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Die Erfindung betrifft eine Mehrfrequenz-Strahlungseinrichtung.
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Die allgemeine Entwicklung im Bereich der
Telekommunikationssatelliten geht in Richtung einer Steigerung der
Leistung, des Verkehrs und der Anzahl der Aufgaben. Der gleiche
Satellit soll aus Wirtschaftlichkeitsgründen in der Lage sein,
mehrere Nutzlasten aufzunehmen. Diese benötigen
Antennensysteme, deren Gewinn unaufhörlich zunimmt, um die immer strenger
werdenden Spezifikationen in Bezug auf die geltenden Parameter
zu gewährleisten, nämlich:
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- die Anzahl der Strahlenbündel,
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- der Gewinn der Strahleröffnung bzw. -öffnungen,
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- die gegenseitige Trennung der Strahlen.
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Die neuen Nutzladungen benötigen Antennensysteme,
deren projizierte Öffnung zwischen 3 bis 6 Meter schwanken
kann oder noch höher liegt. Es versteht sich, daß es aus
verschiedenen Gründen, vor allem der Unterbringung und der Massen
nicht möglich ist, die Anzahl dieser großen Antennen auf einem
einzigen Satellitenkörper zu vermehren.
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Unabhängig davon, ob es sich um ein Antennennetz mit
direkter Abstrahlung oder um eine Reflektorantenne handelt,
die ein Primärnetz verwendet, ist es erstrebenswert, die
gleiche strahlende Oberfläche zu benutzen. Für den Satelliten
bedeutet dies eine maximale Integration der Funktionen und
eine bessere Optimierung der Nutzlast.
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Durch die Druckschrift EP-A-0 118 345 ist eine
Mehrfrequenz-Netzantenne bekannt geworden, die durch die
Realisierung einer mit einer ersten Frequenz arbeitenden Netzantenne
und einer mit einer zweiten Frequenz arbeitenden zweiten
Netzantenne gebildet wird, wobei diese Primärantenne aus
strahlenden Elementen eines ersten Typs, entweder Schlitzen oder
aufgedruckten Fliesen, besteht, während die zweite Antenne aus
strahlenden Elementen eines zweiten Typs besteht, die in der
Druckschrift "Patches" genannt werden. Die Druckschrift lehrt
den Aufbau einer zweiten Antenne, die bei der Betriebsfrequenz
der ersten Antenne praktisch transparent ist, derart, daß die
Anbringung der beiden Antennen nebeneinander den Betrieb der
5ersten Antenne nicht allzu sehr stört. Dies stellt dennoch
eine beträchtliche Einschränkung bei der Gestaltung der beiden
Antennen dar, denn man kann sie wegen der unvermeidlichen
Kopplungen zwischen den Antennen nicht getrennt optimieren.
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Ziel der Erfindung ist es, für ein derartiges Problem
eine Lösung zu bieten und so auf einer einzelnen physischen
Oberfläche die Optimierung von Gruppen unterschiedlicher
strahlender Elemente zu schaffen, die bei verschiedenen
Frequenzen arbeiten.
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Hierzu schlägt die Erfindung eine strahlende
Mehrfrequenzeinrichtung vor, die mindestens ein erstes strahlendes
Element eines ersten Typs und mindestens ein strahlendes
Element eines zweiten Typs aufweist, die nebeneinander auf einer
gleichen Oberfläche angeordnet sind, um ein Antennennetz zu
bilden, wobei die strahlenden Elemente des ersten Typs in
einem ersten Frequenzbereich arbeiten, während die strahlenden
Elemente des zweiten Typs in einem zweiten Frequenzbereich
arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente des ersten
Typs Mikrostreifenelemente und die Elemente des zweiten Typs
Drahtelemente sind und daß diese Elemente paarweise angeordnet
sind, um mindestens ein zusammengesetztes strahlendes Element
zu bilden.
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Vorteilhafterweise kann eine netzförmige Anordnung für
verschiedene Aufgaben mit verschiedenen Frequenzen aufgebaut
werden, und zwar auf der gleichen strahlenden Antenne.
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Weiter bietet die mögliche Verwendung dritter
strahlender Elemente eine Lösung des schwierigen Problems der
Anordnung von Elementen im Netz, die wegen ihrer Richtwirkung
oder ihrer Betriebsfrequenz einen grundsätzlich
unterschiedlichen Abstand haben.
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Die fehlende Wechselwirkung zwischen den verschiedenen
Strahlungselementtypen ermöglicht es schließlich, das gesamte
Netz wie zwei unabhängige Netze zu behandeln und zu
optimieren, wobei jedes von ihnen optimal aufgebaut ist:
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- das eine verwendet die ersten strahlenden Elemente,
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- das andere verwendet die Kombination der zweiten und
dritten strahlenden Elemente.
