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BELL TELEPHONE MANUFAOTURING COMPANY PERFECTIONNEMENTS AUX FILTRES D'ONDES ELECTRIQUES.
La présente invention se rapporte à des dispositifs de filtrage pour des appareils de transmission ou de génération d'ondes électriques à très haute fréquence et, en particulier, à des dispositifs évitant les fuites de la haute fréquence dans les conducteurs d'alimentation.
L'un des problèmes qui présentent de grandes difficultés dans la réalisation d'appareils qui doivent être utilisés à des longueurs d'onde de l'ordre du centimètre est d'obtenir un filtrage convenable pour les conducteurs d'alimentation.
Une méthode qui a donné de bons résultats consiste en l'emploi d'un dispositif ressemblant à un condensateur ayant des fils d'entrée et de sortie à des extrémités opposées de chaque lame. Le condensateur devient ainsi un réseau à quatre sommets, et prend la forme d'une ligne de transmission à faible impédance caractéristique. De cette facon, l'impédance résiduelle des con- @
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ducteurs, que l'on constate dans les types de condensateurs les plus usuels, contribua à l'effet désiré, au lieu d'être préjudiciable.
La présente invention concerne une méthode pour augmenter considérablement l'efficacité du dispositif décrit ci-dessus. Cette méthode s'applique bien à des ensembles fonctionnant à. des longueurs d'onde comprises entre un centimètre et un mètre.
Un filtre d'ondes électriques à très haute fréquence mettent en oeuvre des caractéristiques de l'invention comprend un conducteur affectant la forme d'une lame métallique fine et allongée divisée en parties alternativement minces et larges, disposé très près d'une autre lame conductrice, mais isolé électriquement de cette lame.
Selon un autre aspect, l'invention comprend un filtre d'ondes électriques pour très hautes fréquences comportant une série de lignes de transmission reliées bout à bout, et ayant alternativement une forte et une faible impédance image, chacune de ces lignes comprenant deux lames conductrices plates et parallèles placées très près l'une de l'autre; mais isolées électriquement entre elles.
On comprendra mieux l'invention en se reportant à la description détaillée ci-dessous d'exemples de réalisation, faite en relation avec les dessins annexés, dans lesquels: les figures IA. IB. IC. dont des exemples de conducteurs de ligne de transmission mettent en oeuvre des caractéristiques de l'invention - la figure 2 est un circuit de filtre classique qui ne sera pas autrement décrit - la figure 3 représente un élément de la figure IA définissant une section élémentaire de filtre - la figure 4 est un schéma équivalent de la section élémentaire de la figure 3.
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Une disposition connue offre, en général, la ferme d'une mince bande de cuivre ou d'un autre métal, serrée entre deux plaques de cuivre mises à la terre, et isolée par une mince bande de mica ou d'un autre diélectrique. On augmente l'efficacité d' un tel filtre, selon des caractéristiques de la présente invention, en utilisant une bande métallique taillée, ou travaillée d'une autre manière, de façon à affecter une forme particulière telle que celle que montre la figure IA, au lieu de la bande rectangulaire plate utilisée antérieurement. On voit que cette bande est ainsi divisée en sections alternativement larges et étroites, correspondant à de courtes longueurs de ligne de transmission ayant respectivement des impédances caractéristiques faibles et élevées.
La théorie de la transmission montre que cette disposition a des propriétés analogues à celles des filtres d'onde, en présentant des bandes passantes et des bandes d'affaiblissement qui peuvent couvrir toute gamme de fréquence donnée suivant les dimensions données à la bande conductrice de la figure IA.
Cependant, on peut concevoir un grand nombre de formes différentes, dont deux exemples sont donnés sur les figures IB et IC, donnant sensiblement les mêmes résultats que la forme de la figure IA. La figure IC montre une forme intéressante car elle permet de réduire la longueur totale de la bande conductrice.
L'avantage principal d'une disposition mettant en oeuvre des caractéristiques de l'invention réside dans la simplicité de sa construction. On a décrit précédemment des filtres basés sur le même principe, du type à ligne coaxiale; dans ce cas, les variations d'impédance nécessaires sont données par des éléments métalliques cylindriques vissés sur le conducteur central.
