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Die Erfindung betrifft einen Diplexer für ein homodynes FMCW-Radargerät. Die Erfindung betrifft insbesondere einen solchen Diplexer, der in Hohlleitertechnik aufgebaut ist.
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Diplexer dienen bei Radargeräten dazu, zwei Eingänge an einen Ausgang zu schalten und arbeiten in diesem Sinne als Frequenzweiche. So können zwei Eingangskanäle entkoppelt und in Signalrichtung aufgetrennt werden, um sie beispielsweise an einer mit einem Ausgangskanal verbundenen Antenne betreiben zu können. Echosignale, die durch das Auftreffen von Sendesignalen von der Antenne auf reflektierende Oberflächen zurückgeworfen und empfangen werden, können dann wieder an die dazugehörigen Empfänger verteilt werden. Einerseits sollen Signale im Diplexer möglichst gering bedämpft werden, und andererseits soll die Entkopplung zwischen beiden Eingangs-Kanälen möglichst groß sein. Das heißt, dass Signale nur in die gewünschte Richtung geleitet werden sollen, während in der anderen Richtung eine möglichst hohe Dämpfung auftritt.
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Bekannte Diplexer für die Radartechnik werden im Low Cost-Bereich zum Beispiel als Mikrostreifenleitungs-Koppler direkt auf Leiterplatten angeordnet und können damit sehr klein, sehr präzise und kostengünstig ausgeführt werden, so dass sie in Consumer-Produkten wie beispielsweise Mobiltelefonen Anwendung finden. Ihre Nachteile sind ihre geringe Richtwirkung und hohe Verluste bei mäßiger Anpassung.
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Andererseits sind Diplexer bekannt, deren Leitungsstruktur aus Hohlleiter-Abschnitten gebildet wird. Eine Hohlleiterstruktur eines solchen Diplexers besteht im Prinzip aus zwei quasi parallel laufenden Hohlleiter-Kanälen, die jeweils aus aufeinander folgenden Hohlleiter-Abschnitten gebildet werden, den Leistungsteilern. Die Hohlleiter-Abschnitte eines Hohlleiter-Kanals sind üblicherweise durch eine Koppelzone getrennt. Nach dem ersten Leistungsteiler durchlaufen beide Leistungshälften unterschiedliche Weglängen und erhalten somit eine unterschiedliche Phasenlage. Der zweite Leistungsteiler arbeitet als Summierglied, wenn beide Leistungshälften trotz unterschiedlicher Weglängen eine gleiche Phasenlage haben. Ist die Phasenlage aber unterschiedlich, dann erfolgt eine Abschwächung der Leistung. Ist die Phasenlage gegensätzlich, dann wird die Leistung ausgelöscht. Ein wirkungsvoller Diplexer muss also in den Leitungslängen so dimensioniert werden, dass auf der jeweiligen Ausgangsleitung in der einen Frequenz eine Summierung erfolgt und in der anderen Frequenz eine Auslöschung. Ein Diplexer arbeitet dann am effektivsten, wenn die abstimmbare Umwegleitung folgende Bedingungen gleichzeitig erfüllt:
- – die Phasenverschiebung für eine Frequenz muss 0° betragen;
- – die Phasenverschiebung für die andere Frequenz muss 180° betragen.
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Der Frequenzabstand zwischen den beiden Sendefrequenzen wird durch den Diplexer konstruktiv vorgegeben. Üblicherweise werden Umwegleitungen mit einem Vielfachen der Wellenlänge dimensioniert, da sich auch kleinere Phasendifferenzen dann vervielfachen und der Diplexer dadurch eine schmalere Durchlasskurve erhält. Damit sind die Sendefrequenzen dadurch vorgegeben, dass die gleiche Hohlleiterlänge für die eine Frequenz ein gerades ganzzahliges Vielfaches und für die zweite Frequenz ein ungeradzahliges Vielfaches von der halben Wellenlänge haben muss. Der Diplexer wird dadurch aber auch für andere Frequenzen durchlässig, die üblicherweise durch ein zusätzliches Filter unterdrückt werden. Ein weiterer Grund für die Nutzung einer mehrfachen Wellenlänge ist, dass damit der installierte Frequenzabstand zwischen den beiden Sendefrequenzen verringert wird.