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen im
übrigen aus der nachfolgenden beispielshalber und ohne
Beschränkungsabsicht abgefaßten Beschreibung unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Figuren hervor.
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Die Figuren 1 und 2 stellen schematisch zwei
entsprechende Ausführungsformen der Einrichtung gemäß der Erfindung
dar.
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Die Figuren 3 und 4 stellen zwei Schnittansichten von
Elementen einer Ausführungsform der Einrichtung gemäß der
Erfindung dar.
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Die Figuren 5 und 6 stellen schematisch zwei
Ausführungsformen der Einrichtung gemäß der Erfindung dar.
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Die strahlende Einrichtung der Erfindung, wie sie in
Figur 1 dargestellt ist, weist auf einer gemeinsamen
Oberfläche 10 mindestens zwei Typen von strahlenden Elementen auf,
die nach unterschiedlichen Prinzipien arbeiten:
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- erste strahlende Elemente 11 vom Mikrostreifentyp oder vom
Typ gedruckter Fliesen (englisch: "Patch"),
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- zweite strahlende Elemente 12 in Drahtform.
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Man erhält auf diese Weise eine Zweifrequenzantenne,
die es ermöglicht, auf der gleichen Nutzfläche die Abstrahlung
einer ersten Frequenz mit einer ersten aufgedruckten Antenne
und die Abstrahlung einer zweiten Frequenz mit einer Draht
antenne zu bewirken. Die Betriebsimpedanz der beiden Antennen
ermöglicht ihre Optimierung auf getrennte Frequenzen, wobei
ihre Entkopplung durch die Tatsache erreicht wird, daß die
Prinzipien, die zur Abstrahlung beitragen, unterschiedlicher
Natur sind.
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Figur 2 stellt eine Ausführungsvariante der
Einrichtung
der Erfindung dar, bei der die Anordnung der ersten und
zweiten Elemente 11 und 12 geändert worden ist. Die Anzahl der
zweiten Elemente 12, beispielsweise in Drahtform, die zwischen
den ersten Elementen 10 liegen, beispielsweise in
aufgedruckter Form, hängt von der Optimierung der Antenne ab. Das so
aufgebaute Netz kann im übrigen dreieckig, quadratisch,
rechteckig oder sechseckig sein.
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Wenn man auf diese Weise auf der gleichen Oberfläche
derartige strahlende Elemente, die nach unterschiedlichen
Prinzipien arbeiten, vereinigt, erhält man eine
Zweifrequenzantenne. Sie ermöglicht nämlich auf der gleichen
Nutzoberfläche die Ausstrahlung mit der einen Frequenz durch eine
aufgedruckte Antenne und die Ausstrahlung mit einer anderen
Frequenz durch den Einsatz einer Drahtantenne.
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Eine solche Ausführungsform besitzt die beiden
folgenden Merkmale:
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- die Drahtantenne beeinflußt nicht die Anpassungs- und
Strahlungscharakteristik der aufgedruckten Antenne;
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- aufgrund der unterschiedlichen Strahlungsprinzipien bleibt
die Kopplung zwischen den beiden Elementen sehr schwach.
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Es kommt eine bestimmte Anzahl von Drahtantennentypen
für die Montage auf der gedruckten Antenne in Frage. Die
genaue Auswahl hängt von einer auf den jeweiligen Bedarf
bezogenen Optimierung ab und orientiert die Lösung auf die
Verwendung von Dipolen, Eindrahtspiralen, Vierdrahtspiralen, usw.
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In Bezug auf einen Nennbetrieb des Drahtelements (ohne
aufgedruckte Antenne) ergibt sich keine spürbare Änderung des
Verhaltens dieser Antenne, wenn sie auf einer aufgedruckten
Antenne montiert wird. Die von der Drahtantenne beleuchtete
Massenebene besteht aus der Einheit aus aufgedrucktem Leiter
und der allgemeinen Massenebene der aufgedruckten Antenne. Da
die Betriebsfrequenz der Drahtantenne nicht einer
Resonanzfrequenz der aufgedruckten Antenne entspricht, spielt die
aufgedruckte Antenne keine besondere Rolle (Feldkonzentration,
Kavität, Resonanz).
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Bei einer anderen in Figur 3 dargestellten
Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung ist ein ersten
Element 16 auf einer gemeinsamen projizierten Oberfläche einem
zweiten Element 19 zugeordnet, um ein sogenanntes
"zusammengesetztes" strahlendes Element zu bilden. Es gibt also:
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- eine Massenebene 13, ein dielektrisches Substrat 14 und eine
Metallspur 15, die eine ebene aufgedruckte Antenne 16 bilden.
