DE2418706A1 - Mehrstufennetzwerk, insbesondere verzoegerungsleitung - Google Patents

Description

PATENTANWALT 8 MÜNCHEN , 18.4.1974/S/Dr.F. DR. WILHELM HASSE _{P 4ι4}8/το DIPLOMINGENIEUR

Tolco, Inc., 1-17, Higashiyukigaya,
2-chome Ohta-ku, Tokyo (Japan)

Mehrstufennetzwerk, insbesondere
Verzögerungsleitung

Die Erfindung betrifft ein Mehrstufennetzwerk mit einer
ersten Gruppe von mit 'gegenseitigem Abstand entlang einer ersten Geraden angeordneten Spulen und mit einer zweiten Gruppe von ebenfalls mit gegenseitigem Abstand, jedoch in Längsrichtung des Netzwerks gegen die Spulen der ersten
Gruppe um eine vorgebbare Strecke versetzt entlang einer zur ersten Geraden zumindest angenähert parallel verlaufenden zweiten Geraden angeordneten Spulen, von denen die von der Eingangsseite des Netzwerks her gesehen erste Spule der ersten Gruppe mit einem Netzwerkseingang, die von der Eingangsseite des Netzwerks her gesehen letzte Spule der zweiten Gruppe mit einem Netzwerksausgang und außerdem die erste Spule der ersten Gruppe mit der ersten Spule der zweiten Gruppe, diese wiederum mit der zweiten Spule der ersten Gruppe und so weiter fort jede folgende Spule

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der ersten Gruppe mit der entsprechenden Spule der zweiten Gruppe und diese mit der nächstfolgenden Spule der ersten Gruppe elektrisch verbunden ist.

Erfindungsgemäß ausgebildete Mehrstufennetzwerke eignen sich insbesondere für den Aufbau von Verzögerungsleitungen, von Tiefpaßfiltern und ähnlichen Schaltungen, wobei sie insbesondere zu einer verbesserten Konstruktion für Verzögerungsleitungen mit ausgezeichnetem Phasenverhalten führen.

Für den Aufbau von Hochleistungsverzögerungsleitungen sind bereits verschiedene Schaltungen vorgeschlagen worden. Eine davon ist in der US-PS 2 946 967 beschrieben, die sich mit dem Bau einer erheblich verkleinerten Hochleistungsverzögerungsleitung befaßt. Die Verzögerungsleitungen nach der US-PS 2 946 967 beruhen auf der Grundüberlegung, daß von den Kopplungskoeffizienten a , a„, a„ ... zwischen Induktanzen, wie sie in einem Artikel von Marcel J.E. Golay mit dem Titel "The Ideal Low Pass Filter in the Form of a Dispersionless Lag Line" in der Zeitschrift Proceedings of IRE vom März 1946 definiert sind, die Kopplungskoeffizienten höherer Ordnung wie a„, a. ... in ihrer Auswirkung auf das Phasenverhalten einer Verzögerungsleitung vernachlässigt werden lcönxLQn, und die Verzögerungsleitung gemäß der US-PS 2 946 967 ist so aufgebaut, daß nur für die bei-

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den ersten Kopplungskoeffizienten a und a_p optimale Werte gewählt werden können.

Genauere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß sich das Pha.senverhalten einer Verzögerungsleitung noch weiter verbessern läßt, wenn nicht nur die beiden Kopplungskoeffizienten a und a_p, sondern auch der Kopplungskoeffizient a„ berücksichtigt und auch für diesen Koeffizienten ein passender Wert gewählt wird. Bei diesen Untersuchungen ist weiterhin der Kopplungskoeffizient a. berücksichtigt worden, wobei sich zwar eine weitere Verbesserung im Phasenverhalten für die Verzögerungsleitung ergeben hat, jedoch ist das Ausmaß dieser weiteren Verbesserung im Vergleich zu der Verbesserung, die sich durch die zusätzliche Berücksichtigung des Kopplungskoeffizienten a„ über die Kopplungskoeffizienten a und a hinaus erreichen läßt, nicht so ausgeprägt.

Der Erfindung liegt in erster Linie die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Aufbau für eine Verzögerungsleitung mit gutem Phasenverhalten zu schaffen, wobei außerdem eine Verzögerungsleitung entstehen soll, die sich durch eine extrem weitgehende Miniaturisierung ihrer Abmessungen, durch niedrige Gestehungskosten und durch hohe Leistung auszeichnet.

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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem MehrStufennetzwerk der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Spule der zweiten Gruppe geometrisch näher am Netzwerkseingang liegt als die entsprechende Spule der ersten Gruppe, daß die Axialrichtungen aller Spulen sowohl in der ersten Gruppe als auch in der zweiten Gruppe so gewählt sind, daß sich zwischen den einander nächsten Spulen der ersten und der zweiten Gruppe eine positive Kopplung, zwischen den Spulen in jeder Gruppe jedoch eine negative Kopplung ergibt, und daß jede Spule in beiden Gruppen einen Abgriff aufweist, der über einen Kondensator geerdet ist.

