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Die Erfindung betrifft eine Übertragungseinrichtung
zum Empfangen und/oder Senden von Signalen, insbesondere in einer
Eingangs-/Ausgangsstufe einer Mobilfunkbasisstation, mit einem zumindest
zwei Übertragungszweige
aufweisenden Duplexer, wobei die zumindest zwei Übertragungszweige über eine
elektrische Verbindung mit einem Antennenanschluss elektrisch verbunden
sind.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung
ein Verfahren zum Betrieb einer Übertragungseinrichtung zum
Empfangen und/oder Senden von Signalen, bei dem Sende- und/oder
Empfangssignale über
zumindest zwei Übertragungszweige
eines Duplexers über eine
elektrische Verbindung an einen Antennenanschluss übermittelt
werden.
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Schließlich betrifft die Erfindung
auch die Verwendung einer solchen Übertragungseinrichtung und
eines solchen Verfahrens in Mobilfunkeinrichtungen.
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Bekannt ist, in Mobilfunkstationen
vorzugsweise Eingangsstufen zu verwenden, die einen Duplexer aufweisen.
Der Duplexer erfüllt
dabei vorzugsweise die Aufgabe einer Frequenzweiche und verbindet
einen Sendezweig und einen Empfangszweig über eine Y-förmige Verteilerschiene
mit einer Antenne einer Mobilfunkbasisstation. Der Duplexer weist dabei vorzugsweise
in jedem der Zweige ein Bandpassfilter auf, wobei die Mittenfrequenzen
der Bandpassfilter unterschiedlich sein können. Beispielsweise kann im
UMTS-Mobilfunkstandard eine kombinierte Empfangs- und Sendeantenne
genutzt werden, wobei das Sendeband zwischen 2110 und 2170 MHz und
das Empfangsband zwischen 1920 und 1980 MHz liegt. Die Charakteristik
der Bandpassfilter und des Duplexers ist so ausgelegt, dass das
Signal im Sendezweig das Signal im hochempfindlichen Empfangszweig
nicht oder genügend
abgeschwächt
beeinflussen kann.
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Heutige Basisstationen weisen herkömmlich einen
Transceiver mit einem Sender und einem Empfänger auf. Der Sender sendet
verstärkte
Signale über
eine Hauptantenne an Mobilfunkeinrichtungen in der Umgebung der
Mobilfunkstation. Diese Hauptantenne wird zusätzlich genutzt, um Signale
von Mobilfunkeinrichtungen empfangen zu können und an den Empfänger weiter
zu leiten. Neben der Hauptantenne wird häufig eine reine Empfangsantenne
(Diversity Antenne) angeordnet.
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Der Empfänger nimmt die elektromagnetischen
Wellen der Mobilfunkeinrichtungen über die Haupt- und Diversity
Antenne auf und konvertiert die Signale in ein Hochfrequenz-Trägersignal.
Das Hochfrequenz-Trägersignal
wird durch ein Vorselektions-Bandpassfilter innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite
selektiert. Das selektierte Signal wird dann mit Hilfe eines rauscharmen
Verstärkers (low-noise-amplifier,
LNA) verstärkt
und danach weiter verarbeitet.
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Beim Einsatz eines Duplexers zur
Verbindung eines Empfangszweiges und eines Sendezweiges mit einer
Antenne ist zu beachten, dass die Isolation zwischen Sende- und Empfangszweig
zwischen typischerweise 100 bis 120 dB liegen muss. Hierzu wird
häufig
ein großer
Frequenzabstand (guard band) zwischen Sende- und Empfangsband vorgesehen,
bspw. beträgt
dieser beim UMTS-Standard 130
MHz.
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Ein Nachteil eines Duplexers liegt
darin, dass er eine zusätzliche
Einfügedämpfung sowohl
in den Empfangszweig als auch den Sendezweig einführt. Im
ersten Fall führt
dies zu einem Verlust der Sendeleistung. Im Empfangszweig führt dies
zu einem Anwachsen der Rauschzahl. Dies wiederum bedingt eine Erniedrigung
der Empfangsempfindlichkeit. Die Einfügedämpfung wird durch die Architektur
der Bandpassfilter und die Art und Anzahl der Resonatoren in den
Filtern bestimmt und beträgt
herkömmlicherweise
ca. 0,4 dB.
