DE2303737A1 - Hohlleiter-schalter - Google Patents

Description

16. Jan. 1S73 Gzs/fr

NORTi-L AMERICAN ROCKWELL CORP., 1700 East Imperial Highway, El Segundo,. California 90245

Hohlleiter-Schalter

Die Erfindung betrifft Kikrowellen-Schalteinrichtungen für die selektive Kopplung eines gemeinsamen Tores in einem Mikrovellsn Schaltkrsis mit einem von zwei alternativen Toren.

Bei der Ausführung von Mikrowellen-Zuführungen ist es häufig <ohischenswert oder notwendig, unterschiedliche Tore oder Abschlüsse einer vieltorigen Wellenleiteranordnung schaltbar miteinander zu verbinden. Z.B* kann bei einer elektronisch abgetasteten Antennenanordnung ein vergrößerter Winkelabtastbereich bewirkt v/erden, in-dem die Mikrowellen-Zuführung alternativ zu einem gegenüberliegenden Ende der Antennenanordnung in einer aufeinanderfolgenden Äbtastbetriebsweise oder Zyklus angelegt wird. Wenn somit die Antennenanordnung von ihrem einen Ende gespeist wird, kann der Abtastwinkel dem Bereich 0-ß ° entsprechen, während ein Zuschalten des Speisepunktes an gegenüberliegenden Enden der Reihe während eines darauffolgenden Abtastzyklus einem Bereich von 0 +ß ° entsprechen kann, wobei der

ike!bereich, der erreicht wird, sich verdoppelt:

C-emäß cleiri Stand der Technik von schaltbaren pf

srarden Kombinationen von nichtresiproken Einrichtungen, wie z.B

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Ferrit-Zirkulatoren, in Kombination mit "Varaktor-Dioclen innerhalb einer vieltourigen Wellenleiterstruktur verwendet. Ein Schalten der Vorspannung, die an der Diode anliegt, schaltet die Diode zwischen einer reflektierenden Kurzschlußimpedanz und einem angepassten Impedanzzustand zum miteinander Verkoppeln von unterschiedlichen Toren der Wellenleiteranordnung mittels unterschiedlicher Zirkulatoren, wie es in dem US-Patent Nr. 3 205 ^L\95 beschrieben wurde.

Ein Nachteil einer derartigen Anordnung ist die Energiedämpfung, die mittels der verwendeten Zirkulatoren eingebracht wird. Ebenso führt der auf diese Art erreichte asymmetrische Mikrowellen-Schaltkreis zu einer nichtsymmetrischen Arbeitsweise der Verwendungseinrichtungen. Weiterhin werden dort, wo schaltbare Ferric-Zirkulatoren verwendet wurden, Schaltsteuer-Leistungseinrichtungen von wesentlich höherer Leistungsanforderung notwendig, um die Verwendung von Dioden zu vermeiden. Weiterhin ist die Schaltgeschwindigkeit dieser letztgenannt en Schali>einrichtungen ausserordentlich stark begrenzt.

Mit Hilfe des Konzeptes der vorliegenden Erfindung werden die oben genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden und eine zweizügige Schalteinrichtung für Mikrowellen-Schaltkreise geschaffen, die in ihrer Anordnung und Funktion symmetrisch ist, und die keine Ferrit-Zirkulatoren oder andere nichtreziproke Impedanzeinrichtungen verwendet«

Bei einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung werden drei gleichartige, symmetrisch angeordnete Y-förmige Wellenleiter-Abschnitte verwendet, wobei ein erster Arm eines ersten und eines zweiten Y-fÖrmigen Wellenleiter-Abschnittes einen entsprechenden ersten und, zweiten Arm eines dritten Y-förmigen Wellenleiter-Abschnittes umfasst. Ein dritter Arm eines dritten Y-förmigen Wellenleiter-Abschnittes umfasst ein gemeinsames Tor, während ein dritter Arm des ersten und des zweiten 7-förmigca Wellenleiter-

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Abschnittes ein erstes "bzw. zweites geschaltetes Tor bilden. Ss werden ebenfalls elektrisch schaltbare Impedanzeinrichtungen geliefert, die zwischen den Wellenleiter-Abschnitten angeordnet sind, um selektiv entweder das erste oder das zweite Tor in dem Mikrowellen-Schaltkreis mit dem gemeinsamen Tor zu verbinden.

