DE2229669A1 - Polarization-insensitive directional coupler for millimeter waves - Google Patents

Polarization-insensitive directional coupler for millimeter waves

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DE2229669A1
DE2229669A1 DE19722229669 DE2229669A DE2229669A1 DE 2229669 A1 DE2229669 A1 DE 2229669A1 DE 19722229669 DE19722229669 DE 19722229669 DE 2229669 A DE2229669 A DE 2229669A DE 2229669 A1 DE2229669 A1 DE 2229669A1
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Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Saleh, A. A. M. -1WESTERN ELECTRIC COMPANY Saleh, A.A.M. -1

New York, N. Y., 10007, USA New York, NY, 10007 , US A

Polarisationsunempfindlicher Richtungskoppler für MillimetenvellenPolarization-insensitive directional coupler for millimeter waves

Die Erfindung betrifft einen Richtungskoppler zur Trennung einer einfallenden Welle in mindestens 2 Ausgangswellen, wobei die eine Ausgangswelle mit der einfallenden Welle durch einen Übertragungskoeffizienten und eine zweite Ausgangswelle mit der einfallenden Welle durch einen Reflexionskoeffizienten verknüpft sind.The invention relates to a directional coupler for separating an incident wave into at least 2 output waves, one of which Output wave with the incident wave by a transmission coefficient and a second output wave with the incident Wave are linked by a reflection coefficient.

In den vergangenen Jahren hat der Bedarf nach Richtungskopplern im Millimeter- und Submillimeterwellenlängenbereich zur Entwicklung einer Vielfalt von Kopplern geführt, die den Koppler für optische Frequenzen ziemlich ähnlich sind. Diese sogenannten ;quasi-optischen" Richtungskoppler sind verlustarm und Einrichtungen von einfacher Konstruktion. Sie sind jedoch ziemlich polarisationsempfindlich. Infolge ihrer Polarisationsempfindlichkeit können die quasi-optischen Richtungskoppler nach dem Stand der Technik nur im Hinblick auf eine erforderliche Koppelcharakteristik für eine einzelne Polarisation entworfen werden. Deshalb war ihre Anwendung in erster Linie auf Systeme beschränkt, bei denen eine einzige Polarisation verwendet wurde.In recent years, the need for directional couplers in the millimeter and sub-millimeter wavelength range has been developing a variety of couplers which are quite similar to the optical frequency coupler. These so-called ; quasi-optical "directional couplers are low loss and facilities of simple construction. However, they are quite sensitive to polarization. As a result of their sensitivity to polarization can the quasi-optical directional coupler according to the prior art only with regard to a required coupling characteristic can be designed for a single polarization. Therefore, their application was primarily limited to systems at where a single polarization was used.

209853/0827209853/0827

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Richtungskoppler der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß die Beschränkung auf eine einzige Polarisationsrichtung hin fällt, d.h., daß auch beliebige Wellen verai'beitet werden können.The invention is based on the object of designing a directional coupler of the type specified at the outset so that the restriction falls towards a single direction of polarization, i.e. any waves can also be processed.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Koppler drei benachbarte Bereiche umfaßt, die jeweils eine vorbestimmte Dicke und Dielelctrizitätskonstante aufweisen und daß die Dicken und die Dielektrizitätskonstanten der jeweiligen Bereiche so gewählt sind, daß der Übertragungskoeffizient und der Reflexionskoeffizient des Kopplers unabhängig von der Polarisation der einfallenden Welle sind.The stated object is achieved in that the coupler comprises three adjacent areas, each of which has a predetermined thickness and dielectric constant and that the thicknesses and dielectric constants of the respective areas are selected so that the transmission coefficient and the reflection coefficient of the coupler are independent of the polarization of the incident wave are.

Eine Weiterbildung der Erfindung bezieht sich darauf, daß die beiden äußeren Bereiche gleiche Dicken und gleiche Dielektrizitätskonstanten aufweisen.A further development of the invention relates to the fact that the two outer areas have the same thickness and the same dielectric constant exhibit.

