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Aus CTD-Leitungen bestehende Leitungsverzweigungen
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Die Erfindung betrifft eine aus CTD-Leitungen bestehende Leitungsverzweigung,
deren einzelne CTD-Leitungen unidirektionales Ubertragungsverhalten haben, und deren
Wellenleitwert durch die Größe ihrer charakteristischen Umladekapazitäten festegelegt
ist.
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Aus der deutschen Patentschrift 24 53 669 sind unter anderem elektrische
Filterschaltungen bekannt geworden, zu deren Aufbau in sich geschlossene Leitungsschleifen
mit unidirektionalem Ubertragungsverhalten verwendet werden können. Als Leitungen
können dabei auch sog. CTD-Leitungen (Charge transfer devlces) in Frage kommen.
Solche Leitungen sind für sich bekannt als sog. Eimerkettenschaltungen oder auch
als sog. CCD (Charge coupled devices).
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Zum Betrieb solcher Schaltungsbauteile sind Taktgeneratoren erforderlich,
wie dies im einzelnen ebenfalls in der deutschen Patentschrift 24 53 669 beschrieben
ist. In dieser Patentschrift ist unter anderem bereits darauf hingewiesen, daß als
unidirektionale Ubertragungsleitungen vorteilhaft sog. Eimerkettenschaltungen verwendet
werden können, die beispielsweise in der Zeitschrift "IEEE Solid State Circuits,
Vol. SC 4, Juni 1969, Heft 3, Seiten 131 bis 136, beschrieben sind. Anstelle von
solchen Eimorkettenschaltungen können auch sog. CCD-Leitungen verwendet werden,
das
sind Übertragungsleitungen, die nach dem Prinzip der gekoppelten Ladung arbeiten.
Solche CCD-Leitungen sind beispielsweise in 'tNSTJ Band 49, 1970, Seiten 589 bis
593, angegeben. Der Aufbau von Filterschaltungen ist weiterhin in älteren Vorschlägen
(Patentanmeldungen P 25 34 319.5; P 26 08 540.5; P 26 08 582.5; P 25 55 835.4; DPS
24 53 669) angegeben. Bekanntlich ist es gerade für die Realisierung von Filterschaltungen
zur Erzielung einer vorgegebenen Übertragungscharakteristik häufig von besonderer
Bedeutung, in der Übertragungscharakteristik Dämpfungspole bei reellen oder komplexen
Frequenzen vorzusehen, wodurch sich Versteilerungen in der Dämpfungscharakteristik
oder die Beeinflussung der Laufzeit im Durchlaßbereich des Filters erzielen lassen.
Zur Realisierung solcher versteilerter Schaltungen sind Leitungsverzweigungen vorteilhaft.
Wegen der unidirektionalen Eigenschaften der hier zur Anwendung kommenden CTD-Leitungen
lassen sich Jedoch Leitungsverzweigungen im üblichen Sinn nicht ohne weiteres nachbilden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau von CTD-Leitungsverzweigungen
anzugeben, bei denen das Übertragungsverhalten von nicht unidirektionalen Leitungsverzweigungen,
wie beispielsweise Mikrowellenleitungsverzweigungen, vollständig erhalten bleibt.
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Ausgehend von einer aus CTD-Leitungen bestehende Leitungsverzweigung,
deren einzelne CTD-Leitungen unidirektionales Ubertragungsverhalten haben und deren
Wellenleitwert durch die Größe ihrer charakteristischen Umladekapazitäten iestegelegt
ist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Jeweils zwei CTD-Leitungen
mit zueinander entgegengesetzter Durchlaßrichtung zu einem Leitungspaar zusammengefaßt
sind, daß alle Leitungspaare eine Umladekapazität gemeinsam haben, und daß die Zusammenfassung
der zu einem Leitungspaar gehörenden Leitungen durch deren Verbindung über eine
weitere CTD-Leitung erfolgt, deren Durchlaßrichtung von der zuführenden zur wegftlhrenden
Leitung des 3eweiligen Leitungspaares gerichtet ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch
näher erläutert.
