DE2361561A1

DE2361561A1 - Hybridverzweigung

Info

Publication number: DE2361561A1
Application number: DE2361561A
Authority: DE
Inventors: Michel Baril; Hoang Vu San
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1972-12-12
Filing date: 1973-12-11
Publication date: 1974-06-27
Also published as: DE2361561B2; FR2210021B1; GB1450118A; US3886500A; FR2210021A1; DE2361561C3

Description

D-pi -

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8 Manchen Cl.- ν ·--&.'· 31 .

Tel ν,,, Sil/62 - 7734-IV/He

Thomson-CSF, Paris 8₅ Boulevard Haussmann 173 (Frankreich)

"Hybridverzweigung"

Priorität vom 12. Dezember 1972 aus der französischen Patentanmeldung Nr. 72 44176

Die Erfindung betrifft eine Hybridverzweigung in Form eines Achtpols, bestehend aus einer Serien-T-Verzweigung und einer Parallel-T- Verzweigung.

Derartige Verzweigungen stellen entkoppelte Verzweigungen dar, die auch als "magisches T" gemäß dem angelsächsischen Ausdruck "magic Tee" bezeichnet werden.

übliche Ausführungsformen des magischen T sind aus Hohlleitern zusammengesetzt_s. wobei die Zusammenfügung der Serienverzweigung und der Parallelverzweigung keine Probleme aufwirft , die nicht ohne weiteres zu lösen wären.

Dies gilt Jedoch nicht für Hybridverzweigungen mit Koaxialleitungen j 3-Platten-Leitungen oder microstrip-Leitungen bzw.. Streifenleitungen. Auf einfache Weise und ohne Störung der Wellentypen sind nämlich nur die Parallelverzvfeigungen reali- · sierbar. Die Herstellung einer Serienverzweigung mit Leitungen ist jedoch nicht unmittelbar und ohne wesentliche Störung der

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Weilentypen möglich. Im allgemeinen ist die Verwendung beispielsweise von Λ /4-Stichleitungen zur Erzielung der Parallel- j Serien-Transformationen notwendig, wodurch indessen der Platzbedarf der Verzweigung erhöht und die Bandbreite vermindert
wird. j

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hybridver- I

zweigung der eingangs angegebenen Gattung zu schaffen, deren j

Aufbau eben ist und die breitbandig ist. Diese Aufgabe ist bei _;

der vorgeschlagenen Hyb-ridverzweigung erfindungsgemäß dadurch j

gelöst, daß sie auf einem Keramiksubstrat hoher Dielektrizi- I

tätskonstante, dessen eine Fläche metallisiert ist, mittels ι

einer Kombination von Übertragungsleitungen mit symmetrischem j

und mit asymmetrischem Peldaufbau auf der einen oder der ande- '

ren Qroßflache des Substrates hergestellt ist und mindestens ι zwei Leitungen mit entgegengesetztem Peldaufbau umfaßt, deren

Wellenfortpflanzungsachsen miteinander fluchten, sowie eine ' dazu rechtwinklige Leitung, deren Aufbau in Abhängigkeit
von der verwendeten Leitungsart bestimmt ist.

Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Hybridverzweigung
sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Hybridverzweigung nach der Erfindung
anhand von beispielsweise gewählten Ausführungsformen schematisch veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 ein magisches T bekannten Aufbaus,
Fig. 2 eine Streifenleitung,

Fig. 3 eine Koplanarleitung,
Fig. 4 eine Schlitzleitung,

Fig. 5 ein magisches T, bestehend aus Schlitzleitungen und
einer Streifenleitung,

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Pig. 6 ein magisches T, bestehend aus Schlitzleitungen und einer Koplanarleitung,

Fig. 7 ein magisches T, bestehend aus Streifenleitungen und einer Schlitzleitung,

Fig. 8 ein magisches T, bestehend aus Koplanarleitungen und einer Schiitzleitung.

