DE2728312A1 - Richtungskoppelglied - Google Patents

Description

GORDON P. RIBLET
Wellesley, Mass. / USA

RICHTUNGSKOPPELGLIED

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Richtungskoppelglieder und betrifft insbesondere eine spezielle Bauart für ein kompaktes Zweirichtungs-Abzweigkoppclglicd mit vier öffnungen, bei v/elchem kapazitive Anpaßnetzwerke vorgesehen werden, vorzugsweise bei jeder Öffnung des Richtungskoppelgliedes.

Figur 1 zeigt ein bekanntes Koppelnetzwerk

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in Streifenleiteraufbau. Bei diesem bekannten Koppelglied stehen die körperlichen Leiterlängen J_ in umgekehrtem Verhältnis zu seiner Arbeitsfrequenz. Bei den hohen Mikrowellenfrequenzen ergibt sich dabei keine Schwierigkeit, da die Leiterlängen selbst dann ziemlich kurz sind und damit die ganze Einrichtung sehr kompakt wird. Bei niedrigeren Mikrowellenfrequenzen werden jedoch die proportional größeren Leiterlängen so beträchtlich, daß die Gesamtgröße eines solchen Koppelgliedes relativ groß ist.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein mit verteilten Elementen hergestelltes Richtungskoppelglied zu schaffen, das einen kompakteren Aufbau hat als die bekannten, insbesondere für einen Frequenzbereich der tieferen Mikrowellenfrequenzen oder für UHF-Frequenzen.

Besonders wird angestrebt, ein Abzweigkoppelglied in Streifenleiterbauweise in der gewünschten Kompaktform auf einfache Art herstellen zu können.

Gemäß der Erfindung wird ein Abzweig-Richtungskoppelglied geschaffen, das aus zwei Paaren von Vierpol-Netzwerken besteht, bei welchem jedes Vierpol-Netzwerk mit seinen Anschlüssen an einen der Anschlüsse jedes der anderen Paare der Vierpol-Netzwerke angeschlossen ist, um so die grundlegende Achtpol-Schaltung mit ihren vier öffnungen des Koppelgliedes zu bilden. Eine der öffnungen des Koppelgliedes ist als Signal-Eingangsöffnung anzusehen, während zwei andere öffnungen als die Signal-Ausgangsöffnungen zu bezeichnen sind. Tatsächlich kann jede öffnung des Koppelgliedes als Eingangsöffnung verwendet werden. Bei der bevorzugten Konstruktion ist jedes Netzwerk in Form eines Abschnitts der Übertragungs-

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leitung ausgebildet, und die gesamte Vorrichtung ist in Streifenleiterkonstruktion aufgebaut. Gemäß der Erfindung ist für eine bestimmte Betriebsfrequenz die tatsächliche Leiterlänge der Netzwerke verkürzt im Vergleich zu den Leiterlängen, die bei den bekannten Koppelgliedern verwendet werden, um einen kompakteren Aufbau zu erzielen, wobei jedoch eine induktive Fehlanpassung im äquivalenten Scheinleitwert dadurch hervorgerufen wird, die kompensiert wird mit Hilfe eines kapazitiven Anpaßnetzwerks, das mit jeder Öffnung des Koppelgliedes verbunden wird.

Der äquivalente Scheinleitwert eines Koppelgliedes ist bekanntermaßen aus einem Realteil (Wirkleitwert) und einem Imaginärteil (Blindleitwert) zusammengesetzt, und bekannte Bemessungsregeln erfordern eine elektrische Länge der Abzweigleiter θ von 90 , damit das Koppelglied richtig angepaßt ist. Aufgrund der erfindungsgemäßen Auslegung wird die tatsächliche Leiterlänge für eine bestimmte Betriebsfrequenz jedoch verringert, indem ein niedrigerer Wert der elektrischen Länge θ gewählt wird. Die Auswahl dieser verringerten Länge von Θ, die etwa in der Größenordnung von 45 liegt, bewirkt jedoch eine induktive Fehlanpassung des äquivalenten Scheinleitwertes, für deren Kompensation mit einem kapazitiven Anpaßnetzwerk an jeder Öffnung oder Verbindung des Koppelgliedes gesorgt wird, um den Gesamt-Blindleitwert zu Null zu machen, so daß die Vorrichtung dann für θ = 45° angepaßt ist. Die kapazitiven Anpaßnetzwerke lassen sich sehr günstig im Mittelöffnungsbereich anordnen, der sich zwischen den vier Streifenübertragungsleitungsabschnitten befindet, welche das Koppelglied bilden. In einer abgewandelten Ausführungsform, bei der angestrebt