Mit Hilfe einer derartigen symmetrischen Anordnung werden Kopplungen von irleichartiger Qualität zwischen dem gemeinsamen

und dem uricr dem
Tor 7 ersten / . zweiten Tor geliefert. Ebenso werden, da nicht-reziproke Koppelimpedanzen nicht verwendet werden, die Verluste vermieden, die mit derartigen Einrichtungen sonst verbunden sind» Weiterhin ist die schaltbare Wellenleiter-Anordnung auf diese Weise reziprok, so daß sie in gleicher Weise nützlich ist für Empfangen und Senden einer alternierend geschalteten, endgespeisten, elektronisch abtastenden Antennenanordnung. Weiterhin stellt die funktionelle Symmetrie der. Einrichtung der Erfindung eine gleichartige Zusammenarbeit zwischen ö^e{iem der geschalteten Tore und dem gemeinsamen Tor sicher.

Entsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten zweizügigen Mikrowellen-Schalter zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Mikrowellen-Schalters, der reziprok im Betrieb arbeitet.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Schalters, der niedrige Einführungsverluste aufweist.

Im folgenden wird daher ein doppelzügiger Mikrowellen-Schaltor beschrieben, der zwei gleichartige, symmetrisch angeordnete, Y-förmige Wellenleiter-Abschnitte umfasst. Ein Ana eines ersten und eines zweiten Ύ-förmigen Wellenleiter-Abschnittes umfassen einen entsprechenden ersten und zweiten Arm eines dritten der

* ein

drei Y-förmigen Wellenleiter-Abschnitte, und /" dritter ^_{rn r}].^~

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dritten Y-förmigen Wellenleiter-Abschnittes umfasst ein gemeinsames Tor. Ein dritter Arm des ersten und des zweiten Wellenleiter-Abschnittes bilden entsprechend ein erstes und ein zweites geschaltetes Tor. Elektrisch schaltbare Impedanzeinrichtungen, die zwischen den Wellenleiter-Abschnitten angeordnet sind, verkoppeln selektiv alternativ das erste und das zweite Tor des Mikrowellen-Schaltkreises mit dem gemeinsamen Tcr.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der beiliegenden Darstellung eines Ausführungsbeispiels sowie aus der folgenden Beschreibung.

Es zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Systems, das das Konzept der Erfindung vorteilhafterweise enthält; und

Fig_a 2 eine Draufsicht ?uf eine schematische Anordnung einer Mikrowellen-Anordnung gemäß Fig, 1, wobei gewisse geometrische Kennzeichen weiter illustriert werden.

In den Fig. bedeuten gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.

In Fig. 1 ist ein schematisches Diagraiam eines Systems dargestellt, bei dem das Mikrowellen-Schaltkonzept der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise angewendet werden kann. Eine endgespeiste pliasengesteuerte Strahler-Anordnungsreihe 10 ist in Zusammenarbeit mit Phasensteuerungs-Logik 11 vorgesehen. Mittels vorgewählter Phasenvorspannung der phasenmäßig gesteuerten Anordnungsreihe um einen Betrag von ρ ,_7> entsprechend einem Abtastv/inkelbereich« der mittels der Einrichtung erreichbar ist, (wenn sie von einem der Anschlüsse 12a und i?.b gespeist wird.) kann die Einrichtung dazu gebracht, ^sr-ien. sine Abtastung von O—hß⁰ auszuführen. Indem der andere ier Anschlussο iia und 12b dann verwendet wird, kann die Anordnung dazu gebracht, werden, entgegengesetzt

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dazu von O⁰ bis -P⁰ abzutasten. Indem man somit den S^eisepunkt des Tores 3 in Fig. 1 zwischen den Anschlüssen 12a und 12b für aufeinanderfolgende Abtastintervalle der Abtastlogik 11 umschaltet, wird der Abtastwinkelbereich der Antenne 10 verdoppelt oder auf O⁰+ß° verbessert, eine Gesamtauslenkung von /2 p/.

