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Als Bandsperre wirksame Kreuzschaltung Die Erfindung betrifft eine
als Bandsperre wirksame Kreuzschaltung, in deren vier einzelnen Zweigen mit ohmschen
Widerständen abgeschlossene Bandpässe angeordnet sind, derart, daß die-in deniliagonalzweigen
liegenden Bandpässe widerstandsreziprok sind zu den in den Längszweigen liegenden
Bandpässen.
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Bekanntlich werden beim Aufbau von Nachrichtenüh ertragungssystemen'
immer wieder Selektionsmittel benötigt, mit deren Hilfe Signale bestimmter Frequenzen
aus einem breitbandigen Nachrichtenfluß ausgesiebt werden können. Selektionsmittel
dieser Art bezeichnet man als Bandsperren und es sind zu deren Realisierung bereits
die verschiedensten Möglichkeiten bekannt geworden. Zur Realisierung extrem schmalbandiger
Sperren verwendet man häufig Quarzschaltungen, Bandsperren mit einem breiten Sperrbereich
lassen sich im allgemeinen mit Hilfe von Schaltungen realisieren, die nur aus Spulen
und Kondensatoren bestehen. Häufig tritt jedoch auch die Forderung auf, Bandsperren
zu realisieren, deren relative Sperrbreite in der Größenordnung von einem oder einigen
Prozent liegt. Hierfür sind Quarzsperren oft zu schmalbandig, LC-Bandsperren erfordern
wiederum zu extreme, nicht realisierbare Elementewerte.
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Zusätzlich zu diesen Forderungen nach unterschiedlichsten Sperrbandbrelten
tritt immer wieder die Forderung nach konstanten oder zumindest näherungswelse konstanten
Betriebswiderständen im Durchlaß- und Sperrbereich an den Eln- und Ausgangsklemmen
der Bandsperre auf. Zur Erfüllung der letztgenannten Forderung ist es bereits bekannt
geworden, Bandsperren in Form von Kreuz schaltungen zu realisieren,
wobei
in den einzelnen Zweigen der Kreuzschaltung Bandpässe angeordnet sind. Die technische
Realisierung solcher Kreuz schaltungen nimmt man dann im allgemeinen in Form von
Differential-T-Schaltungen vor, die nach bekannten Methoden aus den Kreuz schaltungen
entwickelt werden können.
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In diesem Zusammenhang sind durch das Buch "Theorie der linearen Wechselstromschaltungen"
(W.Cauer, Akademie-Verlag, Berlin 1954), insbesondere Seite 477, bereits brükkenartige
Weichen, welche zwei zueinander widerstandsreziproke Filter enthalten, bekannt geworden.
Die Ausgestaltung solcher Weichen als Differentialweichen ist dort ebenfalls angegeben.
Wie unter anderem auf Seite 483 des genannten Buches ausgeführt ist, kann als Sonderfall
die Verwendung antimetrischer Filter ins Auge gefaßt werden.
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Dadurch können die Filter in den Längs- und Diagonalzweigen, abgesehen
von einer Vertauschung von Ein- und Ausgang, unter sich übereinstimmend gewählt
werden, und es entsteht bei entsprechender Belastung mit ohmschen Widerständen eine
Schaltung mit allseitig konstantem Betriebswiderstand. Zwar sind in der genannten
Textstelle die theoretischen Zusammenhänge in allgemeiner Form behandelt und abgeleitet,
jedoch ist auf die Verwendung spezieller Filter nicht hingewiesen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bandsperren mit beidseitig
zumindest angenähert konstantem Eingangswiderstand anzugeben, die als Quarz- oder
Spulenbandsperren realisierbar sind und deren Sperrbreite in der relativen Größenordnung
von weniger als einem Promille bis zu einigen Prozent liegt.
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Binde Möglichkeit zur Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer Band
sperre der einleitend genannten Art darin, daß in sämtlichen Zweigen gleiche Bandpässe
vorgesehen sind, und daß zur Erzielung der zueinander widerstandsreziproken
Eingangsimpedanzen
für die Längs- bzw. Diagonalzweige den Bandpässen unterschiedliche Anpassungsglieder
vorgeschaltet sind, die im DurchlaBbereich der Bandpässe deren Eingangsscheinwiderstände
in näherungsweise reelle, gleiche Widerstandswerte transformieren, während sie im
Sperrbereich der Bandpässe praktisch imaginär und zueinander dual sind.