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wird, die Vorrichtung größer zu machen, um Toleranzen leichter einhalten zu können, kann θ als ein Wert größer als 90° gewählt werden, so daß dann ein induktives Anpaßnetzwerk benötigt wird, das mit jeder Öffnung des Koppelgliedes verbunden wird.

Bei einer bevorzugten Konstruktion sind die Paare der Vierpol-Netzwerke Abschnitte von Übertragungsleitungen, die in Kreisform angeordnet sind, und die kapazitiven Anpaßnetzwerke bestehen im wesentlichen aus Quadrantenabschnitten, die mit einer Öffnung des Koppelgliedes verbunden sind und sich innerhalb des von der kreisförmigen Leiteranordnung gebildeten Bereichs befinden.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Vierpol-Netzwerke quadratische oder rechteckige Form bilden, und die kapazitiven Anpaßnetzwerke können ebenfalls quadratische oder rechteckige Gestalt haben. Auch können konzentrierte Schaltelemente für die kapazitive oder induktive Anpassung verwendet werden.

Aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend deutlich. Es zeigen:

Figur 1: Ein mit vier öffnungen ausgestattetes, mit

zwei Abzweigungen versehenes Abzweigkoppelglied in herkömmlicher Bauweise;

Figur 2: ein mit vier öffnungen ausgestattetes

Richtungskoppelglied mit zwei Abzweigungen entsprechend dem Erfindungsprinzip;

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Figur 3: in perspektivischer Ansicht ein nach den

Prinzipien der Erfindung aufgebautes vollständiges Koppelglied, z.T. aufgeschnitten;

Figur 4: eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koppelgliedes mit Anpaß-Stabnetzwerke η bei jeder öffnung; und

Figur 5: eine Ausschnittsdarstellung einer abgewandelten Ausführungsform unter Verwendung konzentrierter Elemente für das Anpaßnetzwerk.

Figur 1 zeigt einen typischen Vertreter bekannter Abzweigleitungs-Richtungskoppelglieder, bestehend aus vier miteinander verbundenen Vierpol-Netzwerken, welche die öffnungen 1, 2, 3 und 4 des Koppelgliedes bilden. Bei dieser Ausführungsform kann ein Eingangssignal in den Eingangsstreifen 1A eingegeben werden, der mit der Eingangsöffnung 1 verbunden ist, während Ausgangssignale von Ausgangsstreifenleitern 2A und 3A abgenommen werden, welche von den Öffnungen 2 und 3 des Koppelgliedes abgehen. Die öffnungen 1 und 4 und die Öffnungen 2 und 3 sind durch Vierpol-Netzwerke miteinander verbunden, welche die Übertragungsleitungen N darstellen, während die Öffnungen 1 und 2 bzw. 3 und 4 mittels von den ersteren unterschiedlichen Vierpol-Netzwerken N^f verbunden sind.

Bei der Dimensionierung eines solchen bekannten Netzwerkes gemäß Figur 1 wird üblicherweise die Leiterlänge I^ aller Netzwerke gleich lang gewählt und in umgekehrtem Verhältnis zur Betriebsfrequenz der Vorrichtung. Die folgende Gleichung bringt die körperliche Leiter-

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-Ja -S

länge und die Betriebsfrequenz miteinander in Verbindung.

θ = -^p- (1)

Darin ist θ = elektrische Länge, I^ = räumliche Leiterlänge und λ = Wellenlänge der Betriebsfrequenz.

