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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsteiler, insbesondere für Hochfrequenzanwendungen, mit einem Eingang und zwei Ausgängen, mit definierten frequenzabhängigen Teilungsverhältnissen.
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Stand der Technik
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Eine Anforderung an Antennen in Satellitenkommunikationsanwendungen ist eine möglichst hohe regulatorisch konforme äquivalente isotrope spektrale Leistungsdichte (EIRP-SD) im Sendefrequenzband der Antenne. Dies wird in der Regel durch eine geeignete Amplitudenverteilung in der Aperturebene der Antenne erreicht. In Gruppenstrahlerantennen (Array-Antennen) kann diese Aperturbelegung durch ein entsprechend ausgelegtes Leistungsteilernetzwerk, dass die Einzelstrahler der Antennengruppe anregt, realisiert werden. Hierzu könnten die Ein- und Ausgänge eines Leistungsteilers so ausgelegt werden, dass eine asymmetrische Leistungsverteilung die Voraussetzung für die gewünschte Aperturbelegung schafft.
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Für die Empfangscharakteristik der Gruppenstrahlerantenne ist hingegen eine homogene Aperturbelegung wünschenswert, da dadurch der Antennengewinn maximiert wird. Soll für das Sende- und das Empfangsband dieser Antenne ein gemeinsames Leistungsteilernetzwerk verwendet werden, führt dies jedoch durch das für das Sendefrequenzband notwendige inhomogene Leistungsteilernetzwerk zu einer reduzierten Leistungsfähigkeit der Gruppenstrahlerantenne im Empfangsfall.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leistungsteiler und eine Antenne anzugeben, die mittels einer frequenzabhängigen Leistungsteilung die gewünschten Aperturbelegungen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch den Leistungsteiler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Antenne mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Dabei enthält der Leistungsteiler für hochfrequente Signale einen Signalleiter mit einem Eingang und zwei Ausgängen. Eine gedachte Mittelachse des Eingangs trennt Signalleiterabschnitte des ersten und zweiten Ausgangs, wobei die Signalleiterabschnitte des ersten und zweiten Ausgangs unterschiedliche Impedanzen aufweisen. Zusätzlich ist ein Septum eingebracht, das von der dem Eingang gegenüberliegenden Seite des Signalleiters partiell in den Signalleiter hineinreicht und versetzt zur Mittelachse angeordnet ist.
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Damit werden die Wirkungen einer asymmetrischen Gestaltung der Ausgänge und des Septums kombiniert. Je nach Leitungstechnologie, in der der Leistungsteiler realisiert wird, wirkt eine Methode stärker im niedrigen und die andere Methode stärker im höheren Frequenzbereich. Durch eine Kombination beider Methoden ist es möglich, einen Teiler zu entwerfen, der z.B. im Sendefrequenzband eine deutlich stärkere Belegung wie im Empfangsband aufweist.
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Vorteilhafterweise ist der Leistungsteiler durch den Eingang mit einer Sende- und Empfangseinrichtung und durch die Ausgänge mit Antennenelementen verbunden, damit können die Antennenelemente im Sende- und Empfangsfrequenzband mit unterschiedlichen Belegungen betrieben werden.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausprägung der Erfindung weisen die Ausgänge eine gemeinsame zweite Symmetrieachse auf (jedoch mit unterschiedlichen Impedanzen). In großen Gruppenstrahlern können damit die einzelnen Leistungsteiler in einem Netzwerk bei gleich langen Wegen zwischen Leistungsteilern besser verschaltet werden.
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Der erfinderische Leistungsteiler eignet sich für unterschiedliche Leitungstechnologien. Ist der Signalleiter ein Hohlleiter können die Verluste minimiert werden, auch wenn ein größerer Bauraum benötigt wird. Bei einem Steghohlleiter wird zudem die verfügbare Bandbreite vergrößert. Wird für den Signalleiter ein Mittelleiter (Mikrostreifenleiter, Koaxialleiter oder ein Rectax-Leiter) verwendet, dann sind breitbandige, kompakte Leistungsteiler realisierbar. Ein Mikrostreifenleiter ist dabei besonders kostengünstig herstellbar. Ein Rectax-Leiter ist ein sehr verlustarmer rechteckiger Koaxialleiter, der in der Regel ein Dielektrikum enthält.