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Es zeigen in der Zeichnung Fig. 1 das elektrische Ersatzschaltbild
einer allgemeinen Mikrowellenleitungsverzweigung mit nicht unidirektionalen Eigenschaften
Fig. 2 ein Schaltsymbol gemäß Fig. 1, mit nur mehr drei Le itungspaaren Fig. 3 ein
elektrisches Ersatzschaltbild gemäß der Erfindung zur Realisierung einer Leitungsverzweigung
mit unidirektionalen Leitungen Fig. 4 eine Realisierungsmöglichkeit nach Fig. 3
Fig. 5 u. 6 elektrische Ersatzschaltungen für weitere Realisierungsmöglichkeiten
gemäß der Erfindung Fig. 7 eine mit einem Zweipol abgeschlossene Verzweigung Fig.
8 eine mögliche Ausgestaltung des in Fig. 7 verwendeten Zweipoles, mit deren Hilfe
sich versteilerte Filterschaltungen realisieren lassen Fig. 9 eine weitere Realisierungsmöglichkeit
für Filterschaltungen mit Polstellen in der Dämpfungsfunktion.
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Das in Fig. 1 dargestellte elektrische Ersatzschaltbild zeigt eine
allgemeine Leitungsverzweigung 2, deren Verzweigungspunkte mit der Bezugsziffer
1 kenntlich gemacht sind. Für sich sind solche
Leitungen aus der
Mikrowellentechnik bekannt, und es lassen sich an sich beliebig viele Einzelleitungen
in Punkt 1 miteinander verbinden. Zur einfacheren Darstellung sind in Fig. 1 und
im folgenden nur drei Leitungen - wie in Fig. 1 ausgezogen gezeichnet kenntlich
gemacht - betrachtet. Entsprechend den übrigen Mikrowellenleitungen sind die auf
den Verzweigungspunkt 1 zulaufenden Wellenanteile mit U1 bis U3 und die vom Verzweigungspunkt
1 weglaufenden Wellenanteile mit V1 bis V3 verdeutlicht.
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Weiterhin sei zur einfacheren Darstellung davon ausgegangen, daß zwei
Leitungen den Wellenleitwert C6 und nur eine Leitung einen davon abweichenden Wellenleitwert
VC6 hat. Alle Leitungen haben das Phasenmaß B/2.
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In Fig. 2 ist ein der Fig. 1 entsprechendes Schaltbild gezeigt, das
dort ebenfalls mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet ist und gleichzeitig mit der charakteristischen
Bemessungsgröße V. V ist dabei eine charakteristische Bemessungsgröße für die Verzweigung
und ist derJenige Faktor, um den sich die Wellenleitwerte der unterschiedlichen
Leitungen nach Fig. 1 unterscheiden. Im Unterschied zur Darstellung nach Fig. 1
ist nun in Fig. 2 davon ausgegangen, daß die dort verwendeten Leitungen unidirektionale
Übertragunseigenschaften haben, wie dies für die eingangs bereits erwähnten CTD-Leitungen
der Fall ist. Aus diesem Grund sind in Fig. 2 die Übertragungsrichtungen dieser
Leitungen durch Jeweils zugeordnete Pfeile kenntlich gemacht, und es sind die auf
die Verzweigung 2 zulaufenden Wellen mit U1, U2 und U3 und die von der Verzweigung
weglaufenden Wellen mit V1, V2 und V3 bezeichnet. Zugleich werden diese Symbole
hier und im folgenden auch für die Anschlußleitungen selbst verwendet. Entsprechend
Fig. 1 hat das Leitungspaar U3, V3 den Wellenleitwert VC6, während die Leitungspaare
U1, VI bzw. U2, V2 den Wellenleitwert C6 haben.
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Die vorgenannten Wellenleitwerte ergeben sich dabei zugleich aus den
charakteristischen Umladekapazitäten von CTD-Leitungen.