Diese Antenne wird in ihrer Mitte von einem Durchtrittsloch 17
durchdrungen;
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- ein Koaxialkabel 18, das senkrecht zur Ebene der
aufgedruckten Antenne 16 durch das Loch 17 verläuft. Dieses Kabel
schließt an seinem freien Ende mit einer Antenne 19 eines
anderen Typs, im vorliegenden Fall einem Dipol, ab.
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Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
endet das das Loch 17 durchquerende Koaxialkabel in einer
Antenne 19, die in diesem Fall eine Spiralantenne ist.
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Die in dieser Form definierte aufgedruckte Antenne 16
ist so bemessen, daß sie den allgemeinen Anforderungen ihrer
Aufgabe genügt. Je nach Fall und in Abhängigkeit von der
gewünschten Anwendung besteht die Antenne beispielsweise aus:
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- einem einfachen aufgedruckten Resonator;
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- einem doppelten aufgedruckten Resonator;
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- einem doppelten "Patch"-Element mit Diplexfunktion, das
getrennte Zugänge für zwei Frequenzbereiche besitzt,
beispielsweise einen Sendezugang und einen Empfangszugang.
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Das Drahtelement 19 ist seinerseits durch die
Spezifikationen definiert, die sich aus dem Auftrag ergeben, für den
das Element bestimmt ist. Ob es sich nun um einen Dipol oder
um eine Spirale handelt, hängt seine Geometrie von einer
Optimierung zur Erzielung der gewünschten Kennwerte ab.
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Man kann also eine Netzantenne herstellen, die aus den
so beschriebenen zusammengesetzten strahlenden Elementen
besteht. Dieser Netzaufbau wirft aber, wenn er nur mit Elementen
erfolgt, wie sie beschrieben wurden, ernsthafte
Wirksamkeitsprobleme auf, so daß die gleichzeitige Optimierung der
verschiedenen
Aufgaben schwierig, wenn nicht unmöglich wird. So
weist die in Figur 5 dargestellte Antenne vor allem einzelne
aufgedruckte strahlende Resonanzelemente auf, um
beispielsweise eine Aussendung bei 1,5 GHz durchzuführen. Diese
Elementenart besitzt eine typische Richtwirkung von etwa 7 bis 8 dB,
wobei die Kenntnis ihrer gegenseitigen Kopplungen eine
befriedigende Nutzung, d.h. einen über 80% liegenden Wirkungsgrad im
Vergleich zur Oberfläche der Elementarzelle anzustreben
erlaubt. Diese Elemente sind dann wie folgt angeordnet:
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- in einem Abstand da von ungefähr 0,67 λOL bei einer
quadratischen Masche,
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- in einem Abstand da von 0,70 bis 0,72 λOL für eine
sechseckige Masche, wobei MOL die Wellenlänge der Mittenfrequenz
des ersten Frequenzbereiches ist, beispielsweise des Bandes L
(1,5 bis 1,6 GHz).
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Diese Betriebsbeschränkungen bei den ersten
strahlenden Elementen 16 (Kopplung/optimaler Abstand) bestimmen den
Abstand da zwischen den "Patches" und somit die allgemeine
Struktur des Netzes.
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Wenn man eine Aussendung mit 2,00 GHz mit Hilfe von
zweiten strahlenden Elementen 19 wünscht, wie sie weiter oben
beschrieben wurden, setzt man Dipole 19 auf die "Patches" 16.
Typischerweise besitzen diese Dipole eine Richtwirkung von
5,20 dB.
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Diese Richtwirkung erfordert eine Netzmontage
identischer Elemente mit einem Abstand von:
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- ungefähr 0,51 λSO für eine quadratische Masche,
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- ungefähr 0,55 λSO für eine sechseckige Masche,
wobei Xso die Wellenlänge der Mitte des zweiten
Frequenzbereichs ist, beispielsweise des Bandes S (2 GHz). Da die
Anbringung nominell durch die Abstände zwischen den "Patches"
festgelegt ist, ergibt sich also bei der betrachteten
Konfiguration eine Geometrie, die den Abständen da zwischen den
Dipolen entspräche:
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- 0,89 λSO (Band S) bei der quadratischen Masche,
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- 0,96 λSO bei der sechseckigen Masche.
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Das bedeutet einen Verlust bei der Netzgestaltung in
Höhe von etwa 4 bis 5 dB bei den Dipolelementen 19 im S-Band,
die wegen der Anordnung der aufgedruckten Element zu stark
zusammengedrängt sind.
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Die Lösung des Problems der Unterdimensionierung bei
den Abständen der Elemente des 5-Bandes besteht darin,
zwischen die "Patches" dritte Elemente 20 des gleichen Typs wie
die zweiten strahlenden Elemente, also im zweiten
Frequenzbereich, anzuordnen.
