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Filterschaltung für elektrische Wellen, bestehend aus elektronischen
Leitungen Die Erfindung betrifft eine Filterschaltung für elektrische Wellen, bestehend
aus elektronischen Leitungen nach dem Prinzip der Ladungsübertraglmg - sogenannte
Charge Transfer Devices (CTD's) - die aus einzelnen CTD-Gliedern bestehen.
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Bei der Ubertragung von Informationen mittels elektrischer Nachrichtenübertragungssysteme
tritt häufig das Problem auf, daß nur innerhalb gewisser Frequenzbereiche liegende
Signale übertragen werden sollen, unter gleichzeitiger Unterdrückung von Signalen,
die in benachbarten oder anschließenden Frequenzbereichen liegen. Für diesen Zweck
werden Filter eingesetzt, die in der herkömmlichen Technik meist aus Spulen und
Kondensatoren bestehen. Diese elektrischen Bauelemente haben indes den Nachteil,
daß sie vor allem im Bereich der niedrigeren Frequenz zen, wie im Niederfrequenzbereich
und im Frequenzbereich bis etwa einige hundert Megahertz, relativ große Abmessungen
aufweisen.
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Bekanntlich zielen neuere Bestrebungen immer stärker darauf ab, solche
Filterschaltungen einem integrierten Aufbau im strengen Sinn, d.h. also einem Schaltungsaufbau
ohne jede ibridierung, zugänglich zu machen. In diesem Zusammenhang ist es aus dem
Tagungsheft "Frequency Control Symposium", Juni 1972, Seiten 171 bis 179 bereits
bekannt geworden, solche Filter-Schaltungen aus sogenannten CCD-Leitungen aufzubauen.
Solche CCD-Leitungen - CCD ist dabei die Abkürzung für Charge Coupled Devices -
lassen sich unter die Gattung der sogenannten CTD-Leitungen einordnen, die entsprechend
dieser Abkürzung als Charge Transfer Devices bezeichnet werden. Bei den vorerwähnten
bekannten integrierbaren Filterschaltungen handelt es
sich um sogenannte
Transversalfilter, bei denen zur Erzielung des gezYinschten Filter-Frequenzverhaltens
der Umweg über das Zeitverhalten in Form der Impulsantwort gegangen wird, und es
zeigt sich dabei, daß zur Erzielung von steilen Sperrdämpfungsflanken eine verhältnismäßig
große Anzahl einzelner CTD-Glieder erforderlich ist. Weiterhin ist die Welligkeit
im Durchlaßbereich und die maximal erzielbare Sperrdämpfung bei diesen bekannten
Filterschaltungen unmittelbar von der Fertigungsgenauigkeit insofern abhängig, als
dort Kapazitätsverhältnisse der einzelnen CTD-Glieder sehr genau aufeinander abgestimmt
sein müssen, wenn hohe Sperrdämpfungsforderungen und eine kleine Welligkeit im Durchlaßbereich
eingehalten werden sollen. Die physikalische Ursache dieser Erscheinung ist darin
zu sehen, daß solche Transversalfilter in ihrem elektrischen Ersatzschaltbild als
Mehrfach-Brückenschaltungen angesehen werden können, d.h, also als Schaltungen,
bei denen das Verhalten im Durchlaßbereich durch Addition und das Verhalten im Sperrbereich
durch Kompensation vieler einzelner Teilwellen erzielt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus elektronischen Leitungen
bestehende Filterschaltungen anzugeben, bei denen einerseits der Vorteil der vollständigen
Integrierbarkeit erhalten bleibt und bei der gleichzeitig das Sperrdämpfungsverhalten
nahezu unabhängig von Abmessungstoleranzen und weiterhin dne Anzahl der einzelnen
CTD-Glieder erheblich, beispielsweise um den Faktor 10, reduziert werden kann.