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In Fig. 2 ist zunächst davon ausgegangen, daß die Verzweigung 2 keine
Phasendrehung bewirkt. Um auf spätere Realisierungsmöglichkeiten Rücksicht zu nehmen,
haben Jedoch die Anschlußleitungel
Jeweils das beliebige Phasenmaß
B/2. Unter diesen Voraussetzungen gelten die in Fig. 2 ebenfalls eingetragenen Gleichungen
für das elektrische Übertragungsverhalten der Verzweigung nach Fig. 1 und demzufolge
auch einer Nachrealisierung gemäß dem in Fig. 2 gezeichneten Symbol. In üblicher
Weise bedeutet
Wie bereits erwähnt, ist in Fig. 3 ein elektrisches Ersatzschalbild dargestellt,
das geeignet ist, entsprechend dem Schaltsymbol von Fig. 2 eine aus CTD-Leitungen
bestehende Leitungsverzweigung zu realisieren. Auch in Fig. 3 ist der Verzweigungspunkt
wiederum mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Es sind dabei Jeweils zwei CTD-Leitungen,
nämlich U1, V1; U2, V2 und U3, V3 zu einem Leitungspaar zusammengefaßt. Entsprechend
Fig. 2 haben die Leitungspaare U1, V1 und U2, V2 den charakteristischen Wellenleitwert
C6, während das Leitungspaar U3, V3 den charakteristischen Wellenleitwert VC6 hat.
In einige der CTD-Leitungen sind Verstärker eingeschaltet, von denen der in der
Leitung V3 liegende Verstärker den Verstärkungsfaktor < und der in der Leitung
U3 liegende Verstärker den Verstärkungsfaktor
hat. Vorteilhaft werden bei der Realisierung zusätzlich Doppelverstärker verwendet,
das sind also Verstärker mit nur einem Eingang und zwei Ausgängen. Solche Doppelverstärker
sind in Fig. 3 ebenfalls erkennbar und dort in die Leitungen U1 bis U3 eingeschaltet
und werden somit direkt von diesen Zuführungsleitungen gespeist. Der Verstärkungsfaktor
dieser Doppelverstärker ist im Ausführungsbeispiel K und -K. Da es darauf ankommt
mit Hilfe von unidirektiona len Leitungen allgemein das Übertragungsverhalten nicht
unidirektionaler Leitungen nachzubilden, sind die Jeweils zu einem Leitungspaar
zusammengefaßten Leitungen über eine zusätzliche CTD-Leitung miteinander verbunden,
deren Durchlaßrichtung von der zuführenden zur wegführenden CTD-Leitung gerichtet
ist.
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Demzufolge sind in Fig. 3 die zu einem Leitungspaar zusammengefaßten
Leitungen U1 und V1 über eine zusätzliche CTD-Leitung verbunden, die die Umladekapazität
C5 hat und das Phasenmaß ß. Analog gilt dies auch für die beiden weiteren Leitungspaare
U2, V2 und U3, V3. Lediglich mit dem Unterschied, daß die zwischen U3 und V3 liegende
Leitung die charakteristischen Umladekapazität VC5 hat. Die vom Verzweigungspunkt
1 kommenden bzw. zu diesem
Verzweigungspunkt hinführenden Leitungen
haben das Phasenmaß B/2 und die Umladekapazität C1 bzw. VC1, wie dies aus Fig. 3
unmittelbar zu ersehen ist.
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Die unter Fig. 2 angegebenen Gleichungen sind dann exakt erfüllt,
wenn die Summe der charakteristischen Umladekapazitäten der zuführenden CTD-Leitungen
gleich ist, der Summe der charakteristischen Umladekapazitäten der wegführenden
CTD-Leitungen und zwar an den Stellen, an denen eine oder mehrere CTD-Leitungen
zu einer gemeinsamen Umladekapazität geführt sind, von der wiederum mehrere oder
nur eine CTD-Leitung wegführen. Unter diesen Voraussetzungen gelten die in Fig.