Die Erfindung führt zu einer Verzögerungsleitung, die sich bei superminiaturisiertem Aufbau und geringen Gestehungskosten durch ein bisher unerreicht gutes Phasenverhalten und eine hohe Leistung auszeichnet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen im einzelnen gekennzeichnet.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele für die Erfindung veranschaulicht sind; dabei zeigen in der Zeichnung:

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Fig. 1A und 1B ein Verdrahtungsdiagramm für eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der relativen Lage der einzelnen Spulen und der Beziehungen zwischen den Kopplungskoeffizienten,

Fig. 3 ein Schaltbild für den elektrischen Aufbau der in Fig. 1 dargestellten Verzögerungsleitung,

Fig. 4 das Ersatzschaltbild für die Schaltung von Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Kopplungskoeffizienten für das Ausführungsbeispiel von Fig. 1,

Fig. 6k, 6B und 6C eine spezielle Konstruktion für eine erfindungsgemäß ausgebildete Verzögerungsleitung in einer Aufsicht, einer Seitenansicht bzw. einem Schnitt entlang der Schnittlinie C-C¹ in Fig.öB,

Fig. 7 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung des Mechanismus für die Einstellung der Kopplungskoeffizienten bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten'Verzögerungsleitung,

Fig. 8A und 8B ein zweites Ausführungsbeispiel für die Erfindung in einer Draufsicht bzw. einer Seitenansicht,

Fig. 9 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Kopplungsbedingungen zwischen den einzelnen Spulen bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Verzögerungsleitung,

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Fig. 10 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Änderungen in den Kopplungskoeffizienten und

Fig. 11 eine schematische Darstellung für die Anordnung der einzelnen Spulen bei wieder einer anderen Ausführungsform für die Erfindung.

Die in Fig. 1A und 1B gezeigten Darstellungen für das erste Ausführungsbeispiel für die Erfindung sind Zusammenstellungszeichnungen für eine achtstufige, in Superminiaturausführung ausgebildete Verzögerungsleitung der Leiterbauart, die acht Spulen enthält, von denen jede auf einen trommelförmigen Ferritkern aufgewickelt ist, wobei die Darstellungen primär die Anordnung und den . Aufbau der Spulenabschnitte zeigen. Fig. 1A ist eine Draufsicht, die in erster Linie die Anordnung der acht trommelförmigen Ferritkerne und die Führung der Verbindungsleitungen vom Netzwerkseingang bis zum Netzwerksausgang zeigt. Fig. 1B ist dagegen eine Seitenansicht für zwei aufeinanderfolgend miteinander verbundene Spulen der insgesamt acht Spulen, wie sie sich bei Betrachtung der Darstellung von Fig. 1A von rechts her ergibt.

Wie die Darstellungen in Fig. 1A und 1B zeigen, sind die insgesamt acht Spulen der verzögerungsleitung auf zwei Gruppen zu je vier Spulen verteilt, die in zwei Reihen A

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und B angeordnet sind. In jeder dieser beiden Reihen A und B weisen die einzelnen Spulen einen gleichen Abstand voneinander auf. Der Zug der elektrischen Verbindungsleitung vom Netzwerkseingang beginnt mit der Reihe A, geht dann zur Reihe B über und von dieser wiederum zurück zur Reihe A, so daß sich ein alternierender Verlauf zwischen den Reihen A und B ergibt, bis die Verbindungsleitung den Netzwerksausgang erreicht. Wie die Darstellung in Fig. 1B weiter zeigt, liegen die Windungen der Spulen in der Reihe A in entgegengesetzter Richtung zu den Windungen der Spulen in der Reihe B,'und dementsprechend verlaufen auch die resultierenden Magnetflüsse in entgegengesetzten Richtungen. Mit anderen Worten ausgedrückt, besteht also zwischen den Spulen in den Reihen A und B jeweils eine positive Kopplung.

Im Gegensatz dazu sind alle Spulen in der Reihe A untereinander in der gleichen Richtung gewickelt, und daher weisen auch die von ihnen ausgehenden Magnetflüsse sämtlich in ein und dieselbe Richtung. Auf diese Weise besteht zwischen den Spulen innerhalb der Reihe A jeweils eine negative Kopplung. In gleicher Weise herrscht auch zwischen den Spulen innerhalb der Reihe B negative Kopplung.

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Wie die Darstellung in Fig. IB außerdem zeigt, ist von jeder Spule der Verzögerungsleitung ein Abgriff nach außen geführt und mit einem Kondensator C verbunden, der an seinem anderen Ende auf Erdpotential liegt. An den Netzwerkseingang und den Netzwerksausgang sind außerdem Anpassungskondensatoren Ci bzw. Co angeschlossen. Diejenige Spule, die dem Netzwerksausgang geometrisch am nächsten liegt, ist aus Anpassungsgründen nicht mit einem Abgriff versehen. Wie die Darstellung in Fig. TA erkennen läßt, ist besonders zu beachten, daß die Spulen in der Reihe A und die Spulen in der Reihe B in ihrer Lage gegenseitig derart versetzt sind, daß die Spulen in der Reihe B jeweils weiter vom Netzwerksausgang entfernt sind, als die Spulen in der Reihe A, mit denen sie elektrisch verbunden sind.

In Fig. 2 sind die relative Lage der einzelnen Spulen und die zwischen ihren Wechselwirkungskoeffizienten bestehenden Beziehungen veranschaulicht. Dabei sind in Fig.2 der Übersichtlichkeit der Darstellung halber nur die Beziehungen für den Kopplungskoeffizienten für die zweite Spule in der Reihe A oder die dritte Spule im Zuge der vom Netzwerkseingang ausgehenden Verbindungsleitung insgesamt dargestellt.

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Dabei ist in Fig. 2 angenommen, daß der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spulen innerhalb der beiden Reihen A und B jeweils 1 beträgt, während der Abstand zwischen den beiden Reihen A und B selbst den Wert l_p aufweist. Außerdem ist in Fig. 2 die Reihe B gegenüber der Reihe A in Längsrichtung des Netzwerks gesehen um eine Strecke 1„ auf den Netzwerkseingang zu versetzt.