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FMCW-Radargeräte mit einem Diplexers mit einer Hohlleiter-Struktur sind für breitbandige Anwendungen, wie zum Beispiel der Abstandsmessung und der Füllstandsmessung im Rahmen der Industriellen Prozessmesstechnik besonders geeignet, da sie sich durch eine hohe Leistungsfestigkeit auszeichnen und eine relativ einfache Anpassung an die gewünschten Frequenzen ermöglichen.
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Aus der Veröffentlichung
"Compact Top-Wall Hybrid/Coupler design for Extreme Broad Bandwidth Applications" von Ralf Beyer und Uwe Rosenberg, Microwave Symposium Digest, MTT-S International 12–17 June 2005, ISBN 0-7803-8846-1/05, Seiten 1227–1230 ist ein Diplexer der oben beschriebenen Art bekannt, der für breitbandige Nutzung ausgelegt und der aus zwei Halbschalen zusammengesetzt ist. Er weistjedoch in einer Koppelzone zwischen den Hohlleiterabschnitten einen Hohlleiterschlitzkoppler auf, der beispielsweise für die in der Industriellen Prozessmesstechnik gewünschten Frequenzen von größer 50 GHz relativ groß sein muss, wobei er andererseits extrem schmale Koppelschlitze haben muss, die schwer zu fertigen sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Diplexer für ein homodynes FMCW-Radargerät zu schaffen, der wegen kleiner Abmessungen seiner Hohlleiter-Struktur einfach und kostengünstig gefertigt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Diplexer für homodynes FMCW-Radargerät mit einer Struktur, die
- – zwei eng aneinander und parallel geführten Hohlleiter mit horizontaler Polarisation und endseitigen Hohlleitertoren;
- – eine Koppelzone in einem Durchbruch einer Trennwand zur Verbindung der Hohlleiter-Kanäle; und
- – Vertiefungen im Bereich der Koppelzone, die senkrecht zu den Hohlleiter angeordnet sind;
umfasst,
- – wobei ein Verhältnis der Abmessungen der Hohlleiter zu den Abmessungen der Koppelzone und der Vertiefungen so gewählt ist, dass der Diplexer ein breitbandiges Verhalten zeigt und eine Ausbreitung einer H20-Welle in der Koppelzone ermöglicht;
- – wobei an jedem Hohlleitertor Übergänge zu den Hohlleiter der am Diplexer angeschlossen Sender und Empfänger vorgesehen sind, welche Übergänge in ihrer Lage und Form so gestaltet sind, dass sie das gewünschte breitbandige Verhalten unterstützen; und
- – wobei der Diplexer aus zwei symmetrischen Halbschalen gefertigt ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Hohlleiter des Diplexers einen Rechteckquerschnitt auf.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Vertiefungen näherungsweise quaderförmig ausgestaltet.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Vertiefungen zylinderförmig ausgestaltet.
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In noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Diplexer aus zwei Halbschalen zusammengesetzt, wobei die Struktur aus Hohlleitern, Vertiefungen und Übergängen aus den Halbschalen herausgefräst sind.
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Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Struktur im Wesentlichen mit einem Fräser mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 1 mm gefertigt wird.
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Bei noch weiteren Ausführungsformen der Erfindung sind die zwei Halbschalen, aus denen der Diplexer zusammensetzbar ist, als Spritzgussteile, die insbesondere Kunststoff-Spritzgussteile sein können.
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Wieder eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Schnittebene der Halbschalen in der Ebene der elektrischen Feldstärke E liegt.
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Noch eine andere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Füllstandsmeßgerät, das einen erfindungsgemäßen Diplexer umfasst.
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Die besonderen Vorteile des Diplexers nach der Erfindung sind,
- • dass sich gerade für sehr hohe Frequenzen kleine Hohlleiter-Strukturabmessungen ergeben,
- • dass die Hohlleiter-Struktur daher fertigungsfreundlich
- • und in Frästechnik und kostengünstig gefertigt werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung genauer erläutert und beschriebenen, wobei auf die in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung verwiesen wird. Dabei zeigen:
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1 eine allgemeine Prinzipskizze eines Diplexers mit Hohlleiter-Koppler in der Ebene des elektrischen Feldes;
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2 eine perspektivische Darstellung einer Struktur eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Diplexers;
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3 eine Prinzipskizze des idealisierten, erfindungsgemäßen Diplexers;
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4 eine Prinzipskizze einer Struktur des erfindungsgemäßen Diplexers mit Parametern;
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5 eine perspektivische Darstellung einer Struktur eines praktischen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Diplexers; und
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6 zwei Halbschalen des Diplexers nach 3 mit eingefräster Struktur.