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Die Anbringung solcher Elemente 20 wird durch die
Tatsache ermöglicht, daß in den betrachteten Zonen die
Felddichten der aufgedruckten Elemente vernachlässigbar sind.
Durchgeführte Messungen auf der Basis verschiedener,
Anbringungsabstände haben diese Resultate bestätigt und den geringen
Einfluß dieser zusätzlichen Elemente auf das nominelle
Funktionieren der zusammengesetzten Zweibandelemente 16 bis 19
bewiesen.
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Eine solche Konfiguration, wie sie in Figur 6
dargestellt ist, erlaubt es also, das Netz der zweiten strahlenden
Elemente 19 beträchtlich zu verdichten, deren Musterung
erheblich verbessert wird, und dies ohne merkliche Wirkung auf die
ersten strahlenden Elemente 16.
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Bei einer sechseckigen Masche, wie sie in Figur 6
dargestellt ist, entsprechen die erhaltenen Abstände zwischen
den Dipolen, unter Einschluß der Elemente 19 und 20, dem Wert
db=da/ [3], also typischerweise dem Wert db=0,96 λSO/ [3], d.h.
db=0,55 λSO. Dieser Abstand entspricht also einer optimalen
Musterverteilung für die Verwendung von Dipolen im S-Band. Die
Herstellung des Netzes für das S-Band durch Elemente 19 und 20
ermöglicht also eine Nutzung der Oberfläche mit einem
maximalen Wirkungsgrad und entsprechend der optimalen Netzanordnung
der Elemente nur im S-Band.
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Dieses Ergebnis erklärt sich übrigens unmittelbar aus
der Betrachtung der Richtwirkungen. Bei einem solchen
Maschentyp
ist das zweite strahlende Element 19 von sechs dritten
strahlenden Elementen 20 umgeben. Jedes dieser Elemente 20
arbeitet im Verbund mit drei Elementen 19, derart, daß alles
in Bezug auf die sechseckige Masche so abläuft, als ob die
drei Elemente 19 zur Ausstrahlung einer Zelle beitrügen. Diese
Zelle besitzt eine Oberfläche S von der Größe: s= [3/2]. (0,96
λSO)², d.h. S = 0,798 λSO&sub2;.
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Die maximale Richtwirkung DM einer solchen Zelle ist
gegeben durch: DM = 4 . S/λSO&sub2;, d.h. DM = 10 dB.
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Die Verbindung der drei strahlenden Elemente 19 von
5,2 dB nach Amplitude und Phase entspricht einem
Richtwirkungsdiagramm.
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τ Netz [dB] = N [dB] + τ Element [dB] = 10 dB
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Eine Mehrfrequenz-Netzantenne kann also in optimaler
Weise für die verschiedenen Aufgaben hergestellt werden, indem
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- einerseits zusammengesetzte strahlende Elemente wie
die, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt sind, und
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- andererseits zusätzliche Elemente 20 eingesetzt
werden, die zwischen die zusammengesetzten strahlenden
Elemente eingefügt sind.
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Figur 6 zeigt die Anordnung dieser Elemente auf einer
sechseckigen Masche, während Figur 7 ein Beispiel für eine
quadratische Masche wiedergibt.
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Die Ausbildung des Netzes kann so optimal für
verschiedene Aufgaben, verschiedene Frequenzen erfolgen, und zwar
auf der gleichen strahlenden Antenne.
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Die Möglichkeit der Verwendung dritter strahlender
Elemente 20 erlaubt also die Lösung des schwierigen Problems
der Netzanordnung von Elementen, die wegen ihrer Richtwirkung
oder ihrer Betriebsfrequenz grundsätzlich unterschiedliche
Abstandserfordernisse haben.
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Die fehlende Wechselwirkung zwischen den verschiedenen
Typen von strahlenden Elementen erlaubt es, das Gesamtnetz als
zwei unabhängige Netze zu behandeln und zu optimieren. Jedes
Netz wird für sich optimal aufgebaut:
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- das eine Netz benutzt die ersten strahlenden
Elemente 16,
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- das andere Netz benutzt die Kombination der zweiten
und dritten strahlenden Elemente 19 und 20.
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Natürlich wurde die vorliegende Erfindung nur als
bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben und dargestellt,
so daß seine wesentlichen Elemente durch äquivalente Elemente
ersetzt werden können,ohne daß der Rahmen der Erfindung
überschritten würde.
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Beispielsweise kann die Form der strahlenden
Einrichtung der Erfindung natürlich auch nicht eben und mit einer
gewissen Krümmung versehen sein (zylindrisch, kugelig, ..), je
nach ihrer besonderen Montage auf einer Struktur,
beispielsweise einer Montage auf nach innen gewölbten Oberflächen.