DE1937990C3 - Frequenzweiche für sehr hohe Frequenzen - Google Patents

Description

die andere Leitung so ausgebildet ist, daß deren Pha-

55 senkurve im Auskoppelbereich die Phasenkurve der

ersten Leitung im Bereich des Wendepunktes berührt

oder kreuzt.

. Es ist aus der eingangs erwähnten Literaturstelle, y^ie Erfindung bezieht sich auf eine Frequenz- S. 173, Fig. 50, Beispiel b, bereits bekannt, bei einem weiche zur Selektion eines begrenzten Frequenzban- 60 Richtungskoppler den einen Hohlleiter teilweise mit des aus einem wesentlich breiteren Übertragungsfre- Dielektrikum zu füllen. Dies geschieht jedoch für quenzband bei Frequenzen im GHz-Bereich unter einen anderen Zweck, nämlich zur Schaffung eines Verwendung eines Hohlleiter-Mehrloch- oder Mehr- breitbandigen, also möglichst wenig selektiven Richschlitzkopplers, bei dem die Wellen in den den Rieh- tungskopplers. Dies wird auch mit gerade gcgenteilitungskoppler bildenden beiden Leitungen gegebenen- 65 ger Dimensionierung erreicht, nämlich dadurch, daß falls durch teilweise Füllung mit Dielektrikum im be- im Kopplungsbereich die Phasenkurven weit voneingrenzten, auszukoppelnden Frequenzband annähernd ander entfernt liegen,
gleiche Phasengeschwindigkeit haben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindunesee-

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genstandes besteht dann daß der eine Hohlleiter zu durch erhalten werden, daß der eine Hohlleiter zu

^TJ^SJ^ T/^mem, ^Dielektrikum hoher einem geringen Teil mit einem Dielektrikum hoher

DKlektnzitatskonstante der andere Leiter zum groß- Dielektrizitätskonstante, der andere Leiter zum

ten Ted mit einem Dielektrikum kleiner Dielektrizi- größten Teil mit einem Dielektrikum kleiner Dielek-

tätskonstante aufgeftillt ist. _s trizitätskonstante ausgefüllt wird.

Es ist ferner vorteilhaft^ eine der beiden Leitun- Als Beispiel hierfür zeigt die F i g. 1 im Längs- und gen, insbesondere die^Auskopplung, als inhomo- Querschnitt zwei über Löcher L, die auf der Koppelgene Leitung,auszubilden. _lä , ^^„^ _sind miteinander gekoppelte

Letzteres laßt sich auf einfache Weise durch Ein- Rechteckhohlleiter 1, II. Die Hohlleiteranschlüsse des

fügen von Resonanzelementen erreichen, so daß die ₁₀ Kopplers sind mit 1 bis 4 bezeichnet. Der Quer-

Leitung als Sperrleitung wirkt _{schnitt ist m Höhe dnes K}oppelloches L vorgenom-

Die Eigenresonanzen der Resonanzelemente liegen men. Die gewünschte Form der Phasenkurven wird

dabei beidseits, insbesondere aber oberhalb der Grein- in diesem Beispiel dadurch erhalten, daß auf der

zen des auszukoppelnden Frequenzbandes. Schmalseite des einen Rechteckhohlleiters I eine

Für alle Falle ist es vorteilhaft, den Richtungskopp- _I3 dünne Schicht D₁ eines Dielektrikums mit hoher Di-

ler gleichzeitig,als Wellentypwandler auszubilden. elektrizitätskonstante angebracht ist. (Im Prinzip die

Nachstehend wird die Erfindung an Haiad von Bei- gleiche Wirkung läßt sich auch durch Einfügung des

spielen mit Figuren naher erläutert. Dielektrikums in einem anderen Teil des HohJIeiter-