En proportionnant de façon convenable les longueurs et les impédances des diverses sections de la bande, il est possible de produire des caractéristiques semblables à celles des fil-
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tres classiques passe-bandes ou éliminateurs de bandes multiples.
La figure 3 montre une partie d'une bande métallique semblable à celle de la figure IA, comprenant deux sections larges réunies par une section étroite. Si l'on suppose que les sections larges sont coupées en leur milieu par les lignes en traite interrompus XX et YY, on peut considérer la bande comme formée d'un certain nombre de sections élémentaires telles que celle qui est comprise entre les lignes XX et YY, et mises bout à bout. Toutes ces sections sont égales et symétriques.
On peut transformer la bande en filtre en la dispo- sant parallèlement à une bande métallique plate, ou à une autre bande affectant la même forme, dont elle est séparée par un isolement approprié. On peut alors considérer ce filtre comme constitué par un certain nombre de lignes de transmission mises bout à bout et ayant alternativement une forte et une faible impédane, et qu'on peut diviser en une série de sections symétriques dont chacune correspond à la section comprise entre les lignes XX et YY de la figure 3.
La figure 4 est un schéma du réseau électrique équivalent au filtre qui correspond à cette section. Il comprend deux réseaux symétriques A et 0, correspondant chacun à la moitié d'une partie large, et un troisième réseau symétrique B placé entre eux et correspondant à une partie mince tout entière de l'élément métallique. A et C ont une impédance image ZIet une constante de transmission image Ú1/2 et B a une impédance image Z2 et une constante de transmission image Ú2. L'impédance image de la combinaison qui représente la section élémentaire est Z et la constante de transmission image est .
Si l'on suppose que les lignes de transmission n'introduisent pas elles-mêmes de perte de transmission, ou en d'autres termes que Ú1 et Ú2 n'ont pas de composante réelle,, on peut montrer facilement que cos #=
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EMI5.1
cos 91. cos g2 - 2 (Z 1/2 ' Z2/ZI). sin 81. sin G 2* (1)
On obtient les bandes de fréquences passantes pour les valeurs de Ú1 ou de Ú2 pour lesquelles cos # est compris entre +1 et -1. Dans les bandes supprimées, la constante d'af- faiblissement est donnée par cos2ss=
EMI5.2
cos Gla 92 - l (Zl/Z2 + Z2/Zl). sin 910 sin A2 2 (2)
Si l'on suppose que la longueur électrique de la section élémentaire YY.
XX est fixe, ou qu'en d'autres termes Ú1 + Ú2 = 2 Ú
EMI5.3
3 = cos 1 1 + (ZI/Z2 + Z2/Z1) sin2 e - 1 (3)
On peut montrer que /3 est maximum lorsque Ú- Ú1 = n. /2. La valeur de n la plus utile est zéro, de sorte que Ú = Ú1 = Ú2, et dans ces conditions ss a sa valeur maxima lorsque e = (2n + I) Ó/2 et cette valeur est donnée par
EMI5.4
3 max = cos -i . -2 1 (Zl/Z2 + Z2/Z1) (4)
Cependant, il est plus utile pratiquement de déterminer l'affaiblissement maximum par unité de longueur physique de la bande que par section unitaire. L'affaiblissement par unité de longueur est donné par
EMI5.5
A cos -1 [il + (Zi/Z2 + Z2/zl)j sin 2G - li (5) Ú=Ú
On peut déterminer graphiquement la valeur maxima de //le pour diverses valeurs de Z2/Z1.
Par exemple si Z2/Zl = 10, ce qui est une valeur pratique convenable, il s'ensuit que ss/Ú=cos -1 (6,05 sin 2 Ú-1)/Ú qui est maximum lorsque Ú = 55 environ.
Dans ce cas, l'affaiblissement par section, qui est donné par cos -1 (6,05 sin2 Ú- 1) sera d'environ 15,7 db. Si @ est la longueur d'onde et x la longueur physique de la section élémentaire de la figure 3,
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x/@ = 2 Ú/2 @ = Ú/@ ( 7)
Donc, si 8= 55 et @ = 10 cm., x = 3,05 cm. et un filtre à dix sections élémentaires aura un affaiblissement del57 db et ne sera long que d'une trentaine de centimètres.