Ein derartiges Schalten wird mittels der Schalteinrichtung 13 er reicht, die ein erstes und ein zweites Tor 1 und 2 aufweist, das mit entsprechenden SpeiseanschlÜ3sen 12a und 12b verbunden ist, und weiter ein gemeinsames Tor 3, das intern mit entweder dem Tor 1 oder dem Tor 2 verbunden ist, als Antwort auf die Zusammen arbeit der Schaltlogik 14. Das Tor 3 ist so ausgeführt, daß es extern mit der Anwendungseinrichtung verkoppelt ist, wie z.B. ein Radarempfänger oder ein Sender, wie in der Technik wohl bekannt ist.

t der Schaltlogik 14 kann ei-n Flip-Flop 15 oder eine andere fcWtfistufige Signalisierungseinrichtung zusammenarbeiten, um eine von zwei alternativen Vorspannungsquellen 16 und 17 einzuschalten. Ebenfalls vorgesehen in der Anordnung des doppelzügigen Mikrowellen-Schalter 13/ drei gleichartige symmetrisch angeordnete Y~förmige Wellenleiter-Abschnitte 13a, 13b und 13c, wobei ein Arm 14a und ein Arm 14b des ersten und des zweiten Y-förmigen Wellenleiter-Abschnittes 13a und 13b einen entsprechenden ersten und zweiten Arm eines dritten der drei Y-förmigen Wellenleiter-Abschnitte 13c umfassen, wobei ein dritter Arm 16c des dritten Y-förmigen Y/ellenleiter-Abschnittes 13c das gemeinsame Tor 3 umfasst. Ein dritter Arm 16a und 16b des ersten und des zweiten Wellenleiter-Abschnittes bilden entsprechend ein erstes und ein zweites Tor 1 und 2, und ein zweiter Arm 15a bzw. 15b eines ersten bzw. zweiten Wellenleiter-Abschnittes umfasst eine nicht« reflektierende Lastimpedanz 22a und 22b in der Nähe eines entsprechenden Abschlusses. Ebenfalls vorgesehen ist eine elektrisch schaltbare Impedanzeinrichtung, die zwischen den Wellen-

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. leiter-Abschnitten angeordnet ist, um selektiv eines von zwei ■ Toren 1' und 2 im Mikrowellen-Schaltkreis mit dem gemeinsamen Tor 3 zu verbinden.

Eine derartige schaltbare Impedanzeinrichtung umfasst eine erste schaltbare Impedanzeinrichtung 17a, die zwischen dein ersten Y-förmigen Wellenleiter-Abschnitt 13a angeschlossen ist, um das erste Tor 1 und das gemeinsame Tor 3 während eines angeregten ersten Zustandes einer derartigen ersten schaltbaren Einrichtung zu verkoppeln, und um das gemeinsame Tor 3 von dem ersten Tor 1 während eines nichtangeregten zweiten Zustandes der ersten schaltbaren Einrichtungzu isolieren (geliefert von der gesteuerten Quelle 20). Eine zweite schaltbare Impedanzeinrichtung 17b ,ist vorgesehen, die zwischen dem zweiten Y-förmigen Wellenleiter™ Abschnitt 13b angeordnet ist, um das zweite Tor 2 und das gemeinsame Tor 3 während eines angeregten ersten Zustandes der zweiten schaltbaren Einrichtung zu verkoppeln, und um das geraeinsame Tor 3 von dem zweiten Tor/während eines nichtangeregten zweiten Zustandes der zweiten schaltbaren Einrichtung 14b (geliefert von der gesteuerten Quelle 21) zu/Lsolieren. Beim normalen Betrieb sind die erste und zweite schaltbare Einrichtung 17a und 17b so ausgelegt, daß sie synchron in gegenseitig sich ausschließenden Zuständen betrieben werden.