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Eine weitere Tösungsmöglichkeit, bei der zur Erzielung der Widerstandsreziprozität
in allen vier Zweigen unter sich gleiche, antimetrische Bandpässe vorgesehen sind,
deren Anschaltung an die einzelnen Zweige durch Vertauschen der Ein- bzw. Ausgangsklemmen
erfolgt, besteht darin, daß der Realisierung der einzelnen Bandpässe eine gerade
charakteristische Funktion (p) folgender Form
(n: ungerade Zahl) zugrunde gelegt ist; hierin bedeuten p die komplexe Frequenz,
+a ein Nullstellenpaar auf der reellen Achse der p-Ebene, +AS Nullstellenpaare auf
der imaginären Achse der p-Ebene, mit /=1,3,5...n und k>O ist eine reelle Konstante.
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Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend noch
näher erläutert.
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In Fig.i ist im Blockschaltbild ein Kreuzglied gezeigt, in dessen
vier einzelnen Zweigen mit den ohmschen Widerständen R abgeschlossene Bandpässe
BP angeordnet -sind. lie gestrichelt gezeichneten Linien sollen dabei kenntlich
machen, daß an dieser Stelle die gleichen Schaltungsstrukturen wie im ausgezogen
gezeichneten Längs- bzw. Diagonalzweig
angeordnet sind. Die Bandpässe
BP sind unter sich gleich susgebildet. Damit die in den Diagonalzweigen liegende
Gesamtschaltung widerstandsreziprok ist zu der in den Längs-Zweigen liegenden Gesamtschaltung,
sind den Bandpässen BP in den Längs zweigen Anpassungsglieder A1 bzw. A3 vorgeschaltet,
während den Bandpässen BP der Diagonalzweige Anpassungsglieder A2 bzw. A4 vorgeschaltet
sind. Anhand der Fig.3 und 11 werden Struktur und Bemessung der einzelnen Anpassungsglieder
noch erläutert und es wird gezeigt, daß sie im Durchlaßbereich der Bandpässe BP
deren Eingangsecheinwiderstände in näherungsweise reelle gleiche Widerstandswerte
transformieren, während sie im Sperrbereich der Bandpässe BP praktisch imaginär
und zueinander dual sind.
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Bei Verwendung der Anpassungsglieder Ai und A2 gemäß Fig.3 werden
zwei gleiche oder im wesentlichen gleiche, z.B.
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nach den in der Literaturstelle "Narrow-Band Crystal Filter Transformations"
(Electro-Technology, August 1965, Seiten 3- bis 37) angegebenen Richtlinien berechnete
Quarzbandpässe gemäß Fig.2 mit dem Eingangswiderstand W1=1/2[(1+#)] mit ß 1 für
Qar1 (mit Q=1 als normierte Mittenfrequenz der Bandpässe BP) nach dem Schema der
Fig.1 geschaltet. Bei diesen Quarzbandpässen wird aus Realisierungsgründen in bekannter
Weise jeder zweite Querzweig um einen Resonanzübertrager erweitert.
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Das Anpassungsglied A1 (vgl. Fig.3) ist ein Vierpol, in dessen Querzweigen
aufeinanderfolgend die Spule 1/C, der Kondensator C, ein Serienresonanzkreis aus
der Spule C0 und dem Kondensator 1/#r²C0 sowie ein weiterer Kondensator mit dem
normierten Blindwiderstand 1 liegen. Unter a, r ist dabei die Resonanzfrequenz des
Schwingkreises zu verstehen.
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Dieses Teilglied hat für die normierte Bandmittenfrequenz Q=1 den
Wellenwiderstand Z=oo . Es schließt sich
daran ein transformierendes
Halbglied mit einem Kondensator im Quer- und Längszweig an, wobei der Kondensator
im Querzweig den normierten Blindwiderstand -i und der Kondensator im Längszweig
den normierten Blindwiderstand 2 bei der Frequenz Q=1 hat. Das Anpassungsglied A2
(vgl. Fig.3) ist ein Vierpol, das mit einem Serienresonanzkreis aus der Spule C
und dem Kondensator 1/C beginnt. Im daran anschließenden Querzweig liegt eine Spule
mit dem normierten Wert l/r2Co ° und ein Kondensator #r²C0. Daran anschließend folgt
ein transformierendes Halbglied mit einem Kondensator vom normierten Blindwiderstand
1 im Querzweig und einem Kondensator vom normierten Blindwiderstand -2 im Längszweig.