Selektive Richtungskoppler lassen sich dadurch querschnitts erzielen.) Die Dielektrikumsschictit ververwirklichen, daß das Phasenmaß der Wellen in den _2O ändert die Grenzfrequenz des Hohlleiters kaum, und beiden ungekoppelt gedachten Leitern etwa gleich i&t. auch für Frequenzen, die kurz über der Grenzfre-Unter diesen Voraussetzungen kann zwischen den quenz liegen, ist die Phasenkurve gegenüber jener beiden Hohlleitern ein vollständiger Energieaustausch des unbeschichteten Hohlleiters kaum verändert Bei stattfinden, da sich dann die von einzelnen Koppel- sehr hohen Frequenzen zieht sich dagegen im hier stellen, z. B. den Lochern beim sogenannten Loch- _a5 dargestellten Fall das Feld fast vollständig in das koppler, übergekoppelten Teilwellen phasenrichtig Dielektrikum zurück, und dementsprechend wächst summieren. Dazu muß die Koppellänge (Länge der die Phase sehr steil an, so als wäre die Dielektrikum-Lochreihe) gleich der Energieaustauschlänge sein. schicht allein der Hohlleiter.

Diese wird um so langer, je kleiner die Kopphing In dem Übergangsgebiet hat die Phasenkurve in (Lochdurchmesser) ist Ist dagegen das Phasenmaß ₃₀ einem gewissen Frequenzbereich, der als Koppelin beiden Hohlleitern verschieden, so wandert auch bereich verwendet wird, eine positive Krümmung, bei sehr großer Kopplung nur ein geringer Bruchteil Dies ist aus dem Diagramm der Fig. 2 ersichtlich, der Energie zwischen den beiden miteinander vcr- F i g. 2 zeigt die Abhängigkeit der Phase φ, angekoppelten Leitern hin und her. Der größte Teil der geben im Vielfachen von π, abhängig von der auf die Energie läuft ungestört in der Durchgangsleitung des ₃₅ Mitte /₀ des auszukoppelnden Frequenzbandes nor-Kopplers weiter. Das Phasenmaß als Funktion der mierten Frequenz /. Die Phasenkurve für den Hohl-Frequenz muß also für die beiden Hohlleiter, wie an leiter I ist mit <p_x bezeichnet. Im gezeichneten Beispiel sich bekannt, einen Verlauf haben, bei dem sich die betrug die Schichtdicke D₁ des Dielektrikunis im beiden Kurven im Betriebsfrequenzbereich des Kopp- Hohlleiter I D₁ = 0,045 a,. Die Breite des Hohlleiters lers schneiden. In der näheren Umgebung dieser Fre- ₄₀ ist mit a_x bezeichnet. Die relative Dielektrizitäi:skonquenz ist dann der Energieaustausch praktisch voll- stante des eingebrachten Materials ist B₁ = 36. Um ständig, während in dem Maß, in dem die Phasen- der Phasenkurve <p_u des anderen Hohlleiters II einen kurven allmählich voneinander abweichen, die Über- solchen Verlauf zu geben, daß im Koppelbereich um kopplung ständig kleiner wird. Die Erfindung beruht /₀ eine Berührung mit der Phasenkurve φ_λ stattfindet, auf der Erkenntnis, daß sich die Selektion derart auf- 45 ist es zweckmäßig, diesen vollständig mit einem Digebauter Koppler dadurch steigern läßt, daß die Pha- elektrikum von kleiner Dielektrizitätskonstante zu senkurven sich in einem größeren Bereich schneiden füllen und dafür die Breitseite a_n des Hohlleiters II bzw. mehrmals ohne größere Abweichung vonein- geeignet zu dimensionieren. Dabei ergeben sich geander im Zwischenbereich kreuzen und außerhalb wisse Freiheitsgrade in der Bemessung, und die Phades hierdurch festgelegten Koppelbereichcs sich mög- 50 senkurve <p_n des zweiten Hohlleiters wurde irr; gelichst rasch mit steigender bzw. fallende«- Frequenz zeichneten Beispiel durch folgende Bemessung ervoneinander entfernen. reicht.

