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Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur Umschaltung zweier Eingangsanschlüsse auf einen gemeinsamen Ausgangsanschluss, wobei sich vorteilhafterweise die Frequenzbereiche der Eingangssignale bei guter Anpassung am Eingang und am Ausgang überlappen und die Lastimpedanzen des abgeschalteten Zweiges keinen Einfluss auf die Signalübertragung haben.
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Zur Zusammenführung von Signalen unterschiedlicher Frequenzbereiche werden herkömmlich Schalter innerhalb der Signalpfade eingesetzt. Solche Schalter in den Signalpfaden weisen jedoch ungünstige Eigenschaften, insbesondere im Hochfrequenzbereich auf. So zeigt beispielsweise die europäische Patentschrift
EP 1 780 889 B1 eine elektronische Schaltung zur Umschaltung zwischen zwei Signalpfaden unterschiedlicher Frequenzbereiche. Die dort gezeigte Schaltung ist nachteilhaft, da die durch sie geleiteten Signale gedämpft werden, und die Lastimpedanzen des abgeschalteten Zweiges einen Einfluss auf die Signalübertragung haben.
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Darüber hinaus müssen Serienelemente, d. h. Schaltungselemente, welche innerhalb des Signalpfades in Serie geschaltet sind, für die tiefsten und höchsten vorkommenden Frequenzen geeignet sein. Verluste in den Serienelementen, insbesondere bei hohen Frequenzen, führen zu einer hohen Dämpfung bei der Signalübertragung. Darüber hinaus beeinflusst eine mangelnde Linearität der Serienelemente die Signalqualität.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine elektronische Schaltung, welche mit geringer Dämpfung und geringen nichtlinearen Verzerrungen eine Umschaltung zwischen zumindest zwei Signalpfaden unterschiedlicher, sich vorzugsweise überlappender Frequenzbereiche ermöglicht und bevorzugt einen Signalgenerator unter Verwendung einer solchen Schaltung zu schaffen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für die elektronische Schaltung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und für den Signalgenerator durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße elektronische Schaltung verfügt über einen Hochpass und einen Tiefpass. Der Tiefpass verfügt über zumindest ein Tiefpass-Serienelement und ein Tiefpass-Querelement. Der Hochpass verfügt über zumindest ein Hochpass-Serienelement und ein Hochpass-Querelement. Das Tiefpass-Serienelement und das Hochpass-Querelement sind dabei durch ein gemeinsames, vorzugsweise induktives Bauteil realisiert. Dabei sind das Hochpass-Serienelement und das Tiefpass-Querelement durch ein gemeinsames, vorzugsweise kapazitives Bauteil realisiert. So ist es möglich, Bauteile einzusparen und lediglich geringe Störungen der Signale zu verursachen.
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Die Schaltung verfügt vorzugsweise über ein Schaltelement, welches ausgebildet ist, um wechselweise einen Hochpass-Anschlusspunkt des Hochpasses und einen Tiefpass-Anschlusspunkt des Tiefpasses gegen Masse zu schalten.
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Besonders bevorzugterweise verfügt die Schaltung über genau ein solches Bauteil. So kann ohne Eingriff in den Signalpfad die gewünschte Filtereigenschaft mit minimaler Signaldämpfung ausgewählt werden.
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Es wird nur ein Hochpass- oder Tiefpass-Querelement durch die parasitären Elemente des Schaltelements beeinflusst. Daher werden die Güten der folgenden Filterelemente nicht durch parasitäre Elemente weiterer Schaltelemente verschlechtert, wie dies z.B. bei der
EP 1 780 889 B1 der Fall ist.
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Die Schaltung ist bevorzugt derart ausgebildet, dass sie bei Schaltung des Hochpass-Anschlusspunkts gegen Masse ein Tiefpass-Verhalten zeigt, und dass sie bei Schaltung des Tiefpass-Anschlusspunkts gegen Masse ein Hochpassverhalten zeigt. So kann sehr einfach die gewünschte Charakteristik eingestellt werden.
