DE1591542A1

DE1591542A1 - Kettenverstaerker

Info

Publication number: DE1591542A1
Application number: DE19671591542
Authority: DE
Inventors: Best Ethridge C
Original assignee: Sanders Associates Inc
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1966-09-26
Filing date: 1967-09-12
Publication date: 1970-10-08
Also published as: US3497825A; GB1202437A; NL6713051A

Description

DH. ING. EHNST HAIER PAIKNIAHWilT

8 MÜNCHEN 83

WIDlKMATBISTl. · · ΙβΙΙΪΟΙ ΙΜΙΙΙ, lttlll

A 34667

12. September I967

Firma SANDERS ASSOCIATES, INC., 95 Canal Street, Nashua, New Hampshire / U.S.A.

Kettenverstärker

Die Erfindung betrifft einen Kettenverstärker für Hochfrequenz-Breitband-Signale mit mehreren schmalbandigen Verstärkerstufen. In solchen Kettenverstärkern sind Trenn- und Kombinations-Schaltungen mit Breitband-Leitungskopplern und Phasenschieberstufen vorhanden.

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, f .& & Co.,MQn4»n, Nr 2i <44 (ankbaui H. Aufhäuwr, Μύη*·η, Nr. 5359/ Poilidisdti Müiidun 153B6I matruu.. Palwitianlor

Die in gewöhnlichen Fernsehverstärkern erzielbare maximale Bandbreite ist durch das Verstärkungsgrad-Bandbreite-Produkt des Verstärkers begrenzt, das in Abhängigkeit von dem jeweils benutzten Verstärkertyp eine vergleichsweise konstante Größe ist. Infolgedessen bedingt eine Vergrößerung der Bandbreite eine entsprechende Abnahme des Verstärkungsgrades; da andererseits die Spannungsverstärkung jeder Stufe größer als 1 sein muß, damit der Verstärker brauchbar ist, besteht für die erzielbare Bandbreite eine obere Grenze.

Zur Überwindung dieser Begrenzung verwendet man Kettenverstärker. Bekannte Kettenverstärker bestehen aus Vakuumröhren, die längs Nachbildungen von Übertragungsleitungen derart verteilt sind, daß die Röhren hinsichtlich des Anodenstroms parallel arbeiten, nicht jedoch hinsichtlich ihrer Kapazität. Praktisch besteht für die herkömmliche Kettenverstärkertechnik eine obere Frequenzgrenze bei etwa 500 MHz. Für diese Frequenzen verwendet man normalerweise vergleichsweise schmalbandige Trioden, Tetroden usw. Bei höheren Frequenzen kann ein Wanderfeldverstärker breitbandigere Signale verstärken, doch nur für kleine Leisttingen; die Grenzleistung übersteigt normalerweise nicht 1 kW.

Aufgabe der Erfindung ist die Ausschaltung der Fre-

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quenzbegrenzung herkömmlicher Kettenverstärker. Die obere Grenzfrequenz soll weit oberhalb 5OO MHz liegen. Die Bandbreite soll größer als eine Oktave sein. Außerdem soll bei hohen Frequenzen in einem breiten Frequenzband eine hohe Ausgangsleistung erzielbar sein.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß jexreils eingangsseitig und ausgangsseitig eine Trennschaltung zur Auflösung des Breitbandsignals in schmalbandige Gruppen bzw. zur entsprechenden Zusammensetzung vorgesehen sind, wobei jede Verstärkerstufe zwischen entsprechende Anschlußklemmen der Eingangs- und Ausgangs-Trennschaltung eingefügt ist.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im einzelnen sind zahlreiche schmalbandige Hochfrequenzverstärkerstufen mit hohem Verstärkungsgrad vorgesehen, deren Durchlaßbänder jeweils aufeinanderfolgende Abschnitte eines breiten Verstärkerbandes überdecken. Die verschiedenen Verstärkerstufen sind zwischen Eingangs- und Ausgangsmatrixschaltungen bzw. -Übertragungsleitungsschaltungen eingefügt, die jeweils aus breitbandigen Leitungskopplern und Phasenschieberstufen bestehen. Derartige Matrixschaltungen lassen sich mit einem nutzbaren

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Frequenzbereich von mehr als einer Oktave aufbauen. Das Eingangssignal wird über eine Verzögerungsleitung mit Abgriffen in die Eingangsmatrix eingespeist, und das Ausgangssignal wird ebenfalls unter Verwendung einer Verzögerungsleitung mit Abgriffen von den Ausgängen der Ausgangsmatrix abgenommen.