Fig. 1 zeigt eine entkoppelte Verzweigung oder ein magisches T bekannten Aufbaus. Diese Verzweigung besitzt vier Arme 1, 2, 3, 4.· Wenn beispielsweise die Arme 2,3 und 4 reflexionsfrei abgeschlossen sind und in den Arm 1 eine hinlaufende Welle geschickt wird., so erreicht den Arm 4 keinerlei Energie, während sich in den Armen 2 und 3 identische elektrische Felder einstellen. Ebenso wird bei Anregung über den Arm 4 keinerlei Energie dem Arm 1 zugeführt, während in den Armen 2 und 3 einander entgegengesetzte elektrische Felder auftreten. Diese Eigenschaften sind zufolge der Tatsache, daß zwischen den Armen 1 und 4 keine Kopplung besteht, etwas voneinander verschieden. Wenn in diese Arme Anpassungselemente derart eingeführt werden, daß ihre Reflexionskoeffizienten Null sind, wird aus dieser Verzweigung ein magisches T, bei dem eine vollständige elektromagnetische Symmetrie zwischen -den Armen 2 und 3 einerseits bzw. 1 und 4 andererseits besteht.

Wie nun einleitend bereits bemerkt, ist es zwar ohne weiteres mögliph, Parallel-T-Verzweigungen aus Koaxialleitungen oder aus ebenen Leitungen wie etwa den 3-Platten-Leitungen oder den Streifenleitungen (microstrip) herzustellen; dies gilt jedoch nicht für Serien-T-Verzweigungen, bei denen die Kopplung mittels bestimmter Kunstgriffe hergestellt werden muß, beispielsweise durch die Verwendung von ringförmig verteilten Λ/4-Stichleitungen.

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Die gleichzeitige Verwendung von Koplanarleitungen, Streifenleitungen und Schlitzleitungen gestattet indessen die Realisierung von ebenen Hybridverzweigungen, insbesondere von magischen T's.

Es werden drei Grundtypen von Leitungen verwendet, die durch Metallisierung auf einer planen Substratplatte herstellbar sind.

a) Die in Fig. 2 dargestellte Streifenleitung oder microstrip-Leitung besteht aus einem ebenen, schmalen und dünnen leitenden Streifen 5 auf einer dielektrischen Schicht 6, die sich ihrerseits auf einer leitenden Ebene 7_S der Masseebene, befindet. Eine derartige Leitung besitzt einen symmetrischen Peldaufbau 1? in bezug auf die durch die Achse D des Streifens gehende Symmetrieebene P der Leitung.

b) In Fig. J> ist eine sogenannte Koplanarleitung dargestellt. Das keramische Substrat 6 oder der keramische . Träger hoher Dielektrizitätskonstante ist durch Metallisierung beispielsweise seiner oberen Fläche 9 leitend gemacht; in diese leitende Ebene ist ein Schlitz 10 eingebracht, durch den ein leitender Streifen 11 symmetrisch zur Mittelachse D der Anordnung hindurchläuft. Die Koplanarleitung besteht folglich aus einem Keramiksubstrat, versehen mit zwei Masseebenen 12 und 13, die durch einen Schlitz 10 voneinander getrennt sind, in dem sich ein leitender Streifen 11 befindet, dessen Breite geringer als die Breite des Schlitzes lot. Eine sich in dieser Leitung fortpflanzende Welle besitzt eine in bezug auf die Symmetrieebene P der Leitung symmetrische elektrische Feldverteilung, wie dies die Pfeile andeuten.

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c) Fig. 4 veranschaulicht eine Schlitzleitung, die durch Einbringen eines Schlitzes 14 in die metallisierte Fläche eines Keramiksubstrates hoher Dielektrizitätskonstante erzielt wird,. Eine solche Schlitzleitung . umfaßt daher zwei durch einen Schlitz 14 voneinander getrennte Masseeebenen 17₃ 18. Bei dieser Leitung ist das Strahlungsfeld des Schlitzes unsymmetrisch in bezug auf die Symmetrieebene P der Leitung.

