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Es
wird eine Schaltung angegeben, die in Hochfrequenz-Bauelementen einsetzbar
ist.
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Bekannt
sind solche Schaltungen z. B. aus den Druckschriften H.-K. Chiou
et al „Lumped-Element
Compensated High/Low-Pass Balun for MMIC Double-Balanced Mixer", IEEE Microwave
and Guided Wave Letters, 1997, Vol. 7, SS. 248–250 und D. Kuylenstierna and
P. Linnér „Design
of Broadband Lumped Elements Baluns", IEEE MTT-S Digest, 2004, SS. 899–902.
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Aus
der Druckschrift C.-W. Tang and C.-Y. Chang „A Semilumped Balun Fabricated
by Low Temperature Co-fired Ceramic", IEEE MTT-S CDROM, 2002, SS. 2201–2204 sind
Baluns bekannt, die in einem LTCC-Substrat realisiert sind.
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Aus
der Druckschrift V. Veselago „The
electrodynamics of substances with simultaneously negative values
of ε and μ", Soviet Physics
Uspekhi, 1968, Vol. 10, SS. 509–514
sind Materialien bekannt, bei denen die relative Dielektrizitätskonstante
und die magnetische Permeabilität
negativ sind. Transmissionsleitungen mit den Eigenschaften eines
solchen Mediums sind aus der Druckschrift A. Sanada „Characteristics
of the Composite Right/Left-Handed Transmission Lines", IEEE Microwave
and Wireless Components Letters, 2004, Vol. 14, SS. 68–70 bekannt.
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Eine
zu lösende
Aufgabe besteht darin, eine Schaltung anzugeben, die bei niedrigen
Verlusten eine breitbandige Über tragung
eines HF-Signals zulässt.
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Es
wird eine Schaltung angegeben, die ein unbalanced Tor und ein balanced
Tor aufweist. Die Schaltung umfasst zwei Transmissionsleitungen,
die zwischen diesen Toren angeordnet sind, und in denen die Phasengeschwindigkeiten
einer elektromagnetischen Welle entgegengesetzt gerichtet sind.
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In
einer bevorzugten Variante ist die erste Transmissionsleitung eine „left-handed" Transmissionsleitung
(LH TL), in der die Gruppengeschwindigkeit und die Phasengeschwindigkeit
einer elektromagnetischen Welle gegensinnig sind, und die zweite Transmissionsleitung
eine „right-handed" Transmissionsleitung
(RH TL), in der die Gruppengeschwindigkeit und die Phasengeschwindigkeit
einer elektromagnetischen Welle gleichsinnig sind.
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Anstelle
der LH TL kann eine (kombinierte) lefthanded-right-handed Transmissionsleitung
benutzt werden. Auch anstatt der RH TL kann eine solche kombinierte
Transmissionsleitung benutzt werden. Die LH/RH TL zeichnen sich
durch eine besonders große
Bandbreite aus.
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Unter
einer Transmissionsleitung ist eine Übertragungsleitung zur Übertragung
eines HF-Signals zu verstehen, die einen Signalleiter und mindestens
einen Masseleiter umfasst. Der Signalleiter und der oder die Masseleiter
können
alle in einer Ebene angeordnet sein (eine Streifenleitung, die als
eine Koplanarleitung realisiert ist). Sie können auch in verschiedenen
Ebenen übereinander
angeordnet sein (Mikrostreifenleitung). Der Signalleiter ist vorzugsweise
zwischen zwei als Masseleiter vorgesehenen leitenden Flächen angeordnet.
Die Transmissionsleitung kann auch eine Koaxialleitung oder deren Nachbildung
sein. Beliebige Leitungsarten kommen dabei in Betracht.
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Darüber hinaus
wird unter einer Transmissionsleitung eine Leitungsnachbildung aus
konzentrierten (bzw. quasi-verteilten) Elementen, insbesondere LC-Elementen
verstanden. Zur Nachbildung einer LH TL ist z. B. mindestens ein
L-Glied mit einer in der Signalleitung angeordneten Kapazität und einer gegen
Masse geschalteten Induktivität
geeignet. Zur Nachbildung einer RH TL ist z. B. mindestens ein L-Glied
mit einer in der Signalleitung angeordneten Induktivität und einer
gegen Masse geschalteten Kapazität
geeignet.