Die Bemessung der Anpassungsglieder A und A2 erfolgt nach der Formel C0=1/(1-#r²)#1,
1, die Größe C ist völlig frei wählbar, die Größe C0 ist bedingt frei wählbar, wobei
insbesondere als mögliche Beispiele C=Co=Z...5 möglich ist.
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Die Glieder A1 und A2 nach Fig.3 übersetzen bei der Frequenz Q=1 einen
reellen Widerstand 1/2 auf 1. Die Struktur der Anpassungsglieder gewährleistet die
Realisierbarkeit der Schaltung in einer der Fig.5 entsprechenden Weise.
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Die Glieder A1 und A2 übersetzen im Durchlaßbereich des Bandpasses
um Q=1 den Eingangswiderstand des Bandpasses- BP W1= 21(1+, 1 auf duale, fast gleiche
Werte
und # W12=1-j .
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1+#/2(1+j)
Damit gilt hier abt ar BP A1 A2 laufen
im Sperrbereich des Bandpasses praktisch leer. Da die primärseitigen Leerlaufwiderstände
dual und imaginär sind, erweist sich die Schaltung der Fig.1 als Bandsperre mit
fast konstantem Eingangswiderstand, die im Durchlaßbereich des Bandpasses sperrt
und im Sperrbereich des Bandpasses wie ein Allpaß-D-Glied wirkt.
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Der Einfluß der Verluste der Bauelemente der Bandpässe läßt sich bei
der Sperrfrequenz in sehr einfacher Weise durch Korrektur der Abschlußwiderstände
und Abstimmen der parallel geschalteten Kapazität oder Induktivität ausgleichen.
Bei entsprechender Auslegung der verwendeten Bandpässe ergeben sich beim rechnerischen
Verlustausgleich gewöhnlich vernachlässigbare Widerstandskorrekturen AR ~R2, mit
Rq als q Quarzverlustwiderstand. Der praktische Ausgleich der Verluste in so bemessenen
Schaltungen erfolgt in einfacher Weise durch Abstimmung nur je eines Reaktanzelementes
im Längs- und Querzweig der Kreuzschaltung.
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Hierzu sind in Fig.16 unmittelbar Pormeln für den Ausgleich der Quarzverluste
durch Zweipoltransformation angegeben.
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eine Bandsperrenschaltung mit zwei Quarzen ist in Fig.4 gezeigt. Diese
symmetrische Bandsperrenschaltung mit angenähert konstantem Eingangswiderstand,
abgeleitet von der Schaltung der Fig.1 unter Verwendung der Transformationsglieder
A1 und A2, wird z.B. in der in Fig.5 gezeigten Weise unter Verwendung zweier realer
(verlustbehafteter) Quarze Q3 und Q4 realisiert.
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Zur besseren Übersicht ist in Fig.4 unmittelbar das Berechnungsschema
der einzelnen Schaltelemente angegeben, Fig.5 zeigt die Realisierung dieser Schaltung
in Form der
äquivalenten I)ifferential-T-Schaltung. Die e in beiden
Zweigen auftretenden Spulen lx sind an sich nicht zwingend erforderlich, jedoch
zweckmäßig, weil sie das Verhältnis von statischer zu dynamischer Kapazität (Cp/Cq-Verhältnis)
der Quarze erhöhen. Die Schaltung enthält höchstens sechs, mindestens vier Spulen
und Kondensatoren sowie zwei ohmsche Widerstände.
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Ihre Sperrdampfung ergibt sich bei richtiger Einstellung der Abschlußinduktivitäten
unabhängig von der Quarzgüte in erster Näherung zu ab#ln|1/xq|, wobei xq den normierten
Blindwiderstand des Quarzserienkreises bedeutet.
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Fig.6 zeigt eine vereinfachte Bandsperrenschaltung mit zwei Quarzen.
Unter Verwendung von zwei Quarzen mit definiert geringer Güte lassen sich bei geringstmöglichem
Aufwand Band sperren mit angenähert konstantem Eingangswiderstand nach Fig.6 realisieren,
die sowohl das formelmäßige Berechnungsschema der Kreuzschaltung als auch die hierzu
äquivalente Differential-T-Schaltung zeigt. Diese Schaltung mit Sperreigenschaften
ab#ln|1/xq| und Reflexionsfaktoren kleiner als
enthält Quarze, deren Güte gewöhnlich um eine Größenordnung geringer sein kann als
die herkömmlicher Kristalle.
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Bandsperren mit relativen Sperrbreiten in der Größenordnung von einigen
Prozent mit näherungsweise konstantem Eingangswiderstand lassen sich in der folgenden
Weise realisieren.