Die Leitungskoppler und Phasenschieberstufen der Eingangsmatrix sind derart angeordnet, daß die Eingangssignale, die eine Folge von Eingängen jeweils mit gleicher Amplitude und gleicher Phasendifferenz zwischen benachbarten Eingängen erregen, jeweils an einem der betreffenden Frequenz zugeordneten Ausgang erscheinen. Die Eingangsmatrix dient also als Vielfachfilterfeld. Entsprechend werden die Signalgruppen an den Ausgängen der Eingangsmatrix nach entsprechender Verstärkung in die Ausgangsmatrix eingespeist, deren Eingänge und Ausgänge sich in reziproker Anordnung zu der Eingangsmatrix befinden, damit die einzelnen, an den verschiedenen Eingängen der Ausgangsmatrix anliegenden Signalgruppen derart an den Ausgängen erscheinen, daß nach Eintritt in die Abgriffe der Ausgangsverzögerungsleitung ein Ausgangssignal .in Form eines verstärkten Abbilds des Ein-gangssignals erscheint»

Damit kombiniert die Erfindung die hohe Verstärkung in einem schmalen Frequenzband, die mit Wanderfeldröhren oder

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Verstärkern mit gekreuzten Feldern erzielbar ist, und den Piltereffekt einer Übertragungsleitungsschaltung, so daß sich eine hohe Verstärkung eines breiten Frequenzbandes ergibt. Dabei dient jeder Schmalbandverstärker mit hohem Verstärkungsgrad zur Verstärkung gefilterter Frequenzbänder des gesamten Signalbandes, das in schmalbandige Abschnitte unterteilt ist.

In weiterer Ausbildung der Erfindung erhält man durch Kopplung ungleicher Energieanteile auf die Matrixeingänge einen unterschiedlichen Abgriff des Signals, so daß man die häufig unerwünschten Nebenmaxima unterdrücken kann. Damit kann man eine Durchlaßkennlinie entsprechend einem zweipoligen Filter anstelle eines einpoligen Filters erhalten, die sich bei gleichförmiger Erregung der Eingangsmatrix ergibt.

Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 2 ein Schaltbild der Eingangsmatrix der Pig.

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Der Kettenverstärker nach Pig. I enthält eine Verzögerungsleitung 10, in deren Eingang 11 die zu verstärkenden Hochfrequenzsignale eingespeist werden. Die Verzögerungsleitung 10 umfaßt eine Vielzahl von Ausgängen 12, die jeweils über Koppelstufen 61 ... 68 an eine ÜbertragungsIeitungsschaltung in Form einer Eingangsmatrixschaltung angeschlossen sind.

Die Eingangsmatrix 13 bildet zusammen mit der Verzögerungsleitung 10 eine Schaltung, wie sie ähnlich in der USA-Patentschrift 3 135 917 beschrieben ist.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Eingangsmatrix 13 entsprechend der USA-Patentschrift 3 I35 917. Ein vonseiten der Abgriffe aufweisenden Verzögerungsleitung 10 in die Eingangsmatrix I3 eingespeistes Signal erregt nacheinander eine Folge von Eingängen 14 ... 21 mit jeweils gleichepAmplitude und gleicher Phasendifferenz zwischen benachbarten Eingängen. Die Übertragungswege bzw. Schaltverbindungen innerhalb der Matrix 13 sind in Abhängigkeit von der jeweiligen Phasendifferenz zwischen den Eingängen eindeutig, wobei diese Phasendifferenz sich entsprechend der Frequenz des Eingangssignals ändert. Da die Weglänge durch die Matrix in Abhängigkeit von der Frequenz verschieden ist, haben entsprechend die an den Ausgängen 42 ... 49 abgegebenen Signale unterschiedliche Amplitude. Durch

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Bestimmung der Signalamplitude an den Ausgängen kann man somit die jeweilige. Signalfrequenz bestimmen.Da die verschiedenen Frequenzen jeweils an bestimmten Ausgängen erscheinen, stellt die Matrix eine Filteranordnung dar.

