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Aus Hohlleiterelementen mit Bandpaßcharakter bestehender Laufzeitentzerrer
Die Erfindung betrifft einen aus Hohlleiterelementen mit Bandpaßcharakter (Bandpaßwellenleiter)
bestehenden Laufzeitentzerrer zum Ausgleich der Laufzeitverzerrung von elektromagnetischen
Wellen in Hohlleitern, insbesondere von Hol-Wellen in Hohlleitern mit kreisförmigem
Querschnitt oder von Wellen in Hohlleitern mit annähernd kreisförmigem Querschnitt,
deren Modus dem der Hol-Welle in kreisrunden Hohlleitern ähnlich ist, bei dem die
Hohlleiterelemente derart ausgebildet und bemessen sind. daß sie im wesentlichen
denselben Wellenmodus wie der Hohlleiter übertragen.
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Im Zuge der Entwicklung in der Erzeugung und Ubertragung von elektromagnetischen
Wellen mit immer höheren Frequenzen treten die Hohlleiter zur Führung und Fortleitung
der hochfrequenten Wellen als Träger von Signalen immer mehr in den Vordergrund.
Besondere Bedeutung haben die Ho,-Hohlleiter mit kreisförmigem oder annähernd kreisförmigem
Querschnitt erlangt, da die bei ihnen zur Ubertragung vorgesehenen Hohlrohrwellen
vom Ho,-bzw. H",-Modus, das sind magnetische Wellen mit elektrischem Zirkularfeld,
die besondere, vom Verhalten aller sonstigen Wellenmodi abweichende Eigenschaft
besitzen, daß ihre Dämpfung mit zunehmender Frequenz abnimmt. Aus diesem Grunde
sind die Ho,-Wellen bei den heute bereits gebräuchlichen Frequenzen der Größenordnung
GHz im besonderen Maße dazu geeignet, Signale über größere Entfernungen dämpfungsarm
zu übertragen. Eine Übertragung über größere Entfernungen stößt jedoch andererseits
insofern auf erhebliche Schwierigkeiten. als die Phasenlaufzeiten für die Spektralkomponenten
des übertragenden Signals unterschiedlich groß sind und damit eine Verzerrung der
Signale verursacht wird. Bekanntlich gilt allgemein für das Phasenmali j;" einer
Hohlrohrwelle die Beziehung
wobei (,v bzw. z die Kreisfrequenz bzw. die entsprechende Wellenlänge der freien
Raumwelle, (,), bzw. 2, die kritische oder Grenzfrequenz bzw. die entsprechende
Grenzwellenlänge einer Welle im Rohr, c die Lichtgeschwindigkeit, r, p die auf Luft
bezogene Dielektrizitäts- bzw. Permeabilitätskonstante des Mediums im Hohlrohr bedeuten.
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Aus dem Phasenmaß erhält man durch Differentiation nach der Kreisfrequenz
(,) die Gruppenlaufzeit TH bzw. die Gruppengeschwindigkeit
einer Hohlrohrwelle.
Hieraus entnimmt man, daß die Gruppengeschwindigkeit eine vom Wert 0 bei (,), monoton
ansteigende und dem Grenzwert
sich asymptotisch nähernde Funktion ist. Umgekehrt ist die Gruppenlaufzeit TH für
(,) > (,)9 eine mit zunehmender Frequenz monoton abfallende und sich dem Grenzwert
0 nähernde Funktion, die bei ", = o», den Grenzwert unendlich hat. Die Abweichung
der Gruppenlaufzeit bzw. der Gruppengeschwindigkeit vom konstanten Verlauf hat zur
Folge, daß bei einem Signal vom Frequenzumfang ,fö-. .f@ < f*
< fo+.l,f eine Phasenverzerrung der Spektralkomponenten entsteht, die
mit der zurückgelegten Strecke wächst und bei den Spektralkomponenten an den Bandgrenzen
fö-.11 und ,f:+ J f am größten ist. Wenn die durch die verschiedenen Gruppenlaufzeiten
bedingte Phasenverzerrung der beiden äußeren Spektralkomponenten .fö-.J.f und .f@+,.f@
den Wert :r erreicht hat, ist die Abweichung der Phasen der beiden äußeren Spektralkomponenten
von ihrer unverzerrten gegenseitigen Phasenlage am größten, was besagt, daß das
Signal nach Durchlaufen einer entsprechenden Strecke maximal verzerrt ist. Will
man also nicht auf längere Übertragungsstrecken oder größere Bandbreiten verzichten,
so muß dafür Sorge getragen werden, daß durch geeignete Maßnahmen
die
Gruppenlaufzeiten nach einer gewissen Strecke berichtigt bzw. kompensiert werden.