Mit diesen drei Leitungsarten oder Leitungstypen, deren Eigenschaften vorstehend beschrieben wurden, ist es möglich, magi=- sche T's nach der Erfindung aufzubauen.

Fig. 5 zeigt eine solche Verzweigung., bestehend aus zwei zueinander rechtwinkligen Schlitzleitungen in einer metallisierten Fläche des Substrates. Auf die andere Fläche ist ein Streifen aufgedruckt, der die Anregung der Wege oder Kanäle 2 und 3 gestattet. In Analogie zur Fig. 1 sind die Arme des magischen T der Fig. 5 mit 1, 2, 3 und 4 bezeichnet.

Im einzelnen weist die obere metallisierte Fläche des Keramiksubstrates 6 zwei zueinander rechtwinklige Schlitzleitungen 14 und l40 auf, die die Masseebene in drei Teile 16, 17 und 18 zerschneiden. Auf die untere Großfläche 19 des Keramiksubstrates ist ein gestrichelt dargestellter Streifen 5 aufgedruckt, der Bestandteil einer Streifenleitung oder microstrip-Leitung ist, deren Masseebene die obere metallisierte Fläche ist. Das Ende des Streifens reicht um A/4 über die Achse der Schlitzleitung 140 hinaus. Die Schlitzleitung möge nun über den Arm oder Anschluß 1 durch Anlegen einer Potentialdifferenz an die Kanten des Schlitzes 14 angeregt werden. Das elektrische Feld e* entsteht an dem Schlitz 14 entsprechend den Pfeilen fl, f2. Es ruft in den Armen 2 und 3 des Schlitzes

• —»> —-4. l40 gegenphasige elektrische Felder el und e5 hervor. Bei diesen Anregungsbedingungen bilden die Arme 2 und 3 den Serienweg

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oder Serienkanal des ebenen T, der damit der Serienkanal eines magischen T sein kann, da die Ströme il, 12 in Höhe des Stoßes· mit dem Arm 1 kontinuierlich weiterfließen. Zwischen der Schlitzleitung 14 und der Streifenleitung 5 und damit zwischen den Anschlüssen 1 und 4 besteht unter diesen Bedingungen keine Kopplung.

Regt man jedoch den Anschluß, d.h. die Streifenleitung an, so entsteht hierbei in dem Streifen ein Strom i4, der in der rechtwinklig dazu verlaufenden Schlitzleitung 1*10 identische Potentialdifferenzen in den beiden Anschlüssen 2 und 3 erregt, so daß das elektrische Feld e4 in diesen Anschlüssen die gleiche Richtung besitzt. Die Schlitzleitung l40 wird somit durch die Streifenleitung mit einer phasengleichen Welle erregt. Dies entspricht den Bedingungen für die Parallelverzweigung eines T. Die Anschlüsse 1 und 4 sind wie bei jedem magischen T vollständig voneinander entkoppelt.

Der ^Α-Abschnitt ^na-t lediglich den Zweck, die vollständige Kopplung des Anschlusses 4 mit den Anschlüssen 2 und 3 sicherzustellen.

j Die Anordnung nach Fig. 4 stellt somit ein magisches T ebenen Aufbaus mit zwei zueinander rechtwinkligen Schlitzleitungen und einer Streifenleitung dar.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer T-Verzweigüng, die aus einer Koplanarleitung und aus Schlitzleitungen aufgebaut ist. Diese Ausführungsform umfaßt ein Keramiksubstrat 6 hoher Dielektrizitätskonstante, dessen obere Großfläche metallisiert ist. Diese Fläche ist mit einer Koplanarleitung der in Fig. 3 dargestellten Art, bestehend aus einem Streifenleiter 11 längs der Achse eines demgegenüber etwas breiteren Schlitzes 10, sowie mit zueinander rechtwinkligen Schlitzleitungen 20, 21 versehen. Die vier Anschlüsse

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dieser T-Verzweigung sind wiederum mit 1, 2, 3 und 4 bezeichnet.