Die Signale von den Abgriffen der Verzögerungsleitung IG liegen an den Eingängen 14 ... 21 der Matrix 15 an. Die Signale der Eingänge 14 ... 21 werden in eine Reihe von Kopplern 22 ... 25 eingespeist, die jeweils vierarmige JdB-Richtungskoppler mit festem Phasenunterschied zwischen den Armen sind.

Ein in einem Arm eines Kopplers eingespeistes Signal wird in gleiche Ausgangsanteile geteilt, die in den gegenüberliegenden Armen erscheinen. Die Ausgangssignale haben eine gegenseitige Phasendifferenz von 90°* wobei der dem Eingangsarm diagonal gegenüberliegende Ausgangsarm die größere Phasenverzögerung aufweist. Beispielsweise wird ein in den Arm A des Kopplers 22 eingespeistes Signal gleichmäßig auf die Arme G und D verteilt, wobei das in dem Arm C austretende Signal eine Phasenverzögerung von 90° gegenüber dem in dem Arm D austretenden Signal aufweist. Die Koppler gehören vorzugsweise der Viertelswellenlängen-Parallelleitungs-Bauart an.

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Die Eingänge 14 und 15 der Matrix 13 sind an den Koppler 22 angeschlossen; die Eingänge 16 und 17 sind an den Koppler 23, die Eingänge 18 und I9 an den Koppler 24 und die Eingänge 21 und 20 an den Koppler 25 angeschlossen. Eine zweite Reihe vierarmiger Koppler 26 ... 29 ist den Kopplern 22 ... 25 derart nachgeschaltet, daß ein Arm A des Kopplers 26 über eine Phasenschieberstufe 30 mit dem Arm D des Kopplers

22 und der Arm B des Kopplers 26 unmittelbar mit dem Arm C des Kopplers 23 verbunden ist; der Arm A des Kopplers 27 ist über eine Phasenschieberstufe 3I mit dem Arm D des Kopplers

23 und der Arm B des Kopplers 27 unmittelbar mit dem Arm D des Kopplers 25 verbunden. Die Koppler 28 und 29 sind mit den Kopplern 22 ... 25 über Phasenschieberstufen 32 und 33 in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise zusammengeschaltet. Eine dritte Reihe von Kopplern 38 ... 41 ist mit der zweiten Reihe der Kopp· ler 26 ... 29 unmittelbar bzw. über Phasenschieberstufen 34 37 in der dargestellten Weise verbunden. Die D- und C-Arme der Koppler 38 ... 41 sind zu den Ausgängen 42 .... 49 der Matrix 13 geführt.

Allgemein gesagt erscheint in einer Schaltung mit 2^m Eingängen (m ist eine positive ganze Zahl) das Eingangssignal ausschließlich an einem Ausgang, wenn entsprechend der

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Signalfrequenz die Phasendifferenz zwischen zwei Eingängen im Ab&and von 2^m"* Einheitsabständen ein ungeradzahliges Vielfaches von 90° beträgt. In der Schaltung nach Fig. 2 mit m= 5 wird also das Eingangssignal zum Ausgang 49 durchgegeben, wenn die Phasendifferenz zwischen benachbarten Eingängen 22,5° beträgt (entsprechend 90° zwischen Eingängen im Abstand von 2^m~ Einheiten). Wenn die Frequenz des Eingangssignals auf j5 f-, ansteigt, steigt die Phasendifferenz zwischen benachbarten Eingängen auf 67*5°J ^u^d das Eingangssignal wird ausschließlich zu dem Ausgang 45 übertragen.