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Zwischen
dem unbalanced Tor und dem balanced Tor ist ein Signalpfad angeordnet,
der einen unbalanced Abschnitt und einen balanced Abschnitt aufweist.
Der balanced Abschnitt des Signalpfads umfasst zwei Signalzweige.
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Die
Schaltung wird vorzugsweise in einem Frequenzband, z. B. einem 2,4
GHz-Band oder einem 5 GHz-Band betrieben. Es kann auch eine Gesamtschaltung
vorgesehen sein, die mehrere solche Schaltungen umfasst, wobei jede
Schaltung einem eigenen Frequenzband bzw. Signalpfad – z. B.
Sendepfad oder Empfangspfad – zugewiesen
ist.
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Die
erste Transmissionsleitung ist in einem Signalzweig angeordnet,
der zwischen dem Signalanschluss des unbalanced Tors und dem ersten
Anschluss des balanced Tors angeordnet ist. Die zweite Transmissionsleitung
ist in einem Signalzweig angeordnet, der zwischen dem Signalanschluss
des unbalanced Tors und dem ersten Anschluss des balanced Tors angeordnet
ist.
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Die
Schaltung kann ein Balun oder ein balanciertes Filter realisieren.
Die Phasendifferenz am balanced Tor beträgt im Wesentlichen 180°. Die Schaltung
weist zwischen dem ersten und dem zweiten Signalzweig am balanced
Tor vorzugsweise eine Amplitudenbilanz auf, die mindestens 20%,
in einer Variante mindestens 40%, in einer Variante bis zu 70% der
Betriebsfrequenz der Schaltung beträgt. Unter einer Amplitudenbilanz
versteht man im wesentlichen die gleichen Amplituden in den beiden
Signalzweigen der Schaltung.
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In
einer Variante sind die durch die erste und die zweite Transmissionsleitung
bewirkten Phasendrehungen eines elektrischen Signals im Wesentlichen
gleich, z. B. jeweils 90°,
aber weisen voneinander unterschiedliche Vorzeichen auf. Dabei führt vorzugsweise
die LH TL eine Phasendrehung um +90° und die RH TL eine Phasendrehung
um –90°. Die elektrische
Länge der
ersten und/oder der zweiten Transmissionsleitung ist vorzugsweise
im Wesentlichen gleich einer Viertelwellenlänge.
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Die
Phasendrehungen können
in einer Variante auch bezüglich
ihres Betrags unterschiedlich sein, wobei die Differenz der Phasendrehungen
am balanced Tor bevorzugt ca. 180° beträgt.
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Die
Phasengeschwindigkeiten in den beiden Transmissionsleitungen sind
in einer Variante betragsmäßig im Wesentlichen
gleich, aber zueinander entgegengesetzt gerichtet. Die Phasengeschwindigkeiten
und/oder die elektrischen Längen
der beiden Transmissionsleitungen können auch voneinander unterschiedlich
sein. Wesentlich ist, dass die für
den jeweiligen Signalzweig vorgegebene Phasendrehung durch die darin
angeordnete Transmissionsleitung erreicht ist.
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Die
physikalische Länge
der ersten und/oder der zweiten Transmissionsleitung ist vorzugsweise gleich,
wobei auch die Gruppengeschwindigkeiten der elektromagnetischen
Welle in den beiden Leitungen im Wesentlichen gleich sind. Die physikalische Länge kann
aber auch – insbesondere
bei unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten in den Leitungen – unterschiedlich
sein.
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Die
ersten und die zweite Transmissionsleitung können elektromagnetisch verkoppelt
sein.
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Die
Transmissionsleitung kann einen Signalleiter und einen Masseleiter
umfassen. Zwischen dem Signalleiter und dem Masseleiter können diese verbindende
Querzweige vorgesehen sein.
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Die
Transmissionsleitungen können
jeweils LC-Elemente umfassen, die z. B. entlang des Signalleiters
verteilt sind und die zumindest teilweise Bestandteil des Signalleiters
sein können.
Die LC-Elemente können
auch in den Querzweigen angeordnet sein.
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Die
LC-Elemente sind Induktivitäten
und Kapazitäten.
Die Phasendifferenz in den beiden Signalzweigen sowie die Richtung
und der Betrag der Phasengeschwindigkeit in diesen Pfaden kann durch die
Auswahl einer geeigneten Anzahl der LC-Elemente sowie durch die
Auswahl der Werte der Induktivitäten
und der Kapazitäten
im jeweiligen Pfad eingestellt werden.