On peut montrer que lorsque 9 =Ú1 =Ú2, l'impédance image Z de l'élément est donnée par
EMI6.1
2 (Z2/Z1 + I) cos 9 + Z2/Z1 - 1 l l) = (7'"+ 1) cos - Z2/Z1 + (8)
Si l'on prend Z2/Z1 =10, et 9 = 55 comme ci-des- sus, z/z 2,385 j.
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Lorsqu'on calcule un filtre qui doit répondre à des conditions données, une méthode préférée consiste à employer des sections ayant un affaiblissement maximum par unité de longueur physique et à choisir 9 = Ú1= Ú2. La valeur maxima de Z2/Z1 à employer raisonnablement sera déterminée par des considérations pratiques de construction du filtre et dépendra entre autres de la quantité de courant qui doit le traverser.
L'affaiblissement correspondant par section est déterminé en trouvant par l'équa- tion (5) pour la valeur donnée de Z2/Z1, la valeur de 8 qui cor- respond à un affaiblissement maximum par longueur de circuit,et en trouvant la valeur correspondante de 1% par section élémentaire grâce à l'équation (3). On peut plus facilement faire cette re- cherche graphiquement, en construisant une courbe donnant ss en fonction de Z2/Z1 à partir de ces deux équations. Cela donnera le nombre de sections nécessaires pour un affaiblissement total donné. La longueur physique x de,la section élémentaire dépend de la longueur d'onde maxima à affaiblir.
Si cette longueur est @ on peut obtenir la longueur x en substituant dans l'équation (7) la valeur de Ú précédemment trouvée. x/2 donne alors la lon- gueur des parties larges et étroites de la bande. Si on le désire, on peut établir un graphique donnant x directement en fonction de Z2/Zl pour les conditions d'affaiblissement de l'hypothèse.
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On peut montrer que, pour une certaine bande de longueurs d'onde inférieure à la longueur maxima choisie, l'affaiblissement est égal ou supérieur à celui qui correspond à la longueur d'onde maxima et que la largeur de cette bande augmente lorsqu'on fait croître Z2/Zl-
Dans les explications ci-dessus, on a supposé que le diélectrique utilisé pour la section XX, YY, est l'air. Si, comme c'est généralement le cas, les bandes sont isolées par une substance ayant une constante diélectrique K, la longueur x déterminée à partir de l'équation (7) sera divisée par @K; ainsi, la substance isolante présente un avantage, car elle diminue la longueur du filtre.
Il est évident qu'on peut constituer les parties élémentaires en coupant par le milieu les sections étroites au lieu des sections larges. La discussion ci-dessus n'en est pas affectée, sauf en ce qu'aux extrémités du filtre (si'l'on suppose qu' il se termine sur une demi-section) l'impédance image Z sera donnée par une équation comme (8) dans laquelle le premier membre sera remplacé par (Z/Z2)2.
Si l'on utilise une bande ayant la forme représentée sur la figure I@,le filtre sera plus court, comme on l'a déjà expliqué, et, si les distances entre les parties larges et étroites ne sont pas assez petites pour que la capacité entre elles devienne appréciable, on constatera que les formules données ci-dessus s'appliqueront avec une précision suffisante.
Comme variante, un perfectionnement à la construction d'un filtre incorporant des caractéristiques de l'invention consiste à déposer le métal directement sur l'un des cotés, ou sur les deux côtés, de la lame de diélectrique. Ainsi, on peut appliquer du cuivre directement sur du mica, par exemple, en répandant d'abord sur ce mica, à travers un gabarit, une solution de graphite colloidal telle que celle qui est connue sous le nom d'aquadag, pour for-
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mer un support conducteur. Une autre variante consiste à déposer de l'argent sur le mica d'une façon analogue à celle qui est utilisée pour la fabrication de condensateurs en céramique. Dans ce cas, on peut appliquer la pâte d'argent au moyen d'un timbre en caoutchouc .