Jede der oben beschriebenen ersten und zweiten schaltbaren Impedanz einrichtungen umfassen eine erste Hohlraum abgestimmte Diode, die in entsprechenden Armen 14a und 14b angeordnet sind (Wobei . der Arm von jeweils der ersten und der zweiten Wellenleiter-Abschnitte 13a und 13b ., gemeinsam sind dem dritten Y-förmigen Wellenleiter-Abschnitt 13c/5^^uuhd sie sind in der Nähe der Sternverbindung 13c des dritten Wellenleiter-Abschnittes 16c angeordnet. Jede schaltbare Impedanzeinrichtung umfasst weiterhin eine zweite h.ohlraumabgestimmte Diode 19a und 19b, die in dem' zweiten Arm 15a und 15b des entsprechenden ersten bzw. zweiten" Wellenleiter-Abschnittes 13a und 13b angeordnet ist, und zwischen

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der Lastimpedanz davon und einer Sternverbindung 18a und 18b des entsprechenden ersten bzw. zweiten Wellenleiter-Abschnittes angeordnet ist.

Im Normalbetrieb arbeitet jede hohlraumabgestimmte Diode 17ε, 17b, 19a und 19b an der Zentralfrequenz der Bandbreite des Wellenleiter-Abschnittes als eine angepasste Impedanz in ihrem einen angeregten Zustand, und arbeitet weiterhin als ein reflektierender Kurzschluß in einem nichtangeregten Zustand, wobei die ersten und die zweiten Dioden (17a und 19a, 17b und 19b) von sowohl dem ersten v/ie dem zweiten Wellenleiter-Abschnitt in gegenseitig sich ausschliessenden Zustanden arbeiten können, und wobei entsprechende ersten Dioden (17a und 17b) der ersten und zweiten Wellenleiter-Abschnitte 13 a und 13b in gegenseitig sich ausschliessenden Zuständen arbeiten- können.

Daher dienen in einem ersten Zustand der Schaltlogik 1& die Dioden 17a und 19b (in Zusammenarbeit mit der gesteuerten Vorspaimungsquelle 20) als angepasste Impedanzen innerhalb der Wellenleiterstrukturj während die nicht angeregten Dioden 19a und 17b normale kapazitive Kurzschlüsse oder reflektierende Impedanzen bilden. Auf diese Weise werden' die Tore 1 und 3 mit Hilfe der Diode 17a verkoppelt und allo Energia. die von eier Sternverbindung 18a herab vom Arm 15a kommt, wird von der Diode 19a zurückreflektiert, und alle Energie, die von der Sternverbindung 18c herab zum Arm 14b läuft, wird von der Diode 17b reflektiert. In einein derartigen nichterrogten Zustand dient die Diode 17b auch dazu, das Tor 2 von derj Tor ."? zu isolieren, und irgendwelche Energie am Verbinäungspuiikt 18"b wird von der Lastiapedanz im Arm 15b über die angepasste Diode 19b vernichtet.

Aufgrund der Symmetrie der Anordnung des Elementsg IJ In Fig. 1 (deutlicher noch/Fig. 2 zu erkennen) ist "U erkennen, d^fi in einem zweiten Zustand der Logik 14 die Quelle 21 die Dioden 17b,

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19a alternativ erregt, während die Erregung von den Dioden 17a und 19b entfernt wird, was zu einer Verkopplung der Tore 2 und und zu einer Isolierung des Tores 1 von dem Tor 3 führt.