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Die
LC-Elemente der ersten und/oder der zweiten Transmissionsleitung
können
ein T-Glied, ein π-Glied,
eine Kombination solcher Glieder oder eine Anordnung aufeinander
folgender L-Glieder
bilden. Die Anzahl der L-Glieder pro Transmissionsleitung ist vorzugsweise
maximal fünf,
damit die Verluste ge ring gehalten werden. Die aufeinander folgenden
Glieder einer Transmissionsleitung können in einer Variante identisch
sein.
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Die
RH TL umfasst z. B. mindestens zwei im ersten Signalzweig angeordnete
Induktivitäten
und mindestens einen Querzweig mit einer darin angeordneten Kapazität. Dabei
umfasst die LH TL mindestens zwei im zweiten Signalzweig angeordnete Kapazitäten und
mindestens einen Querzweig mit einer darin angeordneten Induktivität.
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Die
Transmissionsleitungen können
jeweils als ein Wellenleiter realisiert sein. Die Transmissionsleitungen
können
jeweils eine periodische Anordnung von Zellen aufweisen, die einen
Impedanzsprung umfassen.
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Die
Impedanz des unbalanced und des balanced Tors kann in einer Variante
unterschiedlich sein. Die Ein- und Ausgangsimpedanzen der Schaltung
können
sich z. B. um Faktor 2 oder 4 unterscheiden. Die Schaltung funktioniert
dann als ein Impedanzwandler bzw. umfasst einen Impedanzwandler. Beispielsweise
kann die erste und/oder die zweite Transmissionsleitung als ein
Impedanzwandler ausgebildet sein.
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Die
angegebene Schaltung kann in einem elektrischen Bauelement mit einem
Substrat realisiert sein. Das Substrat umfasst leitend miteinander verbundene
Metallisierungsebenen und zwischen diesen angeordnete dielektrische
Schichten, die in einer bevorzugten Variante Keramikschichten sind. Die
Schaltung ist in den Metallisierungsebenen des Substrats integriert.
Die Transmissionsleitungen sind als Leiterbahnen in den Metallisierungsebenen
ausgebildet.
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Im
Folgenden wird die Schaltung anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer
Figuren erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
als Balun realisierte Schaltung mit Transmissionsleitungen in jedem
Signalzweig eines balanced Signalpfades;
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2 eine
Balun-Schaltung, die in den Signalzweigen T-Glieder aus LC-Elementen aufweist;
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3 perspektivische
Ansicht der Metallisierungsebenen des Substrats, in denen die Balun-Schaltung
gemäß der 2 realisiert
ist;
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4 eine
beispielhafte Transmissionsleitung, die LC-Elemente aufweist;
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5 ein
Element eines zweidimensionalen Wellenleiters, der als eine Transmissionsleitung
benutzt werden kann;
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6 eine
Transmissionsleitung, die Zellen mit einem Impedanzsprung aufweist.
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1 zeigt
eine Schaltung mit einem unbalanced Tor IN als ein Eingangstor und
einem balanced Tor OUT als ein Ausgangstor, zwischen denen ein Signalpfad
angeordnet ist. Der Signalpfad verzweigt sich ausgangsseitig in
zwei Signalzweige, die an einen ersten Anschluss OUT1 und einen
zweiten Anschluss OUT2 des balanced Tores OUT angeschlossen sind.
Der Eingang und der Ausgang der Schaltung können auch vertauscht werden.
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Das
am unbalanced Tor IN ankommende Signal wird in zwei Teilsignale
mit annähernd
gleichen Amplituden aufgeteilt. Die Phasendifferenz der Teilsignale
beträgt
im Wesentlichen 180°.
Diese Teilsignale können
an den Anschlüssen
OUT1, OUT2 des balanced Tors OUT abgegriffen werden.
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Im
ersten Signalzweig ist eine erste Transmissionsleitung TL1 und im
zweiten Signalzweig eine zweite Transmissionsleitung TL2 angeordnet.
Die elektrische Länge
der Transmissionsleitungen ist vorzugsweise jeweils eine Viertelwellenlänge λ/4. Die Ausbildung
der beiden Transmissionsleitungen TL1, TL2 mit der gleichen elektrischen
Länge hat
den Vorteil, dass dadurch die Signalverluste in den beiden Signalzweigen
im Wesentlichen gleich sind, was zu einer breitbandigen Amplitudenbilanz
führt.