On a réalisé, selon ce procédé, des filtres expérimentaux et on a constaté que la mince couche de métal ainsi formée est tout à fait capable de supporter un coura,nt continu de l' ordre d'un ampère. Un autre avantage est que le métal est en contact plus intime avec le diélectrique et augmente ainsi la capacité par unité de longueur, en donnant une impédance image d'entrée plus faible (caractéristique désirable lorsqu'on filtre des courants provenant de sources à haute impédance).
Le filtre peut être équilibré ou non par rapport à la terre. Dans le premier cas, il peut consister en deux bandes identiques ayant l'une quelconque des formes représentées sur les figures IA. IB. 10. (ou toute autre forme présentant des sections larges et étroites) disposées, de part et d'autre, sur une bande isolante. Dans le second cas, lorsque l'un des conducteurs est au potentiel de la terre, ce conducteur sera, de préférence, une simple bande rectangulaire de surface suffisante pour recouvrir la bande qui a l'une des formes décrites; il peut aussi bien être, par exemple, une partie d'un écran de l'appareil dans lequel on doit monter le filtre.
Dans ce cas, par exemple, on fixera à l' écran d'une bande mince d'une substance isolante sur une face de laquelle sera placé le conducteur de forme appropriée, en prévoyant aux extrémités de la bande des bornes d'entrée et de sortie convenables, en contact avec la couche métallique; on placera également, de préférence au-dessus du conducteur de forme appropriée disposé sur le diélectrique, une simple bande métallique mise à la terre et convenablement isolée, qui servira d'écran. On tiendra compte, bien entendu, de cette bande supplémentaire, car elle ré-
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duira environ de moitié l'impédance du filtre.
Il est clair-que les bandes peuvent être disposées d'un certain nombre d'autres manières sans sortir de l'esprit de l'invention.
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BELL TELEPHONE MANUFAOTURING COMPANY IMPROVEMENTS IN ELECTRIC WAVES FILTERS.
The present invention relates to filtering devices for devices for transmitting or generating very high frequency electric waves and, in particular, to devices preventing high frequency leakage in the supply conductors.
One of the problems which presents great difficulties in the production of apparatus which must be used at wavelengths of the order of a centimeter is to obtain suitable filtering for the supply conductors.
One method which has given good results is the use of a capacitor-like device having input and output leads at opposite ends of each blade. The capacitor thus becomes a network with four vertices, and takes the form of a transmission line with low characteristic impedance. In this way, the residual impedance of the con- @
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conductors, which are seen in the most common types of capacitors, contributed to the desired effect, rather than being detrimental.
The present invention relates to a method for considerably increasing the efficiency of the device described above. This method applies well to sets running at. wavelengths between one centimeter and one meter.
A very high frequency electric wave filter embodying features of the invention comprises a conductor in the form of a thin and elongated metal blade divided into alternately thin and wide parts, arranged very close to another conductive blade , but electrically isolated from this blade.
According to another aspect, the invention comprises an electric wave filter for very high frequencies comprising a series of transmission lines connected end to end, and having alternately high and low image impedance, each of these lines comprising two conductive plates. flat and parallel placed very close to each other; but electrically isolated from each other.
The invention will be better understood by referring to the detailed description below of exemplary embodiments, given in relation to the appended drawings, in which: FIGS. 1A. IB. IC. of which examples of transmission line conductors implement characteristics of the invention - FIG. 2 is a conventional filter circuit which will not be described otherwise - FIG. 3 represents an element of FIG. 1A defining an elementary section of filter - figure 4 is an equivalent diagram of the elementary section of figure 3.
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A known arrangement provides, in general, the firmness of a thin strip of copper or other metal, clamped between two earthed copper plates, and insulated by a thin strip of mica or other dielectric. The efficiency of such a filter is increased, according to characteristics of the present invention, by using a cut metal strip, or worked in another way, so as to affect a particular shape such as that shown in FIG. 1A, instead of the flat rectangular strip previously used. It can be seen that this band is thus divided into alternately wide and narrow sections, corresponding to short lengths of transmission line having respectively low and high characteristic impedances.
