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Funkpeiler mit Kompensation der Beschickung auf Grund des Enttrübungsbedarfes
Es ist bekannt, daß beim Peilen mit Rahmenantennen, Goniometern u. dgl. Peilfehler
dadurch entstehen, daß sich die direkte Welle des angepeilten Senders mit den Rückstrahlungen
reflektierender Objekte in der Nähe der Empfangsantenne überlagert, so daß das resultierende
Feld eine Minimumrichtung aufweist, die von der tatsächlichen Senderrichtung um
einen gewissen Betrag, die sog.
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Funkbeschickung f, abweicht. Die wahre Funkpeilung p setzt sich daher
zusammen aus der rohen Funkpeilung q und dem Korrekturwert f nach der Formel p=qtf.
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Gleichzeitig tritt durch die reflektierten Strahlungen eine Trübung
des Minimums ein, da ja in der Lage des Richtantennensystems, in der der angepeilte
Sender keinen Empfang liefert, die Rückstrahler in der Umgebung der Antenne eine
Trübungsspannung hervorrufen.
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Die vorliegende Erfindung gründet sich auf eine neuartige Methode
zur Ermittlung, der Funkbeschickungswerte einerPeilstation, insbesondere auf Schiffen
und Luftfahrzeugen, und betrifft am Empfänger vorzusehende Mittel, um die Funkbeschickung
aus dem Enttrübungsbedarf zu bestimmen oder zu kompensieren.
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Es sind verschiedene Niehoden bekannt, um die Funkbeschickungsbeiwerte
J zur Ermittlung der wahren Funkpeilung p aus der rohen Funkseitenpeilung q durch
Vorrichtungen am Peiler selbst oder in dessen naher Umgebung zu beseitigen. Zu diesen
Vorrichtungen gehören z. B. der mechanische Funkbeschicker oder Kompensationsschleifen,
zwischen denen sich der Peilrahmen bewegt. Da die Funkbeschickung jedoch in starkem
Maße von den jeweiligen Betriebsbedingungen, Tiefgang des Schiffes, Wellenlänge
des angepeilten Senders, abhängig ist, setzen diese Kompensationsmethoden
voraus.
daß bei der Einrichtung der Peilstation für jeden besonders zu berücksichtigenden
Betriebsfall eine vollständige Beschickungskurve aufgenommen wird.
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Die Grundlage der vorliegenden Erfindung beruht auf der Erkenntnis
daß zwischen der Beschickung und der am Empfänger feststellbaren Trübung nicht nur
ein funktioneller Zusammenhang beseht, sondern daß dieser Zusammenhang auch mit
einer großen und für alle Fiille der Praxis genügenden Näherung durch ch eine einfache
Formel erfaßt werden kann. Diese Formel gestattet, abgesehen von gewissen Grenzfällen,
für jeden Peilbetriebszustand aus der empirischen Ermittlung der Beschickung und
Trübung für nur eine Richtung die rechnerische Festlegung der Beschickung fiir alle
anderen Richtungen aus dem jeweiligem Enttrübungsbedarf.
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Es ist daher möglich, Vorrichtungen am Peilempfänger vorzusehen,
durch welche aus dem jeweils vorliegenden Enttrübungsbedarf die Beschickung entweder
bestimmt oder selbsttätig kompensiert werden kann.
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Es folgen die theoretische Begründung und die Beschreibung der Erfindung.
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Im folgenden wird zunächst ein einfaches Zeigerdiagramm für die Veranschaulichung
der elektrischen Vorgänge beim Peiler entwickelt. das sowohl auf den rotierenden
als auch den ruhenden Peiler angewendet werden kann.
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Bekanntlich wird durch die Rotation der Goniometersuchspule das Feld
des einfallenden Senders, das durch den Ausdruck A#cos #Ht gegeben ist, mit der
Umdrehungsfrequenz #r sinsuförmig moduliert, so daß am Empfängereingang der Spannungsverlauf
ausgedrückt wird durch A # cos #Ht # cos #rt oder A/2 (cos (#H+#r)t + cos(#H-#r)t).