Eine zweite Weiterbildung der Erfindung bezieht sich darauf, daß die Dicken und Dielektrizitätskonstanten der jeweiligen Bereiche in Übereinstimmung mit den folgenden Gleichungen gewählt sind: ^. 2A second development of the invention relates to the fact that the thicknesses and dielectric constants of the respective areas are selected in accordance with the following equations: ^. 2

1 - ( C1 - 1) / COS θ{1 - (C 1 - 1) / COS θ {

209853/Ijöv209853 / Ijöv

kXokXo

i Ti T

\J £ ,-sin2 0 .\ J £, -sin 2 0.

' mid ' mid

d - 2jl L d - 2jl L

2 2 TT2 2 DD

sinsin

-1-1

dabei gilt: θ . ist gleich Winkel zwischen der Fortschreitungsrichtung der einfallenden Welle und der normalen auf die Oberfläche des ersten Bereichs, k ist eine durclf zwei nicht teilbare ganze Zahl, Λ. ist eine Wellenlänge der elektromagnetischen Energie, R ist der reflektierte Anteil der einfallenden Energie, d ist die Dicke der jeweiligen äußeren Bereiche, c. 1 deren jeweilige Elektrizitätskonstante und do und £. sind die Dickewhere: θ. is equal to the angle between the direction of propagation of the incident wave and the normal to the surface of the first area, k is an integer not divisible by two, Λ. is a wavelength of the electromagnetic energy, R is the reflected portion of the incident energy, d is the thickness of the respective outer areas, c. 1 their respective electricity constants and d o and £. are the thickness

itit ii

bzw. Dielektrizitätskonstante des dazwischenliegenden Bereiches.or dielectric constant of the area in between.

Gemäß Erfindungsprinzipien werden drei angrenzende dielektrische Plättchen oder Schichten zur Bildung eines quasioptischen Richtungskopplers verwendet. Im einzelnen werden die Dicken und Dielektrizitätskonstanten der Plättchen und die Orientierung des Kopplers zu dem Weg einer einfallenden Welle so gewählt, daß das in der Ebene des Einfalls polarisierte elektrische Feld des übertragenen Anteils der einfallenden Welle gleich ist, dem senkrecht zur Etnfallsebene polarisierten Feld des übertragenenAccording to the principles of the invention, three adjoining dielectric plates or layers are used to form a quasi-optical one Directional coupler used. In particular, the thicknesses and dielectric constants of the platelets and the orientation of the coupler to the path of an incident wave is chosen so that the polarized electric field in the plane of incidence of the transmitted portion of the incident wave is equal to the perpendicular to the incident plane polarized field of the transmitted

209853/0827209853/0827

Anteils der einfallenden Welle, und zwar bezüglich Phase und Amplitude. Die Einfallsebene wird dabei von der normalen auf die Oberflächen der Schichten und die Richtung der einfallenden Welle definiert. In dem die Dielektrischen Plättchen zusätzlich im wesentlichen verlustfrei gewählt werden, führt die Auswahl obiger Parameter in der angegebenen Weise auch dazu, daß die reflektierten Anteile der beiden Wellen gleiche relative Phasen und Amplituden aufweisen. Da darüber hinaus eine beliebig polarisierte einfallende Welle in zwei Komponenten aufgeteilt werden kann, die einmal in der Ebene des Einfalls und senkrecht hierzu polarisiert sind, ist offensichtlich, daß die übertragenen Anteile alle auf den Koppler einfallenden Wellen gleiche relative Phasen und Amplituden aufweisen werden und in ähnlicherweise werden die reflektierten Anteile aller einfallenden Wellen ebenfalls gleiche relative Phasen und Amplituden aufweisen.Part of the incident wave, namely with regard to phase and Amplitude. The plane of incidence is determined by the normal on the surfaces of the layers and the direction of the incident Wave defined. The selection leads to the fact that the dielectric platelets are also chosen to be essentially loss-free The above parameter in the specified manner also ensures that the reflected components of the two waves have the same relative phases and have amplitudes. In addition, since an arbitrarily polarized incident wave can be split into two components can, which are polarized once in the plane of incidence and perpendicular to it, it is obvious that the transmitted components all waves incident on the coupler will and will similarly have the same relative phases and amplitudes the reflected components of all incident waves also have the same relative phases and amplitudes.