Normalerweise ist die elektrische Länge 90° bei der Frequenz, bei der füij&en Fall mit zwei Abzweigungen perfekte Anpassung herrscht, und es läßt sich aus Gleichung (1) ersehen, daß bei niedrigeren Mikrowellenfrequenzen, bei denen die Wellenlängen ansteigen, die räumlichen Leiterlängen bei den bekannten Bemessungstechniken ebenfalls zunehmen. Die größeren Leiterlängen benötigen jedoch verhältnismäßig viel Platz bis zu 100 q" der Fläche für Koppelglieder, die bei verhältnismäßig niedrigen Mikrowellenfrequenzen oder UHF-Frequenzen bis hinab zu 100 MHz arbeiten sollen.

Es gilt nun für ein Abfcweigleitungs-Richtungskoppelglied mit zwei Abzweigungen

12 ir^ a (2)

worin S₁₂ die Amplitude des zur öffnung 2 von der Öffnung 1 zu übertragenden Signals, S.., die Amplitude des von der Öffnung 1 zur öffnung 3 zu übertragenden Signals und Y das Scheinleitwertopcgelverhältnis sind zwischen den Übertragungsleitungsabschnitten N und N¹. Für ein Quadraturhybrid, wovon eine Ausführungsform in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, ist das Scheinleitwertpegelverhältnis Y

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Ferner konnte folgende Grundbeziehung

für den äquivalenten Scheinleitwert eines Zweirichtungs-Koppelgliedes mit vier Öffnungen ermittelt werden: γ Jy²T

T = _2_! j (1+Y)Y_O ctg θ (3)

^eq sin θ °

Darin bedeuten Y = Scheinleitswertpegelverhältnis; Y = Scheinleitswertpegel in der Abzweigleitung, wie in Figur 1 gezeigt; und θ = elektrische Länge.

Für ein Quadraturhybrid, bei dem Y gleich {2 ist, läßt sich Gleichung 3 dann folgendermaßen schreiben:

β (4)

Unter normalen Auslegungsgesichtspunkten wird die elektrische Länge θ als 7Γ/2 gewählt, und der Abzweigleitungs-Scheinleitwertpegel wird zu Eins gewählt, um perfekte Anpassung zu erhalten. Es läßt sich dann die Leiterlänge !_ aus Gleichung (1) bestimmen, die ein fester Wert ist, wenn die Betriebsfrequenz ausgewählt ist. Der äquivalente Scheinleitwert hat nur einen Realteil, der den Wert Eins hat. Wenn jedoch entsprechende Anpaßnetzwerke an jeder der Öffnungen der Vorrichtung gemäß der Erfindung vorgesehen werden, läßt sich der Aufbau des Koppelgliedes verkleinern, indem mit einer kleineren elektrischen Länge der Abzweigleiter gearbeitet wird. Dies ist besonders wichtig am unteren Ende des Mikrowellenspektrums bis hinein in die UHF-Frequenzen, wo die Vorrichtungen sonst ziemlich groß werden.

Als Beispiel und entsprechend der Erfindung

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if

kann die elektrische Länge θ der Abzweigleiter zu 45° statt üblicherweise zu 90° gewählt werden. Das bedeutet, daß die Leiterlänge für dieselbe Betriebsfrequenz halbiert wird bei sich daraus gleichzeitig ergebender Verringerung des Verbindungsbereichs um den Faktor 4, wie es die Gleichung (1) zum Ausdruck bringt. Betrachtet man Gleichung (4), so stellt man fest, daß der Realteil des äquivalenten Scheinleitwertes /2~~ Y ist. Wenn der Wirkleitwert Eins gemacht wird, dann ist der Scheinleitwertpegel der Abzweigleitung Y = 1/ /T".

Da für θ ein Wert kleiner als 90° gewählt wurde, befindet sich nun in der Gleichung (4) ein imaginärer Anteil in Form eines induktiven Blindleitwertes -3(1+ /2~) / / 2 . Diese induktive Fehlanpassung läßt sich leicht mit Hilfe eines kapazitiven Netzwerks an jeder Verbindungsstelle der Vorrichtung kompensieren, um die Gesamtgröße des Blindleitwertes zu Null zu machen, so daß die Vorrichtung dann für θ = ττ/4 angepaßt ist.