Bei Messung der Größe jedes einzelnen der in Fig. 2 eingetragenen Kopplungskoeffizienten unter den oben angegebenen Bedingungen ergab sich nicht nur, daß die gemessenen Werte mit der relativen Lage der einzelnen Spulen, der Größe ihrer Abstände und der Form, den Abmessungen und dem Material für die trommeiförmigen Ferritkerne variieren, sondern auch, daß die Kopplungskoeffizienten (k ^), (k₄) und (k,_) im Vergleich zu den Kopplungskoeffizienten k ,

J IQ

kp und k„ ungewöhnlich klein ausfallen. Der Grund dafür liegt darin, daß der von weiter entfernt liegenden Ferritkernen ausgehende Magnetfluß durch die näherliegenden Magnetkerne absorbiert und damit für die jeweilige Spule unwirksam wird. So gibt es beispielsweise hinsichtlich des Kopplungskoeffizienten (k₄) einen gegenseitigen Kernabstand von 2 Ip, jedoch liegt innerhalb dieses Kernabstandes, nämlich im Abstand l , ein weiterer Ferritkern, der einen anderen Kopplungsfaktor k_p erzeugt, so daß nahezu

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alle auf diesen Ferritkern in Zwischenlage gerichteten Magnetflüsse absorbiert werden, was sich in einer Zunahme des Kopplungskoeffizienten k~ und in einer Abnahme des Kopplungskoeffizienten (k.) äußert. Außerdem wird der Wert für den Kopplungskoeffizienten (k.) im'Vergleich zu dem Fall, in dem diese Spulen mit einem gegenseitigen Abstand zwei 1 , jedoch ohne die Anordnung eines weiteren Ferritkernes dazwischen miteinander in-Wechselwirkung treten, stark vermindert.

In Fig. 3 ist das Schaltbild für die oben in Verbindung mit den Darstellungen in Fig. 1 und 2 beschriebene Verzögerungsleitung dargestellt. Die bei Betrachtung von der Eingangsseite des Netzwerks her dritte Spule weist die oben in Verbindung mit der Darstellung in Fig. 2 beschriebenen Kopplungen relativ zu den anderen Spulen auf. In der Schaltung von Fig. 3 fallen die in Fig. 2 durch in Klammern gesetzte Kopplungskoeffizienten wiedergegebenen Kopplungen extrem klein aus und sind daher nicht berücksichtigt, so daß nur diejenigen Kopplungen in Fig. 3 eingetragen sind, die große Auswirkungen auf das elektrische Verhalten der dargestellten Verzögerungsleitung haben.

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Es ist bereits angemerkt worden, daß mit den Abgriffen der einzelnen Spulen Kondensatoren C verbunden sind, und die zu beiden Seiten des Abgriffs liegenden Teile jeder Spule sind mit einem Kopplungskoeffizienten k miteinander gekoppelt. Dabei ist zu beachten, daß dieser Kopplungskoeffizient k_ angenähert den Wert 1 erreicht, wenn als Spulenkerne trommeiförmige Ferritkerne verwendet werden. Zwar sind in Fig. 3 nur die Kopplungsverhältnisse für die dritte Spule im einzelnen dargestellt, doch gelten offensichtlich auch für die anderen Spulen analoge Kopplungsverhältnisse.

Eine Umzeichnung in der Darstellung von Fig. 3 in Äquivalenz zu der Schaltung für eine leiterartige Verzögerungsleitung mit Kopplungskoeffizienten, "wie sie in dem oben erwähnten Artikel von Golay beschrieben sind, führt zu der Darstellung in Fig. 4. Mit Ausnahme der dem Netzwer>seingang bzw. dem Netzwerksausgang am nächsten liegenden Induktivitäten L und L_n weisen alle anderen Induktivitäten den Wert L auf. Genaugenommen besteht zwar ein geringfügiger Unterschied in der Induktivität zwischen einer angezapften Spule, für die der Spulenabschnitt mit der größeren Anzahl von windungen in der Reihe A liegt, und einer angezapften Spule, für die der Spulenteil mit der größeren Anzahl von windungen in der Reihe B liegt^ jedoch kann dieser geringfügige Unterschied vernachlässigt werden.

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Die Kopplungen zwischen benachbarten Induktivitäten sind alternierend a„ mit positivem Vorzeichen und a„, mit negativem Vorzeichen. Der Wert für die Kopplung a„ ergibt

ι a

sich als die Summe aus dem positiven Kopplungskoeffizienten k. _n multipliziert mit einem bestimmten Faktor und dem positiven Kopplungskoeffizienten k ebenfalls multipliziert .mit einem bestimmten Faktor, und der Wert für die Kopplung a_1b wird durch den positiven Kopplungskoeffizienten k multipliziert mit einem bestimmten Faktor wiedergegeben.

Daher lassen sich die Kopplungen a„ und a„_K auch folgen-

i a ι D

dermaßen schreiben:

a_1b = cC k₀ + ρ Ic_{1 a} bzw. a_1b = oC k _Q .

Der Wert für die Kopplung a _b fällt also geringfügig kleiner aus als der Wert für die Kopplung a ,. Bei genauerer Betrachtung würden sich auch die anderen Kopplungen addieren, aber ihre Werte sind vernachlässigbar klein. Der Unterschied der Werte für die Kopplungen a. und a„, wird

la id

durch die Lage des Abgriffs und durch die Größe des Kopplungskoeffizienten k bestimmt und dieser Unterschied

la

sollte nicht zu groß sein. Auf jeden Fall aber gilt stets die Beziehung a > a _b, und wenn alle Kopplungen zwischen benachbarten Induktivitäten gleich sind und für diese Kopplungen a als Optimalwert angesetzt werden kann, dann lassen sich die Optimalwerte für die Kopplungen a._ und a„_K inner-

Ί ä TD

halb des Bereichs der doppelten Ungleichung a > a > a

na 1 1D

bestimmen.

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Die Kopplungen a₂ zwischen jeder zweiten Induktivität müssen negative Werte aufweisen, und die meisten von ihnen lassen sich durch Multiplikation des Kopplungskoeffizienten k~ mit einem bestimmten Faktor bestimmen. Genau genommen nehmen auch diese Kopplungen a„ geringfügig unterschiedliche Werte, nämlich a und a^, an, jedoch sind die dazwischen bestehenden Unterschiede vernachlässigbar klein.