Durch diese Dimensionierung werden, in der Spra- _ _{n ήΓις} _ , r_f

ehe der Filtertechnik ausgedrückt, Filterkurven hö- °ⁿ ~ ^υ'^ου:)αι ^ε" ~ ¹^⁰

herer Ordnung erhalten. Der einfachste Fall besteht 55 Dabei ist « stets die relative Dielektrizitätskon-

darin, daß sich die Kurven im auszukoppelnden Fre- stante, also *■„ die für den Hohlleiter II. Durch diese

quenzbereich nicht überschneiden, sondern einander Bemessung läßt sich in einem bestimmten Bereich

berühren. Hierfür muß wenigstens eine der beiden eine Berührung der beiden Phasenkurven erzielen,

Phasenkurven in einem Teilgebiet eine positive Krüm- wodurch schon eine relative gute Selektivität erzielt

mung aufweisen. 60 wird. Dies ist in Fig. 3 in Diagrammform amügetra-

Dadurch wird gegenüber dem Fall, daß sich die gen. Auf der Ordinate des Diagramms ist die Kop-

Phasenkurven nur kreuzen, in einem wesentlich grö- peldämpfung α in dB angetragen, während auf der

ßeren Frequenzbereich eip.e einwandfreie Überkopp- Abszisse wieder die auf die Mitte des Durchlaßberei-

lung erzielt, während gleichzeitig außerhalb dieses ches normierte Frequenz///₀ angetragen ist. Die mit Bereiches ein steiler Anstieg der Kopplungsdämpiung 65 a₁₃ bezeichneten ausgezogenen Kurven bedeuten die

erfolgt. Koppeldämpfung α vom Anschluß 1 nach Anschluß 3

Die umgekehrte Krümmung der beiden Phasen- des Kopplers nach Fig. 1, die gestrichelten mit a_l2

kurven in einem Teilgebiet kann am einfachsten da- bezeichneten Kurvenzüge bedeuten die Koppeldämp-

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fung α₁₂ vom Anschluß 1 nach Anschluß 2, entspre- Wellenlänge im Hohlleiter) wie Sperrkreise. Der Phi

chend der Durchgangsdämpfung auf der Hauptlei- senverlauf eines solchen Kettenleiters läßt sich einfac

tung I des Richtungskoppler«. Es entsteht also eine berechnen, wenn man die Wirkung der Randfeldc

zweiwertige Filterkurve mit zahlreichen Dämpfungs- vernachlässigt. Da δ < h ist, bewirken diese Rand

polen. Die Länge I der Koppelstrecke wurde dabei zu 5 felder nur eine unbedeutende Verschiebung des Spen

/ = 15-öj = 13,4>l₀ angenommen. λ₀ ist die Wellen- bereiches.

länge der mittleren Übertragungsfrequenz /₀ des Fig. 5 zeigt den Phasenwinkel φ_ι einer Sperrlei

Kopplers. tung von 40 Gliedern für folgende Bemessung:

Die relative Bandbreite ist AfIf₀ = 0,17. Dies entspricht einem etwa 7fachen Wert, verglichen mit dem io Mittlere Betriebsfrequenz .. /₀ =36 GHz unter den gleichen Umständen ermittelten Band- Mitte des Sperrbereiches .. Z₀₀ — 38,2 GHz breitewert für einen Richtungskoppler, bei dem sich J^_{n des} Hohlleiterprofils a, = 0 555 cm die Phasenkurven einfach kreuzen. ,-, ., . ~ .... , ,- „ „__

Um eine weitere Verbesserung der Selektivität, Entfernung der Sperrschhtze A = all = 0,278 mm

d. h. eine stärkere Krümmung der Phasenselektivität 15 ^{Breite der} **«*« ο = 0,025 cm

Ψι zu erzielen, wäre die Dielektrizitätskonstante ε. Länge der Schlitze /_s = 0,278 cm

im Hohlleiter I noch weiter zu vergrößern und die Länge der Koppelstrecke .. / = 4OA = 11,1 cm Schichtdicke/ή zu erniedrigen. Dabei entstehen jedoch Schwierigkeiten hinsichtlich der praktischen Die Leitung wirkt als Bandsperre mit den Grenzei