Um die Bedeutung einer solchen Maßnahme für die Übertragung auf Hohlleiterstrecken
hervorzuheben, sei beispielsweise auf eine Nachrichtenübertragung durch Pulsmodulation
verwiesen. Zur Pulsmodulation eines Signals von beispielsweise 100 MHz Bandbreite
benötigt man nach dem Abtasttheorem eine Abtastzeit von
Wird das nach einem speziellen Pulsmodulationsverfahren, z. B. nach einer Pulscodemodulation
(PCM) umgeformte Signal einem HF-Träger von beispielsweise 35 GHz überlagert, so
erreicht die Gruppenlaufzeitdifferenz der Eckfrequenzen des geträgerten Signals
in einem Rohr von 50 mm Durchmesser je 10 km Laufweg eine Größe von 4,4 - 10-9 sec.
Dies bedeutet, daß die Laufzeitverzerrung bereits nach 10 km in die Größe der Dauer
der Abtastimpulse eines Pulsmodulationssystems geraten.
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Bei der Fernsehübertragung auf Kabelstrecken sind die Verzerrungen
der Leitungsstrecke von großer Bedeutung. Es ergeben sich daher wegen des breiten
Frequenzbandes hohe Anforderungen an die Verstärker und die Entzerrung. Mittels
fester und regelbarer Laufzeitentzerrer kann man die notwendige Konstanz der Laufzeit
für lange Strecken einhalten: die Laufzeitentzerrer sind hierbei in relativ großen
Abständen in die Leitungen eingebaut, z. B. jeweils in den Verstärkerämtern selbst.
Sie bestehen aus Netzwerken, die in den Zug von z. B. koaxialen Leitungen eingeschaltet
sind.
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In der USA.-Patentschrift 2 395 560 wird ein Hohlleiter mit Längs-
oder Querschlitzen in der Hohlleiterwandung beschrieben. Durch die dort geschilderte
Gestaltung wird erreicht, daß die Phasengeschwindigkeit oder Gruppengeschwindigkeit
in ihrem Wert geändert wird, d. h., die von vornherein gekrümmte Phasengeschwindigkeitskurve
wird insgesamt verschoben; in ihrer Gestalt dagegen wird sie nicht verändert, weil
durch die ziemlich nahe beieinanderliegenden Schlitze lediglich erreicht wird, daß
die elektromagnetische Welle langsamer oder schneller läuft. Die Abstände zwischen
den ringförmigen Einschnitten und die Länge der Rohrstücke zwischen den Einschnitten
sollen kurz sein im Vergleich zur Wellenlänge. Eine generelle Erhöhung der Phasengeschwindigkeit
wird z. B. angestrebt, um den Phasenwinkel zwischen den durch einen Hohlleiter verbundenen
Orten klein zu halten.
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Die USA.-Patentschrift 2 155 508 vermittelt die Lehre, Hohlleiter
mit Laufzeitentzerrung zu schaffen, und zwar mit Hilfe von Schlitzen in den Wänden,
durch welche Serienkapazitäten oder -induktivitäten erzielt werden. Es wird also
ein Hohlleiter geschaffen, der mehrere hintereinandergeschaltete Serienkapazitäten
oder -induktivitäten aufweist, mit dem Ziele, die Laufzeit in dem ganzen Betriebsfrequenzbereich
zu beeinflussen und nicht nur bei irgendwelchen Frequenzen im Übertragungsbereich.