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Der Hochpass-Anschlusspunkt liegt bevorzugt eingangsseitig des Hochpass-Serienelements. Der Tiefpass-Anschlusspunkt liegt bevorzugt eingangsseitig des Tiefpass-Serienelements. So kann eine besonders einfache Schaltungsgestaltung realisiert werden.
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Das Schaltelement ist vorteilhafterweise durch einen Umschalter oder durch zwei Schalter realisiert. So ist eine Realisierung der Schaltung mit einfach erhältlichen Standardkomponenten möglich.
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Die zwei Schalter sind bevorzugt PIN-Dioden oder Feldeffekttransistoren. So ist eine besonders hohe Schaltgeschwindigkeit bei hoher Langzeitstabilität möglich.
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Bevorzugt sind die zwei Schalter PIN-Dioden. Die PIN-Dioden verfügen dann jeweils über einen Schaltanschluss, welcher ausgebildet ist, um die PIN-Dioden in einen gesperrten und in einen offenen Zustand zu versetzen. So kann mit schaltungstechnisch sehr einfachen Mitteln das Umschalten realisiert werden.
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Der Hochpass ist bevorzugt mit einem Hochpass-Eingangsanschluss verbunden. Der Tiefpass ist bevorzugt mit einem Tiefpass-Eingangsanschluss verbunden. Die Schaltung verfügt bevorzugt über einen gemeinsamen Ausgangsanschluss. So können die Signale sehr einfach in die Schaltung eingespeist und aus ihr entnommen werden.
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Ein erfindungsgemäßer Signalgenerator verfügt über einen ersten Teil-Signalgenerator, einen zweiten Teil-Signalgenerator und eine zuvor beschriebene elektronische Schaltung. So ist eine einfache und genaue Umschaltung zwischen den Ausgangssignalen der Teil-Signalgeneratoren möglich.
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Der erste Teil-Signalgenerator erzeugt bevorzugt ein erstes Signal, während der zweite Teil-Signalgenerator ein zweites Signal erzeugt. Ein Ausgang des ersten Teil-Signalgenerators und ein Ausgang des zweiten Teil-Signalgenerators sind bevorzugt jeweils entweder mit dem Tiefpass-Eingangsanschluss oder dem Hochpass-Eingangsanschluss verbunden. Die elektronische Schaltung ist dabei bevorzugt derart mit dem ersten Teil-Signalgenerator und dem zweiten Teil-Signalgenerator verbunden, dass die elektronische Schaltung selektiv das erste Signal oder das zweite Signal verarbeitet und ein resultierendes Signal an dem Ausgangsanschluss ausgibt. So kann ohne weitere Schaltungskomponenten eine gewünschte Schaltungsfunktion erreicht werden.
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Beispielsweise ist der erste Teil-Signalgenerator ein direkter digitaler Signalgenerator, während der zweite Teil-Signalgenerator ein auf einer Phasenregelschleife basierender Signalgenerator ist. Dabei weist das erste Signal eine geringere maximale Frequenz auf als das zweite Signal.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung, in der vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt ist, beispielhaft beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine beispielhafte Tiefpassschaltung;
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2 eine beispielhafte Hochpassschaltung;
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3 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung;
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4 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung, und
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5 ein Ausführungsbeispiel einer Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung.
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Zunächst werden anhand von 1 und 2 der generelle Aufbau und die Funktionsweise exemplarischer Filterschaltungen erläutert. Anschließend werden anhand von 3 und 4 der Aufbau und die Funktionsweise verschiedener Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltung verdeutlicht. 5 zeigt eine Anwendung.
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Identische Elemente wurden in ähnlichen Abbildungen zum Teil nicht wiederholt dargestellt und beschrieben.