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Der zweiten Darstellung entsprechen, wie bekannt, zwei Seitenbänder,
bei denen der Träger fehlt. Man erhält demnach folgendes Zeigerdiagramm: Relativ
zu der mit der Senderfrequenz #H rotierenden Achse T (Abb. 1) drehen sich die beiden
Seitenbänder mit der langsamen Modulationsfrequenz #@ und -#@, also entgegengesetzt
und gleich rasch bezüglich T. T bleibt immer Symmetrieachse. Der Augenblickswert
der Spannung ergibt sich in bekannter Weise als Projektion der Resultierenden der
beiden Seitenbänder, die stets in der Richtung von T liegt, auf eine feste Bezugsrichtung
N. Man erkennt ohne weiteres, daß sich die Darstellung auf den Hörpeiler mit ruhendem
Rahmen dadurch übertragen läßt, daß man die Seitenbandzeiger in einer bestimmten
Lage relativ zueinander, die der jeweiligen Lage des Rahmens entspricht, festhält.
Der Winkel α zwischen der Normalen M znr Symmetrieachse 7' und einem Seitenband
entspricht dem NÄTinkel zwischen Hörminium und augenblicklicher Stellung des Peilrahmens,
charakterisiert also die räumliche Lage der Minimumempfangsrichtung des Rahmens
bzw. des Goniometers.
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Dieses Diagramm kann in einfachster Weise erweitert werden liei Hinzutreten
eines zweiten Senders, z. B. eines Rückstrahlers, der Beschickung und Trübung hervorruft.
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In Abb. 2 ist diese Erweiterung vorgenommen worden. 1 und 2 sind
die Seitenbänder des Hauptsenders, die sich mit #r bzw. - #r in der tlurch die Pfeile
gekennzeichneten Weise relativ- zu ihrer Symmetrieachse T drehen.
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1 und 2 2' sind die ebenfalls mit co, bzw.
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-#r umlaufenden Seitenbänder des Nebensenders (Rückstrahlers). Ihre
die Hochfrequenz charakterisierende Symmetrieachse T' bildet mit T den Winkel #.
# ist die (konstante) Phasenverschiebung zwischen der Trägerfrequenz des Senders
und der des Nebensenders in der Empfangsantenne. Der räumliche Richtungsunterschied
zwischen Haupt- und Nebensender bewirkt, daß die relative Winkelstellung der beiden
Seitenbandpaare, z. B. Winkel α in Abb. 1, zu ihren Symmetrieachsen (oder
deren Normalen) stets um einen Winkel # differiert, der dem Winkel zwischen Haupt-
und Nebensender, geschen von der Empfangsantenne, entspricht, d. h. der Betrag des
Winkels # = α1-α2 in ;Äl)b. 2. Da sich je zwei Seitenbänder (I und 1',
2 und 2') gleichsinnig und gleich rasch drehen, können sie vektoriell zusammengesetzt
werden: 1 und 1' ergeben das resultierende Seitenband 1, 2 und 2' entsprechend das
Seitenband II. Die Zeigerrichtungen von I und II haben eine neue Symmetrieachse
T".
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Addiert man die Zeiger I und II vektoriell bei festgehaltenem Vektor
T in sämtlichen Lagen, die sie einnehmen können, so ergibt sich bekanntlich ein
elliptisches Drehfeld, dessen große Achse in der Richtung T" liegt.
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Die Zeiger 1 und II sind im allgemeinen nicht mehr gleich groß; ihr
Unterschied kennzeichnet die Trübung, da er den nicht verschwindenden Spannungsrest
bei Gegenphasigkeit der Seitenbänder (Minimum) darstellt.
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Eine gleichsinnige Verdrehung der beiden Seitenbandzeiger I und 2
um gleiche Beträge bedeutet eille hochfrequente Phasenverschiebung ohne Veränderung
der Minimumlage.
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Eine gegensinnige Verdrehung der beiden Zeiger dagegen bedeutet eine
Verschiebung der Minimumlage bei konstanter hochfrequenter
Phase.
Eine beliebige Verschiebung der beiden Seitenbandzeiger kann stets zusammengesetzt
werden aus einer gleichsinnigen Verschiebung um einen bestimmten Winkelbetrag entsprechend
der Verschiebung der Symmetrieachse T nach T", was eine hochfrc quente Phasenverschiebung
bedeutet, und einer gegensinnigen Verschiebung der beiden Zeiger, die der jeweiligen
Funkbeschickung entspricht. Diese gegensinnige Verschiebung ist gegeben durch die
halbe Differenz der Winkel, um welche die Seitenbänder I und 2 weitergedreht werden
müssen, um in die Richtung I und II zu kommen.