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Ausgehend von der eingangs angegebenen Filterschaltung, wird diese
Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Bildung einer Resonatorschaltung
die CTD-Glieder zu einer in sich geschlossenen, resonanzfähigen Leiterschleife zusammengeschaltet
sind, daß an diese Leiterschleife zwei Eingänge und zwei Ausgänge angekoppelt sind,
und daß diese Ein- und Auskopplungen derart ausgebildet sind, daß bei der Resonanzfrequenz
der Leiterschleife die am ersten Eingang eingespeiste elektrische
Welle
nur am ersten Ausgang erscheint, und daß mit zunehmender Abweichung von der Resonanzfrequenz
der Leiterschleife zunehmend mehr Wellenenergie auch am zweiten Ausgang erscheint,
während bei Einspeisung am zweiten Eingang bei der Resonanzfrequenz der Leiterschleife
die Welle nur am zweiten Ausgang erscheint und mit zunehmender Abweichung von der
Resonanzfrequenz ebenfalls zunehmend mehr Wellenenergie auch am ersten Ausgang erscheint.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes können
im einzelnen noch den Unteransprüchen entnommen werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung beigefügten
Ausführungsbeispiele noch näher erläutert.
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Dabei zeigen die Fig.1 ein Grundglied einer Resonatorschaltung mit
zwei Eingängen und zwei Ausgängen; Fig.2 die zu Fig.1 wesentlichen Bemessungsformeln
und die beiden Gleichungen in Matrixschreibweise durch die die Viertorschaltung
von Fig.1 vollständig beschrieben ist; Fig.3 den mittleren Abschnitt einer Kettenschaltung
zweier Resonatorschaltungen von Fig.1 unter Zwischenschaltung einer CTD-Koppeschleife
mit dem Phasenmaß n.
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Wegen der Verwendung von CCT-Schaltungen hat auch das erfindungsgemäße
Filter Leitungsverhalten, d.h. es treten auch hier abwechselnd Sperr- und Durchlaßbereiche
periodisch auf, von denen jeweils der gewunschte Teilfrequenzbereich ausgewählt
werden kann und die nicht gewünschten Teilfrequenzbereiche
durch
Kettenschaltung von einfachen Tief- oder Hochpässen unterdrückt werden können. Insbesondere
ist auch daran gedacht, das erfindungsgemäße Filter als Kanalfilter für Trägerfrequenzeinrichtungen
und Zeitmultiplexeinrichtungen zu verwenden.
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Als integrierbare Leitungen werden elektronische Leitungen mit unidirektionalen
Ubertragungseigenschaften verwendet. Nach einer vorteilhaften Möglichkeit wird eine
sogenannte Eimerkettenschaltung, das ist eine elektrische Speichereinrichtung für
Analogsignale, benutzt, bei der die Ubertragungsgeschwindigkeit oder mit anderen
Worten die Laufzeit eines Signals vom Eingang bis zum Ausgang durch den Fortschaltetakt
der Eimerkettenschaltung bestimmt ist. Solche Einrichtungen sind z.B.
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durch 1!IEEE Solid State Circuits", Vol.4 (Juni 1969), Heft 3, Seiten
131 bis 136,- an sich bekannt. Anstelle von solchen Eimerkettenschaltungen können
auch sogenannte CCD's verwendet werden, das sind Einrichtungen, die nach dem Prinzip
der gekoppelten Ladungen arbeiten, wie sie beispielsweise in "BSTJt', Band 49 (1970),
Seiten 589 bis 593, beschrieben sind. Auch hier dient ein sogenannter Taktgenerator
zur Festlegung der Laufzeit einer Signalprobe, die in den Eingang eingespeist und
im Ausgang der CCD-Kette entnommen wird. Ergänzend wäre noch die Zeitschrift "Elektronik",
erschienen im Franzis-Verlag, München, 23. Jahrgang, Nr.1/1974, und dort die Arbeit
mit t dem Titel t'Leitungsverschiebeschaltungen" nebst Literaturverzeichnis, zu
nennen.