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Um die Wirkungen der unterschiedlichen Impedanzen der Ausgänge zu kompensieren ist vorteilhafterweise das Septum zu dem Ausgang mit der größeren Impedanz verschoben.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Impedanzverhältnis beider Ausgänge in einem Bereich von 1:1,1 bis 1:1,7, vorzugsweise 1:1,3 bis 1:1,5 z.B. für eine Rectax-Leitung oder einen Steghohlleiter. Dieses Verhältnis erlaubt eine Kompensierbarkeit der Asymmetrie im Empfangsfall durch das Septum, aber auch sehr variable Teilerverhältnisse im Sendefall. In größeren Gruppenstrahlerantennen werden über die Anordnungen von mehreren, in einer Baumststruktur nachgeschalteten Leistungsteilern sehr große Unterschiede in der Belegung einzelner Antennenelemente möglich.
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Das Septum weist vorteilhafterweise eine in den Signalleiter hineinreichende Länge von maximal der halben Wellenlänge auf, wobei die Wellenlänge der maximalen Wellenlänge von einem Nutzfrequenzbereich der Antenne entspricht. Ein längeres Septum würde ansonsten einen Ausgang zu sehr abschnüren.
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Weiterhin hat das Septum vorteilhafterweise eine Breite von maximal einem Drittel der Wellenlänge (Hohlleiter) oder 0,8 einer Breite des Eingangs (Mikrostreifenleiter). In diesem Bereich wirkt das Septum zuverlässig.
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Auch der Versatz spielt bei der Einstellung des Teilerverhältnisses eine gewichtige Rolle. Vorteilhafterweise ist das Septum um maximal die viertel Wellenlänge von der Mittelachse versetzt.
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Die genannten Vorteile sind besonders wirkungsvoll, wenn Empfangsfrequenzband und Sendefrequenzband in möglichst weit voneinander getrennten Bändern liegen. Für die in der Satellitenkommunikation gewünschte Ausprägung einer homogen Empfangsapertur und einer inhomogenen Sendeapertur wird das Teilerverhältnis so eingestellt, dass das Teilerverhältnis der Leistungen der Ausgänge im Empfangsfrequenzband kleiner als das Teilerverhältnis der Leistungen der Ausgänge im Sendefrequenzband ist. Bevorzugte Teilerverhältnisse sind im Empfangsfrequenzband 1:1 und im Sendefrequenzband zwischen 1:1,1 und 1:10, vorzugsweise 1:1 bis 1:4.
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Der beschriebene Leistungsteiler eignet sich vorzüglich für Empfangs- und Sendefrequenzbänder, die im Ka-Band oder Ku-Band liegen, also einen großen Unterschied zwischen den Bändern für Empfang und Senden aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Antenne verbindet mit den vorgenannten Leistungsteilern eine Mehrzahl von Antennenelementen mit einer Sende- und Empfangseinrichtung, wobei sich vorteilhafterweise für zwei benachbarte Leistungsteiler die Differenz der Leistungen zwischen den jeweiligen Ausgängen im Sendefrequenzband unterscheiden, um sehr variabel eine gewünschte Aperturbelegung einzustellen.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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Kurze Figurenbeschreibung
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Leistungsteiler,
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2 und 3 zeigen asymmetrische Leistungsteiler in Mittelleiter- bzw. Hohlleitertechnologie,
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4 und 5 zeigen Leistungsteiler mit Septum in Mittelleiter- bzw. Hohlleitertechnologie,
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6 zeigt schematisch die frequenzabhängige Leistungsteilung für Leistungsteiler mit Asymmetrie (M1) und Septum (M2),
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7 und 8 zeigen Leistungsteiler mit im Vergleich zu den 2 und 3 gespiegelten Ausgängen,
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9 zeigt die schematische frequenzabhängige Leistungsteilung für die Leistungsteiler mit Septum (4 und 5) und mit gespiegelten asymmetrischen Ausgängen nach 7 und 8,
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10 und 11 zeigen erfindungsgemäße Leistungsteiler mit Septum und asymmetrischen Ausgängen nach Mittelleiter- bzw. Hohlleitertechnologie,
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12 zeigt die frequenzabhängige Leistungsteilung der Leistungsteiler nach 10 und 11,
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13 zeigt eine Gruppenstrahlerantenne mit einer Mehrzahl von Antennenelementen und einer Leistungsteilung mit mehreren erfindungsgemäßen Leistungsteilern.