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In Abb. 3 ist das Zeigerdiagramm nochmals gezeichnet worden, jedoch
so, daß der Hauptsender (Seitenbänder OA und OA') gerade in der Minimumstellung
steht (Gegenphasigkeit der Seitenbänder). Demgegenüber ist der Nebensender (Rückstrahler)
mit seinen Seitenbcindern OB und OB' von seiner blinimumstellung noch um den Winkel
# entfernt. # ist, wie schon erläutert wurde, der räumliche Richtungsunterschied
zwischen Haupt- und Nebensender. Der Winkel zwischen den Symmetrieachsen T und T'
der beiden Seitenbandpaare stellt den hochfrequenten Phasenwinkel ç der den beiden
Sendern entsprechenden Träger in der Empfangsantenne dar.
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Rechnet man grundsätzlich alle Winkel im Uhrzeigergegensinn als positiv,
so ist die Beschickung gegeben durch die halbe Differenz der Winkel AOC und A'OC'
,um die die Seitenbänder des Hauptsenders durch Hinzukommen des Nebensenders verschoben
werden.
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Für den Winkel #+ gilt, da Winkel BOA = # + + (M' steht senkrecht
auf T'.
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AOA' senkrecht auf T) und Winkel CAO = 2R - (#+#), nach einer bekannten
trigonometrischen Formel im Dreieck OAC:
| (A1/@ bzw. A2 bedeuten die Amplituden der Seitenbänder). |
Der Wert für # ermittelt sich aus der Reihenentwicklung des obigen Ausdruckes, da
α sin x arc tg = a sin x - ½ a2 # sin 2 x + 2/3 a3 # sin 3 x - ...
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1 + a cos x und A2/A1 praktisch stets sehr klein ist, mit guter Näherung
zu #+= A2/A1 sin (# + #), (#+ im Bogenmaß).
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Genau entsprechend findet man für den Betrag, um den das langsamere
Seitenband vorgeschoben wird, da Winkel B'OM'' = # -#- = A2/A1 sin (#-#). (#- im
Bogenmaß).
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Schließlich ergibt sich für die Funkbeschickung f: f = #+-#- = A2
(sin(# + #) - (sin(# - #)) 2 2A1 oder nach einer bekannten trigonometrischen Umformung
f = A2/A1 sin # # cos #. (1) Diese Formel gilt für alle praktisch vorkommelden Fälle
mit sehr guter Näherung.
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Die resultierende Trübung für die in Abb. 3 gezeichnete Lage der
Seitenbänder ergibt sich näherungsweise aus der Projektion der beiden Zeiger B und
B' in Richtung der ZeigerA undA' T = A2/2(cos(#-#)-cos(#+#)) = A2 sin # sin #.
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Die Einstellung der Enttrübung ist nicht abhängig vom absoluten Wert
der Trübung T, sondern von der relativen Trübung t, dem Verhältnis T/A1 von Trübspannung
im Minimum T und Hauptsenderfeldstärke A1.
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Für t gilt daher t = A2/A1 sin # # sin #. (II)
Aus
I und II folgt f = c # t # cotg #. (III) In (III) kommt der räumliche Richtungsunterschied
# der beiden Sender sowie ihr Feldstärkeverhältnis A2 nicht mehr vor. Für Al konstantes
, d. h. für ein und dieselbe Wellenlänge des Senders und damit des Rückstrahlers
ist die Beschickung direkt proportional der Trübung. Kennt man daher zwei zusammengehörige
Werte der Beschikkung und Trübung, dann kann man daraus den Proportionalitätsfaktor
zwischen Beschickung und Trübung ermitteln, der für sämtliche anderen Stationen
derselben Wellenlänge den gleichen Wert besitzt.
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Hierbei sind zwei Grenzfälle zu unterscheiden: 1. #=90° (Rückstrahler:nicht
abgestimmte Antenne, abgestimmte Schleife). Hier bleibt die Funkbeschickung für
alle Stationen gleich o (s. Formel (1) oder Zeigerdiagratum). Der Proportionalitätsfaktor
ist o für die betreffende Wellenlänge.