Die Kopplungen' a„ zwischen jeder dritten Induktivität müssen wieder positive Werte aufweisen und werden in großem Ausmaß von dem positiven Kopplungskoeffizienten k beeinflußt. Die Darstellung in Fig. 5 ist eine volle Wiedergabe der Kopplung a„ allein.

Bei einer achtstufigen Verzögerungsleitung kann die Kopplung a~ maximal in fünf Bereichen vorhanden sein, nämlich den drei Bereichen, die in Fig. 5 mit a„ in ausgezogenen Linien angedeutet sind, und den beiden Bereichen, die in Fig. 5 mit (a~) in gestrichelten Linien wiedergegeben sind. In der in Fig. 1 dargestellten Schaltung für eine Ausführungsform der Erfindung existiert die Kopplung a„ jedoch nur in den drei mit ausgezogenen Linien wiedergegebenen Bereichen und nicht auch in den beiden mit gestrichelten Linien angedeuteten Bereichen. Genau genommen

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gibt es auch dort wieder extrem geringe Kopplungen, die ja negative Werte annehmen, jedoch sind diese Kopplungen in der Praxis vernachlässigbar. Im Gesamtergebnis haben die Untersuchungen-zwar gezeigt, daß das elektrische Verhalten der Verzögerungsleitung in dem Falle, daßftur die Kopplungen a und ά stets Optimalwerte annehmen und die Kopplung a„ einen solchen Optimal wert nur in den drei durch ausgezogene Linien wiedergegebenen Bereichen besitzt, etwas schlechter ausfällt als für den Fall, daß auch die Kopplung a„ in allen fünf Bereichen einen Optimalwert aufweist, daß dieses elektrische Verhalten aber immer noch wesentlich besser ist als für den Fall, daß die Kopplung a„ völlig fehlt. Außerdem muß für den Fall, daß die Kopplung a„ nur in den drei mit ausgezogenen Linien wiedergegebenen Bereichen vorhanden ist, ihr Optimalwert etwas größer sein als für den Fall, daß diese Kopplung a„ in allen fünf Bereichen vorhanden ist.

Als nächstes sollen nunmehr die Gründe dargelegt werden, warum bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Verzögerungsleitung für die Kopplungen a (tatsächlich für eine Kombination in den Kopplungen a. und a _b), a₂ und a„ optimalwerte gewählt werden können. Dabei soll im Interesse einer leichteren Verständlichkeit die Kopplung a₂ zuerst

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betrachtet werden. Wie bereits erwähnt, wird die Kopplung a_p i.w. durch den Kopplungskoeffizienten k_p bestimmt. Dieser Kopplungskoeffizient k wiederum wird entsprechend der Darstellung in Fig. 2 in hohem Masse durch die Länge 1 beeinfluEt, was wiederum bedeutet, daß der Optimalwert für die Kopplung a_p durch Variation des Wertes für die Länge 1 erhalten werden kann.

Für den. Fall von trommeiförmigen Ferritkernen mit einer Anfangspermeabilität in der Größenordnung von 30 bis 200, wie sie bei einer normalen,Verzögerungsleitung in Miniaturausführung eingesetzt werden, wenn die Kerne in Berührung gebracht werden, liegt der Kopplungskoeffizient in der Größenordnung von 0,2 bis 0,3, während der von einer Verzögerungsleitung verlangte Absolutwert für den Kopplungskoeffizienten k_p in der Größenordnung von 0,02 bis 0,03 liegt. Daher läßt sich stets ein optimalwert für den Kopplungskoeffizienten k» erhalten, indem der Wert für den Abstand 1 von Kern zu Kern ausgehend von einem Zustand mit gegenseitiger Berührung der Kerne vergrößert wird. Im Zustand einer gegenseitigen Kernberührung oder bei nur geringem gegenseitigem Abstand zwischen den Kernen führt bereits ein geringer Unterschied im Kernabstand zu einem großen Unterschied im Kopplungskoeffizienten, und daher ist es nicht erwünscht, daß eine relativ starke Kopplung, beispielsweise eine Kopplung in der

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Größenordnung von 0,2, wie sie in weiter unten noch beschriebener Meise für die Kopplung a verlangt wird, dadurch erhalten wird, daß die Kerne nahe zueinander gebracht werden.

Der Wert für die Kopplung a„ wird wie bereits erwähnt, in "starkem Maße durch den Wert für den Kopplungskoeffizienten k„ beeinflußt. Im Zustand einer gegenseitigen Berührung der Kerne liegt der Wert für den Kopplungskoeffizienten k₃ innerhalb eines Bereiches von 0,2 bis 0,3J wie jedoch die Darstellung in Fig. 2 zeigt, berechnet sich der Abstand zwischen den Kernen, der den wert für den Kopplungskoeffizienten k„ bestimmt, zu

4 ⁺ ^¹I - ¹S)

und der notwendige ¥ert für den Kopplungskoeffizienten k„ liegt in der Größenordnung von 0,01 bis 0,02, so daß sich der optimale Wert für den KopplungskoefiLzienten k~ durch eine passende Wahl der Werte für die Abstände 1 und 1 wählen läßt.