Figuren 2 und 3 zeigen eine bevorzugte

Ausführungsform der Erfindung in Streifenleiterkonstruktion. Die Vorrichtung ist in Schichten aufgebaut, wobei diese Schichten in geeigneter Weise miteinander verbunden sind. Die Streifenleitervorrichtung besteht zur Hauptsache aus einer gedruckten Schaltungsplatte 10, auf der ein Leiter 12 fest angebracht ist, der in einer Gestalt aufgebaut ist, die deutlich aus der Figur 2 ersichtlich ist. Die Vorrichtung weist in Sandwich-Konstruktion ttrdungsplatten 14 und 16 und eine Isolierschicht 18 auf. Übliche Anschlüsse 20 sind in Figur 3 dargestellt, mit denen an den öffnungen der Vorrichtung die entsprechenden Verbindungen hergestellt werden können. Bei dieser Ausführungsform

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dient die Öffnung 21 als Eingang und als Ausgang die öffnungen 22 und 23. Die Öffnung 24 kann einen üblichen Blindabschluß haben, der auf den Anschlußverbinder 20 aufgesetzt wird.

Die Streifenübertragungsleiterabschnitte N und N¹, die in den Figuren 2 und 3 gezeigt sind, verlaufen auf Kreisbahnen bei der bevorzugten Konstruktion. Für ein Quadraturhybrid-Koppelglied sind die Verhältnisse der Scheinleitwerte für die Netzwerksteile N und N¹ /2 /2 zu 1.0. Diese unterschiedlichen Scheinleitwerte sind in der Zeichnung dadurch zum Ausdruck gebracht, daß der Streifenleiterabschnitt N schmäler ist als der Abschnitt N¹.

Um die richtige Anpassung zu haben, werden erfindungsgemäß kapazitive Platten 31, 32,33 und 34 in Verbindung mit jeder Öffnung 21 bis 24 angeordnet. Diese kapazitiven Platten sind in den zuvor leeren Mittelbereich 36, der zwischen den Abschnitten N und N¹ gebildet ist, eingefügt. Die einzelnen kapazitiven Abschnitte 31-34 sind von den angrenzenden Abschnitten isoliert, was die Figur 2 deutlich zeigt. Außerdem ist eine Mittelöffnung 38 im Substrat 10 selbst vorgesehen. Der Durchmesser der öffnung 38 kann zum Zwecke der Abstimmung der Oberflächengröße der kapazitiven Sektoren gewählt v/erden, wobei eine Feinabstimmung dann noch auf die gewünschte Betriebsfrequenz möglich ist.

Die Kapazität der einzelnen kapazitiven

Platten, die in der Figur 2 gezeigt sind, wird so gewählt, daß die induktive Fehlanpassung abgeglichen wird, so daß praktisch die Blindleistung Null ist an jeder öffnung oder

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jedem Zugang der Vorrichtung. Da die Kapazität und die Betriebsfrequenz zueinander direkt proportional sind, läßt sich der äquivalente Scheinleitwert aus der Gleichung (4) in folgender Weise schreiben:

C«= (1+/F) Y₀ ctg θ (5)

Worin C = die Kapazität jedes einzelnen kapazitiven Abschnitts, Y = der Scheinleitwert des Abzweigleiters des Abschnitts N und θ = 45°.

In Gleichung (5) sind die variablen θ

und Y bekannt, so daß für eine vorbestimmte Betriebsfrequenz u die Kapazität C berechnet werden kann. Bei bekannter Kapazität und ebenfalls bekannter Dielektrizitätskonstante des Substrats sowie bekanntem Abstand zwischen den Kapazitätsabschnitten und der Masseebene kann man ebenfalls die Flächengröße der Kapazitätsplatten 31-34 berechnen. Wie bereits erwähnt, ist weiteres Trimmen der Flächen dieser Platten möglich, indem die Größe der Öffnung 38 im Substrat 10 geringfügig verändert wird.