Weitere Einzelheiten der'hohlraumabgestimmten Diodenanordnung innerhalb der Mikrowellen-Schalteinrichtung 13 der Fig. 1 sind in Fig. 2 gezeigt. Um eine möglichst wirkungsvolle Arbeitsweise in der oben beschriebenen Anordnung zu erreichen, ist es notwendig, daß die hohlraumabgestimmten Dioden richtig innerhalb der Wellenleiterstruktur angeordnet sini, und zwar für die besondere Mikrowellenfrequenz oder für die zu steuernde Wellenlängenenergie. Entsprechend wurde festgestellt, daß für eine Wellenleiter—Anordnung mit einem Abstand von 0,86Ag zwischen dem Sternverbindungspunkt T8c und jeder der Sternverbindungen 18a und 18b jede der Dioden 17a und 17b vorzugsweise in einer Entfernung von 0,18 Ag von der Sternverbindung 19c entfernt sein sollte, und daß die Dioden 19a und 19b jeweils innerhalb eines der Arme 13a und 15b derartig angeordnet sein sollten,daß deren Kurzschluß zustand reflektierend angepasst ist an eine entsprechende Verbindung 18a bzw. 18b, wobei ein Zentrum-zu-Zentrum Abstand von 0,18Ag zwischen Diode und Verbindung/der dargestellten Geometrie der Fig. 2 verwendet wird. Die Dimension von 0*68Ag zwischen Sternverbindung 18a und 18b und eine entsprechenden

. Dioden 17a bzw.17b ermöglichen das Aufstellen eines Kurzschluß-Schaltkreis-Zustandes zwischen der entsprechenden Diode und der Verbindung.

In einer beispielhaften Ausführungsform, konstruiert entsprechend den Dimensionen, die in Fig. 2 illustriert sind, wurde zvdschen den Tor 3 und einem abgeschalteten Tor 1 oder 2 ein Isolationsfaktor von 40 dB erhalten, und ein Übertragungsverlust von weniger als 0,7 dB wurde zwischen dem Tor 3 und dem eingeschalteten Tor 1 oder 2 gemessen. Wegen der symmetrischen Wellenleiter-Anordnung unter Vermeidung von nichtreziprokcn Inpedc./irenwurc.e eine* Struktur von niedrigen Kosten und Gewicht erhalten. Ebenso werden

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nicht mohr als 0,1 Watt benötigt, um die vier Stiftdioden zu betätigen, die zum Schalten der Fünf-Tor-Mikrowellen-Struktur verwendet werden, wobei diese Anordnung bis zu 10 Ki/ Mikro-· . wellen-Spitzenleistungsenergie bei einem Arbeitszyklus von 0,001 handhaben kann. Die kommerziell·erhältlichen Stiftdioden, die verwendet wurden, sind ausreichend schnell, um die Schaltgeschwindigkeit von mindestens 10 Megahertz zu ermöglichen (oder Schaltzcit von weniger als 0,1 /uSek.).

Wegen des normalerweise reziprok isolierenden und nichtleitendan Zustandes der erfindungsgemäßen Einrichtung sind sowohl der Empfänger als auch das Sendermagnetron eines verwendeten Kiürigleistungsradars, wenn abgeschaltet, vor einer Beschädigung durch externe Hochleistungs-Energicquellen geschützt, denen die Antenne in Fig. 1 ausgesetzt sein mag.

Entsprechend wurde ein verbesserter doppelzügiger Mikrowellenschalter von reziproker Art; beschrieben.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Doppelzügiger Mikrowellen-Schalter mit einem ersten und einem zv/eiten geschalteten Tor und einem gemeinsamen Tor, gekennzeichnet durch drei gleichartige symmetrisch angeordnete Y-förmige Wellenleiter—Abschnitte, wobei ein erster Arm. eines ersten und eines zweiten Y-fö'rmigen Wellenleiter-Abschnittes einen entsprechenden ersten und zweiten Arm .eines dritten der drei Y-förmigen Wellenleiter-Abschnitte umfasst, wobei ein dritter Arm des dritten Y-förmigen Wellenleiter-Abschnittes das gemeinsame Tor umfasst, wobei ein dritter Arm des ersten und des zv/eiten Wellenleiter-Abschnittes' ein entsprechendes Tor eines ersten und eines zweiten geschalteten Tores bilden, durch elektrisch schaltbare Impedanzτ einrichtungen, die zwischen den Wellenleiter-Abschnitten angeordnet sind, um ein erstes und ein zweites Tor in den Mikrowellen-Schaltkreis mit dem gemeinsamen Tor selektiv zu verkoppeln.

