenient Scanning Feed System For A Parabolic Cylinder" lautet und der in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, VoI AP-14,Nr. September 1966, erschienen ist, haben sich die Autoren mit

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dem Betrieb eines zylindrisch geformten Reflektors mit mehreren Strahlquellen im Rahmen der Ausstrahlung von Mehrfachstrahlen befasst. Allerdings setzen die Autoren .in ihrem Artikel eine Strahlquelle und einen Reflektor von unendlicher Länge in Pachtung der Fokus-Achse voraus, wobei sie eine Analyse in zwei Dimensionen durchführen, ohne zwischen ebenen und kegelförmigen Strahlen zu unterscheiden. Außerdem enthält die Analyse keinen Hinweis auf den Verlauf einer in der Praxis verfügbaren Antenne, die im dreidimensionalen Raum arbeitet.

Es ist Zweck der vorliegenden Ei:findung, ein Antennensystem der eingangs genannten Art vorzustellen, das ohne großen technischen Aufwand herstellbar ist und das einen sicheren Betrieb erlaubt.

In diesem Rahmen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, den Aufbau eines Antennensystem anzugeben, mit dem gleichzeitig mehrere ebene Strahlenbündel in einen bestimmten Teil des Raumes abgestrahlt werden können.

In Übereinstimmung mit der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die zylindrisch fokussierende Einrichtung eine strahlende Oberfläche hat, deren axiale Länge die Öffnungsweite eines Winkels bildet, der durch die gedachte Verbindung der Endpunkte der axialen Länge mit einem Bezugspunkt auf der Fokus-Achse entsteht, daß dieser Winkel gleich dem Öffnungswinkel eines ebenen Strahlungsbunaels ist, daß der Strahlerzeuger eine der Anzahl der vorgesehenen, ebenen Strahlungsbündel entsprechende Anzahl von Strahlbildern abgibt, daß das Phasenzentrum jedes Strahlbildes an einem anderen Punkt in der Nähe des auf der Fokus-Achse liegenden Bezugspunktes angeordnet ist, daß jedes Strahlbild so auf die fokussierende Einrichtung fällt,

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daß, bezogen auf eine zur Fokus-Achse senkrechte Ebene, ein jedem Strahlbild zugeordnetes, ebenes Strahlungsbündel auftritt, welches einen zugehörigen Öffnungswinkel hat.

Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung dient die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten ' Zeichnungen, der ebenso wie den Patentansprüchen weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung entnommen werden können.

Fig. 1 zeigt ein Antennensystem in schematischer Darstellung,

Fig. 2 zeigt die abgestrahlten ebenen Strahlungsbündel einer Antenne nach Fig. 1,

Fig. 3 und 4 zeigen v/eitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Das Antennensystem nach Fig. 1 enthält Mittel zur zylindrischen Fokussierung der auftretenden Wellenenergie, d.h. einen parabolischen, zylindrischen Reflektor 10 sowie Strahler, welche dies Strahlbilder auf die Fokussiereinrichtung abstrahlen. Hier handelt es sich um die drei Hornstrahler 11a, 11b und 11c. Der Reflektor 10 hat eine Fokus-Achse 12 und eine Achslänge 13, und zwar so, daß die Achslänge 13 sich über einen Winkel 14 erstreckt, bezogen auf einen Punkt 15 auf der Fokus-Achse 12.

Die Hornstrahler 11 gemäß der Anordnung in Fig. 1 befinden sich in der Nähe des Punktes 15 auf der Fokus-Achse 12 und sind gegeneinander um einen Winkel 16 versetzt angeordnet, wobei sie in einer Ebene 17 liegen, die senkrecht

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auf der Fokus-Achse 12 steht, und zwar bezogen auf einen Mittelpunkt 18 des Reflektors 10. Die Höhe 19 des Reflektors 10 sowie der Abstand der Fokus-Achse sind in üblicher Weise gewählt,und zwar unter den Gesichtspunkten der gewünschten Strahlöffnung in der zur Fokus-Achse senkrechten Ebene 17 und der Strahlcharakteristik der Hornstrahler 11. Die Länge 13 des Reflektors 10 ist so gewählt, daß der Winkel 14 genau dem gewünschten Öffnungswinkel der ebenen Strahlungsbündel entspricht, unter dem jeder der Strahler in seiner Ebene strahlt. Die Anzahl der Hornstrahler eines Antennensystems gemäß Fig. 1 wird entsprechend der Anzahl der gewünschten ebenen Strahlungsbündel gewählt. Die Hornstrahler 11 können beliebiger Art sein, vorausgesetzt sie erzeugen ein dem Reflektor 10 entsprechend v/irksames Strahlungsbild.Auch andere Strahler als die gezeigten Hornstrahler 11 können gewählt werden, uns zwar sind solche Strahler hinreichend bekannt. Beispielsweise seien Dipole und Spiralen als solche bekannten Strahler genannt.