Für die Acht-Eingangs-Anordnung nach Fig. 2 ist m- ??= 8 und 2^m""¹= 4. Die folgende Tabelle gibt die Phasendifferenzen zwischen benachbarten Abgriffen 12, für die das Eingangssignal ausschließlich zu dem angegebenen Ausgang durchgegeben wird.

Tabelle 1

Frequenz Ausgang Phasendifferenz zwischen

benachbarten Abgriffen 12

Z₁ 49 PP

fp 45 67-1/?° -

f, 47 11P-1/2⁰ - 5/16

f₄ 45 157-1/P⁰

- 10 -

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BAD ORJGiNAL

- ίο -

48	202-1/2 =	9/I65
44	247-1/2° =	11/16₆
46	312-1/2° =	13/16₇
42	337-1/2° =	15/16₈

In der oben beschriebenen Filteranordnung erregt das Eingangssignal eine Folge von Eingängen, wobei die Phasendifferenz zwischen benachbarten Eingängen eine Funktion der Frequenz ist. Eine Schaltung aus Breitband-Leitungskopplern und Phasenschieberstufen überträgt die Signale an den Eingängen jeweils zu einem oder mehreren Ausgängen, wie oben beschrieben, wobei die Signalamplitude an jedem Ausgang von der Phasendifferenz zwischen benachbarten Eingängen abhängt.

Entsprechend der beschriebenen Acht-Eingangs-Schaltung kann diese Grundschaltung zweifach, vierfach usw. kombiniert werden, damit man eine entsprechend größere Frequenzauflösung erhält. Die erzielte Auflösung hängt von den Abständen zwischen den Abgriffen der Eingangsverzögerungsleitung ab; offenbar nimmt die Auflösung mit größerem Abstand zu.

In Fig. 1 liefert die Matrixschaltung l'f> nach der obigen Erläuterung eine Reihe von Signalen mit Jeweils unter-

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BAD ORlGlNAt

schiedlicher Frequenzkennlinie. Jeder Ausgang der Matrixschaltung 15, ist an je einen schmalbandigen Hochfrequenzverstärker 50 ... 57 angekoppelt. Beispielsweise überdeckt die Acht-Eingangs-Matrixschaltung IJ der Fig. 1 ein Frequenzband zwischen 2,6 GHz und 5,4 GHz mit einer Mittenfrequenz von 4,0 GHz. Die Eingangssignale für die Matrix I3 werden von den Abgriffen 12 der Verzögerungsleitung 10 ausgekoppelt, deren gegenseitiger Abstand eine eindeutige Ansprechkennlinie jeweils im Abstand von 350 MHz ergibt. Die Kopplungsfaktoren, die durch die Richtungskoppler 61 ... 68 bestimmt sind, erge-

ben vorzugsweise eine cos-, oder cos -Amplitudenverteilung, damit Nebenmaxima unterdrückt werden.

Die Koppelung der Verzögerungsleitung 10 kann für einzelne Abgriffe geändert werden, indem man die relative Absorptionsfläche jedes Abgriffs an der Verzögerungsleitung ändert, wobei die gegenseitigen Abstände gleich bleiben. Da die Verteilung der Koppelungsfaktoren für einzelne Anvjendungsfalle ausgewählt werden kann, kann man Filteranordnung mit jeder gewünschten Anzahl von Polen in der Frequenzkennlinie, mit jedem gewünschten Auflösungsvermögen und mit jeder gewünschten Bandbreite zwischen Nebenmaxima aufbauen.