3 für die Umladekapazitäten C1, C5, C6 und den Verstärkungsfaktor K angegebenen
Bemessungsvorschriften. Wenn der Wellenleitwert sämtlicher Leitungspaare gleich
groß ist, nehmen die Verstärkungsfaktoren
und
den Wert eins an und es können somit diese beiden Verstärker entfallen.
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Fig. 4 zeigt unmittelbar eine mögliche technische Realisierung, wobei
durch die rechteckförmig gezeichneten Flächen die auf einem Halbleitersubstrat aufzubringenden
Umladekapazitätsbelegungen dargestellt sind. Es sind für Fig. 4 sämtliche Bezugshinweise
gleich gewählt mit Fig. 3, so daß hinsichtlich der Wirkungsweise die für Fig. 3
gegebenen Erläuterungen unmittelbar GAltigkeit haben. In Fig. 4 sind die Verstärker
K,
und
durch ihr Schaltsymbol dargestellt und werden bei der praktischen Realisierung als
integrierte Verstärker in die gesamte Verzweigung eingefügt. Beispielsweise eignen
sich hierfür integrierte Feldeffekttransistoren und floating-gates. Auch sind in
Fig. 4 die Übertragungsrichtungen der einzelnen CCD-Leitungen von einer Umladekapazität
zur anderen durch Pfeile kenntlich gemacht. Auch ist die allen Leitungspaaren gemeinsame
Umladekapazität 1 als "Ring" in Form eines gleichseitigen Dreiecks dargestellt.
Die Größe der Belegungsfläche hat dabei den Wert (2+V)C1 und erfüllt somit auch
die Bedingung, daß die Summe der Umladekapazitäten aller zuführenden Leitungen gleich
ist der Summe der Umladekapazitäten aller wegfUhrenden Leitungen. Selbstverständlich
kommen
auch andere Formen der Elektrodenfläche für den Xapazitätsbelag
des Verzweigungspunktes 1 in Frage. Auch ist in Fig. 4 darauf zu achten, daß die
in Fig. 3 angegebenen Phasenbeziehungen erfüllt sind. In der Zeichnung kommt dies
unmittelbar insofern zum Ausdruck, als zwischen den Umladekapzitäten 6 und 7 (Kapazitätsbelag
C6) vier Umladeschritte nötig sind, sowohl auf dem Weg über die Umladekapazitäten
C5 als auch über die Umladekapzitäten C1 und (2+V)C1.
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Die elektrischen Ersatzschaltbilder weiterer Realisierungsmöglichkeiten
sind in den Fig. 5 und 6 gezeigt. Auch für diese Figuren sind unmittelbar die Bemessungsgrößen
für die Kapazitätsbeläge und die Verstärkungsfaktoren (C6, C5, C1, K) angegeben.
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Es gelten demzufolge entsprechend auch die für Fig. 3 bereits gemachten
Überlegungen. Für die Ersatzschaltung nach Fig. 5 ist gegenüber Fig. 3 lediglich
unterschiedlich, daß nur Einzelverstärker K verwendet sind, die ausschließlich in
wegführende Leitungen eingeschaltet sind.
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Fig. 6 stellt insofern eine Abwandlung von Fig. 5 dar, als die in
den Leitungen mit dem Kapazitätsbelag C1, also die in den vom Verzweigungspunkt
1 kommenden Leitungen angeordneten Verstärker unmittelbar dem Verzweigungspunkt
1 benachbart angeordnet sind.
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Diese Verstärker haben die Verstärkungsfaktoren K1, K2 und K3 und
sind als Dreifachverstärker ausgebildet, dessen Eingang vom Verzweigungspunkt 1
gespeist wird. Auch in Fig. 6 sind die Verstärkungsfaktoren unmittelbar formelmäßig
angegeben.
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Die praktische Realisierung der Schaltungen nach den Fig. 5 und 6
kann analog zu der anhand von den Fig. 3 und 4 bereits beschriebenen Weise erfolgen.