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Derartige CCD's oder Eimerkettenschaltungen werden nun nach der Erfindung
dadurch zu einem Ring geschaltet, daß man ihren Eingang mit ihrem Ausgang verbindet.
Die elektrische Länge eines solchen Leitungsrings ist dann durch die Taktfrequenz
F und die Anzahl n der CTD-Glieder bestimmt. Die elektrische Länge der zu einer
Schleife bzw. einem Ring geführten CTD-Schaltung ist für die durchzulassende elektrische
Welle durch die Umlaufphase m 2n in der Leitungsschleife bestimmt
(mit
m=1,2,3,... ganze Zahl).
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Hinsichtlich des Phasenmaßes im Hinblick auf elektronische Leitungen
sei folgendes bemerkt: Wenn die Taktfrequenz der elektronischen Leitung F = - ausreichend
höher ist als die Frequenz fO des zu übertragenden Signals, so kann die Wellen-Fortpflanzungsgeschwindigkeit
v ausgedrückt werden durch v = F.
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Die eine Wellenlänge darstellende Anzahl von Leitungselementen A bei
der Frequenz f0 ergibt sich dann mit o A = und damit eine Leitung der Phase 2n.
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Bei den Schaltungen nach Fig.1 und Fig.3 wird davon ausgegangen, daß
das zugeführte Signal bereits ein gesampeltes Analogsignal ist. Dazu wird das Analogsignal
über einen sogenannten Sampler gerührt, der zu äquidistanten Zeitpunkten aus dem
Analogsignal Amplitudenproben für die weitere Verarbeitung entnimmt. Aus Gründen
der Erfüllung des bekannten Abtasttheorems ist hierbei darauf zu achten, daß die
Abtastfrequenz wenigstens doppelt so hoch ist wie die höchste der zu übertragenden
Frequenzen. In vielen Fällen ist es jedoch vorteilhaft, diese Abtastfrequenz höher,
beispielsweise F=4foS zu wählen; denn es ist auch die Frequenz der Fortschaltung
in den Leitungsschleifen, also die Taktfrequenz in der CTD-Schaltung, zu berücksichtigen,
die vorzugsweise gleich der Samplingfrequenz gewählt wird.
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Bei dem in Fig.1 gezeichneten Ausführungsbeispiel sind die Ein-und
Auskoppelschaltungen in Verbindung mit der resonanzfähigen Leiterschleife 5 zu erkennen,
die insgesamt zu einer Resonatorschaltung 6 zusammengeschaltet sind. Wie bereits
erwähnt,
bestehen die einzelnen Leitungsabschnitte aus elektronischen
Leitungen, die nach dem Prinzip der Ladungsübertragung arbeiten, Leitungen also,
die man auch als Charge Transfer'Devices oder CTD bezeichnet. Die in der Schaltung
als einzelne Leitungen dargestellten Abschnitte sind als Ersatzschaltbild für diese
elektronischen Schaltungen zu denken und müssen also bei der praktischen Realisierung
durch die bereits erwähnten unidirektionalen CTD-Leitungen ersetzt werden. Der innere
Leitungsabschnitt besteht aus einem in sich geschlossenen Ring, also einer Leiterschleife,
die mit der Bezugsziffer 5 bezeichnet ist. Die erforderlichen Durchlaßrichtungen
der einzelnen unidirektionalen Leitungsabschnitte sind in den Fig.1 und 3 durch
die mitgezeichneten Pfeile kenntlich gemacht, ebenso ist an den einzelnen Leitungsabschnitten
das Phasenmaß (z.I3. b, sf/fo-2b, n+b) angegeben, so daß unmittelbar aus der Zeichnung
erkenntlich ist, daß im speziellen Ausführungsbeispiel von Fig.1 das Phasenmaß der
gesamten Leiterschleife 5 bei der Resonanzfrequenz das Phasenmaß 4n hat, also ein
geradzahliges Vielfaches des Phasenmaßes 2n. Selbstverständlich ist für die Resonanzfähigkeit
auch das Phasenmaß 2n bzw. andere ganzzahlige Vielfache davon möglich. An die in
sich geschlossene Leiterschleife 5 sind zwei Eingänge 1 und 4 sowie zwei Ausgänge
2 und 3 angekoppelt. Diese Ein- und Ausgänge sind nun derart ausgebildet, daß bei
der Resonanzfrequenz der in sich geschlossenen Leiterschleife 5 die am ersten Eingang
1 eingespeiste Welle nur am ersten Ausgang 3 erscheint. Weiterhin sind die Ein-
und Auskopplungen so ausgebildet, daß mit zunehmender Abweichung von der Resonanzfrequenz
der Leiterschleife 5 zunehmend mehr Wellenenergie auch am zweiten Ausgang 2 erscheint,
so daß im Sperrbereich nahezu die gesamte zugeführte Energie am Ausgang 2 erscheint.