   Erfindung nach Anspruch 1, wobei die erste schaltbare Impedaiiüeinrichtung gekennzeichnet ist durch erste schaltbare Impedanzeinrichtungen, die in dem ersten Y-f örmigen Wellenleiter-Abschnitt angeordnet sind, um das erste Tor und das gemeinsame Tor während eines ersten Zustandes der ersten schaltbaren Einrichtung miteinander zu verkoppeln, und das gemeinsame Tor von dem ersten Tor während eines nichtangeregten zv/eiten Zustandes der ersten schaltbaren Einrichtung zu isolieren; und durch zweite schaltbare Impe-danzeinrichtun^-:a, die in dem zweiten Y-förmigen Wellenleiter-Abschnitt angeordnet sind, um das zweite und das gemeinsame Tor während eines ersten Zuscandes der zweiten schaltbaren Einrichtunr; miteinander zu verbinden, und das gemeinsame Tor von dem

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   zweiten Tor während eines nichtangeregten zweiten Zustandes der zweiten schaltbaren Einrichtung voneinander zu isolieren, wobei die erste und die zweite schaltbare Einrichtung synchron in gegenseitig sich ausschliessenden Zuständen betätigt werden können.

   Erfindung nach Anspruch 2, wobei eine nichtreflektierende Lastimpedanz in einem zweiten Arm des ersten und des zweiten Wellenleiter-Abschnittes angeordnet ist, und wobei die schaltbare Impedanzeinrichtung des ersten und des zweiten Wellenleiter-Abschnittes gekennzeichnet ist durch eine erste hohlraumabgestimnfc Diode, die in dem Arm von d.em ersten und dem zweiten Wellenleiter-Abschnitt angeordnet ist, und die gemeinsam ist dem dritten Y-förmigen Wellenleiterabschnitt und in der Nähe einer Sternverbindung des dritten Wellenleiter-Abschnittes angeordnet ist; durch eine zweite hohlraumabgestimmte Diod'., die in dem zweiten Arm von dem ersten bzw. zweiten Wellenleiter-Abschnitt angeordnet ist und zwischen der Lastimpedanz und einer Sternverbindung des entsprechenden ersten und zweiten Wellenleiter-Abschnittes angeordnet ist; wobei jede der hohlraumabgestimmten Dioden an einer Zentrumsfrequenz der Bandbreite des Wellenleiter-Abschnittes als eine angepasste Impedanz in einem erregten Zustand/arbeitet, und als ein reflektierender Kurzschluß in

   der Diode einem nichterregten Zustand/; wobei die erste und die zweite Diode des ersten bzw. zweiten Wellenleiter-Abschnitts in gegenseitig sich ausschliessendem Zustand betätigt werden können,wobei entsprechende erste Dioden des ersten und des zweiten Wellenleiter-Abschnittes in gegenseitig sich ausschliessenden Zuständen betrieben v/erden können.

   4. Erfindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Arm von jedem ersten und zweiten Wellenleiter-AboChni eine nichtreflektierende Lastimpedanz in der Nähe eines Ab-

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   Schlusses auf v/eist.

   5. Erfindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sternverbindungen des ersten und des zweiten Wellenleiter-Abschnitts von der Sternverbindung des dritten Wellenleiter-Abschnittes um eine erste Dimension entfernt sind, die geringer ist, als eine Wellenleiter-Wellenlänge und größer, als 3/4 einer Wellenleiter-Wellenlänge; daß die erste Diode von dem ersten und von dem zweiten Wellenleiter-Abschnitt um weniger als 1/4 Wellenleiter-Wellenlänge von der Sternverbindung des dritten Wellenleiter-Abschnittes entfernt ist; und daß die zweite Diode des ersten und des zweiten ■Wellenleiter-Abschnittes weniger als 1/4 Wellenlänge von der Sternverbindung des entsprechenden ersten bzw. zweiten Wellenleiter-Abschnitts entfernt ist.

   6. Vorrichtung nach Ansvr-uch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die

   ο i^er

   erste Dimension im wesentlichen 0,36 / Wellenleiter-Wellenlänge entspricht.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Entfernungen im wesentlichen 0,18 Wellenlängen entspricht.

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