Schließlich liegt der Optimalwert für die Kopplung a gewöhnlich in der Größenordnung von 0,17 bis 0,2. Für die vorliegende Erfindung ist bereits angemerkt worden, daß zwischen den Kopplungen a und a ■, der durch die doppelte Ungleichung a. ^> a ^> a ^ gegebene Zusammenhang

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besteht. Ebenso ist bereits angemerkt worden, daß sich die Kopplung a durch die Summe oOc_Q + ßk und die Kopplung a £ durch das Produkt CxTk₀ allein wiedergeben lassen. Im Gegensatz dazu liegt der Kopplungskoeffizient k.. wie oben in Verbindung mit der Kopplung a„ ebenfalls bereits bemerkt, in der Größenordnung von 0,01 bis 0,02, und dementsprechend erstreckt sich der Kopplungskoeffizient k über

ι a

etwa den gleichen Bereich wie der Kopplungskoeffizient k„, so daß sein Wert ebenfalls in der Größenordnung von 0,01 bis 0,02 liegt. Ein solcher Wert ist erheblich kleiner als der für die Kopplung a. erforderliche Wert von 0,17 bis 0,2, und so wird schließlich der größte Teil des erforderlichen Wertes für die Kopplung a₁ durch entsprechende Einstellung der Lage des Abgriffs erhalten. Genauer gesagt wird der Abgriff an einer Stelle herausgeführt, die nahe bei 8o % der gesamten Anzahl von Windungen liegt, und eine solche Einstellung der Abgriffslage läßt sich frei und mit aller Stabilität vornehmen, so daß sich auch der Optimalwert für die Kopplung & in stabiler Weise erhalten läßt.

Der Versuch, einen hohen Wert für die Kopplung dadurch zu erhalten, daß die Kerne nahe aneinandergebracht werden, ist nicht empfehlenswert, da unter diesen Bedingungen schon eine auch nur geringfügige Änderung im Abstand zwischen den Kernen zu einer großen Änderung im Wert der Kopplung führen würde. Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß ein solch

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großer Wert für die Kopplung dadurch gewonnen, daß die Lage für den Abgriff an der Spule in passender Weise gewählt wird, während Kopplungen mit kleinen Werten, aber von etwa gleicher-Größe sich in stabiler Weise dadurch erhalten lassen, daß der Abstand zwischen benachbarten Kernen in passender Weise gewählt wird.

Wenn sowohl die hohen Werte für die Kopplung als auch die kleinen Werte für die Kopplung durch, eine Variation der Lage der Kerne relativ zueinander gewonnen werden müssen und wenn die zu erzielenden Kopplungen komplex sind , führt bereits jeder kleine Unterschied im Abstand der Kerne voneinander zu einem großen Unterschied für die großen Kopplungswerte, und dies beeinflußt auch die kleinen Kopplungswerte, so daß es schwierig wird, genaue Verzögerungsleitungen mit niedrigen Gestehungskosten und in Massenfertigung herzustellen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt auch in Folgendem:

Wie Fig. 2 deutlich erkennen läßt, berechnet sich der Abstand zwischen den Kernen, der den Wert für den Kopplungskoeffizienten k. bestimmt, zu

ι a

² + I²
und der Abstand zwischen den Kernen, der den Wert für den

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Kopplungskoeffizienten k„ festlegt, ergibt sich zu

und daher können für die Kopplungskoeffizienten k_ und

k. Optimalwerte gewählt werden, indem die Längen 1 und ι a d.

1 entsprechend gewählt werden. Daher lassen sich die Kopplungen a. und a„ unabhängig voneinander und gleichzeitig fein einstellen, indem ein konstruktiver Aufbau gewählt wird, der eine Feineinstellung der beiden Längen I₂ und 1 ermöglicht.

In Fig. 6A_f 6B und 6C ist ein Ausführungsbeispiel vür eine er findungsgemäß ausgebildete Verzögerungsleitung dargestellt, die mit einem Feineinstellmechanismus versehen und so aufgebaut - ist, daß die Lage der Spulen in den Reihen A und B relativ zueinander eingestellt werden kann. Dazu sind auf der Oberseite einer Grundplatte 1 Nuten 2, die eine Verschiebung der Spulen in der Rexhe A senkrecht zu dieser Reihe A gestatten, und eine Nut 3 ausgebildet, die eine Bewegung der Spulen in der Reihe B entlang dieser Reihe ermöglicht. Die Unterteile 4 und 5 der Spulen in der Reihe A bzw. in der Reihe B sind an ihren Unterseiten mit Vorsprüngen 2' bzw. 3' versehen, die zu einem Eingreifen in die Nuten 2 bzw. 3 in der Grundplatte 1 gebracht werden können. Auf diese Weise

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erhalten die Unterteile 4 und 5 der Spulen eine Führung in der Grundplatte 1, und sie lassen sich bei gegenseitigem
Ineinandergreifen der Nuten 2 und 3 einerseits und der
entsprechenden Vorsprünge 2¹ und 3' andererseits gleitend in Transversal- bzw. Longitudinalrichtung zur Grundplatte 1 verschieben. Auf diese Weise lassen sich der Wert für die Länge 1„ durch eine Verschiebung der Unterteile 4 der
Spulen in der Reihe A und der Wert für die Länge 1„ durch eine Bewegung der Unterteile 5 der Spulen in der Reihe B
einstellen.

Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Feineinstellmechanismus für die Kopplungen a und a„ kann diese Ausführungsform

f O

mit einem Feineinstellmechanismus für die Kopplung a_? versehen sein, für den ein Beispiel in Fig. 7 dargestellt ist. Bei diesem Beispiel sind Ferritstäbe 6 für die Einstellung der Kopplung a~ jeweils außen entlang der Spulenreihen A
und B beweglich angeordnet. Durch Annäherung dieser Ferritstäbe 6 an die jeweilige Reihe A bzw. B der Spulen läßt
sich der Wert für den Kopplungskoeffizienten k_p und damit der Absolutwert für die Kopplung a„ vergrößern.

Die Ferritstäbe 6 für die Einstellung der Kopplung a_p sind an ihren entgegengesetzten Enden in Montageöffnungen in
Gleitköpfen 7, von denen in Fig. 7 nur einer dargestellt
ist, eingeführt und darin festgelegt.

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Die Gleitköpfe 7 bestehen aus einem isolierenden Material wie einem Kunststoff oder dgl., und sie besitzen stabförmige Ansätze, die in Bohrungen in Gleitkopfhaltern 8 gleitend geführt sind, die an entgegengesetzten Enden der Spulenreihen A und B angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich durch eine Bewegung der Gleitköpfe 7 in den Bohrungen der Gleitkopfhalter 8 die Ferritstäbe 6 für die Einstellung der Kopplung a_p relativ zu den Spulen bewegen. Nach der Einstellung werden alle beweglichen Teile des Einstellmechanismus festgeklebt.