Speist man demgegenüber eine Welle am zweiten Eingang 4 ein, dann haben die Ein-und
Auskoppelschaltungen ebenfalls die Eigenschaft, daß bei der Resonanzfrequenz der
in sich geschlossenen Leiterschleife 5 die gesamte Energie nur am zweiten Ausgang
2 erscheint und mit zunehmender Abweichung von der Resonanzfrequenz zunehmend mehr
Energie
auch am ersten Ausgang 3 auftritt. Die Ausbildung dieser Ein- und Auskoppelschaltungen
wird im einzelnen nachfolgend noch beschrieben.
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Die mit Z1, Z4 bzw. W2 und W3 bezeichneten elektrischen Größen sind
als Wellengrößen anzusehen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als zeitliche
Folge von elektrischen Ladungen anzusehen sind, Ladungsgrößen also, die, wie bereits
erwähnt, nach dem Abtastvorgang der Gesamtschaltung zugeführt werden bzw.
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von der Schaltung abgenommen werden können. Mit Z und einem entsprechend
zugeordneten Index sind die auf die Schaltung zulaufenden Wellengrößen, mit W und
einem entsprechend zugeordneten Index sind die von der Schaltung weglaufenden Wellengrößen
bezeichnet. Das in Fig.2 angegebene Gleichungssystem für Z1 und W2 verknüpft in
Matrixschreibweise die ein- und auslaufenden Wellengrößen auf der einen Seite mit
den ein- und auslaufenden Wellengrößen auf der anderen Seite der Resonatorschaltung
6.
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Diese Matrix kann somit als Betriebskettenmatrix bezeichnet werden.
Es läßt sich zeigen, daß dieses Gleichungssystem identisch ist mit dem Gleichungssystem
eines Mikrowellenresonators, weshalb die Bemessung mehrkreisiger Filtersysteme unmittelbar
nach den bekannten Bemessungsregeln der Mikrowellentheorie vorgenommen werden kann.
Im einzelnen sei hierzu auf das bekannte Buch 'tMicrowave Filters, Impedance Matching
Networks and Coupling Structures" von Matthaei, Young, Jones (McGraw Hill Book Company
1964) Seiten 268 bis 272 und 477 bis 480 verwiesen. In Fig.2 sind noch weitere Bemessungsgrößen
angegeben, nämlich r und B, die lediglich von den Kapazitätswerten C1 und c2 der
CTD-Leitungen abhängen. Dabei sind C1 und C2 die Größen der Umladekapazitäten dieser
Leitungen. Mit B ist die relative 9-dB-Bandbreite der Resonatorschaltung 6 bezeichnet.
Weiterhin ist t die Abkürzung für den trigonometrischen Tangens, in dessen Argument
das Produkt nefn/F steht; f bedeutet dabei die Frequenzvariable und n ist die Anzahl
der in der Leiterschleife 5 verwendeten CTD-Glieder.