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Die
Wellenimpedanz Z0 der λ/4-Transmissionsleitungen TL1,
TL2 kann aus den vorgegebenen Werten der Impedanz ZU und
ZB des unbalanced Tores bzw. des balanced
Tores errechnet werden: Z0 =
(ZU ZB)1/2.
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Es
ist beabsichtigt, am balanced Tor der angegebenen Schaltung in einem
möglichst
großen Frequenzbereich
die gleichzeitige Amplituden- und Phasenbilanz zu erzielen.
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Beide
Transmissionsleitung TL1, TL2 können
durch LC-Elemente nachgebildet werden. Je höher die Anzahl der LC-Elemente,
desto breitbandiger ist die Amplitudenbilanz und desto schmalbandiger die
Phasenbilanz. Daher ist die Anzahl solcher LC-Elemente von Bedeutung
für eine
relativ breitbandige Amplitudenbilanz bei einer relativ breitbandigen Phasenbilanz.
Es gelingt beispielsweise, bei einer wie nachstehend erläutert gewählten Anzahl
der LC-Elemente eine gleichzeitige Amp lituden- und Phasenbilanz
im Frequenzbereich von mindestens 1 GHz bei einer Betriebsfrequenz
von ca. 5 GHz zu erzielen.
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Die
Transmissionsleitung TL1, TL2 kann z. B. wie in den Varianten gemäß den 2, 4 und 5 durch
eine Anordnung von LC-Elementen mit einer endlichen bzw. nicht allzu
großen
Anzahl N solcher Elemente pro Leitung, z. B. N ≤ 10, nachgebildet sein. Die Anzahl
der LC-Elemente ist vorzugsweise mindestens drei.
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Die
durch die Transmissionsleitung bewirkte Phasendrehung ist in der
Regel, insbesondere bei einer großen Anzahl von (ggf. verteilten)
LC-Elementen der Transmissionsleitung frequenzabhängig. Die unterschiedlichen
Frequenzabhängigkeiten
der nachgebildeten Transmissionsleitungen können z. B. durch eine geeignete
Anzahl N der LC-Elemente pro Leitung kompensiert werden. Eine relativ
breitbandige Phasenbilanz, wobei die Phasendifferenz von ca. 180° im vorgegebenen
Frequenzbereich eingehalten wird, der z. B. mindestens 20% der Betriebsfrequenz der
Schaltung beträgt,
kann z. B. bei N ≤ 5
erzielt werden. Eine begrenzte Anzahl der LC-Elemente bei einer
Leitungsnachbildung hat den Vorteil, dass die Einfügedämpfung besonders
gering ist. Dies hat auch im Sinne der Platzersparnis Vorteile.
Eine solche Schaltung kann leicht in einem Substrat, vorzugsweise
einem Mehrschicht-Substrat realisiert werden.
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Die
Transmissionsleitungen TL1, TL2 sind so ausgebildet, dass die Amplitude
der Signale in den beiden Signalzweigen zumindest in einem Frequenzbereich
gleich groß ist.
Dieser Frequenzbereich ist vorzugsweise relativ breitbandig. Dies
wird dadurch erreicht, dass die Phasengeschwindigkeiten in den beiden
Zweigen entgegengesetzt zueinander gerichtet sind.
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Die
erste Transmissionsleitung TL1 ist eine left-handed Transmissionsleitung
mit einer negativen Phasengeschwindigkeit und die zweite Transmissionsleitung
TL2 eine right-handed Transmissionsleitung mit einer positiven Phasengeschwindigkeit.
Die beiden Transmissionsleitungen weisen vorzugsweise die gleiche
Wellenimpedanz auf. Die LH TL bewirkt eine negative Drehung der
Signalphase im Wesentlichen um +90° und die RH TL eine positive
Phasendrehung im Wesentlichen um –90°, so dass ausgangsseitig die
Phasendifferenz von 180° zustande kommt.
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Die
Werte der LC-Elemente, bei denen 1) die Transmissionsleitungen TL1,
TL2 zu LH TL und RH TL werden, und 2) die beabsichtigte Phasendrehung, Phasen-
und Gruppengeschwindigkeit und Wellenimpedanz Z0 in
jeder Leitung TL1, TL2 erreicht ist, können z. B. für die konkrete
Ausführung
der Schaltung in einem Bauelement per elektromagnetische Simulationen
ermittelt werden.