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1 zeigt ein Schaltbild einer exemplarischen Tiefpassschaltung. Zwischen einem Eingangsanschluss 10a und einem Ausgangsanschluss 16a liegen in Serie eine Induktivität 12 und eine Induktivität 11a. Bei den Induktivitäten 11a, 12 handelt es sich um Serienelemente, d. h. um Elemente, welche im Signalpfad in Serie geschaltet sind. Zwischen den Induktivitäten 12 und 11a liegt gegen einen Masseanschluss 14 geschaltet eine Kapazität 13. Am Ausgangsanschluss 16a liegt zusätzlich eine Kapazität 14a gegen einen Masseanschluss 15 geschaltet. Bei den Kapazitäten 13, 14a handelt es sich um Querelemente, d. h. um Elemente, welche ausgehend vom Signalpfad gegen Masse geschaltet sind.
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Ein am Eingangsanschluss 10a eingespeistes Signal durchläuft die Induktivitäten 12 und 11a. Niederfrequente Anteile des Signals passieren die Induktivitäten mit geringerer Dämpfung als hochfrequente Anteile. Zusätzlich fließen hochfrequente Anteile über die Kapazitäten 13 und 14a gegen Masse ab. Es bildet sich somit zwischen dem Eingangsanschluss 10a und dem Ausgangsanschluss 16a eine Tiefpasscharakteristik.
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In 2 ist eine exemplarische Hochpassschaltung dargestellt. Die Schaltung verfügt über einen Eingangsanschluss 10b und einen Ausgangsanschluss 16b. Zwischen dem Eingangsanschluss 10b und dem Ausgangsanschluss 16b liegen zwei Kapazitäten 14b und 17. Es handelt sich dabei um Serienelemente. Zwischen den beiden Kapazitäten 14b und 17 ist weiterhin eine Induktivität 19 gegen einen Masseanschluss 18b geschaltet.
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Weiterhin ist am Ausgangsanschluss 16b weiterhin eine Induktivität 11b mit einem Masseanschluss 18a verbunden. Bei den Induktivitäten 11b und 19 handelt es sich somit um Querelemente.
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Ein am Eingangsanschluss 10b eingespeistes Signal durchläuft die Kapazitäten 14b und 17. Dabei werden niederfrequente Signalanteile stärker gedämpft als Hochfrequente Signalanteile. Zusätzlich fließen niederfrequente Signalanteile über die Induktivitäten 11b und 19 gegen Masse ab. Somit ergibt sich zwischen dem Eingangsanschluss 10b und dem Ausgangsanschluss 16b eine Hochpasscharakteristik.
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Bei einer herkömmlichen Frequenzweiche, welche keine Schalter aufweist, würde die Durchgangsdämpfung an der Weichenfrequenz 3dB betragen und eine hohe Fehlanpassung am Eingang und Ausgang auftreten. Eine Überlappung der Frequenzbereiche ist so nicht möglich.
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In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung 50a dargestellt. Die erfindungsgemäße Schaltung 50a verfügt über einen Tiefpass 40, welcher mit einem Tiefpass-Eingangsanschluss 20a verbunden ist, einen Hochpass 41, welcher mit einem Hochpass-Eingangsanschluss 20b verbunden ist, und über einen gemeinsamen Ausgangsanschluss 26, welcher mit dem Tiefpass 40 und dem Hochpass 41 verbunden ist. Weiterhin verfügt die Schaltung über ein Schaltelement 42a.
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Der Tiefpass 40 beinhaltet eine Induktivität 22 und eine Induktivität 21, welche in Serie zwischen dem Tiefpass-Eingangsanschluss 20a und dem gemeinsamen Ausgangsanschluss 26 geschaltet sind. Zwischen den beiden Induktivitäten 21 und 22 befindet sich ein Tiefpass-Anschlusspunkt 43, an welchem eine Kapazität 23 angeschlossen und mit einem Masseanschluss 24 verbunden ist. Der Tiefpass 40 beinhaltet weiterhin eine Kapazität 34, welche mit dem Ausgangsanschluss 26 verbunden ist. Die Induktivitäten 21, 22 bilden dabei Tiefpass-Serienelemente. Die Kapazitäten 23, 34 bilden dabei Tiefpass-Querelemente.