Bei der Ausführungsform nach der USA.-Patentschrift 2 659 817 werden in Abständen
mehrere Phasenglieder eingeschaltet; die Abstände sind kurz gegen die Betriebswellenlänge.
In beiden Fällen soll also durch eingeschaltete Laufzeitglieder die Gesamtlaufzeit
einer gegebenen Hohlleiterlänge auf einen bestimmten Betrag eingestellt werden.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe liegt nun nicht darin,
die Laufzeit eines Hohlleiters generell zu ändern, sondern darin, die Laufzeit nur
in bestimmten Bereichen eines Übertragungsbandes zu beeinflussen. Die gestellte
Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Hohlleiterlaufzeitentzerrer in bestimmten Abständen
einer Hohlleiterstrecke eingebaut sind, daß die Hohlleiterelemente in periodischen,
mit der Rohrwellenlänge annähernd vergleichbaren Abständen angeordnet sind und daß
derjenige Teil ihres Durchlaßbereiches, in welchem die Gruppengeschwindigkeit mit
der Frequenz abfällt bzw. die Gruppenlaufzeit mit der Frequenz ansteigt, das Frequenzband
des zu übertragenden Signals enthält. Es handelt sich also um normale Hohlleiter,
in deren Zug Hohlleiterelemente gleicher Abmessungen eingebaut sind. Infolge des
dadurch erzielbaren homogenen Aufbaues des Hohlleiterentzerrers werden Unstetigkeitsstellen
vermieden, durch welche unerwünschte Nebenwellen erzeugt werden könnten.
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Die Abstände der Bandpaßwellenleiter innerhalb der Hohlleiterstrecken
sind dabei so gewählt, daß jeweils am Ende dieser Abstände die durch die Laufzeitverzerrung
verursachte Phasenverzerrung der Spektralkomponenten an den äußeren Bandgrenzen
des zu übertragenden Signals gegenüber einem idealen, linearen Phasenverlauf kleiner
als :r bzw. 180° ist.
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An Hand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert und sollen
weitere die Erfindung vorteilhaft ergänzende Einzelheiten angeführt werden.
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In der F i g. 1 ist ein kartesisches Koordinatensystem mit der Frequenz
als Abszisse und der Gruppengeschwindigkeit v". als Ordinate dargestellt. Auf der
Abszisse sind drei Durchlaßbereiche eines Bandpaßwellenleiters durch die drei dick
eingezeichneten Abschnitte I, 1I, lII charakterisiert, von denen der Durchlaßbereich
III von der Frequenz ,f1 bis zur Frequenz f2 reicht. Ferner ist in dem Koordinatensystem
noch eine Gerade parallel zur Abszisse und im Abstand zu ihr eingezeichnet.
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In dem Koordinatensystem
gibt die ausgezogene Kurve v", den Verlauf der Gruppengeschwindigkeit bei einem
homogenen Hohlleiter wieder und die gestrichelt gezeichnete Kurve v". die Gruppengeschwindigkeit
eines Bandpaß«cllenlciters in dem Durchlaßbereich IIl mit den Eckfrequenzen f1 und
f2. In den übrigen Durchlaßbereichen hat die Gruppengeschwindigkeit des Bandpaßwellenleiters
einen ähnlichen Verlauf wie die gestrichelt gezeichnete Kurve in dem Durchlaßbereich
III.
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Gemäß der F i g. 1 hat die Gruppengeschwindigkeit v' beim homogenen
Hohlleiter - wie bereits vorstehend erwähnt - einen mit der Frequenz monoton ansteigenden
und sich dem Grenzwert paßwellenleiter steigt dagegen die Gruppengeschwinasymptotisch
nähernden Verlauf. Beim Banddigkeit v9 in den Durchlaßbereichen von der unteren
Bandgrenze (f1) ausgehend zunächst bis zu einem Maximum an, das dem Wendepunkt des
Phasenmaßes entspricht, und fällt dann zur oberen Bandgrenze (f2) ab. Dieses besondere
Verhalten eines Bandpaßwellenleiters hinsichtlich seiner Gruppengeschwindigkeit
wird erfindungsgemäß dazu ausgenutzt,
um die Laufzeitverzerrungen
bei der Ubertragung von Hohlrohrwellen auf einen homogenen Hohlleiter auszugleichen.