Auf diese Weise lassen sich unter Feineinstellung der . Werte für die Kopplungen a , a₉ und a„ unter Verwendung des oben beschriebenen Einstellmechanismus Verzögerungsleitungen von hoher Genauigkeit gewinnen.

Durch die Verwendung eines solchen Einstellmechanismus lassen sich mit Hilfe der Erfindung Verzögerungsleitungen von hoher Genauigkeit erhalten, und außerdem gestattet die Erfindung die Herstellung von Verzögerungsleitungen mit für normale Anwendungsfälle ausreichender Genauigkeit auch ohne die Verwendung des Einstellmechanismus. Dieses vorteilhafte Ergebnis hat seinen Grund darin, daß die bei hinreichender Berücksichtigung und Bestimmung der Lage · der Ferritkerne relativ zueinander und der Lage der Ab-

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griffe für die einzelnen Spulen im Verlaufe der Herstellung erhaltenen Verzögerungsleitungen ungeachtet einiger in den einzelnen Teilen auftretender Unregelmäßigkeiten gleichförmige Eigenschaften aufweisen, da die Kopplungskoeffizienten in lagemäßig stabilen Bereichen liegen.

In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführuhgsbeispiel für die Erfindung veranschaulicht, das sich von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß die Achsen der trommeiförmigen Ferritkerne und damit die Achsen der Spulen selbst statt vertikal zur Montageoberfläche für die Spulen wie in Fig. 1 nunmehr horizontal verlaufen. Ein -weiterer Unterschied zwischen den beiden Ausführungsbeispielen liegt auch darin, daß in Fig.. 1 die Windungen der Spulen in den Reihen A und B in umgekehrter Richtung liegen, so daß sich auch Magnetflüsse in entgegengesetzten Richtungen ergeben, während in Fig. 8 die windungen der Spulen in beiden Reihen A und B nach der gleichen Richtung laufen, so daß diese Spulen auch Magnetflüsse in der gleichen Richtung erzeugen.

In allen anderen Gesichtspunkten einschließlich der Lage der einzelnen Spulen relativ zueinander und ihrer elektrischen Verbindung sind'die beiden Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und Fig. 8 dagegen einander gleich.

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Die Darstellung in Fig. 8B zeigt analog zu der Darstellung in Fig. 1B eine Seitenansicht für zwei im Zuge der Verzögerungsleitung aufeinanderfolgende Spulen von den insgesamt acht Spulen der Verzögerungsleitung.

Nunmehr sollen anhand der Darstellungen in Fig. 9 und Fig. 10 die Merkmale dieser Konstruktion näher beschrieben werden. Dabei veranschaulicht Fig. 9 die Kopplungsbedingungen zwischen den Spulen in der Reihe A und den Spulen in der Reihe B. Die Darstellung zeigt, daß bei gegenseitiger Ausrichtung der Achsen einer Spule (b) in der Reihe A und einer Spule (a) in der Reihe B aufeinander die Kopplung der Spule (a) mit der Spule (b) einen positiven Wert annimmt. Wenn die Achse der Spule (b) gegenüber der Achse der Spule (a)hinreichend weit versetzt oder in die in Fig. 9 in gestrichelten Linien dargestellte Lage (b·) gebracht wird, wird die Kopplung der Spule (a) Tiit dieser anderen Spule negativ. Im Unterschied dazu bleibt die Kopplung zwischen den Spulen in den Reihen A und B bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 stets positiv, wie dies bereits oben erwähnt ist.

In Fig. 10 ist dieser Unterschied graphisch veranschaulicht. Wenn der Abstand I₂ zwischen den beiden Reihen A und B in passender Weise bestimmt ist und dann die Spu-

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len in der Reihe B in der in Fig. 9 durch einen pfeil χ angedeuteten Richtung verschoben werden, dann erfährt der Kopplungskoeffizient k bei einer Konstruktion gemäß Fig. eine Änderung, wie sie in Fig. 10 durch eine ausgezogen dargestellte Kurve V wiedergegeben wird, währendder Kopplungskoeffizient k bei einer Konstruktion gemäß Fig. ö eine Änderung erfährt, wie sie in Fig. 10 durch eine gestrichelte Kurve H dargestellt ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, läßt die ausgezogene Kurve V erkennen, daß bei einer Vergrößerung des Abszissen-Wertes χ der Kopplungskoeffizient k allmählich auf den Wert 0 abnimmt, während die gestrichelte Kurve H zeigt, daß mit Zunahme der Abszissen-Werte χ der Kopplungskoeffizient k von einem positiven Wert über den Wert 0 auf negative Werte abnimmt, im negativen Bereich ein Minimum durchläuft und anschließend sich allmählich dem Wert 0 wieder annähert.