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In den Fig. 7 bis 9 ist noch im einzelnen gezeigt, wie die in vorstehend
beschriebenen Verzweigungsschaltungen für den Einsatz in Filterschaltungen aus CTD-Leitungen
verwendet werden können.
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In den Fig. 7 ist das Eingangsleitungspaar mit U1 bzw. V1 und
das
Ausgangsleitungspaar mit U2 bzw. V2 bezeichnet. Das Leitungspaar U3 und V3 ist mit
einem Impedanzzweipol 3 beschaltet. Dieser Impedanzzweipol kann so ausgebildet sein,
daß die Schaltung nach Fig. 7 Filteranforderungen eines versteilerten Filters erfüllt,
oder auch die an einen Laufzeit - oder Dämpfungsentzerrer zu stellenden Anforderungen.
Als Beispiel ist in Fig. 8 ein Reaktanzzweipol angegeben, der dort allgemein ebenfalls
mit der Bezugsziffer 3 bezeichnet ist, und mit dem es gelingt, zu beiden Seiten
einer Dämpfungsnullstelle Je einen Dämpfungspol zu erzeugen, wobei die Polfrequenzen
mit dem Kapazitätsverhältnis Z beliebig wählbar sind. Für die Realisierung der Schaltung
nach Fig. 8 sind wiederum CTD-Leitungen verwendet und Doppelverstärker mit dem Verstärkungsfaktor
K bzw. -K, und es ist am rechten Ende der Schaltung die hinführende Leitung übergeführt
in die rückführende Leitung. Auch hier sind die Durchlaßrichtungen der CTD-Leitungen
unmittelbar durch die eingetragenen Pfeile zu erkennen, ebenso sind für die einzelnen
Leitungsabschnitte die Phasenmaße unmittelbar in der Schaltung angegeben. Auch sind
die Großen der Umladekapazitäten P C1', C2, C3, C5' und C6' unmittelbar an den einzelnen
Leitungen angegeben. Unter Berücksichtigung der charakteristischen Bemessungsgrdße
V der Verzweigung 2 in Fig. 7, sind in Fig. 8 die Bemessungsvorschriften für die
Kapazitätsbeläge und die Verstärkungsfaktoren unmittelbar angegeben.
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Die in Fig. 7 ebenfalls eingetragene charakteristische Funktion tp
gibt direkt das Frequenzverhalten einer mit dem Zweipol 3 abgeschlossenen Verzweigung
2 an, und zwar zwischen den Leitungspaaren U1, V1 und U2, V2. Es gelten also die
in Fig. 7 mit angegebenen Formeln nur dann, wenn der Zweipol 3 gemäß Fig. 8 ausgebildet
ist. Die in Fig. 7 mit V3 bezeichnete Ausgangsgröße der Verzweigung 2 ist also identisch
mit der in Fig. 8 mit U3, bezeichneten Eingangsgröße und demzufolge ist auch die
in Fig. 7 mit U3 bezeichnete Singangsgrdße für die Verzweigung 2 identisch mit der
Ausgangsgröße V3' des in Fig. 8 dargestellten Reaktanzzweipoles 3. Die beiden Gleichungen
für U1 und V1 in Fig. 7 geben
die Wellenbeziehungen zwischen den
Leitungspaaren U1, V1 und U2, V2 unmittelbar wieder, wobei *der konJugiert komplexe
Ausdruck für die charakteristische Funktion ç ist. Aus der charakteristischen Funktion
ç selbst ist - wie bereits erwähnt -direkt das Frequenzverhalten der Schaltung zu
erkennen. So nimmt beispielsweise der normierte Freouenzparameter p an der Stelle
=1 d.h. also, f=fO den Wert 0 an. Damit wird auch die charakteristische Funktion
ç und damit auch die Betriebsdämpfung 0.