Dies geschieht dadurch, daß ein Durchlaßbereich des Bandpaßwellenleiters so gewählt
ist, daß der mit steigender Frequenz abfallende Teil der Gruppengeschwindigkeit
in einem Frequenzbereich liegt, der das zur Ubertragung vorgesehene Frequenzband
enthält. In diesem Fall werden die auf der Hohlleiterstrecke entstehenden Laufzeitdifferenzen
infolge des gegenläufigen Frequenzganges der Gruppengeschwindigkeit bzw. Gruppenlaufzeit
beim Bandpaßwellenleiter bezüglich derjenigen beim homogenen Hohlleiter weitgehend
ausgeglichen. In der Figur ist ein zum Laufzeitausgleich ausnutzbarer Frequenzbereich
schraffiert angedeutet.
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Die F i g. 2 bis 4 zeigen im Längsschnitt Ausführungsbeispiele für
den Aufbau von Bandpaßwellenleitern, die im Zuge einer Hohlleiterstrecke einen Laufzeitausgleich
bewirken. Alle Ausführungsbeispiele zeichnen sich dadurch aus, daß bei ihnen der
Bandpaßwellenleiter jeweils aus einem dem Aufbau des Hohlleiters geometrisch ähnlichen
Hohlrohr besteht, das in periodischen mit der mittleren Rohrwellenlänge annähernd
vergleichbaren Abständen belastet ist oder - was gleichbedeutend damit ist -periodisch
aufeinanderfolgende Inhomogenitäten besitzt.
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In diesen Figuren ist mit 1 das dem Aufbau eines Hohlleiters angepaßte
Hohlrohr, mit 2 die Belastungen des Hohlrohres und mit I die Abstände der periodisch
aufeinanderfolgenden Belastungen bezeichnet, wobei der Abstand l annähernd mit der
Rohrwellenlänge vergleichbar ist. Je nach der Querschnittsform der zur Ubertragung
von elektromagnetischen Hohlrohrwellen vorgesehenen Hohlleiter besitzen die Hohlrohre
1 des Bandpaßwellenleiters einen rechteckförrnigen, kreisförmigen oder annähernd
kreisförmigen Querschnitt, um damit von vornherein eine Gewähr zu erhalten, daß
sich in ihnen auch der zur Ubertragung vorgesehene Wellenmodus ausbreiten kann.
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Als Belastung der Hohlrohre 1 können verschiedene Möglichkeiten in
Betracht kommen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der F i g. 2 sind die Belastungen
des Hohlrohres 1 in Form von Erweiterungen bzw. Sicken ausgeführt, die sich über
den ganzen Rohrumfang erstrecken. Statt dessen können aber auch Vertiefungen bzw.
Rillen am Hohlrohr vorgesehen sein. Die Breite der Verbreiterungen oder Vertiefungen
ist gegenüber der Rohrwellenlänge verhältnismäßig klein.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der F i g. 3 sind die Belastungen
2 als an der Innenseite des Hohlrohres 1 anliegende Ringscheiben ausgeführt, die
sowohl aus Metall als auch einem Isolierstoff bestehen können.
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Bei Hohlleiteranlagen für die Ubertragung von Hol -Wellen sind jedoch
die in den F i g. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele für einen Bandpaßwellenleiter
weniger gut geeignet, da durch die besondere Ausbildung der Belastungen bzw. der
Inhomogenitäten des Hohlrohres 1 E-Wellen im Bandpaßwellenleiter angeregt werden,
von denen insbesondere die EM-Welle infolge ihrer Resonanzkopplung mit der Hol-Welle
eine erhebliche Störung der Übertragung der Hol-Welle verursacht.