Ein 16-Element-Matrix-Filterfeld wurde zur Erläuterung des Anwendungsfeldes dieser Technik entwickelt. Die Anordnung bestand aus einer Breitband-16-Element-Matrix, die

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mittels einer von zwei Verzögerungsleitungen erregt werden konnte. Eine Verzögerungsleitung besaß eine Gesamtverzögerung von 9,4 Nanosec, so daß man eine Auflösung von 100 MHz erzielte; die andere Verzögerungsleitung besaß eine Gesamtverzögerung von 94 Nanosec.j so daß die Auflösung 10 MHz betrug. Die kurze Verzögerungsleitung wurde mit gleichförmiger Verteilung der Erregung an die Matrix angekoppelt, so daß man eine einpolige Frequenzkennlinie erhielt; die lange Leitung wurde mit einer cos-Amplitudenverteilung zur Erzeugung einer zweipoligen Frequenzkennlinie angekoppelt.

Die Gesamtkennlinie der Filteranordnung ergab in Verbindung mit der kurzen Leitung eine Bandbreite und ein Auflösungsvermögen für die einzelnen Maxima der verschiedenen Eingänge von etwa 100 MHz.

Eine ähnliche Ansprechkennlinie der Matrix in Verbindung mit der langen Leitung ergab eine Bandbreite und ein Auflösungsvermögen zwischen den Amplituden-Werten von etwas 10 MHz. Eine wesentliche Verringerung der Nebenmaxima beruht auf der cos-Verteilung der Erregung der Matrix. Da die Maxima der Kennlinien der verschiedenen Ausgänge einen gegenseitigen Abstand von 10 MHz haben, überdeckt das Gesamtausgangsband aller Ausgänge eine Bandbreite von 160 MHz. Die Matrix und Verzögerungsleitung weist jedoch eine nutzbare Bandbreite von

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über einer Oktave auf. Wenn infolgedessen ein Signal ein größeres Frequenzband überstreicht, ergibt ein einzelner Ausgang jeweils nach 160 MHz ein Nebenmaximum .

Die Ausgänge der Verstärkerstufen 50 ... 57 sind an eine zweite Übertragungsleitungssohaltung als Ausgangsmatrix 58 angeschlossen, die einen reziproken Aufbau wie die Matrix 13 besitzt. Damit entsprechen die Eingänge der Matrix 58 den Ausgängen 42 .t. 49 der Matrix I3, und die Ausgänge der Matrix 58 den Eingängen 14 »♦, 21 der Matrix 13.

Das Filterraatrixfeld besitzt reziproke Eigenschaften, d.h. eine Signalfrequenz, die einen bestimmten Frequenzeingang erregt« wird mit solchen Phasendifferenzen an den verschiedenen Abgriffstellen Über Koppelstufen 69 ... 76 in eine Verzögerungsleitung 59 eingespeist, daß sich die verschiedenen Signalanteile am Ende der Verzögerungsleitung gleichphasig addieren.

Die Koppler und Phasensohieberstufen der Matrizen 13 und 58 können mit einer größeren Bandbreite als einer Oktave aufgebaut werden. Es gibt bereits Matrixschaltungen mit Frequenzkennlinien einer Breite von 10 000 MHz. Die Eingangsmatrix 13 kann nach der Technik der Bändchenleitungen, USA-Patentschrift 2 &1> 501, aufgebaut sein, die zur Verarbeitung ent-

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sprechender Leistungen geeignet sind. Für Hochleistungszwecke muß die Ausgangsmatrix mit Wellenleitern, Koaxialleitern oder in Plachtechnik aufgebaut sein.

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Claims

Patentansprüche

1. Kettenverstärker für Hochfrequenz-Breitband-Signale mit mehreren schmälbandigen Verstärkerstufen, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eingangsseitig und ausgangsseitig eine Trennschaltung (15* 58) zur Auflösung des Breitbandsignals in schmalbandige Gruppen bzw. zur entsprechenden Zusammensetzung vorgesehen sind, wobei jede Verstärkerstufe (50 ... 57) zwischen entsprechende Anschlußklemmen der Eingangs- und Ausgangs-Tennschaltung eingefügt ist.

2. Kettenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschaltungen als Matrixschaltungen aus Breitband-LeItungskoppe1stufen (22 ... 29, 38 ... 41) und Phasenschieberstufen (30 ♦.. 57) aufgebaut sind.

3. Kettenverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangstrennschaltung (13) mit ihren Eingängen an Abgriffe einer Verzögerungsleitung (10) für das Breitbandsignal angeschlossen ist.

4. Kettenverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3»

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dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangstrennschaltung als Kombinationsmatrixschaltung ausgebildet ist.

5. Kettenverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Kombinationsschaltung (58) Jeweils mit Abgriffen einer Ausgangsverzögerungsleitung (59) verbunden sind.

6. Kettenverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsmatrixschaltung (12) eine Folge von Eingängen (14 ..» 21), die jeweils An eine entsprechende Folge von Abgriffen einer Eingangsverzögerungsleitung (10) angekoppelt sind, und eine Vielzahl von Auegängen (42 ... 49) aufweist, daß die Ausgangsmatrixschaltung (58) eine Vielzahl von Eingängen und eine Folge von Ausgängen aufweist, die Jeweils an eine entsprechende Folge von Abgriffen einer Ausgangsverzögerungsleitung (59) angeschlossen sind, und daß jede Verstärkerstufe (50 ..· 57) jeweils an einen gleichwertigen Ausgang der Eingangsmatrixschaltung lowie Eingang der Ausgangsmatrixschaltung angekoppelt 1st.

7. Kettenverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Amplitudenverteilung der Kopplung die verschiedenen Abgriffe der Verzögerungsleitung

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gegenüber den jeweiligen Eingängen der Eingangsmatrixschaltung einen unterschiedlichen Kopplungsgrad aufweisen.

8. Kettenverstärker nach Anspruch 6 oder J, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßbänder der Verstärkerstufen jeweils verschiedene Ausschnitte des Breitbandspektrums überdecken.

9. Kettenverstärker nach Anspruoh 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsmatrixschaltung aus 3dB-Richtungskopplern und Phasensohieberstufen derart aufgebaut ist, daß Signale an den Eingängen ausschließlich an einem Ausgang erscheinen, wenn die Signale an Eingängen in einem gegenseitigen Abstand von 2^m~ Einheitsabständen eine Phasenverschiebung von 90°.η aufweisen, mit m als positiver ganzer Zahl, mit 2^m Eingängen der Matrix und mit η als ungerader ganzer Zahl.

10. Kettenverstärker nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungskoppler und Phasenschieberstufen der Ausgangsmatrixschaltung derart zusammengeschaltet sind, daß ein an einem beliebigen Eingang erscheinendes Signal zu allen Ausgängen mit jeweils gleicher Phasenverschiebung zwischen benachbarten Ausgängen übertragen wird.

11. Kettenverstärker nach Anspruoh 10, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die Abgriffe der Eingangsverzögerungsleitung das Signal mit jeweils gleicher Amplitude und gleicher Phasendifferenz zwischen benachbarten Abgriffen in die Eingänge der Eingangsmatrixschaltung einspeisen.

12. Kettenverstärker nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsverzögerungsleitung die Signalanteile an den Ausgängen der Ausgangsmatrixschaltung summiert und ein dem Eingangssignal entsprechendes Signal erzeugt.

13. Kettenverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsmatrix jeweils zwischen den Eingängen und Ausgängen Sehaltverbindungen unterschiedlicher Weglänge aufweist, wobei sich die Ausgangssignalamplitude der verschiedenen Ausgänge in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen benachbarten Eingängen ändert, daß das Durchlaßband jeder Verstärkerstufe die dem zugehörigen Ausgang zugeordnete Signalfrequenz einschließt, daß die Ausgangsmatrixschaltung ebenfalls Schaltverbindungen unterschiedlicher Weglänge zwischen den Eingängen und Ausgängen aufweist, wobei ein Signal an einem Eingang an allen Ausgängen mit gleicher Phasendifferenz zwischen benachbarten Ausgängen erscheint, und daß eine Ausgangskombinationsschaltung zur Kombination dieser Teilsignale in phasenrichtiger Weise vorgesehen ist.

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14. " Kettenverstärker nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Matrixschaltungen zur Querverbindung der Schaltverbindungen 3dB-Richtungskoppler vorgesehen sind.

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