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Als Ausgangspunkt dienen hierbei Betriebsparametertiefpässe nach Fig.7
mit Induktivitäten lg in den Längs- und
Kapazitäten CZ in den Querzweigen,
die durch Frequenztransformation in Bandpässe nach Fig.8 überführt werden, so daß
dort in den Schaltelementewerten noch die Bandbreite B als Parameter erscheint.
Diese Schaltungen enthalten sehr niederohmige Querspulen und lassen sich deshalb
erst nach einigen Umwandlungen entweder mit oder ohne Quarz realisieren, wie dies
in den Fig.9 und 10 unter Zugrundelegung eines Beispiels mit sieben Resonanzkreisen
gezeigt ist.
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Fig.9 läßt eine Schaltung erkennen, deren innerer Abschnitt Differential-T-Glieder
enthält, die im Überbrückungszweig ersetzschaltbildmäßig die Struktur von Schwingquarzen
Q1 und Q2 haben. Fig.. 10 zeigt eine reine Abzweigstruktur, die nur aus Spulen und
Kondensatoren besteht. Die niederohmigen Querparallelschwingkreise der Fig.8 sind
in der Schaltung nach Fig.10 durch eine Reihe von kapazitiven Übersetzungen auf
realisierbare Schaltelementewerte gebracht. Die normierten ein- und ausgangsseitigen
Abschlußwiderstände haben den Wert 1/2.
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Die in den Fig.9 und 10 gezeigten, abgeschlossenen Bandpässe werten
nun über die Anpassungsglieder A3.'und A4 nach Fig.11 in die Zweige des Kreuzgliedes
nach Fig.1 eingefügt. Die Realisierung erfolgt im allgemeinen durch eine erdunsymmetrisch
ausgebildete Differential-T-Schaltung.
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Die in Fig.11 dargestellten Anpassungsglieder A3 und A4 dienen genau
dem gleichen Zweck wie die Anpassungsglieder A1 und A2 gemäß Fig.3, so daß die dort
gemachten Ausführungen analog gelten. Das Anpassungsglied A3 ist als Halbglied mit
einer Spule im Querzweig und einem Kondensator im Längszweig ausgebildet, wobei
darauf zu achten, ist, daß bei der Mittenfrequenz der Sperre die Spule den normierten
Blindwiderstand 1 und der Kondensator den normierten Blindwiderstand 2 hat. Das
Anpassungsglied A4 besteht aus einem Kondensator im Querzweig und einem Kondensator
im-
Längszweig, wobei in analoger Weise bei der Mittenfrequenz der Sperre der normierte
Blindwiderstand des Querzweigkondensators den Wert 1 und der normierte Blindwiderstand
des Längszweigkondensators den Wert -2 haben muß.
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Schaltelemente mit negativen Größen müssen in bekannter Weise in sich
anschließenden Filterzweigen durch Schaltelemente mit positiver Größe aufgenommen
werden.
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Die Bandsperre selbst, deren Sperrdämpfung der Reflexionsdämpfung
des verwendeten Bandpasses entspricht, besitzt einen angenähert konstanten Eingangswiderstand.
Sie wirkt im Durchlaßbereich wie ein Allpaß-A-Glied.
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In Fig.12 ist schematisch ein Kreuzglied dargestellt, das, wie eingangs
bereits erwähnt, in den Längs- und Diagonalzweigen antimetrische Filter F aufweist
und wellenwiderstandsrichtige Bandsperren liefert. Zur Erzielung der Widerstandsreziprozität
sind die Eingangsklemmen und die Ausgangsklemmen der Filter F miteinander vertauscht,
so daß also in den Diagonalzweigen die Eingangsklemmen mit a und a' und die Ausgangsklemmen
mit b und b' bezeichnet sind, während dies in den Längszweigen gerade umgekehrt
ist. Die Filter F selbst sind mit den auf einen an-sich beliebigen Bezugswiderstand
normierten Widerstand w=1 abgeschlossen, wodurch auch an den Eingangsklemmen C,
C' und den Ausgangsklemmen D, D' die normierten Eingangs-bzw. Ausgangswiderstände
w1=w2=1 erscheinen. Damit sind die Kreuzglieder der Fig.12, bestehend aus gleichen
antimetrischen Bandpässen mit der charakteristischen Funktion #=#(p²), wellenwiderstandsrichtig,
und es ergibt sich zwischen den Klemmen 0, C' und D, D eine Bandsperre. Auf dieser
Grundlage lassen sich unter Verwendung realer Übertrager (neben Tiefpässen) wellenwiderstandsrichtige
Bandsperren auch erdunsymmetrisch realisieren.