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2. g = 00 (Rückstrahler: abgestimmte Antenne, sehr stark verstimmte
Schleife). In diesem Falle versagt obige Formel, da dann der Proportionalitätsfaktor
oo wird. Hier bleibt die Trübung stets o, während die Beschickung alle Werte annehmen
kann. Praktisch kann dieser Fall jedoch nur angenähert auftreten, da infolge der
stets vorhandenen Verlustwinkel eine verstimmte Schleife die exakte Bedingung #=0°
nicht erfüllen kann.
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Eine abgestimmte Antenne in der Umgebung des Peilers muß dagegen verstemmt
werden, um keine trübungsfreie Beschickung mehr zu erzeugen.
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Formel (III) gilt, auch wenn effektiv mehrere Rückstrahler vorhanden
sind, in allen jenen Fällen, wo die Rückstrahlung der gesamten umgebung aufgefaßt
werden kann als die Wirkung einer einzigen Schleife oder Antenne (Schiff, Flugzeug),
da dann der Phasenwinkel für alle Sender derselben Wellenlänge gleichbleibt. Dies
werden im allgemeinen alle jene Fälle sein, in denen die Beschickung durch die Anbringung
von Kompensationsschleifen oder Spulen praktisch zu beseitigen ist.
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Es sei an dieser Stelle bemerkt, daß sich bohne Schwierigkeit die
Formeln (I bis III) erweitern lassen auf zwei oder mehr Rückstrahler, indem man
die Zeiger des neuen Rückstrahlers in das Diagramm einfügt und die Rechnung wiederholt.
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Für die praktisch weitaus vorwiegenden Fälle läßt sich also die Aufnahme
der Beschickung dadurch vereinfachen, daß durch Aufnahme eines einzigen Wertepaares
für t und t (evtl. noch einiger Kontrollwerte) der Proportionalitätsfaktor ermittelt
wird, wodurch alle Beschickungswerte aus der Beobachtung der Trübung gefunden werden
können. Für jede Wellenlänge ist der Phasenwinkel # ein anderer, der Proportionalitätsfaktor
ist also jedesmal neu zu ermitteln durch eine Peilung in dem betreffenden Wellenbereich.
Es braucht aber nicht jedesmal eine vollständige Beschickungskurve aufgenommen werden,
sondern diese ergibt sich aus der Trübung.
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In der einfachsten Form besteht nun die erfindungsgemäße Einrichtung
in einer besonderen, auf einen neuartige Weise geeichten Skala, über welche der
Indikator einer die Enttrübung anzeigenden Vorrichtung entlang bewegt wird. Die
besondere Eichung dieser Skala soll so vorgenommen werden, daß das einer bestimmten
Stellung der Enttrübungsvorrichtung entsprechende Trübungsmaß mit dem vorerwähnten
Proportionalitätsfaktor multipliziert und der daraus folgende Beschikkungswert dem
betreffenden Skalenteil zugeordnet wird. Es wird also durch den Indikator der Enttrübungsvorrichtung
unmittelbar die Beschickung angezeigt.
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Entsprechend einer weitergehenden Ausführungsform der Erfindung wird
durch die Regelung der Enttrübungsvorrichtung automatisch eine Versetzung der Peilskala
relativ zum Peilindikator bewirkt, wodurch eine lutomatische Kompensation der Beschickung
erfolgt. Hierbei wird durch eine mechanische oder andere Kopplung zwischen dem Bedienungsgriff
für die Enttrübung und der Peil skala bzw. dem Peilindikator bewirkt, daß die vorgenommene
Versetzung von Peilskala gegen Indikator proportional dem Trübungsmaß ist, wobei
der Proportionalitätsfaktor nach den vorerwähnten Grundsätzen zu ermitteln ist.
Die Mittel zur Durchführung dieses Erfindungsgedankens gehören zum Stand der Technik.
Beispielsweise kann durch Drehung des Enttrübungsgriffes eine Gleichspannung erzeugt
werden, welche dem Triibungsmaß proportional ist und die korrigierende Verdrehung
der Peilskala bzw. des Peilindikators regelt.