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Zur Vereinfachung werden nachfolgend gleiche Bezugszeichen für gleiche Element und Module des erfindungsgemäßen Diplexers verwendet.
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Zur Veranschaulichung des elektrischen Feldes und als Ausgangsbasis für den erfindungsgemäßen Diplexer ist in 1 ein Diplexer 1 mit zwei Hohlleiter-Kanälen 12 und 14 dargestellt, die jeweils aus zwei Hohlleiter-Abschnitten 12a, 12b und 14a, 14b gebildet werden. Die Hohlleiter-Kanäle 12 und 14 bzw. die Hohlleiter-Abschnitte 12a, 12b, 14a, 14b sind in einem Hohlleiter-Koppler 16 verbunden. Endseitig finden sich an den Hohlleiter-Abschnitten 12a, 12b und 14a, 14b ein erstes Tor 18a, ein zweites Tor 18b, ein drittes Tor 18c und ein viertes Tor 18d. Die Richtung des elektrischen Feldes E, also die Polarisationsrichtung am ersten Tor 18a und am vierten Tor 18d wird jeweils durch einen Pfeil 20 veranschaulicht. Das erste Tor 18a und das vierte Tor 18d sind die Anschlusstore, die, wie an sich bei solchen Diplexern bekannt, mittels hier nicht dargestellten Hohlleiter(-Abschnitten) mit einem Sender und Empfänger verbunden sind.
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2 ist eine perspektivische Darstellung einer Struktur eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Diplexers 30, der aus zwei symmetrischen Halbschalen 32 und 34 gebildet wird. Vorzugsweise ist beim erfindungsgemäßen Diplexers 30 eine Trennungs- bzw. Schnittebene der Halbschalen 24 und 26 die Ebene der elektrischen Feldstärke E, die in 2 durch einen mit ”54” bezeichneten Pfeil angedeutet wird. Aus zeichnungstechnischen Gründen sind in 2 die an sich hohlen Strukturen grau dargestellt, die jeweils in einen umgebenden Block aus geeignetem Material eingebracht, vorzugsweise dort hineingefräst werden, so dass auf diese Weise die symmetrischen Halbschale 32 und 34 geschaffen werden.
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Wie 2 veranschaulicht, werden zwei eng aneinander und parallel geführte Hohlleiter-Kanäle 36 und 38 mit einem vorzugsweise rechteckigem Querschnitt und horizontaler Polarisation durch eine Trennwand 42 getrennt, so dass endseitig an den Hohlleiter-Abschnitten 36a, 36b und 38a, 38b ein erstes Tor 40a, ein zweites Tor 40b, ein drittes Tor 40c und ein viertes Tor 40d gebildet werden. Die Trennwand 42 ist in einem mit ”Durchbruch 44” bezeichneten Abschnitt durchbrochen und stellt eine Koppelzone 46 zwischen den Hohlleiter-Kanälen 36 und 38 dar. Da sich das gewünschte breitbandige Verhalten des erfindungsgemäßen Diplexers 30 nur bei einem bestimmten Verhältnis von Hohlleiter-Abmessungen zu den Abmessungen der Koppelzone 46 und der Vertiefungen 48, 50 einstellt, sind die Hohlleiterabmessungen nicht willkürlich wählbar. Genauere Erläuterungen zu diesen Verhältnissen werden unten im Zusammenhang mit der 4 angegeben. Um nun von den sich ergebenden Hohlleiterabmessungen auf die von einem System vorgegebenen Hohlleiterquerschnitte zur Verbindung mit Sendern und Empfängern zu kommen, werden an jedem Hohlleitertor 40a–40d so genannte Übergänge 52a–52d eingeführt, die in ihrer Lage und Form so gestaltet sind, dass sie das gewünschte breitbandige Verhalten des Diplexers 30 unterstützen.