Wie erwähnt, haben in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung die beiden äußeren dielektrischen Schichten des Kopplers gleiche Dicken d und gleiche Dielektrizitätskonstanten Q_ , während die mittlere Schicht eine unterschiedliche Dicke und unterschiedliche Dielektrizitätskonstante £ aufweist. In dieserAs mentioned, in a special embodiment of the invention the two outer dielectric layers of the coupler have the same thickness d and the same dielectric constant Q_, while the middle layer has a different thickness and different dielectric constant ε. In this

Ausführungsform werden die Parameter d , d , £ , £ zur Er-Embodiment, the parameters d, d, £, £ are used to

JL Δ ι. ΔJL Δ ι. Δ

füllung vorbestimmter Beziehungen gewählt, die in den nachfolgenden Gleichungen im einzelnen offenbart werden.filling predetermined relationships chosen in the following Equations are disclosed in detail.

2098 5 3/08272098 5 3/0827

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung anhand der Zeichnung erläuert, wobei die einzige Figur einen Koppler aus drei dielektrischen Schichten zeigt, der gemäß Prinzip der Erfindung aufgebaut ist.Further details of the invention are provided by reference explained to the following description with reference to the drawing, the only figure showing a coupler made of three dielectric Shows layers constructed according to the principle of the invention.

Der Richtungskoppler ist mit dem Gesamtbezugszeichen 11 bezeichnet und weist drei angrenzende dielektrische Schichten 12, 13 und 14 auf. Die äußeren Schichten 12 und 14 haben gleiche Dielektrizitätskonstanten £; und gleiche Dicken d . Die dazwischenliegende oder mittlere Schicht 13 hat andererseits eine abweichende Dielektrizitätskonstante £ und eine abweichende Dicke d . Alle drei Schichten werden jedoch als im wesentlichen verlustfrei angenommen.The directional coupler is denoted by the general reference number 11 and has three adjoining dielectric layers 12, 13 and 14. The outer layers 12 and 14 are the same Dielectric constant £; and equal thicknesses d. The one in between or middle layer 13, on the other hand, has a different dielectric constant £ and a different one Thickness d. However, all three layers are considered essential accepted without loss.

Der Koppler 11 liegt entlang der Eingangsrichtung 15 der Welle, und zwar in einem Winkel von 90 + Θ., wobei -#. der WinkelThe coupler 11 lies along the input direction 15 of the shaft, at an angle of 90 + Θ., Where - #. the angle

ι ιι ι

zwischen der Richtung 15 und der normalen auf die Oberfläche 16 der Schicht 12 ist. Die entlang dem Weg 15 gerichtete und auf die Oberfläche 16 einfallende Wellenenergie wird vom Koppler auf zwei Ausgangswego oder Richtungen 17 und 18 aufgeteilt. Der Weg 17 liegt parallel zum Weg 15, während der Weg 18 einen Winkel von 2 Θ. zum Weg 15 bildet. 0. sei beispielsweise 45 .between the direction 15 and the normal to the surface 16 of the layer 12 is. The one directed along the path 15 and on Wave energy incident on the surface 16 is divided into two output paths or directions 17 and 18 by the coupler. Of the Path 17 is parallel to path 15, while path 18 has an angle of 2 Θ. to route 15 forms. 0. for example, let 45.

In diesem Fall stehen die; Richtungen IG und 18 senkrecht aufeinander.In this case the; Directions IG and 18 perpendicular to each other.

2 0 9 8 5 3/08272 0 9 8 5 3/0827

Im Betrieb werden zwei senkrecht zueinander polarisierte ebene Wellen, die in der Ebene der Figur, d.h., der Einfallsebene, sich ausbreiten, entlang dem Wellenweg 15 gerichtet. Eine dieser Wellen besitzt ein elektrisches Feld, welches parallel zur Einfallsebene polarisiert ist und durch den Vektor E dargestellt wird. Das elektrische Feld der anderen Welle ist senkrecht zu der Einfallsebene polarisiert und wird durch den Vektor E dargestellt.In operation, two plane waves polarized perpendicular to each other are generated in the plane of the figure, i.e. the plane of incidence, spread out, directed along the wave path 15. One of these waves has an electric field, which is polarized parallel to the plane of incidence and is represented by the vector E. The electric field of the other wave is polarized perpendicular to the plane of incidence and is represented by the vector E.