Der Anschluß 1, d.h. die Koplanarleitung, wird beispielsweise durch eine Welle symmetrischen Typs erregt _s die in den beiden Teilen des Schlitzes 10 ein elektrisches Feld ausbildet , das von jeder Kante des Streifens 11 zu den entsprechenden Kanten des Schlitzes Ί0 gerichtet ist. Wenn die Hybridverzweigung angepaßt ist, so ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung der Energie in den beiden Teilen der Schlitzleitung 21 senkrecht zu der Koplanarleitung und die entsprechenden elektrischen Felder e21 und e22· in den beiden Anschlüssen 2 und 3 sind gleichphasig. Dieser Anschluß 1 besitzt die Eigenschaften eines Serienkanales einer T-Verzweigung. Ergänzend zu Fig. 6 ist zu bemerken, daß der Streifen 11 der Koplanarleitung sich in einem eine Streifenleitung bildenden Streifen fortsetzt, der sich auf der unteren, nichtmetallisierten Großfläche des Keramiksubstrates befindet, wodurch eine vollständige Kopplung des Anschlusses mit den Anschlüssen 2 und j 3 erzielt wird. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel für die Erzielung einer Anpassung; es können auch andere Mittel angewandt werden, beispielsweise einen abgestimmten Schwingkreis bildende Induktivitäten und Kapazitäten. Das Fehlen einer solchan Anpassungsschaltung würde eine relativ starke Reflexion des sich in dem Anschluß 1 fortpflanzenden Wellentyps herj vorrufen, mit entsprechender Verminderung der Kopplung mit ; den Anschlüssen 2 und 3, ohne daß dadurch jedoch derGrundj gedanke der Erfindung zunichte würde.

Wenn der Anschluß oder Weg 4 durch Anlegen einer Potentialdifferenz an seine Enden erregt wird, erzeugt das elektrische Feld e20 infolge der Kontinuität der Ströme i2Cr und 1200

\' an der Stoßstelle mit den Anschlüssen 2 und 3 gleichgroße, jedoch gegenphasige elektrische Felder e201 und e200. Damit

\ sind die Bedingungen eines Serienkanals einer T-Verzweigung

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erfüllt. Die Anschlüsse 1 und 4 sind folglich vollständig voneinander entkoppelt. Die Auεführungsform nach Fig. 6 stellt somit ein magisches T dar, dessen Anschluß 1 der Parallelanschluß und dessen Anschluß 4 der Serienanschluß sind.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel fk* ein magisches T nach der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt, das sich aus einer T-Verzweigung, bestehend aus zwei zueinander rechtwinkligen Streifenleitungen, und aus einer Schlitzleitung zusammensetzt.

Die drei Anschlüsse der T-Verzweigung, bestehend aus zwei miteinander rechtwinkligen Streifenleitungen, sind mit 24 und 240 bezeichnet, während die auf der anderen Großfläche des Keramiksubstrates 6 angeordnete Schlitzleitung mit 23 bezeichnet ist. Wenn die Streifenleitung 24 durch ein elektrisches Feld e24 erregt.wird, sorgt die Kontinuität der elektrischen Ströme 1240 und 1241 an der Stoßstelle mit der Streifenleitung 240 dafür, daß die elektrischen Felder e24O und e24l in den beiden Teilen der Leitung 240 gleichphasig sind. Die auf diese Weise aus den Leitungen 24 und 240 erzeugte T-Verzweigung verhält sich wie eine Parallel-Verzweigung.

Wenn man die Schlitzleitung 23 durch eine Potentialdifferenz an ihren Eingängen anregt, die ein elektrisches Feld e2J hervorruft, erzeugen die Ströme 123 ^u^d 1230, die die Kanten der Schlitzleitung durchfließen, an der Stoßstelle gegenphasige Felder eTJÖ** und e231 in der Leitung 240. Die Anschlüsse 2, 3 und 4 bilden somit eine Serienverzweigung.