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Bei Sichtpeilern, die mit rotierenden Peil organen arbeiten, so daß
am Eingang des Empfängers die im ersten Teil der Anmeldung erwähnten Seitenl)änder
auftreten, soll gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine die Beschickung
regulierende Phasendrehung dieser Seitenbänder vorge nommen werden. Diese Phasendrehung
kann z. B. auf die Weise erfolgen, daß durch die Drehung des Enttrübungsgriffes
in bestimmte Stellungen entsprechende Bandbreitenveränderungen eines Resonanzkreises
an einer
Stelle des Peilempfängers bewirkt werden.
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Hierdurch tritt eine regulierbare, gegensinnige Phasendrehung der
Seitenbänder ein, die sich als Änderung der Laufzeit des Empfängers und daher als
Verschiebung des Peilhildes bzw. des Peilminimums auf der Anzeigeskala auswirkt.
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Bei allen bisherigen Ausführungsbeispielen wurde vorausgesetzt, daß
zur Ermittlung der Beschickung oder zur Auslösun.g der Beschickungskompensation
zunächst das Trübungsmaß durch Bedienung einer Enttrübungsvorrichtung abgelesen
oder eingestellt wird.
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Das im folgenden erwähnte Ausführungsbeispiel bezweckt die Einsparung
dieses Bedienungsgriffes und die vollautomatische Beschickung des Peilergehnisses.
Hierbei wird der Umstand ausgenutzt, daß bei solchen Bandbreiten des Peilempfängers,
die mit dem Frequenzabstand der Seitenbänder vergleichbar sind, ein künstlicher
Trübungseffekt als Folge ungenauer Abstimmung eintritt. Diese Verhältnisse veranschaulicht
Abt. 4. Bei a bedeuten die beiden senkrechten Striche die beiden Seitenbänder, die
noch weit außerhalb der Resonanz liegen. Bei b fallen sie bereits in die Resonanznähe,
werden jedoch wegen der noch vorhandenen Verstimmung ungleich erhöht. Bei c liegt
der Fall genauer Abstimmung vor, wodurch die Seitenbänder im gleichen Maße überhöht
werden. Wie aus der theoretischen Darlegung hervorgeht, entspricht der Fall b einem
im Empfänger hervorgerufenen Trübungseffekt. Wird nun der Fall vorausgesetzt, daß
am Eingang des Empfängers bereits eine Trübung vorlag, die bei den Seitenbänder
also ungleich groß waren, so ist es umgekehrt möglich, durch eine Verstimmung im
geeigneten Sinne einen Trübungseffekt künstlich zusätzlich hervorzurufen, der, wenn
er gegensinnig zu dem ursprünglichen Trübungseffekt gerichtet ist, enttrübend wirkt.
Es wird also die infolge Trübung vorhandene Ungleichheit der Seitenbänder am Empfängereingang
durch Verstimmung ausgeglichen. Das hierfür notwendige Verstimmungsmaß ist kennzeichnend
für die am Empfängereingang vorliegende Trübung.
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Hierauf gründet sich das im folgenden angegebene Ausführungsbeispid
der Erfindung.
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Es gehört zum Stand der Technik, durch die Verstimmung eines Resonanzkreises
gegen eine vorliegende Frequenz Regelspannungen zu erzeugen (automatische Scharfabstimmung),
die ein Maß fiir diese Verstimmung sind. Es wird also im Sinne der vorliegenden
Erfindung vorgeschlagen, einen engen Resonanzkreis so weit zu verstimmen, daß das
Peilbild keine Trübung zeigt, durch diese Verstimmung eine definierte Regel spannung
zu erzeugen und mit Hilfe dieser Regelspannung die Beschickung zu korrigieren. Die
Mittel, um mittels einer solchen Regelspannung die Kompensation der Beschickung
vorzunehmen, ergeben sich aus den bisher erwähnten Ausführungsbeispielen und sind
für das Wesen der Erfindung gleichgültig. Es kann beispielsweise entsprechend den
bisherigen Ausführungsbeispielen der Erfindung eine Bandbreitenregelung zum Zwecke
der Phasendrehung der Seitenbänder gegeneinander vorgenommen werden, welche dem
Verstimmungsmaß in richtiger Weise proportional ist. Zur Vermeidung von unkontrollierbaren
Peilfehlern ist dafür zu sorgen, daß die im Sinne der Erfindung vorzunehmende Verstimmung
niemals den Wert erreicht, bei welchem ein Seitenband in denjenigen Teil der Resonanzkurve
rückt, in welchem die Phasencharakteristik nicht mehr geradlinig verläuft.