Die beiden Wellen schreiten entlang dem Weg 15 fort und treffen auf den Koppler 11 an der Oberfläche 16 auf. Der Koppler 11 teilt jede Welle in zwei getrennte Wellen auf, von denen die eine entlang dem Weg 17 die andere entlang dem Weg 18 gerichtet wird. Die entlang dem Weg 18 gerichteten Wellen werden als reflektierte Wellen bezeichnet, während die entlang dem Weg 17 gerichteten Wellen als übertragene Wellen bezeichnet werden.The two waves proceed along path 15 and impinge on coupler 11 at surface 16. The coupler 11 divides each wave into two separate waves, one directed along path 17 and the other directed along path 18. The waves directed along the path 18 are referred to as reflected waves, while those directed along the path 17 Waves are referred to as transmitted waves.

Die reflektierte Welle, die sich aus der Polarisation E ergibt, wird durch den Vektor E in der Fig. dargestellt, während die übertragene Welle mit dem Vektor E bezeichnet ist. BeideThe reflected wave resulting from the polarization E, is represented by the vector E in the figure, while the transmitted wave is denoted by the vector E. Both

XLXL

Wellen E , E weisen die gleiche Polarisierung wie ihre erzeugende Welle E auf. Entsprechend werden die reflektierte und die übertragene Welle aus der E(>-Polarisalion mit dem Vektor E0 bzw. E bezeichnet. Es sei darüber hinaus daraufWaves E, E have the same polarization as their generating wave E. Correspondingly, the reflected and the transmitted wave from the E (> polarization are denoted by the vector E 0 and E, respectively

203853/0^27203853/0 ^ 27

hingewiesen, daß auch diese Wellen in der gleichen Richtung polarisiert sind, wie ihre ei'zeugende Welle.pointed out that these waves are polarized in the same direction as their generating wave.

Gemäß den Prinzipien der Erfindung wurde erkannt, daß dieIn accordance with the principles of the invention, it has been recognized that the

relative Amplitude und Phase von E, und E„ und die relative ^ - Ir 2rrelative amplitude and phase of E, and E "and the relative ^ - Ir 2r

Amplituden und Phasen von E und E gleichgemacht werdenAmplitudes and phases of E and E are made equal

XL ώΐXL ώΐ

können, in dem die Parameter £. , f. , d , d in Überein-in which the parameters £. , f., d, d in correspondence

1 A χ 1 A χ 2 »

Stimmung mit den folgenden Verhältnissen gewählt werden:Mood can be selected with the following proportions:

1-)2 / 1 -) 2 /

d -d -

-sin V-sin V

sinsin

-1-1

• 2„ - sin θ. ι• 2 "- sin θ. ι

(1-R) (1 - R)

dabei ist k eine nicht durch zwei teilhare ganze Zahl, R der relative Anteil der einfallenden Welle, welcher entlang dem Weg 18 gekoppelt werden soll und X ο ist die Wellenlänge der einfallenden Energie im freien Raum.where k is an integer not divided by two, R the relative one Proportion of the incident wave which is to be coupled along the path 18 and X o is the wavelength of the incident Energy in free space.

20985 3/082720985 3/0827

In dem vorliegenden dargestellten Fall kann aufgrund obiger Parameter und Gleichungen geschrieben werden:In the case shown here, the following parameters and equations can be used to write:

Elr E2r E lr E 2r

E2 E 2

El " E E l " E

dabei sind r und t als die Übertragungs- und Reflexionskoeffizienten des Kopplers für normal und parallel zur Einfallsebene polarisierte Wellen definiert.where r and t are the transmission and reflection coefficients of the coupler for normal and parallel polarized ones to the plane of incidence Waves defined.