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Der Hochpass 41 beinhaltet eine Kapazität 27 und die Kapazität 34, welche in Serie zwischen dem Hochpass-Eingangsanschluss 20b und dem gemeinsamen Ausgangsanschluss 26 geschaltet sind. Bei den Kapazitäten 27, 34 handelt es sich somit um Hochpass-Serienelemente. Darüber hinaus befindet sich zwischen den beiden Kapazitäten 27, 34 ein Hochpass-Anschlusspunkt 44. An diesem ist eine Induktivität 29 angeschlossen und mit einem Masseanschluss 35 verbunden. Darüber hinaus ist mit dem Ausgangsanschluss 26 die Induktivität 21 verbunden. Die Induktivitäten 29 und 21 bilden somit Hochpass-Querelemente.
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Der Tiefpass 40 und der Hochpass 41 beinhalten somit als gemeinsame Elemente die Induktivität 21 und die Kapazität 34. Ist der Hochpass 41 aktiv, so bildet die Kapazität 34 ein Hochpass-Serienelement und die Induktivität 21 ein Hochpass-Querelement. Ist der Tiefpass 40 aktiv, bildet die Induktivität 21 ein Tiefpass-Serienelement und die Kapazität 34 ein Tiefpass-Querelement.
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Durch die doppelte Nutzung der Induktivität 21 und der Kapazität 34 können Bauteile der Schaltung 50a eingespart werden. So ist eine Reduktion des Aufwands und der Baugröße möglich.
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Zur Umschaltung zwischen dem Hochpass 41 und dem Tiefpass 40 wird das Schaltelement 42a eingesetzt. Das Schaltelement 42a beinhaltet einen Umschalter 29, welcher selektiv den Tiefpass-Anschlusspunkt 43 oder den Hochpass-Anschlusspunkt 44 mit einem Masseanschluss 28 verbindet.
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Wird der Tiefpass-Anschlusspunkt 43 mit Masse verbunden, so sind die Induktivität 22 und die Kapazität 23 nicht länger Teil des Signalpfads. Die Induktivität 21 ist somit direkt mit Masse verbunden. Bei dieser Schalterstellung weist die erfindungsgemäße Schaltung 50a somit eine Hochpasscharakteristik auf. D. h. das Eingangssignal wird an dem Hochpass-Eingangsanschluss 20b eingespeist. In dieser Schalterstellung reduziert sich somit das Ersatzschaltbild der Schaltung 50a auf das in 2 gezeigte Schaltbild.
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Ist der Hochpass-Anschlusspunkt 44 durch den Umschalter 29 mit Masse verbunden, so sind die Kapazität 27 und die Induktivität 29 nicht länger Teil des Signalpfads. Die Kapazität 34 ist nun direkt mit Masse verbunden. Die erfindungsgemäße Schaltung 50a weist in dieser Schaltungsstellung somit eine Tiefpasscharakteristik auf. D. h. das Eingangssignal wird an den Tiefpass-Eingangsanschluss 20a eingespeist. In der hier gezeigten Schalterstellung reduziert sich das Ersatzschaltbild der Schaltung 50a somit auf das in 1 dargestellte Schaltbild.
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Die Weichenelemente können so dimensioniert werden, dass die Tiefpass-Grenzfrequenz größer ist als die Hochpass-Grenzfrequenz. Somit überlappen sich die Frequenzbereiche und die Durchgangsdämpfung an der Weichenfrequenz ist größer als die Durchgangsdämpfung einer herkömmlichen Frequenzweiche.
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4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung 50b. Die Schaltung 50b entspricht hier weitgehend der Schaltung 50a aus 3. Das Schaltelement 42b, welches dem Schaltelement 42a aus 3 entspricht, ist hier jedoch nicht mit einem Umschalter 29, sondern mit zwei PIN-Dioden 29a und 29b jeweils mit eigenem Masseanschluss 28a und 28b realisiert. Über Schaltanschlüsse 30a, 30b wird den PIN-Dioden 29a und 29b ein Schaltsignal zugeführt. Die Schaltsignale sind dabei derart gewählt, dass bevorzugt eine der PIN-Dioden 29a, 29b die Verbindung zum Masseanschluss 28a, 28b herstellt. Die jeweils andere PIN-Diode ist gesperrt. Werden beide PIN-Dioden leitend geschaltet, dann wird die Signalübertragung von beiden Eingängen unterbrochen.