Als nächstes sollen die Merkmale einer nach dem Beispiel von Fig. 8 aufgebauten Verzögerungsleitung diskutiert werden. Wenn der Wunsch besteht, an den Verbindungspunkten aller Kondensatoren C Abgriffsignalausgänge abzunehmen, und das Phasenverhalten der ausgangsseitigen Wellenformen soweit wie möglich aneinander anzugleichen, da die Kopplungen a. und a , bei der Konstruktion nach

la TD

Fig. 1 geringfügig voneinander abweichen, wie dies oben in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben ist, werden die Ten-

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denzen in Richtung auf eine Verzerrung der ausgangsseitigen Wellenformen für jeden Abschnitt der Verzögerungsleitung entsprechend geringfügig unterschiedlich ausfallen. Im Gegensatz dazu läßt sich für die Konstruktion nach Fig. aus der Tendenz der gestrichelten Kurve H in Fig. 10 voraussagen, daß es bei einer Betrachtung der Kopplungskoeffizienten, wie sie in Fig. 2 veranschaulicht sind, für eine Konstruktion gemäß Fig. 8 möglich ist, den Kopplungskoeffizienten k. und (k„, ) dann, wenn für den Kopplungskoeffii a ι υ

zienten k₃ ein passender positiver wert gewählt wird, extrem kleine,aber einander in etwa gleiche negative Werte zu geben. Dies ergibt sich daraus, daß es entsprechend der gestrichelten Kurve H in Fig. 10 möglich ist, eine solche Einstellung zu wählen, daß der Kopplungskoeffizient k„ einen positiven Wert erhält und daß zusätzlich die Kopplungskoeffizienten k. und (k„_K) auf entgegenge-

1 a id

setzte Seiten des negativen Minimums in der Kurve H in Fig. 10 zu liegen kommen.

Bei der Beschreibung von Fig. 1 ist der Kopplungskoeffizient (k ,) aufgrund der Annahme vernachlässigt worden, daß dieser Kopplungskoeffizient im Vergleich zum Kopplungskoeffizienten k„ sehr klein istj für das Ausführungs-

1 a

beispiel von Fig. 1 nehmen die Kopplungskoeffizienten k und k _b jedoch zwar extrem kleine, aber einander etwa

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gleiche Werte an, so daß sich für die Kopplungen a und

I a

a._K die doppelte Gleichung a. = a._K = a„ mit hinreichen— der Sicherheit aufstellen läßt.

Jedoch unterliegt der Aufbau von Pig. 8 einer höheren Änderungsrate im Kopplungskoeffizienten in Bezug auf eine Änderung der Abszissen—tferte x, und daraus ergibt sich die Notwendigkeit für eine gesteigerte Genauigkeit bei der Montage.

In Fig. 11 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Erfindung veranschaulicht. Im Interesse einer klaren und einfachen Darstellung sind die Spulen selbst und ihre Verbindungsleitungen mit den Kondensatoren in Fig. 11 nicht weiter dargestellt, jedoch versteht es sich, daß diese Spulen und Verbindungsleitungen analog zu der Darstellung in Fig. 8 auszuführen sind. Der Aufbau gemäß Fig. 11 unterscheidet sich von dem nach Fig. 8 dadurch, daß die Achsen der Spulen um einen winkel θ gegenüber der zu den Reihen A und B senkrechten Ebene geneigt verlaufen. Wie die nachstehenden Darlegungen zeigen werden, läßt sich mit einer solchen Konstruktion ein noch besseres Verhalten dadurch erhalten, daß die einzelnen Spulen näher aneinander herangebracht werden, was wiederum zu einer noch weiteren Verringerung der Gesamtabmessungen für die so erhaltene Verzögerungsleitung führt. Betrachtet man

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wieder die in Fig. 2 dargestellten Kopplungskoeffizienten für einen Aufbau gemäß Fig. 11, so ist es bei dieser Konstruktion erforderlich, die Länge 1 zu verringern, damit der Kopplungskoeffizient k_? den gleichen Wert wie bei der Konstruktion nach Fig. 8 erhält. Das Ausmaß für diese Verkleinerung der Länge 1 hängt von der Größe des Winkels θ ab. Nimmt man als Beispiel den Fall eines Winkels θ = 90 , so sind alle Spulen in den Reihen A und B aufeinander ausgerichtet, und die Kopplungen zwischen den Spulen in der Reihe A und zwischen den Spulen in der Reihe B sind sämtlich positiv. Bei der Konstruktion nach Fig. 8 dagegen, für die der Winkel θ den Wert 0 aufweist, sind die Kopplungen zwischen den Spulen in der Reihe A und zwischen den Spulen in der Reihe B sämtlich negativ.

Daraus wird ersichtlich, daß bei einer allmählichen Vergrößerung des Wertes für den Winkel θ ausgehend vom »r^rte 0 die Absolutwerte für die Kopplungen sowohl ,zwischen den Spulen in der Reihe A als auch zwischen den Spulen in der Reihe B bis auf unter den Wert 0 absinken und dann wieder bis in den positiven Bereich hinein ansteigen. Daher muß der Wert für die Länge 1 , um bei einer Zunahme des Winkels θ ausgehend vom Werte 0 immer noch negative Kopplungen zu erhalten, allmählich vermindert werden.

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Weiterhin gestattet eine Konstruktion gemäß Fig. 11 mit in der oben beschriebenen Weise geneigt angeordneten Ferritkernen eine Verkleinerung der Länge l_p, und überdies läßt sich unabhängig von dieser Verkleinerung der Länge 1„ der Abstand zwischen den Spulen vergrößern. In diesem Fälle bedeutet ein gleicher Wert für den Kopplungskoeffizienten k wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8, daß der Wert für die Länge I₂ verkleinert werden kann und daß sich auch die Länge 1~ verkürzen läßt, da die Spulen in der Reihe B um eine dem Neigungswinkel θ entsprechende Strecke weiter nach rechts zu liegen kommen, so daß sich die Gesamtlängenabmessung weiter verkleinert. Diese Verringerung der Werte für die Längen 1 , 1 und 1 führt zu einer weiteren Verminderung der Abmessungen für die gesamte Verzögerungsleitung.

Aus der Darstellung in Fig. 11 ist ferner ohne weiteres ersichtlich, daß auch bei einer Konstruktion nach Fig. 1 eine Neigung der Spulenachsen vorgesehen werden kann. Außerdem kann die Richtung dieser Spulenachsenneigung" der Längsrichtung oder der Breitenrichtung in der Verzögerungsleitung entsprechen oder auch dazwischen liegen, und die zu erhaltenden Ergebnisse lassen sich in analoger Weise aus den obenstehenden Ausführungen entnehmen.