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Der erfindungsgemäße Leistungsteiler nach 1 mit einem Eingang E und zwei Ausgängen A1, A2 teilt die durch den Eingang E empfangenen Signale auf die zwei Ausgänge A1, A2 auf bzw. kombiniert die durch die Ausgänge A1, A2 empfangenen Signale und fasst diese Signale für den Eingang E zusammen. Im Weiteren wird nur ein Aufteilen einer Leistung des Signals vom Eingang E auf die Ausgänge A1 und A2 weiter diskutiert.
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Eine gedachte Mittelachse Sym teilt den Signalleiter H in zwei Signalleiterabschnitte A, B auf, wobei die Signalleiterabschnitte A, B Leistungsanteile in die Ausgänge A1 bzw. A2 auskoppeln. Weiterhin enthält dieser Leistungsteiler ein Septum S, das auf der dem Eingang E gegenüberliegenden Seite in den Signalleiter H hineinragt. Das Septum S ist bezüglich der Mittelachse Sym leicht in Richtung eines Ausgangs A2 versetzt.
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Die Ausgänge A1, A2 liegen auf einer zweiten gemeinsamen Mittelachse M, sind jedoch ungleich, d.h. sie haben unterschiedliche wirksame Breiten, was zu unterschiedlichen Impedanzen dieser Ausgänge A1, A2 führt. Diese Impedanzen sind in 1 als I1, I2 gekennzeichnet. Der Signalleiter H ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Hohlleiter. Im Leistungsteiler nach 1 hat der linke Ausgang A1 eine größere wirksame Breite, d.h. er hat eine geringe Impedanz I1 und koppelt (ohne Berücksichtigung des Septums) eine geringere Leistung aus als der rechte Ausgang A2.
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In den folgenden Figuren werden jeweils getrennt die Ausführung der Erfindung in Mittelleitertechnologie (Mikrostreifenleiter MS, Koaxialleiter oder Rectax-Leiter) bzw. in Hohlleitertechnologie HL aufgezeigt. 2 zeigt den Leistungsteiler für einen Signalleiter MS in Mikrostreifentechnologie, wobei der linke Signalleiterabschnitt A schmaler ist als der rechte Signalleiterabschnitt B, wodurch der rechte Signalleiterabschnitt B eine größere Leistung auskoppelt.
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Beim Signalleiter nach 3, der als Hohlleiter HL ausgeprägt ist, verhält es sich umgekehrt. Hier führt die größere wirksame Breite des linken Signalleiterabschnitts A zu einer geringeren Leistungsauskopplung als der schmalere rechte Signalleiterabschnitt B. Wie dargestellt, sind die Impedanzen der Signalleiterabschnitte A, B in beiden Varianten unterschiedlich, wodurch ein asymmetrischer Leistungsteiler eingestellt wird (Mechanismus M1). Diese Leistungsteilung ist jedoch frequenzabhängig, wie später gezeigt.
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In den 4 und 5 wird ein zweiter Mechanismus M2 gezeigt, der wiederum frequenzabhängig ist, und zu einer Asymmetrie in der Leistungsteilung führt. Ein Septum S wird jeweils in den Mikrostreifenleiter MS oder Hohlleiter HL eingeführt. Das Septum S ist beim Mikrostreifenleiter eine Aussparung in einer Leitungsschicht, die auf einem Dielektrikum des Signalleiters MS angebracht ist. Beim Hohlleiter HL nach 5 ist das Septum S eine in den Signalleiter HL hineinragende Umwandung. Das Septum S ist in beiden Varianten leicht links von der Mittellachse Sym versetzt angeordnet, wodurch für den rechten Signalleiterabschnitt B die ausgekoppelte Leistung größer ist als beim linken Signalleiterabschnitt A.