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Obwohl die PIN-Dioden 29a, 29b jeweils parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten aufweisen, sind diese für die Funktion des Hochpasses 41 bzw. des Tiefpasses 40 von untergeordneter Bedeutung, da sie lediglich als Querelemente vorliegen. Diese parasitären Eigenschaften bewirken eine geringfügig reduzierte Isolation zwischen den Signalpfaden und sind für einen sehr geringen Einfluss der Lastimpedanzen des abgeschalteten Pfades auf die Signalübertragung des aktiven Pfades verantwortlich. Zur Ausgestaltung der tatsächlichen Bauteilwerte der in 3 und 4 dargestellten Schaltungen 50a, 50b ist es möglich, die Eckfrequenzen des Hochpasses 41 und des Tiefpasses 40 auf dieselbe Frequenz zu legen. Bevorzugt kann eine weitere vorteilhafte Verbesserung erreicht werden, wenn sich die Eckfrequenzen der Filter überlappen.
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Es ergibt sich somit ein durchgehendes Frequenzband mit Überlappungsbereich.
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Statt eines Umschalters oder PIN-Dioden können darüber hinaus auch mechanische Schalter, wie z.B. Relais oder mikromechanische Schalter (MEMS) oder Feldeffekttransistoren eingesetzt werden. Auch der Einsatz anderer Halbleiterschalter ist denkbar.
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Weiterhin ist eine zusätzliche Reduktion des Aufwands auf Kosten einer reduzierten Filtergüte möglich, indem lediglich gemeinsam genutzte Bauelemente eingesetzt werden. Die aktuell dargestellten Filter sind jeweils des Grades 2, d. h. jeweils zwei Induktivitäten und zwei Kapazitäten bilden den Hochpass und den Tiefpass. Davon wird jeweils eine Induktivität und eine Kapazität gemeinsam genutzt. Wird der Filtergrad auf Grad 1 reduziert, so sind lediglich eine Induktivität und eine Kapazität zur gemeinsamen Nutzung notwendig. In diesem Fall entfallen die Kapazitäten 23, 27 und die Induktivitäten 22, 29 aus 3 und 4.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anwendung der elektronischen Schaltungen 50a und 50b aus 3 oder 4. Hier ist ein Signalgenerator gezeigt. Der Signalgenerator beinhaltet einen ersten Teil-Signalgenerator 51 und einen zweiten Teil-Signalgenerator 52. Der erste Teil-Signalgenerator 51 erzeugt Frequenzen kleiner-gleich der Weichenfrequenz. Bevorzugt handelt es sich hier um einen direkten digitalen Synthesizer. Der zweite Teil-Signalgenerator 52 erzeugt Frequenzen größer als die Weichenfrequenz. Bevorzugt basiert er auf einer Phasenregelschleife. Der erste Teil-Signalgenerator 51 erzeugt somit ein erstes Signal deutlich geringerer Frequenz als ein von dem zweiten Teil-Signalgenerator erzeugtes zweites Signal. Ausgänge dieser Teil-Signalgeneratoren 51, 52 sind jeweils mit Eingängen einer Schaltung 50c, welche einer der Schaltungen 50a oder 50b entspricht, verbunden. Der erste Teil-Signalgenerator 51 ist dabei mit dem Tiefpass-Eingangsanschluss 20a verbunden, während der zweite Teil-Signalgenerator 52 mit dem Hochpass-Eingangsanschluss 20b verbunden ist. Die Schaltung 50c verarbeitet wahlweise eines der beiden Signale und leitet es an ihren Ausgangsanschluss 26 weiter.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Alle vorstehend beschriebenen Merkmale oder in den Figuren gezeigten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig vorteilhaft miteinander kombinierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1780889 B1 [0002, 0009]