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In der vorstehenden Beschreibung ist weiter für die Spulen in den Reihen A und B jeweils eine Anordnung auf der gleichen Höhe in Bezug auf die Montageoberfläche angenommen worden, während die Spulen in der einen Reihe und die Spulen in der anderen Reihe auf etwas unterschiedlichen Höhen liegen können, um die Werte für die Länge 1 zu verkleinern, wie aus der obigen Beschreibung ebenfalls ohne weiteres deutlich wird.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung entnehmen läßt, ist die vorliegende Erfindung in erster Linie für eine Anwendung beim Bau von hochminiaturisierten Verzögerungsleitungen hoher Leistung entwickelt worden, und sie führt durch die Verwendung von trommeiförmigen Ferritkernen relativ geringer Abmessungen zu einer einfachen Konstruktion, kann dabei aber relativ hohe Induktivitätswerte liefern, und sie ergibt außerdem ein sehr gutes elektrisches Verhalten durch Verwendung einer begrenzten Anzahl von Bauelementen.

Beispielsweise sind für eine erfindungsgemäß ausgebildete Verzögerungsleitung in Superminiaturausführung, die innerhalb einer dualen in-line-Ausführung zehn Abschnitte oder Stufen mit einer Gesamthöhe von 6,3 mm, einer Gesamtbreite von 6,3 mm and einer Gesamtlänge von 20 mm, eine Verzöge-

* aufwies

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it von 100 ns und eine charakteristische Impedanz von 1ΟΟ-Ω., eine ausgangsseitige Impulsanstiegszeit von 13 ns und eine viellenformverzerrung von 5 % für eine eingangsseitige Impulsanstiegszeit von 6 ns gemessen worden. Im Vergleich mit bisher bekannten Verzögerungsleitungen dieser Bauart entsprechen diese Meßwerte einer 20 bis 30 %±gen Verbesserung im elektrischen Verhalten, die vorliegende Erfindung gestattet also den Bau einer Verzögerungsleitung, die ungeachtet einer Ausführung in Superminiaturbauweise eine hohe Leistung erbringt.

Weiter liegt es jedoch auf der Hand, daß die vorliegende Erfindung sich nicht nur beim Bau von Verzögerungsleitungen in Superminiaturausführung mit Erfolg einsetzen läßt, sondern daß sie auch auf viele andere Verzögerungsleitungen anwendbar ist, die mindestens vier induktive Elemente enthalten. Dabei ist ferner ohne weiteres klar, daß hinsichtlich der Struktur der Spulen keine Beschränkung auf Spulen besteht, die auf trommeiförmige Ferritkerne aufgewickelt sind, sondern daß sich auch auf andere Arten von Kernen aufgewickelte Spulen mit Erfolg verwenden lassen, ja daß sogar Spulen verwendbar sind, die überhaupt nicht auf einen Kern aufgewickelt sind.

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Claims (9)

PATENTANWAIT Λ MUNCHEK, 1 δ .4.1 974/S/Dr. F. DR. WILHELM HASSE P 414β/το DIPLOMINGENIEUR _ _ Patentarisprüc he

1.] Mehrstufennetzwerk, insbesondere Verzögerungsleitung, mit einer ersten Gruppe von mit gegenseitigem Abstand entlang einer ersten Geraden angeordneten Spulen und mit einer zweiten Gruppe von ebenfalls mit gegenseitigem Abstand, jedoch in Längsrichtung des Netzwerks gegen die Spulen der ersten Gruppe um eine vorgebbare Strecke versetzt entlang einer zur ersten Geraden zumindest angenähert parallel verlaufenden zweiten Geraden angeordneten Spulen, von denen die von der Eingangsseite des Netzwerks her gesehen erste Spult- der ersten Gruppe mit einem Netzwerkseingang, die von der Eingangsseite des Netzwerks her gesehen letzte Spule der zweiten Gruppe mit einem Netzwerksausgang und außerdem die erste Spule der ersten Gruppe mit der ersten Spule der zweiten Gruppe, diese wiederum mit der zweiten Spule der ersten Gruppe und so weiter fort jede folgende Spule der ersten Gruppe mit der entsprechenden Spule der zweiten Gruppe und diese mit der nächstfolgenden Spule der ersten Gruppe elektrisch verbunden ist,

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dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule der zweiten Gruppe geometrisch näher am Netzwerkseingang liegt als die entsprechende Spule der ersten Gruppe, daß die Axialrichtungen aller Spulen sowohl in der ersten Gruppe als auch in der zweiten Gruppe so gewählt sind, daß sich zwischen den einander nächsten Spulen der ersten und der zweiten Gruppe eine positive Kopplung, zwischen den Spulen in jeder Gruppe jedoch eine negative Kopplung ergibt, und daß jede Spule in beiden Gruppen einen Abgriff aufweist, der über einen Kondensator geerdet ist.

2. Netzwerk nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen aller Spulen sowohl in der ersten Gruppe als auch in der zweiten Gruppe in einer Vertikalebene liegen.

3. Netzwerk nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Spulen in ihrer Vertikalebene geneigt verlaufen.

4. Netzwerk nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen aller Spulen sowohl in der ersten Gruppe als auch in der zweiten Gruppe in einer Horizontalebene liegen.

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5. Wetzwerk nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Spulen in ihrer Horizontalebene geneigt verlaufen.

6. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Gruppe von Spulen vertikal gegeneinander versetzt sind.

7. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der ersten Geraden, entlang der die Spulen der ersten Gruppe angeordnet sind, und der zweiten Geraden, entlang der die Spulen der zweiten Gruppe angeordnet sind, einstellbar» ist.

8. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß das Ausmaß der Versetzung zwischen den entsprechenden Spulen der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe in Längsrichtung des Netzwerks einstellbar ist.

9. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen den Spulen in jeder der beiden Gruppen einstellbar ist.

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