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Diese nachteiligen Wirkungen treten bei dem in der F i g. 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel nicht mehr auf. Bei diesem Bandpaßwellenleiter bestehen die
Belastungen 2 bzw. die Inhomogenitäten des Hohlrohres 1 aus Isolierstoffscheiben,
die den ganzen Hohlrohrquerschnitt ausfüllen und die in einem Abstand I voneinander
angeordnet sind, der ungefähr mit der Rohrwellenlänge vergleichbar ist. Um das Auftreten
bzw. das Entstehen von störenden E-Wellen bei der Ubertragung von Hol-Wellen weitgehend
zu unterbinden, ist darauf zu achten, daß die Seitenflächen der Isolierstoffscheiben
planparallel sind und die Isolierstoffscheiben achsensenkrecht im Hohlrohr ausgerichtet
sind. Die Isolierstoffscheiben verursachen dann keine Feldverzerrungen, die das
Entstehen einer longitudinalen elektrischen Feldstärkekomponente und damit das Entstehen
von E-Wellen begünstigen. Selbstverständlich ist ein derart aufgebauter Bandpaßwellenleiter
nicht auf die Anwendung bei Hohlleiteranlagen für die Ubertragung von Hol-Wellen
beschränkt, sondern er kann in seiner Funktion als Laufzeitkompensator mit demselben
Vorteil auch bei Hohlleiteranlagen angewendet werden, die zur Ubertragung von anderen
Wellenmodi dienen.
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Die F i g. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Bandpaßwellenleiter,
der speziell für Hohlleiter zur Ubertragung von Hol-Wellen vorgesehen ist. Gemäß
der Figur besteht der Bandpaßwellenleiter aus metallischen Rohrstücken 3 mit kreisförmigem
oder annähernd kreisförmigem Querschnitt. Uber diesen Rohrstücken ist ein Mantel
4 aus einer Dämpfungsmasse angeordnet. Die Länge B und der Abstand D der Rohrstücke
sind gewisse Bruchteile der Wellenlänge der Hol-Welle im Hohlrohr, die so gewählt
sind, daß der Wellenleiter für die Hol-Wellen einen Bandpaßwellenleiter darstellt
und damit in der beschriebenen Weise zur Laufzeitentzerrung herangezogen werden
kann. Neben seinem Bandpaßcharakter besitzt ein derart aufgebauter Bandpaßwellenleiter
noch die besondere Eigenschaft, daß er die bei der Ubertragung der Hol-Wellen störenden
E-Wellen unterdrückt, und zwar deswegen, weil die E-Wellen durch die Schlitze zwischen
den Rohrstücken 3 in den über ihnen angeordneten Mantel 4
aus Dämpfungsmasse
eindringen können, was eine starke Dämpfung der E-Wellen zur Folge hat. Ein solcher
Bandpaßwellenleiter hat also neben seinem Bandpaßcharakter noch die Eigenschaft
eines Modusreinigers.
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Erwähnt sei noch, daß derselbe Effekt auch dadurch erreicht werden
kann, daß die zylindrischen Rohrstücke 3 in dem Mantel 4 aus Dämpfungsmasse eingebettet
sind. Wesentlich ist, daß ein zylindrisches oder annähernd zylindrisches Rohr zirkular
verlaufende Schlitze enthält, wobei die Schlitzbreite D und die Länge B der verbleibenden
Rohrstücke 3 Bruchteile der Rohrwellenlänge sind, und daß diese Schlitze mit Dämpfung,#masse
ausgefüllt oder umschlossen sind.
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Um einen möglichst dämpfungsarmen und störungsfreien Ubergang der
Hohlrohrwellen von dem homogenen Hohlleiter auf den Bandpaßwellenleiter bzw. umgekehrt
zu erreichen, erscheint es notwendig, die Feldwellenwiderstände vom Hohlleiter einerseits
und vom Bandpaßwellenleiter andererseits aneinander anzupassen und sprunghafte Änderungen
in der Geometrie dieser Wellenleiter weitgehend zu vermeiden, da sonst störende
Nebenwellen auftreten können.