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Die in den 2 bis 5 gezeigten zwei Mechanismen (M1 und M2), in 2 und 3 Asymmetrie durch unterschiedliche Impedanzen der Ausgänge und in 4 und 5 ein zur Mittelachse verschobenes Septum S, können bei einem bestimmten Frequenzpunkt dasselbe Teilerverhältnis realisieren, weisen aber einen unterschiedlichen Frequenzgang auf, wie es schematisch in der 6 dargestellt ist. Bei einem Frequenzpunkt, der in einem Empfangsfrequenzband rx liegt, haben die Leistungsteiler nach den zwei Mechanismen M1, M2 das gleiche Teilerverhältnis, währenddessen bei einem zweiten Frequenzpunkt, der im Sendefrequenzband tx liegt, unterscheiden sich die Teilerverhältnisse beider Mechanismen deutlich, die Leistungsdifferenz ist beispielsweise 3 dB. Die Mechanismen sind in 6 als M1, M2 bezeichnet.
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In einem Designschritt hin zum erfindungsgemäßen Leistungsteiler werden die Leistungsteiler nach den 2 und 3 nun an der Mittelachse Sym gespiegelt, wodurch Leistungsteiler nach 7 und 8 entstehen, 7 mit Signalleiter als Mikrostreifenleiter MS und 8 mit Hohlleiter HL.
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Nun weist der linke Signalleiterabschnitt A eine höhere ausgekoppelte Leistung als der rechte Signalleiterabschnitt B. Damit ergibt sich ein Diagramm nach 9, wobei nun die Leistungsdifferenz nach dem Mechanismus M1 (Asymmetrie der Ausgänge) und nach Mechanismus M2 (Septum) vom Empfangsfrequenzband rx zum Sendefrequenzband tx jeweils abnimmt, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen.
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Werden als Nächstes die Effekte der zwei Mechanismen M1 und M2 in einer gemeinsamen Geometrie vereinigt, überlagern sich beide Effekte. Dies ist in den 10 und 11 gezeigt. Die erfindungsgemäßen Leistungsteiler mit Mikrostreifentechnologie MS und Hohlleitertechnologie HL zeigen asymmetrische Signalleiterabschnitte A, B und zusätzlich ein Septum S. Beim Mikrostreifenleiter MS nach 10 hat das Septum S auf beiden Seiten unterschiedliche hohe Begrenzungen durch den Leiter, währenddessen beim Hohlleiter HL nach 11 das Septum S bezüglich seiner Länge auf beiden Seiten eine gleichförmige Begrenzung aufweist. Ein Breitensprung in den Signalleiterabschnitten A, B vom Septum S zum jeweiligen Ausgang erfolgt beabstandet vom Septum S. Der Breitensprung zur Impedanzanpassung kann bei beiden Technologien M1, M2 genutzt werden, wodurch sich eine leichtere Modellierbarkeit ergibt. Der Breitensprung erfolgt für beide Ausgänge in einem gleichen Abstand zur Mittelachse Sym. Ist der Breitensprung schon im Septum S enthalten (10), so ergibt sich eine kompaktere Bauform.
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Dies führt für beide Leistungsteiler nach 10 und 11 zum Diagramm entsprechend 13, bei der im Empfangsfrequenzband rx die Leistung auf beide Ausgänge symmetrisch verteilt wird, im Sendefrequenzband tx jedoch asymmetrisch mit einer Leistungsdifferenz von 3 dB.
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Damit sind frequenzabhängige Leistungsteiler realisierbar, die in unterschiedlichen Frequenzbändern liegenden Empfangs-rx und Sendefrequenzbändern tx die gewünschte Funktion einer Unterscheidung der Leistungsteilung für den Sende- und Empfangsfall haben. Im Empfangsfrequenzband rx ist der Leistungsteiler symmetrisch, währenddessen er im Sendefrequenzband tx asymmetrisch ist.