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Die Bandpassfilter eines Duplexers,
insbesondere das des Sendearms, müssen hohe HF-Leistungen transportieren.
Filter mit der im Allgemeinen verlangten hohen Trennschärfe in hochtemperatur-supraleitender
(HTSL)-Technik scheiden
daher nach dem gegenwärtigen
Stand der Technik aus. An dem ersten Kreis Bandpassfilter des Empfangsarms werden
durch den speziellen Aufbau der Verteilerschiene 50% der HF-Leistung
im Sendearm reflektiert.
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Die Rauschzahl eines Empfängerzweiges wird
durch die Rauschzahl des LNA und der angeschlossenen passiven Elemente
zwischen Antenne und LNA, einschließlich Kabel, Stecker, Blitzschutz und
Schalter bestimmt. Sie liegt bei herkömmlichen UMTS-Front-Ends zwischen
1,7 und 5 dB Da die empfangenen Signale nur sehr schwach sind, ist
die Empfindlichkeit (sensitivity) des Empfänger von großer Bedeutung.
Die Empfindlichkeit wird bei Empfängern maßgeblich von deren Rauschzahl
bestimmt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
daher das technische Problem zugrunde, eine Übertragungseinrichtung sowie
ein Verfahren zum Betreiben einer Übertragungseinrichtung zur
Verfügung
zu stellen, welche eine geringe Rauschzahl gewährleisten.
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Da die Rauscheigenschaften eines
Empfängers
maßgeblich
von dessen Temperatur abhängen, wird
vorgeschlagen, dass die Betriebstemperaturen der zumindest zwei Übertragungszweige
verschieden sind. Durch die Wahl verschiedener Temperaturen wird
gewährleistet,
dass der jeweilige Übertragungszweig
mit einer für
die Übertragung
optimalen Temperatur betrieben werden kann.
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Hierbei wird auch vorgeschlagen,
dass zumindest ein Übertragungszweig
als Empfangszweig zum Empfangen von Signalen gebildet ist oder auch dass
zumindest ein Übertragungszweig
als Sendezweig zum Senden von Signalen gebildet ist.
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Neben der an dem Antennenanschluss
angeordneten Sende- und
Empfangsantenne kann eine zweite Antenne, die lediglich für den Empfang
von Signalen ausgelegt ist, angeordnet werden. Daher wird vorgeschlagen,
dass parallel zum ersten Empfangszweig des Duplexers ein zweiter
Empfangszweig gebildet ist. Diese zweite Antenne trägt aber
zur Rauschzahl des Empfängers
bei. Daher wird vorzugsweise zumindest ein Teil des Empfangszweiges der
zweiten Antenne bei eine geringeren Temperatur betrieben, was die
Rauschzahl der Übertragungseinrichtung
im Empfänger
ebenfalls reduziert.
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Es wird ebenfalls vorgeschlagen,
dass zumindest ein Übertragungszweig
und/oder der zweite Empfangszweig einen rauscharmen Verstärker aufweist.
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Übertragungseinrichtungen
weisen zumeist einen hochempfindlichen Verstärker (LNA) auf. Hochfrequente
Signale großer
Leistung können
den hochempfindlichen Verstärker
sättigen
oder seinen Arbeitspunkt in einen nicht-linearen Bereich verschieben.
Der LNA muss daher durch ein Empfangsbandpassfilter geschützt werden.
Daher wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Übertragungszweig und/oder der
zweite Empfangszweig zumindest ein Vorselektionsfilter aufweist.
Dies kann als Bandpassfilter gebildet sein. Auch können mehrere
Filter vor dem LNA angeordnet sein.
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Ein Vorselektionsfilter muss eine
hohe Selektivität
sowie ein geringes Rauschen aufweisen. Daher wird vorgeschlagen,
dass zumindest ein Vorselektionsfilter supraleitend ist. Auch kann
ein Vorselektionsfilter als herkömmlicher
Bandpassfilter gebildet sein und ein zweites Vorselektionsfilter
supraleitend gebildet sein.
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Ein solches supraleitendes Vorselektionsfilter
kann beispielsweise aus YBa2Cu3o7-x gebildet sein, welches bereits bei einer
Temperatur von ca. 90 K supraleitende Eigenschaften aufweist. Es
wird daher vorgeschlagen, dass das supraleitende Vorselektionsfilter
aus einem Hochtemperatur-Supraleiter gebildet ist.