Zum Zwecke einer guten Anpassung/einer vollständigen Kopplung reicht die Streifenleitung um Ά/4 über die Achse der Leitung 240 hinaus.

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Ein viertes Ausführungsbeispi-el eines magischen T nach der Erfindung ist in Pig. 8 dargestellt und umfaßt eine T-Verzweigung aus Koplanarleitungen und eine Schlitzleitung auf dem keramischen Substrat 6.

Die koplanaren Leitungen sind mit 25 und 250 bezeichnet, während die auf derselben metallisierten Fläche des Keramiksubstrates 6 aufgebrachte Schlitzleitung mit dem Bezugszeichen 26 versehen ist. Die Anschlüsse der vollständigen Verzweigung sind mit 1, 2, 3 und 4 bezeichnet. . \ -

Wenn der Anschluß 1 durch Anlegen einer Potentialdifferenz an seine Eingänge erregt wird, erhält man eine Verteilung des elektrischen Feldes in der Leitung 25, wie sie durch die Pfeile f3, f4 in Fig. 8 wiedergegeben ist. Die in "den beiden Teilen der koplanaren Leitung 250 erzeugten Felder sind gleichphasig. Diese Felder sind mit f30 und f40 bezeichnet. Der den leitenden Streifen der koplanaren Leitung 25 durchfließende Strom i25 teilt sich auf die beiden Abschnitte der Leitung 250 auf und das Feld in diesen beiden Abschnitten .hat die durch die Pfeile f30 und f40 einerseits, sowie f31 und f4l andererseits angegebene Richtung. Diese Felder befinden sich auf beiden Teilen der Leitung 250 in Phase, so daß die aus den beiden koplanaren Leitungen bestehende Verzweigung eine Serien-T-Verzweigung ist.

Die Schlitzleitung 26 ist auf derselben Fläche wie die koplanaren Leitungen, d.h. hier auf der metallisierten, oberen Fläche des Keramiksubstrates 6 angeordnet. Diese Schiitzleitüng wird beispielsweise durch ein Feld e2b angeregt. Dieses Feld erzeugt am Stoß mit der Leitung 250 die in· den beiden Teilen der Leitung 25O gegenphasigen Felder f5 und f6. Der den leitenden Streifen der Leitung 250 durchfließende Strom 126 erregt in dem der Schlitzleitung 26 gegenüberliegenden Teil der Schlitzleitung .250 Felder gemäß den Pfeilen f50 und f60. Die

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aus den Leitungen 250 und 26 bestehende Verzweigung verhält sich folglich wie eine Serien-T-Verzweigung.

Die Breite der·Schlitzleitung 26 soll relativ gering im Verhältnis zu derjenigen der Koplanarleitung sein, um Störungen in der in Höhe der Leitung 26 in der Leitung 250 gebildeten öffnung zu vermeiden.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele von nur eine' Ebene einnehmenden, entkoppelten Verzweigungen beruhen demnach auf der Vereinigung passender Leitungstypen, nämlich Koplanarleitungen, Schlitzleitungen und Streifenleitungen. Es sind auch andere Arten der Kombination möglich, jedoch mit der Einschränkung, daß die Vereinigung einer koplanaren Leitung und einer Streifenleitung keine T-Verzweigung ergibt, da die sich in diesen Leitungen fortpflanzenden Wellentypen symmetrisch sind.