Transmission theory shows that this arrangement has properties analogous to those of wave filters, presenting pass bands and attenuation bands that can cover any given frequency range according to the dimensions given to the conductive band of the figure IA.
However, a large number of different shapes can be conceived, two examples of which are given in Figures IB and IC, giving substantially the same results as the shape of Figure IA. Figure IC shows an interesting shape because it reduces the total length of the conductive strip.
The main advantage of an arrangement implementing features of the invention lies in the simplicity of its construction. Filters based on the same principle, of the coaxial line type, have previously been described; in this case, the necessary variations in impedance are given by cylindrical metal elements screwed onto the central conductor.
By properly proportioning the lengths and impedances of the various sections of the tape, it is possible to produce wire-like characteristics.
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very classic pass-bands or eliminators of multiple bands.
Figure 3 shows part of a metal strip similar to that of Figure 1A, comprising two wide sections joined by a narrow section. If we assume that the wide sections are cut in the middle by the interrupted milking lines XX and YY, we can consider the strip as formed of a certain number of elementary sections such as the one which is between the lines XX and YY, and put end to end. All of these sections are equal and symmetrical.
The strip can be transformed into a filter by placing it parallel to a flat metal strip, or to another strip having the same shape, from which it is separated by a suitable insulation. We can then consider this filter as constituted by a certain number of transmission lines placed end to end and having alternately a high and a low impedane, and which can be divided into a series of symmetrical sections, each of which corresponds to the section between lines XX and YY of figure 3.
FIG. 4 is a diagram of the electrical network equivalent to the filter which corresponds to this section. It comprises two symmetrical networks A and 0, each corresponding to half of a wide part, and a third symmetrical network B placed between them and corresponding to an entire thin part of the metallic element. A and C have an image impedance ZI and an image transmission constant Ú1 / 2 and B has an image impedance Z2 and an image transmission constant Ú2. The image impedance of the combination which represents the elementary section is Z and the image transmission constant is.
If we assume that the transmission lines do not themselves introduce transmission loss, or in other words that Ú1 and Ú2 have no real component, we can easily show that cos # =
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EMI5.1
cos 91. cos g2 - 2 (Z 1/2 'Z2 / ZI). sin 81. sin G 2 * (1)
We obtain the passing frequency bands for the values of Ú1 or Ú2 for which cos # is between +1 and -1. In the suppressed bands, the decay constant is given by cos2ss =
EMI5.2
cos Gla 92 - l (Zl / Z2 + Z2 / Zl). sin 910 sin A2 2 (2)
If we assume that the electrical length of the elementary section YY.
XX is fixed, or that in other words Ú1 + Ú2 = 2 Ú
EMI5.3
3 = cos 1 1 + (ZI / Z2 + Z2 / Z1) sin2 e - 1 (3)
We can show that / 3 is maximum when Ú- Ú1 = n. / 2. The most useful value of n is zero, so that Ú = Ú1 = Ú2, and under these conditions ss has its maximum value when e = (2n + I) Ó / 2 and this value is given by
EMI5.4
3 max = cos -i. -2 1 (Zl / Z2 + Z2 / Z1) (4)
However, it is more practical to determine the maximum attenuation per unit physical band length than per unit section. The attenuation per unit length is given by
EMI5.5
A cos -1 [il + (Zi / Z2 + Z2 / zl) j sin 2G - li (5) Ú = Ú
The maximum value of // le can be determined graphically for various values of Z2 / Z1.
For example if Z2 / Zl = 10, which is a suitable practical value, it follows that ss / Ú = cos -1 (6.05 sin 2 Ú-1) / Ú which is maximum when Ú = 55 approximately.
In this case, the loss per section, which is given by cos -1 (6.05 sin2 Ú- 1) will be approximately 15.7 db. If @ is the wavelength and x the physical length of the elementary section of figure 3,
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x / @ = 2 Ú / 2 @ = Ú / @ (7)
So if 8 = 55 and @ = 10 cm., X = 3.05 cm. and a filter with ten elementary sections will have a del57 db attenuation and will be only about thirty centimeters long.