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Um die Rauschzahl der Komponenten
der Übertragungseinrichtung
gering zu halten, wird vorgeschlagen, dass die Betriebstemperatur
eines Übertragungszweiges
und/oder des zweiten Empfangszweiges eine kryogene Temperatur ist.
Eine kryogene Temperatur liegt dann vor, wenn supraleitende Eigenschaften
von Bauteilen erreicht werden können.
Dies ist heutzutage beispielsweise unterhalb einer Temperatur von
ca. 70 K, aber auch bereits unterhalb einer Temperatur von 150 K
möglich.
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Um eine gute Kühlung sowie Wärmeisolierung
zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass der erste Empfangszweig des
Duplexers und/oder der zweite Empfangszweig in einer evakuierten
Umgebung angeordnet sind.
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Beim Einsatz eines gekühlten Vorselektionsfilters
besteht die Gefahr des Ausfalls der Kühlung. Um die Folgen eines
solchen Ausfalls gering zu halten, wird vorgeschlagen, dass parallel
zu zumindest einem supraleitenden Vorselektionsfilter eine Hochfrequenz-Leitung
angeordnet ist. Dieser sogenannte Bypass kann das Hochfrequenzsignal
parallel zum Vorselektionsfilter führen, beispielsweise beim Ausfall
der Kühlung.
Vor dem Vorselektionsfilter kann ein weiteres Bandpassfilter angeordnet
sein, das auch beim Ausfall des supraleitenden Vorselektionsfilter den
LNA vor Überspannungen
schützen
kann.
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Um bei einem Ausfall der Kühlung schnell
reagieren zu können,
wird vorgeschlagen, dass zwei aktive Hochfrequenz-Schalter vor und
nach dem supraleitenden Vorselektionsfilter angeordnet sind, die im
Fehlerfall den Bypass aktivieren.
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Die elektrische Verbindung, bspw.
eine HF-Verteilerschiene,
dient nicht nur der HF-Entkopplung der beiden Übertragungszweige, sondern
auch der thermischen Entkopplung. Daher wird vorgeschlagen, dass
die elektrische Verbindung eine thermische Isolation zwischen den Übertragungszweigen bildet.
Dies kann bspw. durch Verwendung einer Koaxialleitung erfolgen.
Eine solche Leitung besteht aus einem Innenleiter und einem Aussenleiter
mit geringer Wärmeleitfähigkeit.
Eine am Innen- und/oder Aussenleiter angeordnete dünne Silberschicht,
die jedoch deutlich größer ist
als die Skintiefe, verbessert die HF-Eigenschaften der Leitung.
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Um den Leiterdurchmesser sowie die
dicke der Silberschicht vergrößern zu
können,
ohne die thermische Isolation signifikant zu verschlechtern, wird
vorgeschlagen, dass die elektrische Verbindung galvanisch von den Übertragungszweigen
des Duplexers getrennt ist. Die HF-Eingangsleitung, bspw. das Koaxialkabel,
kann mit ihrem Innenleiter an das elektrische Feld des Übertragungszweiges
ankoppeln, wobei jedoch ein galvanischer Kontakt vermieden werden
kann und ein Wärmetransfer
vermieden wird. Der Zentralleiter einer koaxialen HF-Leitung trägt wesentlich
zu der Rauschzahl des Leiter bei. Durch die Vermeidung der galvanischen
Kopplung zwischen Innenleiter des Empfangsarms der Verteilerschiene
mit dem gekühlten Übertragungszweig, kann
der Durchmesser des Innenleiters wesentlich vergrößert und
somit die Rauschzahl reduziert werden. Daher wird vorgeschlagen,
dass die elektrische Verbindung mit Hilfe einer Koaxialleitung gebildet
ist. Auch wird vorgeschlagen, dass der Innenleiter der elektrischen
Verbindung elektrisch mit zumindest einem Übertragungszweig des Duplexers
gekoppelt ist.