Ausführung. Es wäre auch möglich, die Koppel- ao des Sperrbereiches: 37,77 bis 38,60GHz. Bei de:

strecke zu verlängern, was jedoch meist nicht er- mittleren Betriebsfrequenz (36GHz) dreht jede

wünscht ist. In einem Ausführungsbeispiel beträgt Glied die Phase um π/2. Bei der unteren Sperrgrenz<

die Koppelstrecke 1,2 cm bei /₀ = 36 GHz entspre- (37,77 GHz) ist dieser Winkel auf π angewachsen, chend λ₀ = 0,833 cm. Besser lassen sich jedoch starke Der mit der Sperrleitung gekoppelte Hohlleiter E

positive Krümmungen erreichen, wenn die Leitung »5 wird vollständig mit Dielektrikum gefüllt und erhall

als Tiefpaß oder Bandsperre ausgebildet wird. Vor- folgende Abmessungen: a_u = 0,309 cm, E₁ = 2,385

teilhaft wird die Leitung in Form eines Kettenleiters Die zugehörige Phasenkurve (<p_n) zeigt Fig. 5. ausgebildet. Durch die Phasendifferenz φ_Λ —φ_η wird dei

Meistens werden die beiden Leitungen eines Rieh- Dämpfungsverlauf des Richtungskopplers bestimmt,

tungskopplers über eine Reihe von Löchern mitein- 30 der in F i g. 6 dargestellt ist. Es ergibt sich eine scharfe

ander gekoppelt. Die Entfernung A dieser Koppel- Frequenzselektion, besonders nach hohen Frequen-

lücher wird zweckmäßig etwa gleich einem Viertel zen hin, wie es für die Breitbandweichen eines Hohl-

der mittleren Betriebswellenlänge gewählt, d. h., die kabel-Übertragungssystems benötigt wird. Dabei wer-

Phase in den Hohlleitern (die dabei ungekoppelt ge- den die Weichen zweckmäßig so in Kette geschaltet,

dacht sind) soll sich auf der Entfernung A um π/2 35 ^daß von jeder Weiche das tiefste im Rundhohlleiter

drehen. In diesem Falle kompensieren sich nämlich noch laufende Band ausgekoppelt wird (alle tieferen

die Reflexionen der einzelnen Löcher. (Anders aus- Bänder sind vorher ausgekoppelt), gedrückt: Man liegt im Durchlaßbereich des Koppel- Bisher wurde vorausgesetzt, daß sich in den bei-

Kettenleiters.) den gekoppelten Hohlleitern nur ein Wellenmodus

Ist nun einer der Hohlleiter selbst ein Kettenleiter, 40 (der Grundmodus H₁₀ des Rechteck-Hohlleiters) fort-

so wählt man zweckmäßig die Länge der Glieder leiters) fortpflanzen kann. Im Gegensatz dazu soll der

ebenfalls gleich A und muß verlangen, daß jedes Ket- Leiter II nunmehr ein rundes Rohr sein (Fig. 7, Quer-

tenglied die Phase bei der mittleren Betriebsfrequenz schnitt durch den Koppler), und die Phasenkurve φ_Π

um π/2 dreht. in F i g. 6 soll dem H₀₁-MOdUS in diesem Leiter zuge-

F i g. 4 zeigt die Ausführung des Kettenleiters als 45 hören. Dies tritt ein, wenn das Dielektrikum

Sperrleitung. Die Schlitze S wirken in der Umgebung ε = 2,385 und die Grenzfrequenz übereinstimmen,

ihrer Resonanzfrequenz (/_s = V* l_HS; l_HS ist hier die Für diese gilt

beim Rechteckhohlleiter /„, = - = 31,46GHz,

(H₁₀-WeDe) 2 ye an

beim RundhohDeiter f_xt = ^S = 31,46GHz.

(H₀₁-WeDe) O,82]/eD_n

Es folgt der Rohrdurchmesser Diese unerwünschten Wellentypen werden offenbar

D = 2 44 απ = 0 754 cm umso weniger übergekoppelt, je stärker ihre Grenz-

60 frequenz (und damit die ganze Phasenkurve) von je-

Die Überkopplung des H₁₀-MOdUS aus der (unver- ner des H₀₁-MOdUS abweicht Der H₉₁-MOdUs ist desänderten) Sperrleitung I in den H₀₁-MOdUS des run- halb der ungünstigste Fall; es gut den Rohres Π entspricht nun ganz der Dämpfungskurve von Fig. 6, bleibt also auf ein scharf begrenz- /«₃₁ = 1,096/_el tes Band beschränkt Der Richtungskoppler wirkt nun 65
als frequenzselektiver Modenwandler. .,.. ,,...._