Es ist offensichtlich, daß jedes Strahlungsbild der gezeigten Hornstrahler ein Strahlungsphasenzentrum an einem anderen Ort im Raum hat. Unter dem Begriff Strahlungsphasenzentrum" soll der Punkt verstanden werden, von dem aus sphärisch auseinanderstrebende Wellen auszugehen scheinen.

Andere Mittel zur Anstrahlung des Reflektors 10 mit der notwendigen Zahl von Strahlungsbildern sind möglich. Eines davon ist in der US-Patantschrift 3 710 380 beschrieben, bei dem eine Anordnung von Strahlungselementen in der entsprechenden Weise vorhanden ist.

Wie erwähnt, ist die Anordnung in Fig. 1 so gewählt, daß die Hornstrahler 11 in einer Ebene 17 liegen, die durch die Mitte des Reflektors 10 geht und die senkrecht auf der

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Fokus-Achse 12 steht. Abweichend davon können die Ausgangspunkte der Strahlen auch seitwärts dieser Mitte liegen. Diese Anordnung wird man dann vorsehen, wenn in einem System eine asymmetrische Strahlverteilung gefordert wird. Es ist auch nicht unbedingt erforderlich, daß die Strahlungserzeuger in einer Ebene 17 liegen, soweit sie nur den erforderlichen gegenseitigen Versatzwinkel 16 in . der Ebene 17 besitzen.

Die Wirkungsweise der Antenne gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 verdeutlicht. Wenn der Reflektor 10 durch das Strahlungsbild jedes der Hornstrahler 11 getroffen wird, entsteht ein entsprechendes, ebenes Strahlungsbündel 20, das in einer Richtung abgestrahlt wird, die jeweils einem Hornstrahler 11 fest zugeordnet ist, wenn dieses in einer Ebene 17 senkrecht zur Fokus-Achse 12 angeordnet ist. Jedes der so abgestrahlten ebenen Strahlungsbündel 20a,b_rc hat einen gewünschten Öffnungswinkel 21 in äer Ebene des Strahls,und zwar bestimmt durch den Winkel 14 und die Achslänge 13. des Reflektors 10 nach Fig. 1 Diese ebenen Strahlungsbündel 20, die durch ein Antennensystem nachFig. 1 abgestrahlt werden, sind für die Anwendung in einem Funkpeilsystem mit Planac-Koordinaten geeignet.

Bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der in Fig. 1 gezeigte Reflektor durch jede andere aus einer Vielzahl von Anordnungen ersetzt werden, die geeignet sind, » eine vorhandene Wellenenergie zylindrisch zu fokussieren, einschließlich aktiver Sende-Linsen. Derartige Einrichtungen zur zylindrischen Fokussierung haben einen Fokussiereffekt, der zur Aussuchung einer vorhandenen Wellenenergie in im wesentlichen einer Ebene führt, die in der Ausbreitungsrichtung liegt. Dabei tritt in der zu vorstehend genannten Ebene rechtvrinkligen Ebene der Aus-

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breitungsrichtung kein nennenswerter Fokussiereffekt auf. Die Ebene des fokussierten Strahlungsimndels liegt rechtwinklig zur Fokus-Achse der fokussierenden Einrichtung.

Daraus ergibt sich, daß sphärisch auseinanderstrebende Wellen, die von einer Punktquelle in der Nähe der Fokus-Achse erzeugt werden, durch die zylindrisch fokussierende Einrichtung zu sich zylindrisch ausbreitenden Wellen umgewandelt werden, als ob sie von einem Linienstrahler stammten.

Der Parabol-Reflektor 10 in Fig. 1 hat nur eine Fokus-Achse. 12. Eine durchlässige, zylindrisch fokussierende Einrichtung, wie z.B. eine dielektrische Linse, hat zwei Fokus-Achsen, jeweils eine auf jeder Seite der Linse. Eine kreissymmetrisch, zylindrisch fokussierende Einrichtung, wie z.B. ein kreiszylindrischer Reflektor oder eine zylindrische Luneberg-Linse, hat eine unendliche Zähl von Fokus-Achsen wegen der Kreissymmetrie.

Wenn eine zylindrisch fokussierende Einrichtung mehr als eine Fokus-Achse besitzt, so kann ein Punkt auf irgendeiner der Fokus-Achsen als Bezugspunkt für die Anordnung des erforderlichen Strahlerzeugers benutzt v/erden. Die erforderliche Achslänge einer solchen zylindrisch fokussierenden Einrichtung, an der die Wellenenergie abgestrahlt werden soll, die ihrerseits an der gewählten Fokus-Achse erzeugt wird, muß so groß sein, daß sich vom Bezugspunkt auf der Fokus-Achse aus gesehen der notwendige Strahlungswinkel ergibt.

Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei der die zylindrisch fokussierende Einrichtung durchlässig ist und eine zylindrische Luneberg-Linse 22 ist. Die bekannteste Form einer Luneberg-Linse ist ein sphärischer

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Körper aus einem Material, dessen

Ausbreitungsgeschv/indigkeit eine Funktion des Radius ist, auf dem das Material liegt, so daß die vorhandene Wellenenergie auf einen Punkt der Oberfläche der Kugelanordnung fokussiert wird, der dem Entstehungspunkt der Energie diametral gegenüberliegt.

Die zylindrische Luneberg-Linse 22 arbeitet so, daß die auftretende ebene Wellenenergie auf eine axiale Linie auf der Oberfläche fokussiert wird, die der Erzeugenden diametral gegenüberliegt. Die zylindrische Luneberg-Linse hat also die Eigenschaft, daß wegen ihrer Kreissymmetrie die auftretende Wellenenergie zylindrisch fokussiert wird, und dies hinsichtlich einer unendlichen Zahl von Fokus-Achsen.

In der Ausführung nach Fig. 3 sind die Hornstrahler 11a, 11b und 11c auf der Oberfläche der Linse 22 in der Nähe einer bestimmten Fokus-Achse 12' angeordnet.Die Kornstrahler 11 sind gegeneinander um einen Winkel 16' in einer Ebene 17 versetzt, und zwar von dem Mittelpunkt 18 der Linse 22 aus gesehen, wobei die Ebene 17 rechtwinklig zu der Fokus-Achse 12'· verläuft. Die Linse 22 hat eine axiale Länge 13'; dadurch

ergibt sich auf der Oberfläche,diametral gegenüber der Fokus-Achse 12',und zwar gesehen von einem Punkt in der Nähe der Hornstrahler 11 aus, ein Winkel,der dem gewünschten Strahlungsv/inkel entspricht.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausbildung der vorliegenden Erfindung, bei der die zylindrisch fokussierende Einrichtung eine solche mit einer durchlässigen Richtstruktur 26 ist. Die Einrichtung 26 besteht aus einer bestimmten Anordnung von Empfangselementen 23, welche die von dem Hornstrahler 11 erzeugten Strahlungsbilder aufnehmen. Weiterhin sind phasenschiebende Elemente 24 zur Phasenänderuhg der durch jedes der Elemente 23 empfangenen Strahlung vorhanden,

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an die sich eine Anordnung von strahlenden Elementen 25 zur Aussendung der phasenverschobenen Strahlungsenergie anschließt. Die phasenverschiebenden Elemente 24 verursachen einen jeweils festgelegten Betrag der Phasenverschiebung für jedes der Elemente 23, so daß die Struktur die Funktion der zylindrischen Fokussierung der vorhandenen Wellenenergie erfüllt. Als phasenverschiebende Einrichtungen können alle bekannten Anordnungen gewählt werden, wie z.B. Übertragungsleitungen veränderlicher Länge oder Übertragungsleitungen mit unterschiedlicher Dielektrizitätszahl. Die Elemente 23 und 25 der Anordnung können in bekannter Weise ausgeführt werden, z.B. als Dipole, Hörner oder Spiralen.

Es ist offensichtlich, daß die bekannten, phasenverschiebenden Elemente 24 nach Fig. "4 auch aus-reflektierenden Phasenschiebern bestehen können, die eine Rückstrahlung über die erste Anordnung mit den Elementen 23 verursachen; in diesem Fall ist die Anordnung mit den Elementen 25 nicht erforderlich. Das Ergebnis ist eine reflektierende Anordnung mit zylindrischer Fokussierung.

In den vorstehenden Erläuterungen wurde stets davon ausgegangen, daß es sich bei den beschriebenen Anordnungen um Sendeantennen handelt, aber es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß aufgrund der bekannten Eigenschaften und Gesetze die vorliegende Erfindung auch auf Empfangsantennen anwendbar ist. Dementsprechend sei im Zusammenhang mit dem Wortlaut der Patentansprüche darauf hingewiesen, daß sich die Erfindung sowohl auf Sende- als auch auf Empfangsantennen bezieht.

Eine Antenne gemäß vorliegender Erfindung kann sowohl mit einem getasteten als auch mit einem Vielfachstrahl betrieben werden. Eine getastete Antenne erhält man dann, wenn das

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Phasenzentrum des Strahlers bewegt wird oder durch sequentielle Anschaltung der vorhandenen Strahlquellen an den Sender oder Empfänger.