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Eine weitere Reduzierung der Wärmeleitung kann
dann erreicht werden, wenn ein Aussenleiter der elektrischen Verbindung über eine
Choke-Kopplung elektrisch mit zumindest einem Übertragungszweig gekoppelt
ist. Diese Choke-Kopplung kann als (2n – 1) λ/4 Leitung (mit n = 1, 2, 3,
...) gebildet sein.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung
ist ein Verfahren zum Betrieb einer Übertragungseinrichtung zum
Empfangen und/oder Senden von Signalen, das dadurch gekennzeichnet
ist, dass die zumindest zwei Übertragungszweige
bei verschiedenen Betriebstemperaturen betrieben werden.
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Ein zusätzlicher Gegenstand der Erfindung ist
die Verwendung einer vorher beschriebenen Übertragungseinrichtung oder
eines vorher beschriebenen Verfahrens in einer Mobilfunkstation,
insbesondere in einer Mobilfunkbasisstation für einen GSM-Mobilfunkstandard, einen UMTS-Mobilfunkstandard,
einen EDGE-Mobilfunkstandard und/oder einen weiteren Mobilfunkstandard.
Die kann bspw. ein TDMA-EDGE-IS136HS, ein WCDMA, ein IS95, ein CDMA,
ein CDMA2000 und/oder ein 3G3X Standard sein Die Erfindung wird
nachfolgend anhand einer Ausführungsbeispiele
zeigenden Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 einen
herkömmlichen
Duplexer;
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2 einen
geteilt gekühlten
Duplexer;
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3 ein
kryogenes Front-End mit Bypassfiltern;
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4 einen
elektrische Ankopplung einer Koaxialleitung.
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1 zeigt
ein Front-End 2 einer Mobilfunkbasisstation. An dieses
Front-End 2 ist eine Hauptantenne 6 und eine Diversity
Antenne 8 angeschlossen. Die Hauptantenne dient dem gleichzeitigen
Senden und Empfangen von Hochfrequenz-Signalen. Die Diversity Antenne 8 dient
lediglich dem Empfang von Hochfrequenz-Signalen.
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Im Front-End 2 ist ein Duplexer 4 angeordnet.
Zwischen der Hauptantenne 6 und dem Duplexer 4 ist
bevorzugt ein (nicht dargestellter) Blitzschutz angeordnet, ebenso
wie zwischen der Diversity Antenne 8 und der ihr nachgeordneten
Baugruppe. Ein Duplexer 4 ist aus einer Yförmigen Hochfrequenz-Verteilerschiene 10 und
zwei Bandpassfiltern 12, 14 gebildet. Die elektrischen
Längen
der Hochfrequenz-Verteilerschiene 10 müssen so bestimmt sein, dass
eine Entkopplung der beiden Bandpassfilter 12, 14 gewährleistet
ist. Ein Abschnitt 11 der Hochfrequenz-Verteilerschiene 10, die mit
dem Ausgang des Sendefilters 12 verbunden ist, kann als
Teil eines Sendearm bezeichnet werden. Ein Abschnitt 12,
der mit dem Empfangsfilter 14 verbunden ist, kann als Teil
eines Empfangsarm bezeichnet werden. Über die Hochfrequenz-Verteilerschiene 10 werden
die HF-Signale zwischen der Antenne 6, dem Sendearm und
dem Empfangsarm ausgetauscht.
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Über
den Sendearm ist ein Transmitter 22 mit dem Bandpassfilter 12 an
die Hochfrequenz-Verteilerschiene 10 angeschlossen. Die
vom Transmitter 22 erzeugten HF-Signale werden über das Bandpassfilter 12 und
die Hochfrequenz-Verteilerschiene 10 an die Hauptantenne 6 geleitet.
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Im Empfangsarm nimmt der Empfänger 24 die
HF-Signale von mobilen Stationen über die Hauptantenne 4 und
die Diversity Antenne 6 auf. Zuvor werden die HF-Signale
durch das Bandpassfilter 14 innerhalb einer vorgegebenen
Bandbreite selektiert, und danach durch den rauscharmen Verstärker 18 verstärkt.
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Vom Duplexer 4 wird eine
Isolation zwischen Sende- und Empfangsarm von 100 bis 120 dB verlangt.