Da eine entlang dem Weg 15 wände rnde Welle beliebiger Polarisation in zwei Wellen aufgeteilt werden kann, wobei die eine in der Einfallsebene und die andere senkrecht zu dieser Einfallsebene polarisiert sind, ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Parameter r und t die Übertragungs- und Reflexionskoeffi a ent en für eine derartige Welle ebenfalls repräsentieren. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Polarisationen E und E anstelle'die Felder getrennter Wellen darzustellen, tatsächlich die Komponentenfelder einer einzelnen Welle mit einem Elektrischen Feld E sind, d.h.,: E3 - E1 + E2.Since a wave of arbitrary polarization walling along path 15 can be split into two waves, one being polarized in the plane of incidence and the other being polarized perpendicular to this plane of incidence, it is readily apparent that the parameters r and t are the transmission and reflection coefficients a ent s for such a wave also represent. Assume, for example, that instead of representing the fields of separate waves, the polarizations E and E are actually the component fields of a single wave with an electric field E, ie: E 3 - E 1 + E 2 .

209853/0827209853/0827

Der Einfall dieser Welle auf den Koppler führt zu übertragenen und reflektierten Wellen E , E , E , E , wie zuvor ;ausThe incidence of this wave on the coupler results in transmitted and reflected waves E, E, E, E, as before;

It 2a, ±V ciE dem vorherigen Fall ist jedoch bekannt: However, it 2a, ± V ciE the previous case is known:

Elr = rEl
E2r = rE2
E!t - *i
E2t 3 tEX
E lr = rE l
E 2r = rE 2
E ! T - * i
E 2t 3 tE X

Daher ergeben sich die zusammengesetzten reflektierten und übertragenen Wellen aus E wie folgt:Hence the composite reflected and transmitted Waves from E as follows:

In einer Ausführungsform der Erfindung für Hybridoperation (d. h., die Hälfte der Energie wird übertragen und die andere Hafte reflektiert) bei einer Frequenz von 100 GHz (d.h., λο = 3, 0 mm) wurden Werte von £ = 1, 26 und £.=9,4 als befriedigendIn one embodiment of the invention for hybrid surgery (i.e., half of the energy is transmitted and the other stick is reflected) at a frequency of 100 GHz (i.e., λο = 3.0 mm) values of £ = 1.26 and £. = 9.4 were considered satisfactory

JL et JL et

gefunden. Ein Material mit dem ersten Wert der Dielektrizitätskonstanten bei einer Frequenz von 100 GHz ist Buna-S-Gummi, während ein Material mit dem letzteren Wert der Dielektrizitätskonstanten bei 100 GHz Aluminiumoxid bzw. Tonerde ist. Andere wichtige Abmessungen dieser Ausführungsform sind folgende:found. A material with the first value of the dielectric constant at a frequency of 100 GHz is Buna-S rubber, while a material with the latter value of the dielectric constant at 100 GHz is aluminum oxide or alumina. Other important dimensions of this embodiment are as follows:

209853/0827209853/0827

θ. 73,4θ. 73.4

d / Xo 0,428d / Xo 0.428

do/ λο 0, 078d o / λο 0, 078

In der dargestellten Ausführungsform war angenommen, daß die auf den Koppler 11 einfallenden Wellen im wesentlichen ebene Wellen sind und daß der Koppler 11 im wesentlichen unbegrenzt ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auch dann anwendbar sind, wenn der Koppler 11 begrenzt ist, beispielsweise wenn er innerhalb einer Wellenleitungsverbindung angeordnet ist. In diesen Fällen müssen jedoch die für die Dicke und Dielektrizitätskonstanten der Kopplerschichten abgeleiteten Gleichungen in dem Maße abgewandelt werden, wie der Zustand der geführten Welle von dem Zustand der ebenen Welle abweicht.In the illustrated embodiment it was assumed that the waves incident on the coupler 11 are substantially plane waves and that the coupler 11 is substantially unlimited is. It should be noted, however, that the principles of the present invention also apply when the Coupler 11 is limited, for example when it is located within a waveguide link. In these cases you have to however, the equations derived for the thickness and dielectric constants of the coupler layers are modified to the same extent become how the state of the guided wave deviates from the state of the plane wave.