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Damit lassen sich Gruppenstrahlerantennen entsprechend 14 dimensionieren. In 14 ist eine Sende- und Empfangseinrichtung Tx/Rx über ein Hohlleiter-HL und Mikrostreifenleiter-MS Netzwerk mit Antennenelementen AR1, AR2, ... ARx verbunden. Dieses Netzwerk enthält mehrere Leistungsteiler sowohl in Hohlleitertechnologie HL als auch in Mikrostreifenleitertechnologie MS. Bei symmetrischer Leistungsteilung im Empfangsfrequenzband ist nun entsprechend der Dimensionierung der Leistungsteiler und deren Anschluss an die Antennenelemente AR1 ... ARx eine gewünschte Aperturbelegung für die Gruppenstrahlerantenne im Sendefall einstellbar.
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Für die Asymmetrie des Leistungsteilers im Sendefrequenzband ist eine große Varianz einstellbar. Das Leistungsverhältnis kann im Bereich von 1:1 bis maximal 10:1 variieren. Dabei müssen gewisse Bemaßungen der Ein- und Ausgänge A1, A2 sowie des Septums S beachtet werden. Die Ausgänge A1, A2 sollten zwar unterschiedliche wirksame Breiten haben, doch zueinander symmetrisch sein, d.h. auf der gemeinsamen zweiten Mittelachse M liegen (siehe 1). Damit wird gewährleistet, dass die Signalleitungslängen zwischen mehreren Leistungsteilern und zu den Antennenelementen AR1 ... ARx gleich bleiben und nicht unterschiedliche Längen zusätzlich bezüglich der Phasenlage kompensiert werden müssten. Das Impedanzverhältnis beider Ausgänge A1, A2 sollte für eine Rectax-Leitung oder Steghohlleier max. 1:1,7, besser 1:1,5 nicht überschreiten.
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Beim Septum S ist zu beachten, dass seine maximale Länge, die in den Signalleiter H hineinreicht, nicht λ/2 übersteigt. Mit der Wellenlänge λ ist hier die maximale Wellenlänge im Empfangsfrequenzband rx gemeint. Die maximale Breite des Septums S wird in Hohlleitertechnologie mit maximal λ/3 angegeben, währenddessen sie in Mikrostreifenleitertechnologie MS maximal 0,8 der Eingangsleitungsbreite betragen sollte. Für die Verschiebung des Septums S von der Mittelachse M ist zu beachten, dass diese nicht λ/4 überschreiten sollte.
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Erfindungsgemäß lassen sich Gruppenstrahlerantennen für Satellitenkommunikationsanwendungen optimieren, wobei Empfangs- und Sendefrequenzband rx, tx im Ka-Band oder Ku-Band liegen. Im Sendefrequenzband tx lässt sich die Sendecharakteristik sehr genau einstellen, währenddessen im Empfangsfrequenzband rx durch die symmetrische Leistungskombination der Antennengewinn maximal bleibt.
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Wenn, wie zuvor gezeigt, in einer Gruppenstrahlerantenne das Leistungsteilernetzwerk für den Empfangs- und den Sendefrequenzbereich gemeinsam genutzt werden kann, dann halbiert sich die Anzahl der benötigten Leistungsteiler in der Antenne. Dadurch kann die Antenne kompakter und mit niedrigerem Gewicht realisiert werden. Zusätzlich können die Kosten für die Antenne reduziert werden. Mit der vorgestellten Lösung kann dies im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen ohne eine signifikant reduzierte Leistungsfähigkeit der Antenne im Empfangsfall erreicht werden.
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Bezugszeichen
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- H
- Signalleiter
- E
- Eingang
- A1, A2
- erster und zweiter Ausgang
- Sym
- Mittelachse
- A,
- B Signalleiterabschnitte
- I1, I2
- Impedanzen
- S
- Septum
- Tx/Rx
- Sende- und Empfangseinrichtung
- AR1, AR2
- Antennenelementen
- M
- zweite Mittelachse
- HL
- Hohlleiter
- MS
- Mittelleiter
- λ
- Wellenlänge
- rx
- Empfangsfrequenzband
- tx
- Sendefrequenzband
- M1
- Mechanismus 1 – Impendanzdifferenz der Ausgänge
- M2
- Mechanismus 2 – Septum