Im runden Rohr sind jedoch neben dem H₀₁-Mo- ™^{T D}n = 0,754 cm, ζ = 2,385 findet man:

dus noch andere Wellentypen fortpflanzungsfähig. U_n = 34,49 GHz

In Fig. 5 ist der Phasenverlauf y;„ auch des H₃₁-Modus (gestrichelt) eingezeichnet. Er unterscheidet sich, insbesondere im Ubertragungsband, wesentlich vom Phasenverlauf φ_{ der Sperrleitung. Für / = 36 GHz gilt z. B. Αφ = ψχ — ι/Μι = ⁸>²³ λ. Das bedeutet, daß die Übertragungsdämpfer für den H₃₁-Modus selbst dann a = 18 dB betrüge, wenn nur die H₃₁-WeIIe übergekoppelt würde, die Wellenamplitude der H₁₀-WeIIe in der Sperrleitung also praktisch konstant bliebe. In Wirklichkeit nimmt diese Amplitude längs der Koppelstrecke bis auf Null ab, da die Energie ja in Form der H_Q1-Welle übergekoppelt wird. Die ~

höher.

Obwohl nach dem obengesagten schon ein glattes Rohr (Hohlleiter II) eine in der Praxis ausreichende Wellentypselektivität ergibt, kann dies dann noch gesteigert werden, wenn das Rohr als Sperrleitung für die unerwünschten Wellentypen ausgebildet wird. Analog zur Sperrleitung mit Rechteckprofil I werden also im Koppelhohlleiter II im Abstand h voneinan-

tatsächliche H₃₁-Dämpfung ist also noch

der runde umlaufende Nuten von der Tiefe λΙΑ eingebracht. Diese Nuten wirken als Sperrkreis nur für die H_n ,-Wellen mit η j> 1, während die H₀₁-WeIIe, bei der nur Ströme in Umfangsrichtung auftreten, kaum beeinflußt werden. Es ist möglich, die Nuten verhältnismäßig breit zu machen (z. B. 6 = 0,5 mm), wodurch ein entsprechend breiter Sperrbereich für die unerwünschten Wellentypen entsteht.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft auf eir

ίο Hohlleiter-Nachrichtenübertragungssystem übertragbar, wozu die erfindungsgemäß ausgebildeten Koppler an Abzweigpunkten der Hauptübertragungsleitunf liegen. Vorteilhaft werden in Richtung des Energieflusses auf der Hauptleitung die Richtkoppler Sc angeordnet und dimensioniert, daß der Hauptleit.unj zunächst Nachrichtenübertragungsbündel der nied rigsten Frequenzen entnommen werden und de Reihe nach solche mit höheren Frequenzen. Dies is wegen der geringen Selektivität des Richtkopplers fü

ao Frequenzen unterhalb des Übertragungsbereiche vorteilhaft.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1 2 Insbesondere bei der Übertragung breiter Fre Patentansprüche: quenzbänder bei sehr hohen Frequenzen, mittel Hohl- oder Koaxialleitungen, werden Frequenzwei

1. Frequenzweiche zur Selektion eines begrenz- chen benötigt, die einen relativ schmalen Teil des ge ten Frequenzbandes aus einem wesentlich breite- 5 samten Übertragungsfrequenzbandes möglichst dämp ren Übertragungsfrequenzband bei Frequenzea fungsfrei auskoppeln, ohne die im Durchgangsleitei im GHz-Bereich unter Verwendung eines Hohl- weiterlaufenden Wellen der übrigen Frequenzen zi leiter-Mehrloch- oder Mehrschlitzkopplers, bei dämpfen. Es ist dabei besonders an ein Nachrichtendem die Wellen in den den Richtungskoppler bil- übertragungssystem mittels sogenannter Hohlkabe] denden beiden Leitungen gegebenenfalls durch io gedacht, bei denen die Nachrichten im Frsquenzbeteilweise Füllung mit Dielektrikum im begrenz- reich zwischen 30 und 100 GHz übertragen werden, ten auszukoppelnden Frequenzband annähernd Aus diesem breiten Frequenzbereich sollen relativ gleiche Phasengeschwindigkeit haben, dadurch schmale Teilbereiche mit etwa 2 GHz Bandbreite gekennzeichnet, daß die eine der beiden möglichst ohne Störung der durchlaufenden Wellen Leitungen derart ausgebildet ist, daß ihre Pha- 15 und möglichst vollständig ausgekoppelt werden. Dasenkurve (Verlauf der Phascngeschwindigkeit in bei stellt sich die weitere Forderung, daß die im der Leitung abhängig von der Frequenz) einen Hohlkabel im JH₀₁-MOdUS übertragenen Wellen im Wendepunkt mit anschließendem Bereich posi- auszukoppelnden Band in den H_I0-Modus im Rechttiver Krümmung hat und daß die andere Leitung eckhohlleiler umgewandelt werden sollen. Es sind so ausgebildet ist, daß deren Phasenkurve im ao hierfür zwar bereits wellenselektive Richtungskoppler Auskoppelbereich die Phasenkurve der ersten bekanntgeworden, von denen einer in »The Bell Leitung im Bereich des Wendepunktes berührt System Technical Journal«:, Mai 1954, S. 714, oder kreuzt. Fig. 52, beschrieben ist. Bei diesem Richtungskoppler-