Hierzu muss neben einem großen
Frequenzabstand zwischen Sende- und Empfangsband auch zumindest
ein Bandpassfilter 12, 14 vorgesehen sein. Der
Nachteil des Duplexers 4 liegt darin, dass er eine zusätzliche
Einfügedämpfung in
den Sende- und auch den Empfangskanal einfügt. Die Rauschzahl NF eines
Front-Ends 2 bestimmt sich aus den Rauschzahlen des rauscharmen
Verstärkers 18 und durch
die Einfügedämpfung der
passiven Elemente zwischen Hauptantenne 6 und dem rauscharmen Verstärker 18.
Sie liegt heute typischerweise zwischen 0,7 und 5 dB.
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Die Eigenschaften eines Duplexers 4 können deutlich
verbessert werden, wenn zumindest der Empfangsarm, vorzugsweise
das Bandpassfilter 14 auf eine kryogene Temperatur von
ca. 70 K abgekühlt wird.
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Ein solcher gekühlter Duplexer 4 ist
in 2 dargestellt. Neben
den bereits genannten Bauteilen zeigt 2 ein
hochtemperatur-supraleitendes (HTS) Bandpassfilter 26 im
Empfangsarm der Hauptantenne 6, dem das Bandpassfilter 14 vorgelagert
ist, und ein HTS-Bandpassfilter 28 im
Empfangsarm der Diversity Antenne 8.
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Das Bandpassfilter 14, das
HTS-Bandpassfilter 26, das HTS-Bandpassfilter 28 und
die rauscharmen Verstärker 18, 20 sind
in einer evakuierten Verkapselung 5 angeordnet und auf
eine Temperatur von 70 K gekühlt.
Neben den Komponenten 14, 18, 26 und 30 der
Empfangseinrichtung können
auch noch weitere Komponenten vorhanden sein, welche nicht alle
gekühlt
werden müssen.
Bspw. bei einem zusätzlichen
Blitzschutz der Übertragungseinrichtung,
der auch ungekühlt
sein kann, kann die Rauschzahl der Empfangseinrichtung auf unter
0,7 dB gedrückt
werden. Die geteilte Struktur des Duplexers ermöglicht eine thermische Isolation
zwischen dem Hochleistungssendekanal des Sendearms und dem kryogenen
Filter-Verstärker-System 14, 26, 18, 28, 20.
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In einem gekühlten Front-End 2 besteht
die Gefahr des Ausfalls der Kühlung.
Um dieser Gefahr zu Begegnen, wird ein Bypass, wie in 3 gezeigt ist, vorgeschlagen.
Der Bypass weist zwei aktive HF-Schalter 30, 34 auf,
die das HF-Signal auf eine parallel zu den HTS-Bandpassfiltern 26 und 28 liegende
HF-Leitung führt.
Der Bypass garantiert die Existenz eines guten Vorselektionsfilters
zum Schutz der rauscharmen Verstärker 18, 20 auch
beim Ausfall der Kühlung.
Dann wird das Signal über
den Bypass und die Bandpassfilter 14 und 16 geführt, wodurch die
Funktionalität
des Front-Ends weiterhin bestehen bleibt. Im Fall der funktionierenden
Kühlung
tragen die Schalter 30, 32 nur wenig zur Rauschzahl
bei, da diese sich ebenfalls auf der kryogenen Temperatur befinden.
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Eine gute thermische Isolierung der
HF-Verteilerschiene 7 vom Empfangsarm ist in 4 gezeigt. Die HF- Verteilerschiene 7 ist
durch einen Innenleiter 7b und einen Aussenleiter 7a nach
Art eines Koaxialleiters gebildet. Der Innenleiter 7b weist
einen Überstand 7c auf,
der in das Bandpassfilter 14 hinein reicht und dadurch
eine elektrische Kopplung ermöglicht.
Da jedoch eine galvanische Trennung besteht, ist die Wärmeleitung
minimiert.
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Darüber hinaus ist der Außenleiter 7a an
seinem Ende 7d über
einen (2n – 1) λ/4-Anschluss
(mit n = 1, 2, 3, ...) mit dem Bandpassfilter 14 nach Art
einer Choke-Kopplung verkoppelt, wodurch die Wärmeleitung ebenfalls minimiert
wird.
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Durch die galvanische Entkopplung
wird erreicht, dass das Bandpassfilter 12 nur einen sehr
geringen thermischen Einfluss auf die gekühlten Elemente 14, 26, 17 hat,
auch wenn es bei einer höheren
Temperatur betrieben wird.