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Es gibt Konstruktionsmerkmale für jede Antenne, die jedem Fachmann geläufig sind, sei es, daß es sich um bekannte Antennen handelt, sei es im Zusammenhang mit Antennensystemen gemäß der Erfindung. Verschiedene Gesichtspunkte in Bezug auf Apertur-Größe-und -Verlauf, auf die Art der Speisung und räumliche Anordnung können für die einzelne, konkrete Ausführung des erfindungsgemäßen Antennensystems berücksichtigt werden. Dies hängt z.B. davon ab, wie groß die Anschaltung des zu bestrahlenen Raumes ist, welche Polarisation gewünscht wird, wie groß die Zahl der notwendigen Strahlenbündel ist und wie die Ausrichtung der Antenne in Bezug auf diese Strahlenbündel aussehen soll.

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Claims

Patentansprüche

1.) Antennensystem zur Ausstrahlung einer Vielzahl -~ J
von ebenen Strahlenbündeln, bei dem jedes Strahlenbündel in der zugehörigen Strahlungsebene einen bestimmten Öffnungswinkel hat, bei dem eine Einrichtung zur zylindrischen Fokussierung der auftretenden Wellenenergie vorhanden ist und bei dem Strahlenerzeuger vorgesehen sind, welche die auftretende Wellenenergie in Richtung der Einrichtung zur zylindrischen Fokussierung abstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrisch fokussierende Einrichtung (10) eine strahlende Oberfläche hat, deren axiale Länge (13) die Öffnungsweite eines Winkels (14) bildet, der durch die gedachte Verbindung der Endpunkte der axialen Länge (13) mit einem Bezugspunkt (15) auf der Fokus-Achse (12) entsteht, daß dieser Winkel (14) gleich dem Öffnungswinkel (21) eines ebenen Strahlungsbündels (20) ist, daß der Strahlerzeuger (11) eine der Anzahl der vorgesehenen, ebenen Strahlungsbündel (20) entsprechende Anzahl von Strahlbildern abgibt, daß das Phasenzentrum jedes Strahlbildes an einem anderen Punkt in der Nähe des auf der Fokus-Achse (12) liegenden Bezugspunktes (15) angeordnet ist, daß jedes Strahlbild so auf die fokussierende Einrichtung (10) fällt, daß, bezogen auf eine zur Fokus-Achse (12) senkrechte Ebene (17), ein jedem Strahlbild zugeordnetes, ebenes Strahlungsbündel (20) auftritt, welches einen zugehörigen öffnungswinkel (21) hat. (Fig. 1, Fig. 2).

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2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlerzeuger (11) ao ausgebildet ist, daß jedes Stralilbild in einem separaten Strahler (11a,b,c) entsteht und daß alle Strahler (11a,b,c) so in der Nähe des Bezugspunktes (15) auf der Fokus-Achse (12) angeordnet sind, daß sie gegeneinander jeweils um einen Winkel (16), bezogen auf eine zur Fokus-Achse (12) senkrechte Ebene (17), versetzt sind (Fig. 1).

3. Antennensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrisch fokussierende Einrichtung (10) eine die auftretende Wellenenergie reflektierende Einrichtung ist.

4. Antennensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Einrichtung eine parabolisch zylindrische Oberfläche hat (Fig. 1).

5. Antennensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Einrichtung eine kreisförmige, zylindrische Oberfläche hat.

6. Antennensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Einrichtung eine Anordnung von reflektierenden Einzelelementen ist.

7. Antennensystem nach Anspruch 3,4,5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahler Wellenleiter-Hornstrahler sind, die in der Nähe des Bezugspunktes (15) auf der Fokus-Achse (12) in einer Ebene (17) senkrecht zur Fokus-Achse (12) angeordnet sind und daß die einzelnen Hornstrahler um jeweils einen gleichbleibenden Winkel gegeneinander versetzt sind (Fig. 1).

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8. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrisch fokussierende Einrichtung eine für die auftretende Wellenenergie durchlässige, zylindrisch fokussierende Einrichtung ist.

9. Antennensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Einrichtung eine Linsenstruktur besitzt und daß die Linsenstruktur eine von der Umgebung unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit für die Wellenenergie hat.

10. Antennensystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Einrichtung eine zylindrische Luneberg-Linse ist (Fig. 3).

11. Antennensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Einrichtung (26) eine erste Anordnung von Empfangselementen (23) für die auftretende Wellenenergie enthält, an die jeweils phasenschiebende Elemente (24) angeschlossen sind und daß hinter den phasenschiebenden Elementen (24) strahlende Elemente (25) angeschlossen sind (Fig, 4),.