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Claims

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Thomson - CSF

Patentansprüche:

Iy Hybridverzweigung in Form eines Achtpols, bestehend aus ^* einer Serien-T-Verzwelgung und einer Parallel-T-Verzweigung, dadurch gekennzeichnet ,daß sie auf einem Keramiksubstrat hoher Dielektrizitätskonstante, dessen eine Fläche metallisiert ist, mittels einer Kombination von Übertragungsleitungen mit symmetrischem und mit asymmetrischem Feldaufbau auf der einen oder der anderen Großfläche des Substrates hergestellt ist und mindestens zwei Leitungen mit entgegengesetztem Feldaufbau umfaßt, deren Wellenfortpflanzungsachsen miteinander fluchten, sowie eine dazu rechtwinklige Leitung, deren Aufbau in Abhängigkeit von der verwendeten Leitungsart bestimmt ist.
2. Hybridverzweigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen auf dem Keramiksubstrat (6) Streifenleitungen, Schlitzleitungen oder Koplanarieltungen sind.
3· Hybridverzweigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zueinander rechtwinklige Schlitzleitungen (14, I¹IO) in der metallisierten Fläche (9) des Keramiksubstrates (6) vorgesehen sind, und eine Streifen- oder mierostrlp-Leltung (5) auf die gegenüberliegende Fläche des Keramiksubstrates (6) gedruckt ist, die in der Verlängerung einer der Schlitzleitungen (14) liegt.
4. Hybridverzweigung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zueinander rechtwinkligen, in derselben Ebene liegenden Schlitzleitungen (l4, l40) die Serien-T-Verzwelgung bilden.

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5. Hybridverzweigung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenleitung (5) mit der zu ihr rechtwinkligen Schlitzleitung (l40) die Parallel-T-Verzweigung bildet.
6. Hybridverzweigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die metallisierte Fläche (9) des Keramiksubstrates (6) eine Koplanarleitung durch Aufbringen eines leitenden Streifens (11) in einen Schlitz (10) mit einer die Breite des Streifens überschreitenden Breite eingebracht ist und in die metallisierte Fläche (9) des Keramiksubstrates außerdem zwei Schlitzleitungen (20, 21) eingebracht sind, wobei der den leitenden Streifen (11) enthaltende Schlitz (10) dieselbe Achse wie eine der Schlitzleitungen (20) besitzt und rechtwinklig zur anderen Schlitzleitung (21) verläuft.
7. Hybridverzweigung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zueinander rechtwinkligen Schlitzleitungen (20, 21) die Serienverzweigung bilden.
8. Hybridverzweigung nach Anspruch 6 und 7_S dadurch gekennzeichnet, daß die Koplanarleitung (11) und die zu ihr rechtwinklige Schlitzleitung (21) die Parallelverzweigung bilden.
9. Hybridverzweigung nach Anspruch 1, -dadurch gekennzeichnet, | daß auf die nichtmetallisierte, obere Fläche des Keramiksubstrates (6) zwei zueinander rechtwinklige Streifenleitungen (2¹I, 240) aufgebracht sind und daß auf die metallisierte, untere Fläche des Keramiksubstrates (6) eine Schlitzleitung (23) parallel zu einer der Streifenleitungen (24) auf der oberen Fläche aufgebracht ist.

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10. Hybridverzweigung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet. daß die beiden zueinander rechtwinkligen Koplanarleitungen (24, 240) die Parallel-T-Verzweigung bilden.

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11. Hybridverzweigung nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzleitung (23) und die zu ihr rechtwinklige Streifenleitung (24O)die Serien-T-Verzweigung bilden.
12. Hybridverzweigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zueinander rechtwinkligen Koplanarleitungen (25, 250) auf die metallisierte,obere Fläche (9) des Keramiksubstrates (6) aufgebracht sind und daß auf dersel-

- ben Fläche eine Schiitzleitung (26) rechtwinklig zu einer der Koplanarleitungen aufgebracht ist.
13· Hybridverzweigung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Koplanarleitungen (25, 250) die Parallel-T-Verzweigung .bilden.
14. Hybridverzweigung nach Anspruch 12 und 13, dadurch ge- . kennzeichnet, daß die Schlitzleitung (26) und die zu ihr rechtwinklige Koplanarleitung (250) die Serien-T-Verzweigung bilden.

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