Auf jeden Fall versteht es sich, daß die oben beschriebene Anordnung nur ein AusfUhrungsbeispiel für viele möglichen Ausführungen der Erfindung gelten kann. Zahlreiche und abgeänderte andere Ausführungsformen können gemäß Erfindungsgedanken realisiert werden ohne aus dem Schutzumfang der Erfindung zu gelangen. Beispielsweise können die Dielektrizitätskonstanter, und Dicken der ersten und dritten dielektrischen SchicMen anstelle gleich gewählt zu werden, auch unterschiedlich gewählt werden.In any case, it is understood that the arrangement described above only one embodiment can apply to many possible embodiments of the invention. Numerous and modified ones other embodiments can be implemented in accordance with the inventive concept without departing from the scope of the invention reach. For example, the dielectric constant, and thicknesses of the first and third dielectric layers instead to be chosen the same, also to be chosen differently.

209853/^62"-209853 / ^ 62 "-

Claims (3)

J1IJ 1 I PATENTANSPRÜCHEPATENT CLAIMS Richtungskoppler zur Trennung einer einfallenden Welle in mindestens zwei Ausgangswellen, wobei die eine Ausgangswel Ie mit der einfallenden Welle durch einen Übertragungskoeffizienten und eine zweite Ausgangswelle mit der einfallenden Welle durch einen Reflexionskoeffizienten verknüpft sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler (11) drei benachbarte Bereiche (12, 13, 14) umfaßt, der jeweils eine vorbestimmte Dicke und Dielektrizitätskonstante aufweisen,, und daß die Dicken und die Dielektrizitätskonstanten der jeweiligen Bereiche (12, 13, 14) so gewählt sind, daß der Übertragungskoeffizient und der Reflexionskoeffizient des Kopplers (11) unabhängig von der Polarisation der einfallenden Welle sind.Directional coupler for separating an incident wave in at least two output waves, one output wave Ie with the incident wave by a transmission coefficient and a second output wave is linked to the incident wave by a reflection coefficient, characterized in that the coupler (11) comprises three adjacent areas (12, 13, 14), each of which has a predetermined one Thickness and dielectric constant, and that the thicknesses and the dielectric constants of the respective regions (12, 13, 14) are selected so that the transmission coefficient and the The reflection coefficient of the coupler (11) are independent of the polarization of the incident wave. 2. Richtungskoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Bereiche (12, 14) gleiche Dicken und gleiche Dielektrizitätskonstanten aufweisen.2. Directional coupler according to claim 1, characterized in that the two outer regions (12, 14) are the same Have thicknesses and the same dielectric constants. 3. Richtungskoppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken und die Dielektrizitätskonstanten der jeweiligen Bereiche gemäß folgenden Gleichungen gewählt sind:3. Directional coupler according to claim 2, characterized in that the thicknesses and the dielectric constant of the respective areas are selected according to the following equations: 209853/0827209853/0827 I)2/cos2 β.I) 2 / cos 2 β. di = ~τ~ d i = ~ τ ~ ■-sin2 Q . 1 ι■ -sin 2 Q. 1 ι undand α2 2 TT α 2 2 TT . -1. -1 sinsin \/82-sin θ.\ / 8 2 -sin θ. 1-R1-R IT 2fi \IT 2f i \ 2- V)2 - V) dabei ist θ. der Winkel zwischen der Fortpflanzungsrichtung der einfallenden Welle (15) und der normalen auf die Oberfläche (16) des ersten Bereich (12), k ist eine durch zwei nicht teilbare ganze Zahl, A. ο die Wellenlänge der elektromagnetischen Energie, R der reflektierte Anteil der einfallenden Energie, d die Dicke der jeweils äußeren Bereiche (12, 14), £ die Dielektrizitätskonstante der jeweils äußeren Bereiche (12, 14) und d und £ die Dicke bzw. die Dielektrizitätskonstante des dazwischenliegenden bereichs (13).where θ is. the angle between the direction of propagation of the incident Wave (15) and the normal to the surface (16) of the first area (12), k is an integer not divisible by two, A. ο the wavelength of the electromagnetic energy, R the reflected Share of the incident energy, d the thickness of the respective outer areas (12, 14), £ the dielectric constant of each outer areas (12, 14) and d and £ the thickness or the dielectric constant of the intermediate area (13). ? Π 9 8 5 3 / 0 8 2 7? Π 9 8 5 3/0 8 2 7
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