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Zur Realisierung schmaler LC-Bandsperren zeigt sich nun, daß besonders
Filterstrukturen nach Fig.13 vorteilhaft sind, da sich hierdurch Schaltelemntewerte
ergeben, die auch bei hohen Frequenzen noch gut herstellbar sind. Entsprechend Fig.12
sind auch in Fig.13 die gleichen Bezugszeichen für Ein- und Ausgang des Filters
gewählt, wobei in allgemeiner Form das Filter aus den Resonanzkreisen 1 bis n besteht,
die abwechselnd, beginnend mit dem Resonanzkreis 1 in den Längs- und Querzweigen
der Schaltung, angeordnet sind. Im Eingangsquerzweig liegt ein Kondensator cO, im
Ausgangsquerzweig eine Spule loe Das Filter ist eingangsseitig mit dem Widerstand
1, ausgangsseitig mit dem Widerstand ü2 abgeschlossen, wenn U die im Filter auftretende
Übersetzung bedeutet. Bei der Bemessung ist lediglich darauf zu achten, daß dem
in Fig.13 gezeigten Filter eine charakteristische Funktion
(n: ungerade Zahl) zugrunde gelegt ist; hierin bedeuten p die komplexe Frequenz,
+a ein Nullstellenpaar auf der reellen Achse der p-Ebene, #A#-Nullstellenpaare auf
der imaginären Achse der p-Ebene, mit L' =1,3,5...n zu .n und k>O ist eine reelle
Konstante. Die Berechnung der Schaltelemente erfolgt nach den bekannten Methoden
der Betriebsparametertheorie.
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Es ergeben sich dadurch Bandpässe mit beliebig steuerbaren Eingangsgrößen
cO, lo durch Veränderung der Parameter a und k ohne wesentliche Beeinflussung der
Eigenschaften, insbesondere wird für a, A##1 auch Co lob ü#1.
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Die Bandpässe F können außer der in Fig.13 gezeigten Struktur auch
in der in Fig.9 und 10 gezeigten, an sich bekannten Weise äquivalent umgewandelt
und die Sperre als
Differential-U-Schaltung realisiert werden.
Die Sperrdämpfung der Schaltung ist der angesetzten Reflexionsdämpfung der Bandpässe
gleich.
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In den Fig.14 und 15 ist eine Schaltung gezeigt,-die zur Pilotsperrung
und Pilotauskopplung in Trägerfrequenzsystemen geeignet ist. Die im vorstehenden
behandelten Schaltungen basieren auf einer Grundschaltung, die als Differential-T-Schaltung
in Fig.1 dargestellt ist, wobei die Elemente der Kettenmatrix sowie das Übersetzungsverhältnis
der Übertrager unmittelbar in Fig.14 angegeben sind. Die Größen a1, a2,b und c=b
sind die auf die Abschlußwiderstände 1/2 bezogenen Elemente der Kettenmatrix:
Die Schaltungen bestehen aus im Idealfall gleichen antimetrischen, ansonsten praktisch
gleichen antimetrischen Reaktanzvierpolen speziell mit Bandpaßcharakter. Ihr Wellenwiderstand
ist im Idealfall, reell konstant gleich 1.
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Der Betriebsübertragungsfaktor beträgt gb a1+a2+2b eg = - = - = -
1/r .
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a1-a2 # Durch Einführen eines weiteren Differentialübertragers läßt
sich eine Prinzipschaltung gewinnen, die speziell zur Pilotsperrung und -auskopplung
verwendet werden kann.
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Der Wellenwiderstand der Schaltung gemäß Fig.15 ist bei Abschluß des
Auskopplungstores gleich 1. Bei Abschluß auch der Sperrentore mit 1 ergeben sich
die Betriebsübertragungsfaktoren in Sperrichtung egbs - - a1+a2+2b eg 1 a1-a2 w
- e r
bzw. in Auskoppelrichtung egbA=1/2(a1+a2+2b)=eg.
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Damit entspricht das Verhältnis der Betriebsübertragungsfaktoren egbA
egbS der charakteristischen Funktion # des mit 1/2 abgeschlossenen Reaktanznetzwerkes
im Querzweig. Der Betriebseingangswiderstand des Auskopplungstores beträgt 1+b(a1+a2+2b)
WA= - .
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1- 1/2(a1+a2)(a1+a2+2b) Dem entspricht der Reflexionsfaktor
7 Patentansprüche 16 Figuren