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Die prinzipielle Funktionsweise der in 2 dargestellten Struktur eines Schlitzkopplers in der Ebene des elektrischen Feldes E 54 wird in 3 in einer Prinzipskizze veranschaulicht. Zur Erläuterung wird auch auf 2 verwiesen.
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Die an sich durch eine idealerweise ”unendlich” dünne Trennwand 42 getrennten Hohlleiter-Kanäle 36, 38 werden in der Koppelzone 46 mittels des Durchbruchs 44 verbunden. In der Koppelzone 46 können sich H10-Mode-Wellen sowohl in y- als auch in x-Richtung ausbreiten. Eine in 3 mit ”e1” bezeichnete Kante bildet für das Feld einer vom ersten Tor 38a kommenden H10-Mode-Welle eine starke Störstelle, die zu einer Verwirbelung (”vortex”) des E-Felds in der Koppelzone 46 vor dem zweiten Tor 40b führt. Durch eine Kombinationen verschiedenen Frequenzen mit verschiedenen Ausdehnungen der Koppelzonen 46 kann durch die Verwirbelung (”vortex”) die Ausbreitung der H10-Mode-Welle in das zweite Tor 40b verhindert werden, da dadurch auch mögliche von einer weiteren mit ”e2” bezeichnete Kante am anderen Ende der Koppelzone 46 angeregte Wellen am Zurücklaufen gehindert werden. Dieses Verhalten gilt so jedoch nur für schmalbandige Anwendungen. Außerdem ist es wegen der wenigen Freiheitsgrade in der Auslegung des Diplexers 30 außerordentlich schwierig, eine symmetrische (–3 dB) Kopplung zu den Ausgangs-Toren 40c und 40d zu erreichen. Der obere Teil der Darstellung in 3 veranschaulicht die Koppelzone 46 (siehe 2) in z-Richtung.
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Ein anderes Problem des oben beschriebenen, idealen Schlitzkopplers ist seine praktische Ausführung und Realisation, da ein solcher Koppler in der praktischen Umsetzung immer eine endliche Dicke der Trennwand 42 (siehe 2) aufweist. je dicker die Trennwand 42 gewählt, desto einfacher ist der Diplexer zu fertigen, aber desto mehr weicht er von der idealen, oben beschriebenen Funktionsweise ab.
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Um jedoch die Probleme mit endlicher Dicke der Trennwand 42 (siehe 2) und die damit entstehenden Probleme mit weiteren Kanten in der Koppelzone 46 zu lösen, schlägt die Erfindung den in 2 veranschaulichten Aufbau des Diplexers 30 aus den zwei in der E-Ebene zusammengefügten Halbschalen 34, 36 vor. Unter Beachtung der nachfolgend beschriebenen, aufeinander abgestimmten Verhältnisse der Hohlleiter-Struktur ist es möglich, auf einfache Weise einen Diplexer für breitbandige Anwendungen zu schaffen. Dazu werden mehrere Hohlleitermoden ausgenutzt, um breitbandiges Verhalten des Diplexers 30 zu erreichen. Neu ist vor allem die bei Kopplern dieser Art unübliche Anregung der H20-Mode durch genau definierte Kanten, Störstellen und insbesondere durch Vertiefungen in der gemeinsamen Koppelzone 46. Jede der Störstellen erregt nicht-ausbreitungsfähige abklingende Wellen, die als Energiespeicher wirken und zur Realisierung der elektrischen Eigenschaften in ein bestimmtes Verhältnis zueinander gesetzt werden. Letzteres wird durch gezielte Variation der Störstellenparameter mittels an sich bekannten Programmen zur dreidimensionalen Vollwellenanalyse eines solchen Diplexers ermittelt.
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Wie bereits oben erwähnt, liegt die Koppelzone in der in 3 bezeichneten z-Richtung, so dass sowohl H20-Mode- als auch H01-Mode-Wellen angeregt werden. Wie dies kontrolliert genutzt werden kann, wird anhand von Parametern der in 4 dargestellten Struktur einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diplexers 30 erläutert.