2. Frequenzweiche nach Anspruch 1, dadurch typ wird der eine der beiden Hohlleiter mit Dielekgekennzeichnet, daß der eine Hohlleiter zu einem 25 trikuni gefüllt, so daß er eine wesentlich stärkere geringen Teil mit einem Dielektrikum hoher Di- Krümmung seiner Phasenkurve hat als ein mit Luft elektrizitätskonstante, der andere Leiter zum gefüllter Hohlleiter. Der zweite Hohlleiter hat dagrößten Teil mit einem Dielektrikum kleiner Di- gegen keine Füllung, und beide Hohlleiter sind so elektrizitätskonstante ausgefüllt ist. gewählt, daß ihre Phasenkurven sich an einem Punkt

3. Frequenzweiche nach einem der vorher- 30 schneiden. Auf diese Weise ergibt sich am Schnittgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, punkt eine Übereinstimmung der Phasengeschwindigdaß eine der beiden Leitungen, insbesondere die keiten und damit eine Frequenzselektion, die einem Auskoppelleitung, als inhomogene Leitung aus- Resonanzkreis ähnelt.

gebildet ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier-

4. Frequenzweiche nach Anspruch 3, dadurch 35 von ausgehend einen solchen frequenzselektiven gekennzeichnet, daß die inhomogene Leitung Koppler zu schaffen, der in einem wesentlich breitedurch Einfügung von Resonanzelementen als ren Frequenzband eine frequenzselektivere Über-Sperrleitung ausgebildet ist. kopplung gestattet.

5. Frequenzweiche nach Anspruch 4, dadurch Diese Aufgabe wird bei einer Frequenzweiche zur gekennzeichnet, daß die Eigenresonanzen der Re- 40 Selektion eines begrenzten Frequenzbandes aus einem sonanzelemente oberhalb der Grenzen des auszu- wesentlich breiteren Übertragungsfrequenzband bei koppelnden Frequenzbandes liegen. Frequenzen im GHz-Bereich unter Verwendung eines

6. Frequenzweiche nach Anspruch 4 oder 5, Hohlleiter-Mehrloch- oder Mehrschlitakopplers, bei dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrloch- oder dem die Wellen in den den Richtungskoppler bilden-Mehrschlitzkopplern deren Loch- bzw. Schlitz- 45 den beiden Leitungen gegebenenfalls durch teilweise abstand etwa ¹U der mittleren Betriebswellen- Füllung mit Dielektrikum im begrenzten, auszukoplänge des Auskoppelbereiches beträgt und der pelnden Frequenzband annähernd gleiche Phasen-Abstand der Resonanzelemente ebenfalls so be- geschwindigkeiten haben, gemäß der Erfindung damessen ist. durch gelöst, daß die eine der beiden Leitungen der-

7. Frequenzweiche nach einem der vorher- 50 art ausgebildet ist, daß ihre Phasenkurve (Verlauf gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, der Phasengeschwindigkeit in der Leitung abhängig daß der Richtungskoppler gleichzeitig als WeI- von der Frequenz) einen Wendepunkt mit anschlielentypwandler ausgebildet ist. ßendem Bereich positiver Krümmung hat und daß