Ein in der Gestalt gemäß Figuren 2 und 3

konstruiertes Ausführungsbeispiel für den Betrieb mit einer Mittenfrequenz von 500 MHz ist die Abmessung d in beiden Richtungen etwa in der Größenordnung von 2 1/2". Bei herkömmlicher Technik ohne Verwendung von Anpaßnetzwerken hat eine Vorrichtung dieser Größe eine mittlere Betriebsfrequenz von etwa 1000 MHz.

Neben der Erscheinung, daß eine kompaktere Konstruktion mit den Grundgedanken der Erfindung erhalten wird, erhält man eine verhältnismäßig einfache Möglichkeit

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für die Feinabstimmung eines Koppelgliedes. So wird mit der Ausführungsform gemäß Figur 4 ein Richtungskoppelglied geschaffen mit Anpaßnetzv/erken 1B - 4B, die den einzelnen öffnungen oder Zugängen 1-4 zugeordnet sind. Soll diese Vorrichtung bei 4 GHz betrieben werden, während die speziellen Anpaßnetzwerke auf eine Mittenfrequenz von 3,9 GHz abgestimmt sind, dann können die Stableiter der Anpaßnetzwerke 1B - 4B geringfügig verkürzt werden, bis die Gesamtvorrichtung auf die Betriebsfrequenz von 4 GHz abgestimmt ist.

Es kann jedoch auch vorkommen, daß die Grundzüge der Erfindung dafür eingesetzt werden, ein Koppelglied größer zu bauen. Da nämlich bei hohen Mikrowellenfrequenzen die Teile im allgemeinen sehr klein sind, kann es wünschenswert sein, ein Schaltungsteil größer auszubilden, damit es leichter fällt, bestimmte Dimensionierungstoleranzen einzuhalten, oder auch damit das Trimmen leichter vorgenommen werden kann. Um ein Koppelglied größer zu machen, wird θ mit einem Wert größer als 90° gewählt, wodurch eine kapazitive Fehlanpassung erzeugt wird, die dann mit einem induktiven Anpaßnetzwerk und nicht, wie in Figur 2, mit einem kapazitiven Netzwerk abgeglichen wird. Dieses induktive Netzwerk kann einfach ein kompaktes Induktorelement sein, das mit einem Ende an seiner zugehörigen Zugangsöffnung angeschlossen wird, während das andere Ende an die Masseplatte geführt ist. Das Induktorelement kann auch ein Stück Übertragungsleitung (Stableiter) sein, der kurzgeschlossen ist und dann eine elektrische Länge von etwas weniger als 90° hat.

Figur 5 ist eine Ausschnittsdarstellung aus einem Koppelglied, wie es in den Figuren 2 und 3 ge-

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zeigt ist, bei welchem die kapazitive Platte durch ein kompaktes Blindelement 40 ausgetauscht ist. Handelt es sich bei der Ausf uhrungsform darum, das Koppelglied kompakter zu gestalten, wird als Blindelement 40 ein kapazitives Element gewählt oder eine spannungsabstimmbare Veractor-Diode, die ganz leicht zur Erzielung einer bestimmten Betriebsfrequenz angepaßt werden können. Das Blindelement 40 kann aber auch, wie bereits vorstehend erwähnt, ein induktives Schaltelement sein. Bei Verwendung einer Ausführungsform mit kompaktem Element 40 ist ein derartiges Abstimm-Netzwerk mit jedem Ausgang oder Zugang zum Koppelglied verbunden.

In Abwandlung der beschriebenen Ausführungsformen können die kapazitiven Platten in Figur 2 bei gewissen Anwendungsfällen auch durch Kondensatoren in üblicher kompakter Ausführung ersetzt werden, wobei ebenfalls eine Größenverminderung eingehalten wird. Es ist außerdem möglich, das Koppelglied quadratisch zu gestalten und jeder kapazitiven Platte die Form eines Quadrats zu geben. Eine wesentliche Eigenschaft der Erfindung besteht darin, daß durch die Miniaturisierung kaum ein wesentlicher Einfluß auf die Bandbreite der Verbindung ausgeübt wird, die weiterhin etwa 10$ für ein Glied mit 20 db Reflexionsverlusten ist.