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2 zeigt
eine beispielhafte Ausführung der
in 1 gezeigten Schaltung. Die Transmissionsleitungen
TL1, TL2 weisen jeweils ein T-Glied aus LC-Elementen auf.
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Die
erste Transmissionsleitung TL1 umfasst zwei Serien-Kapazitäten C1,
C2 und eine Parallel-Induktivität
L1 gegen Masse GND. Die zweite Transmissionsleitung TL2 umfasst
zwei Serien-Induktivitäten
L2, L3 und eine Parallel-Kapazität
C3 gegen Masse GND.
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Die
Phasendrehung, die durch eine Serien-Induktivität oder eine Parallel-Kapazität bewirkt wird,
ist negativ. Daher sind diese LC-Elemente oder auch ein L-Glied
aus einer Serien- Induktivität und einer
Parallel-Kapazität
zur Nachbildung einer LH TL mit einer negativen Phasendrehung geeignet.
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Die
Phasendrehung, die durch eine Parallel-Induktivität oder eine
Serien-Kapazität
bewirkt wird, ist positiv. Daher sind solche LC-Elemente oder auch
ein L-Glied aus einer Serien-Kapazität und einer
Parallel-Induktivität
zur Nachbildung einer RH TL mit einer positiven Phasendrehung geeignet.
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3 zeigt
die Realisierung der Schaltung z. B. in einem LTCC-Substrat. Die
Kapazität
C1 ist zwischen den übereinander
liegenden leitenden Flächen 4 und 6,
die Kapazität
C3 zwischen den leitende Flächen 12 und 14 gebildet.
Die leitende Fläche 14 ist
an Masse GND angeschlossen. Die Kapazität C2 ist als eine Vielschicht-Kapazität ausgebildet.
Diese umfasst als die erste Elektrode von C2 die leitend miteinander
verbundenen Flächen 1 und 4 und
als die zweite Elektrode von C2 die zwischen diesen angeordnete
Fläche 2.
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Relativ
schmale Leiterbahnabschnitte 9 und 11 bilden die
Induktivität
L1, der Leiterbahnabschnitt 10 die Induktivität L3. Die
Induktivität
L2 ist durch die Leiterbahnabschnitte 3, 5 und 8 gebildet.
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In 4 ist
die LH TL TL1 gezeigt. Sie umfasst in der Signalleitung angeordnete
Leitungsabschnitte TL11, TL12 und die Kapazitäten C11, C12. Sie umfasst ferner
einen Querzweig gegen Masse, in dem eine Induktivität L11 angeordnet
ist. Die Transmissionsleitung TL1 kann auch mehrere aufeinander folgende
LC-Glieder wie das in der 4 gezeigte LC-Glied
umfassen.
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Die
LH TL TL1 kann als ein 2D oder 3D Wellenleiter mit vorge gebenen
Grenzbedingungen ausgebildet sein. In 5 ist ein
Element eines 2D Wellenleiters gezeigt, der als die Transmissionsleitung benutzt
werden kann.
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In 6 ist
eine Variante der Transmissionsleitung TL1 gezeigt, die mehrere
aufeinander folgende identische Zellen Z1, Z2, Z3 aufweist. Die
Anzahl der Zellen ist vorzugsweise auf maximal fünf begrenzt.
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Jede
Zelle weist eine kammartige Struktur mit ineinander greifenden ersten
und zweiten Metallstreifen und einen Stub auf, an den erste Metallstreifen
dieser Zelle und zweite Metallstreifen der benachbarten Zelle angeschlossen
sind.
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- 1,
2, 4, 6, 12, 13, 14
- leitende
Flächen
zur Bildung von Kapazitäten
- 3,
5, 8, 9, 10, 11
- Leiterbahnen
zur Bildung von Induktivitäten
- C1,
C2, C3
- Kapazitäten
- C11,
C12
- Kapazitäten
- L1,
L2, L3
- Induktivitäten
- L11
- Induktivität
- IN
- unbalanced
Tor
- GND
- Masseanschluss
- OUT
- balanced
Tor
- OUT1,
OUT2
- Anschlüsse des
balanced Tors
- TL1
- erste
Transmissionsleitung
- TL11,
TL12
- teile
der ersten Transmissionsleitung
- TL2
- zweite
Transmissionsleitung
- Z1,
Z2, Z3
- Zellen