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Zur Frage der Anpassung der Feldwellenwiderstände sei auf die F i
g. 6 verwiesen. In dieser Figur
ist - ebenso wie in der F i g. 1
- ein kartesisches Koordinatensystem dargestellt mit der Frequenz
als Abszisse. Auf dieser Abszisse sind wiederum drei Durchlaßbereiche 1, 1I und
III eines Bandpaßwellenleiters besonders hervorgehoben, die den drei Durchlaßbereichen
bei der F i g. 1 entsprechen. Die Ordinate des Koodinatensystems ist mit ZZ bezeichnet,
wobei ZZ das Quadrat eines Feldwellenwiderstandes bedeutet. Als Feldwellenwiderstand
ist das Verhältnis der azimutalen elektrischen zur radialen magnetischen
Feldkomponente bezeichnet. Die ausgezogene Kurve ZH in dem Koordinatensystem stellt
den qualitativen Verlauf des zum Quadrat genommenen Feldwellenwiderstandes eines
homogenen Hohlleiters für Hol-Wellen dar, während die gestrichelt gezeichneten Kurvenäste
ZB den qualitativen Verlauf des zum Quadrat genommenen Feldwellenwiderstandes eines
Bandpaßwellenleiters für Hol-Wellen wiedergeben. Die Durchlaßbereiche I, II und
III bzw. die dazwischenliegenden Sperrbereiche des Bandpaßwellenleiters sind durch
die Gebiete festgelegt, in denen ZB > 0 bzw. ZB < 0 ist. Der quantitative
Verlauf des Feldwellenwiderstandes eines homogenen Hohlleiters für Hol-Wellen ist
durch die Grenzfrequenz bestimmt, die ihrerseits durch den Durchmesser des Hohlleiters
festgelegt ist. Für den quantitativen Verlauf des Feldwellenwiderstandes eines Bandpaßwellenleiters
sind dagegen mehrere Größen bestimmend, z. B. wie bei dem in der F i g. 4 dargestellten
Bandpaßwellenleiter die Abstände l zwischen den Isolierstoffscheiben 2, die Breite
und die Dielektrizitätskonstante der Isolierstoffscheiben und der Durchmesser des
Rohres 1. Durch geeignete Wahl dieser Größen, insbesondere der Rohrdurchmesser des
Bandpaßwellenleiters, kann der Feldwellenwiderstand ZB so festgelegt werden, daß
er mit dem Feldwellenwiderstand ZH des Hohlleiters in dem Laufzeitkompensationsbereich,
der in der F i g. 1 durch Schraffur angedeutet ist, für eine mittlere Frequenz des
Signalspektrums zumindest angenähert übereinstimmt. Dies bedeutet, daß der Schnittpunkt
5 der beiden Kurven ZH und ZB in der F i g. 6 in den Laufzeitkompensationsbereich
fällt. Für die benachbart zur Schnittpunktabszisse gelegenen Frequenzen tritt natürlich
eine Abweichung der Feldwellenwiderstände auf. Diese Fehlanpassung ist prinzipieller
Natur und kann nur durch Einschränkung der relativen Bandbreite, d. h. bei gegebener
Kanalzahl durch Erhöhung der Trägerfrequenz, vermindert werden. Die Anpassung der
Feldwellenwiderstände läßt sich am besten durch eine geeignete Durchmesseränderung
des Hohlrohres vom Bandpaßwellenleiter gegenüber dem homogenen Hohlleiter erreichen.
Diese Änderung in der Geometrie der Wellenleiter, d. h. der Ubergang des Durchmessers
vom homogenen Hohlleiter auf den Bandpaßwellenleiter bzw. umgekehrt, soll jedoch
möglichst kontinuierlich erfolgen, um damit das Entstehen von störenden Nebenwellen
an den Ubergangsstellen weitgehend zu unterbinden.
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Die Bandpaßwellenleiter können direkt in den Zug des Hohlleiters in
den erforderlichen Abständen eingeschaltet werden. Gegebenenfalls kann dies bereits
bei der Herstellung des Hohlleiters geschehen, indem beispielsweise beim Pressen
des in Form eines Aluminiumrohres ausgeführten Hohlleiters die Bandpaßwellenleiter
in bestimmten Abständen in die Presse geschoben und von dem bereits abgeschreckten
Rohr mitgenommen werden. Die Anpassung der Bandpaßwellenleiter an den Hohlleiter
wird zN@ eckmäßig nach dem erwähnten Bemessungsprinzip hergestellt.