Die Erfindung betrifft also ein kompaktes Koppelglied mit vier öffnungen oder Zugängen für zwei Abzweigungen, das vorzugsweise in Streifenleiter- oder Mikrostrip-Bauweise hergestellt ist, mit einer Eingangsöffnung oder einem Paar Ausgangsöffnungen. Der äquivalente Scheinleitwert des Koppelgliedes besteht aus Realteil (Wirkleitwert) und Imaginärteil (Blindleitwert), und be-

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kannte Bemessungsregeln machen es erforderlich, daß die elektrische Länge θ der Abzweigleitung T/2 oder 90° gemacht wird, damit das Koppelglied richtig angepaßt ist. TJm jedoch die tatsächlich räumliche Leitung si änge für eine bestimmte Betriebsfrequenz zu verringern, wird gemäß der Erfindung für die elektrische Länge θ ein niedrigerer Wert gewählt, z.B. JT/A oder 45°· Damit wird zwar eine kompaktere Gestaltung erreicht jedoch auf Kosten einer induktiven Fehlanpassung oder Verstimmung des äquivalenten Scheinleitwertes, was nun in der Weise ausgeglichen wird, daß an jeder Verbindungsstelle eine Kapazität angebracht wird, um den Gesamt-Scheinleitwert zu Null zu machen, und damit die Anpassung bei θ = JT/4 erzielt ist. Erreicht wird dies mit kapazitiven Abschnitten, die in dem offenen Mittenbereich angeordnet werden, der durch die das Koppelglied bildenden vier Streifen-Netzwerke gebildet wird.

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Leerseite

Claims (13)

Patentansprüche

1. Richtungskoppelglied mit zwei Paaren von Vierpol-Netzwerken, von denen jeder Vierpol mit seinen Ausgängen mit einem Ausgang jedes Vierpols des anderen Paares verbunden ist zur Bildung der vier Öffnungen oder Zugänge des Koppelgliedes, gekennzeichnet durch ein mit jeder Öffnung des Koppelgliedes verbundenes Blind-Anpaßelement.

2. Koppelglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Vierpol-Netzwerk einen Abschnitt der Übertragungsleitung von derselben elektrischen Länge enthält.

3. Koppelglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Vierpol-Netzwerk in Streifenleiterkonstruktion oder Mikrostrip-Konstruktion aufgebaut ist.

4. Koppelglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Blindelement kapazitiv ist und die elektrische Leiterlänge jedes Vierpol-Netzwerkes zu Θ«9Ο° gewählt ist, so daß die körperliche Leiterlänge für eine vorbestimmte Betriebsfrequenz verringert ist.

5. Koppelglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Blindanpaßelement induktiv ist und die elektrische Leiterlänge jedes Vierpol-Netzwerkes zu θ>90° gewählt ist, so daß die

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tatsächliche Leiterlänge für eine bestimmte Betriebsfrequenz vergrößert ist.

6. Koppelglied nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das kapazitive Anpaßelement einen Leiterstreifen enthält, der im Bereich angeordnet ist, der durch den Vierpol-Übertragungsleiterabschnitt definiert ist.

7. Koppelglied nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitungsstreifen im wesentlichen ein Quadrant eines Kreises ist.

8. Koppelglied nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vierpol-Netzwerke im wesentlichen in Kreisanordnung angebracht sind mit einer Mittelöffnung, deren Durchmesser zur Abstimmung der Leiterstreifen veränderbar ist.

9. Koppelglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Blind-Anpaßnetzwerk einen Stableiterstreifen enthält, der sich von jedem Zugang oder jeder öffnung erstreckt, wobei die Länge des Stableiterstreifens zur Erzielung einer gewünschten Betriebsfrequenz getrimmt werden kann.

10. Koppelglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Blind-Anpaßelement ein konzentriertes Schaltelement enthält.

11. Koppelglied nach Anspruch 10, d a -

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durch gekennzeichnet, daß das konzentrierte Schaltelement ein kapazitives ist.

12. Koppelglied nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das kapazitive konzentrierte Schaltelement einen einstellbaren Varactor enthält.'

13. Koppelglied nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das konzentrierte Schaltelement ein induktives ist.

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