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In einer mit sich in z-Richtung (vergleiche 3) sich erstreckenden Höhe ak der Koppelzone 46 (siehe 2) haben H20-, H01- und H10-Mode-Wellen unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten, die zu gemeinsamen Interferenzen führen, die den Ort für die Verwirbelung (”vortex” in 3) beeinflussen. Eine Optimierung der Höhe ak der Koppelzone 46 erlaubt es, die Verwirbelung (”vortex” in 3) des E-Feldes vor dem vierten Tor 40d zu platzieren und so das gewünschte verhalten zu erreichen. Bei weiterer Optimierung kann durch Reduzieren der Breiten bk und der Längen lk in z-Richtung der Vertiefungen 48, 50 (siehe 2) sowie durch Anpassung der Übergangszonen lp, bp der Trennwand 42 in die Koppelzone 46 erreicht werden.
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Nachfolgend werden Parameter gemäß
4 für ein praktisches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Diplexers
30 für 70 GHz–85 GHz angegeben:
| Parameter (nach Fig. 4) | Abmessungen in mm |
| a | 3,1 |
| b | 1,3 |
| s | 0.8 |
| l | 7,0 |
| ak | 5,56 |
| bk | 3,04 |
| lk | 3,94 |
| bp | 0,4 |
| lp | 0,5 |
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Damit wird ein Diplexer erreicht, der sich durch nahezu symmetrische Leistungsverteilung und gute Isolation bei guter Anpassung an die Tore über eine Bandbreite von etwa 20% auszeichnet.
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Die besondere Fertigungsfreundlichkeit des erfindungsgemäßen Diplexers 30 ergibt sich durch Realisierung aus zwei symmetrischen Halbschalen, die sich – relativ zur Wellenlänge der Nutzfrequenz – kompakt fertigen lassen. Es hat sich gezeigt, dass bei Verwendung von Aluminium-Spritzguss-Halbschalen die Gesamtgestaltung der Struktur so ausgelegt werden kann, dass sie mit einem geringen Fräserdurchmesser, beispielsweise in der Größenordnung von 1 mm gefertigt werden kann. Dadurch ergeben sich kurze Bearbeitungszeit und eine relativ hohe Präzision.
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Zur Verdeutlichung wird auf die 5 und 6 hingewiesen, die in perspektivischen Darstellung die Struktur eines praktischen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Diplexers 30 zeigen. Während 5 die einzelnen in einen Block für jede Halbschale eingeschnittenen Strukturen verdeutlicht, zeigt 6 in einem vergrößerten Maßstab, die aus den Blöcken der Halbschalen herausgeschnittenen zum Diplexer 30 zusammengefügten Strukturen als solche.
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Andere Spritzgussmaterialen als das oben genannte Aluminium für die Halbschalen des Diplexers 30 sind denkbar, wie beispielsweise Kunststoff. Ebenso denkbar sind andere Formen für die Vertiefungen 48, 50 (siehe 2) als die in den 2 und 4 dargestellten, wie z. B. recheckige oder zylindrische Vertiefungen.
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Der erfindungsgemäße Diplexer eignet sich in besonderer Weise für eine Verwendung in einem Füllstandsmeßgerät mit Radarsignalen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Diplexer
- 12
- 1. Hohlleiter-Kanal
- 14
- 2. Hohlleiter-Kanal
- 12a, b
- Hohlleiter-Abschnitte von (12)
- 14a, b
- Hohlleiter-Abschnitte von (14)
- 16
- Hohlleiter-Koppler
- 18a–d
- Tore
- 20
- Richtung E (Pfeil)
- 30
- Diplexer
- 32
- 1. Halbschale
- 34
- 2. Halbschale
- 36
- 1. Hohlleiter-Kanal
- 36a, b
- Hohlleiter-Abschnitte von (36)
- 38
- 2. Hohlleiter-Kanal
- 38a, b
- Hohlleiter-Abschnitte von (38)
- 40a–d
- Tore
- 42
- Trennwand
- 44
- Durchbruch
- 46
- Koppelzone
- 48
- 1. Vertiefung
- 50
- 2. Vertiefung
- 52a–d
- Übergänge an den Toren
- 54
- Richtung E (Pfeil)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Compact Top-Wall Hybrid/Coupler design for Extreme Broad Bandwidth Applications” von Ralf Beyer und Uwe Rosenberg, Microwave Symposium Digest, MTT-S International 12–17 June 2005, ISBN 0-7803-8846-1/05, Seiten 1227–1230 [0007]