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In Fig.3 ist die Zusammenschaltung zweier Resonatorschaltungen 6 und
6' als Ausschnitt gezeichnet, der dort beispielsweise als Teilabschnitt eines mehrkreisigen
Filters aufzufassen ist. Zur besseren Ubersicht ist jeweils nur die Auskoppelschaltung
des vorhergehenden Resonators 6 und die Einkoppelschaltung des nachfolgenden Resonators
6' gezeichnet. Diese beiden Resonatorschaltungen sind über eine weitere Leiterschleife
18 miteinander verbunden. In Fig.3 ist auch für die Leiterschleife 18 das im Ausfhrungsbeispiel
verwendete Phasenmaß an die einzelnen. Leitungsabschnitte angeschrieben, wobei diese
Leiterschleife 18 das Phasenmaß n aufweist. Für die Leiterschleife 18 sind auch
andere Phasenmaße möglich. Bei der Zusammenschaltung ist darauf zu achten, daß der
erste Ausgang 3 der Resonatorschaltung 6 mit dem entsprechend ersten Eingang 1'
der Resonatorschaltung 6' verbunden ist. Weiterhin ist darauf zu achten, daß der
zweite Eingang 4 der Resonatorschaltung 6 entsprechend mit dem zweiten Ausgang 2'
der folgenden Resonatorschaltung 6' verbunden ist.
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Im folgenden seien nun noch vorteilhafte Ausgestaltungen der Ein-
und Auskoppelschaltungen beschrieben, wozu wiederum auf Fig.1 Bezug genommen wird.
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Aus Fig.1 ist zu erkennen, daß eine einzelne Einkopplung, z.B. 1,
und die dazugehörige Auskopplung, z.B. 2, aus mehreren kurzen CTD-Leitungsabschnitten
besteht. Auch hier ist in die Zeichung das Phasenmaß (b, 2b, a+b) der einzelnen
Leitungsabschnitte eingetragen. Diese Leitungsabschnitte sind in der Topologie eines
Kreuzgliedes zusammengeschaltet, und zwar derart, daß zwei diagonale Abschnitte
10, 11 der diagonal geführten Leitungen gleichzeitig Bestandteil der in sich geschlossenen
Leiterschleife 5 sind. Abweichend von der Kreuzgliedtopologie ist lediglich, daß
vom Kreuzungspunkt 17 der diagonal geführten Leitungen ein weiteres kurzes Leitungsstück
12 weggeführt ist, das die Wirkung eines Absorbers hat und daher im folgenden als
Absorberleitung bezeichnet wird, außerdem wird im Kreuzungspunkt
17
eine Zusammenschaltung der diagonal geführten Leitungen vorgenommen. Im Ausführungsbeispiel
von Fig.1 ist weiterhin erkennbar, daß zumindest in einer der diagonal geführten
Leitungen 10, 10' bzw. 11, 11' leistungslose Auskopplungen 15, 15', 15" und 16 eingefügt
sind. Diese leistungslosen Auskopplungen sind kenntlich gemacht durch die an sich
bekannten Transistorsymbole. Die praktische Ausgestaltung solcher leistungsloser
Auskopplungen und auch der Aufbau elektronischer Leitungen unter Verwendung von
Taktsignalen, deren Taktfrequenz gleich der sampling-Frequenz ist, ist für sich
beispielsweise aus der Literaturstelle 'tPhilips Technische Rundschau", 31. Jahrgang,
1970/71, Nr.4, Seiten 97 bis 111 bekannt, so daß hier im einzelnen nicht darauf
eingegangen werden muß. Eine dieser Auskopplungen, nämlich die Auskopplung 16, bewirkt
eine Phasenumkehr. Weiterhin ist das Phasenmaß der diagonal geführten Leitungsabschnitte
10, 10' und 11, 11' halb so groß wie das Phasenmaß der die Kreuzgliedtopologie erganzenden
parallelen Leitungen 13, 14. Ansonsten ist die Phase b frei wählbar, jedoch vorzugsweise
klein, um mit möglichst wenigen CTD-Gliedern auszukommen. Aus Fig.1 ist weiterhin
durch die eingezeichneten Pfeile erkennbar, daß die Fortpflanzungsrichtungen der