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Für den Frequenzparameter p,, für den die Beziehung in Fig. 7 mit
angegeben ist, wird die Nennerfunktion der charakteristischen Funktion cp zu 0 und
damit die charakteristische Funktion tp zuoo, was gleichbedeutend damit ist, daß
auch die Betriebsdämpfung den Wert oo annimmt. Da der Frequenzparameter p im Nenner
quadratisch auftritt, erscheinen zwei Dämpfungspole an sich beliebig wählbar und
zwar Je einer oberhalb und unterhalb symmetrisch zur Dämpfungsnullstelle. FUr die
Realisierung des in Fig. 8 gezeigten CTD-Zweipoles können die in den eingangs erwähnten
älteren Anmeldungen verwendetn Schaltungen durchaus herangezogen werden.
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Mit den anhand der Fig. 1 bis 6 beschriebenen Verzweigungen gelingt
es nunmehr auch, Filterschaltungen aus CTD-Leitungen nachzurealisieren, bei denen
sog. Überbrückungen zur Polerzeugung herangezogen sind. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel
ist im Blockschaltbild in Fig. 9 gezeichnet. Dabei wird von einer ersten Verzweigung
2 ausgegangen, deren Eingansleitungspaar mit U1 und V1 bezeichnet ist. Ein Ausgangsleitungspaar
dieser Verzweigung ist mit U2 und V2 bezeichnet, und es ist diesem Leitungspaar
ein Filterabschnitt 4 nachgeschaltet. Dieser Filterabschnitt 4 ist am Ausgang verbunden
mit einem Leitungspaar U2', V2', das einer weiteren Verzweigung 2' angehört. Das
zweite Ausgangsleitungspaar U3, V3 der Verzweigung 2 ist mit einer UberbrUckungsleitung
5 beschaltet, die ebenfalls aus CTD-Leitungen besteht.
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Die Überbrückungsleitung 5 führt auf ein Leitungspaar U3', V3', das
ebenfalls der weiteren Verzweigung 2' angehört. Das Ausgangsleitungspaar der Cesamtschaltung
wird vom Leitungspaar U1', V1, der zweiten Verzweigung 2' gebildet. Anstelle einfacher
CTD-Leitungen für die Überbrückung 5 kann auch ein Impedanzvierpol zwlschen
die
beiden Verzweigungen 2 und 2' eingeschaltet werden, der ebenfalls aus CTD-Leitungen
besteht. Zur Realisierung der Filterschaltung 4 bzw. der Überbrückungsschaltung
5 kommen wiederum Schaltungen in Frage, die in den eingangs erwähnten älteren Vorschlägen
bereits angegeben sind. Die Schaltung nach Fig. 9 hat zudem den Vorteil, daß Pole
nicht nur bei physikalischen Frequenzen, sondern auch bei komplexen Frequenzen erzeugt
werden können. Dadurch lassen sich sowohl das Dämpfungsals auch das Laufzeitverhalten
der gesamten Filterschaltung in der Jeweils gewünschten Weise beeinflussen, und
es lassen sich die Polstellen, bzw. die Nullstellen in Abhängigkeit von den Kapazitätsverhältnissen
(z.B. Z) und den Verstärkungsfaktoren bei beliebigen Frequenzen wählen.
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Die angegebenen Verzweigungsschaltungen ermöglichen es, vielkreisige
CTD-Filter als Reaktanz-Abzweigschaltung zu dimensionieren, die symmetrisch zur
Durchlaß-Mittenfrequenz nicht nur wählbare Dämpfungsnullstellen, sondern auch wählbare
Dämpfungspole bei physikalischen und/oder komplexen Frequenzen aufweisen.
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Ein derartiges Filter kommt mit einer einzigen Taktfrequenz und einer
wählbaren geringen Anzahl von Umladekapazitäten aus, wobei das größte auftretende
Kapazitätsverhältnis etwa dem Kehrwert der relativen Bandbreite entspricht, und
die VerstArkungsfaktoren nicht wesentlich größer als 3 sein müssen.
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11 Patentansprüche 9 Figuren