We can show that when 9 = Ú1 = Ú2, the image impedance Z of the element is given by
EMI6.1
2 (Z2 / Z1 + I) cos 9 + Z2 / Z1 - 1 l l) = (7 '"+ 1) cos - Z2 / Z1 + (8)
If we take Z2 / Z1 = 10, and 9 = 55 as above, z / z 2.385 j.
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When calculating a filter that must meet given conditions, a preferred method is to use sections with maximum attenuation per unit physical length and choose 9 = Ú1 = Ú2. The maximum value of Z2 / Z1 to be reasonably used will be determined by practical considerations of construction of the filter and will depend, among other things, on the quantity of current which must pass through it.
The corresponding attenuation per section is determined by finding by equation (5) for the given value of Z2 / Z1, the value of 8 which corresponds to a maximum attenuation per circuit length, and finding the value corresponding value of 1% per elementary section thanks to equation (3). We can more easily do this search graphically, by constructing a curve giving ss as a function of Z2 / Z1 from these two equations. This will give the number of sections needed for a given total loss. The physical length x of the elementary section depends on the maximum wavelength to be weakened.
If this length is @ we can obtain the length x by substituting in equation (7) the value of Ú previously found. x / 2 then gives the length of the wide and narrow parts of the strip. If desired, we can establish a graph giving x directly as a function of Z2 / Zl for the weakening conditions of the hypothesis.
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It can be shown that, for a certain band of wavelengths less than the chosen maximum length, the attenuation is equal to or greater than that which corresponds to the maximum wavelength and that the width of this band increases when grow Z2 / Zl-
In the above explanations, it has been assumed that the dielectric used for section XX, YY, is air. If, as is usually the case, the bands are isolated by a substance having a dielectric constant K, the length x determined from equation (7) will be divided by @K; thus, the insulating substance has an advantage, since it decreases the length of the filter.
It is obvious that the elementary parts can be formed by cutting the narrow sections through the middle instead of the wide sections. The above discussion is unaffected by this, except that at the ends of the filter (assuming it ends on a half-section) the image impedance Z will be given by an equation like (8) in which the first member will be replaced by (Z / Z2) 2.
If a band having the shape shown in figure I @ is used, the filter will be shorter, as already explained, and, if the distances between the wide and narrow parts are not small enough so that the capacity between them becomes appreciable, it will be seen that the formulas given above will apply with sufficient precision.
As a variant, an improvement in the construction of a filter incorporating features of the invention consists in depositing the metal directly on one of the sides, or on both sides, of the dielectric blade. Thus, one can apply copper directly to mica, for example, by first spreading on this mica, through a jig, a solution of colloidal graphite such as that which is known under the name of aquadag, to for-
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sea a conductive support. Another variation is to deposit silver on the mica in a manner analogous to that used for the manufacture of ceramic capacitors. In this case, the silver paste can be applied by means of a rubber stamp.
Experimental filters were produced according to this process and it was found that the thin layer of metal thus formed is quite capable of withstanding a continuous current of the order of one ampere. Another advantage is that the metal is in more intimate contact with the dielectric and thus increases the capacitance per unit length, resulting in a lower input image impedance (a desirable characteristic when filtering currents from high impedance sources. ).
The filter may or may not be balanced with respect to the earth. In the first case, it can consist of two identical bands having any of the shapes shown in Figures 1A. IB. 10. (or any other shape with wide and narrow sections) arranged on either side on an insulating strip. In the second case, when one of the conductors is at earth potential, this conductor will preferably be a simple rectangular strip of sufficient area to cover the strip which has one of the shapes described; it may also be, for example, part of a screen of the apparatus in which the filter is to be mounted.
In this case, for example, a thin strip of an insulating substance will be attached to the screen on one side of which the conductor of suitable shape will be placed, providing at the ends of the strip input terminals and suitable outlet, in contact with the metal layer; it will also be placed, preferably above the conductor of suitable shape arranged on the dielectric, a simple metal strip grounded and suitably insulated, which will serve as a screen. This additional band will of course be taken into account, since it re-
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will reduce the impedance of the filter by about half.
It is clear that the bands can be arranged in a number of other ways without departing from the spirit of the invention.