CTD-Leitungen in der Kreuzgliedtopologie derart gewählt sind, daß die parallel geführten
Leitungen 13 und 14 und die jeweils zu einer Diagonalen gehörenden Leitungsabschnitte
10, 10' bzw 11, 11' entgegengesetzte Fortpflanzungsrichtungen haben und weiterhin
der an den Kreuzungspunkt 17 angeschaltete Leitungsabschnitt 12, also die Absorberleitung,
eine vom Kreuzungspunkt 17 wegführende Fortpflanzungsrichtung hat. Die Dimensionierung
der Resonatorschaltungen läßt sich dadurch vereinfachen, daß die Umladekapazitäten
C1 der Ein- und Auskoppelleitungen 1, 2, 3 und 4 untereinander gleich groß und im
Verhältnis zu den Umladekapazitäten C2 der Leitungsschleife 5 proportional der relativen
Bandbreite 3 sind. Im Hinblick auf die gewünschte Bandbreite B und die Wahl des
Arbeitspunktes der CTD-Leitungen ist es weiterhin zweckmäßig, wenn in der einen
Diagonalen 10, 10' die Größe der Umladekapazitäten gleich ist
der
Differenz C2-C1 und die Größe der Umladekapazitäten der Absorberleitung 12 gleich
ist der Summe C2+C1. Wie aus den Formeln von Fig.2 hervorgeht, ist der Quotient
dieser beiden Größen gleich dem Wert r, der auch in der Matrixgleichung unmittelbar
erscheint.
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Eine weitere mögliche Ausbildungsform ist darin zu sehen, daß die
Größe der Umladekapazität der Absorberleitung 12 den Wert 2C1 hat und eine der beiden
den Kreuzungspunkt 17 direkt benachbarten leistungslosen Auskopplungen, z.B. 15,
ersetzt ist durch eine durchgehende Leitung, die in Fig.1 bereits mit der Bezugsziffer
10 kenntlich gemacht ist. In analoger Weise läßt sich auch die leistungslose Auskopplullg
15' ersetzen durch die durchgehende Leitung 10'.
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Gegebenenfalls kann auch die eine Phasenumkehr bewirkende leistungslose
Auskopplung 16 durch eine solche leistungslose Auskopplung ersetzt werden, die keine
Phasenumkehr bewirkt und es muß in diesem Fall ein zusätzlicher Leitungsabschnitt
mit dem Phasenmaß n zugeschaltet werden.
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Weiterhin kann wenigstens eine der leistungslosen Auskopplungen, z.B.
15", die dem Kreuzungspunkt 17 nicht unmittelbar benachbart sind, ersetzt werden
durch eine durchgehende Leitung, beispielsweise 11', und statt dessen kann eine
leistungslose Auskopplung in eine der parallel geführten Leitungen, beispielsweise
13, des Kreuzgliedes eingefügt werden.
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Die vorstehenden Erläuterungen treffen in entsprechender Weise auch
auf die Koppel schaltung mit dem Ausgang 3 (Ausgangssignal WS) und dem Eingang 4
(Eingangssignal Z4) zu, bei der für das spezielle Ausführungsbeispiel ebenfalls
die Durchlaßrichtungen der einzelnen CTD-Leitungen aus den in diese Leitungen eingetragenen
Pfeilen erkennbar sind und auch das Phasenmaß der einzelnen Leitungen unmittelbar
in die Zeichnung eingetragen ist.
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Abgesehen von den einleitend bereits geschilderten Vorteilen haben
Filterschaltungen, die in Anwendung der Schaltung gemäß Fig.3 aus mehreren Resonatorschaltungen
aufgebaut werden, die günstige Eigenschaft, daß auch Filter mit Tschebyscheff-Charakteristiken
realisierbar sind und dabei gleichzeitig die Resonanzfrequenzen sämtlicher Resonatorschaltungen
untereinander gleich sind.
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10 Patentansprüche 3 Figuren