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Streifenleitungsquerkoppler
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Kurzfassung Ein Querkoppler (quadrature coupler) wird mittels zweier
gekoppelter Streifenleitungen hergestellt. Die zwei Streifenleitungen besitzen eine
Spiralform. Zumindest ein Teil der Streifenleitungen besitzt auf beiden Seiten der
Streifenleitungen Kopplungsbereiche.
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Die Erfindung bezieht sich auf Richtungskoppler und insbesondere auf
Streifenleitungsquerkoppler (quadrature strip line coupler).
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Ein Richtungsquerkoppler mit zwei gekoppelten parallelen Leitungen
mit einer Länge einer Vierteilwellenlänge ist eine Vierpol-Mikrowellenverbindung
mit folgenden Eigenschaften: Eine am Pol 1 ankommende Welle koppelt Leistungen in
die Pole 2 und 3 über, jedoch nicht in Pol 4. In ähnlicher Weise überkoppelteine
am Pol 4 ankommende Welle Leistung in die Pole 2 und 3, jedoch nicht in Pol 1.
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Damit sind die Pole 1 und 4 ungekoppelt. Eine am Pol 2 oder 3 einfallende
Welle überkoppelt Leistung nur in die Pole 1 und 4, damit sind die Pole 2 und 3
ebenfalls ungekoppelt. Wenn drei der vier Pole in angepaßten Lasten abgeschlossen
sind, so erscheint der vierte Pol ebenfalls als in einer angepaßten Last abgeschlossen,
und eine an diesem Pol einfallende Welle wird nicht reflektiert.
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Bei einem Anwendungsfall werden Richtungskoppler dazu benutzt, die
Leistung zwischen zwei Verstärkern zu teilen, um den Welligkeitsfaktor bzw. das
Stehwellenverhältnis der Anschlußspannung zu vermindern und um die Flexibilität
in der Schaltkreisgestaltung zu erhöhen. Im Idealfall sollte ein Koppler innerhalb
des Frequenzbandes verlustfrei mit einer Leistungsteilung von genau 3 db arbeiten.
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Bei der Anwendung in einem integrierten Mikrowellenschaltkreis wird
ein Querkoppler aus zwei gekoppelten Streifenleitungen gebildet, die auf einem dielektrischen
Substrat angeordnet sind. Bei einem konventionellen Streifenleitungsquerkoppler,
bei dem ein Teflon-Glasfiber-Substrat als ein dielektrisches Substrat mit einer
relativen Dielektrizitätskonstante von 2,6 verwendet wird, beträgt eine Viertelwellenlänge
für die gekoppelten Streifenleitungen 76 mm, wenn der Koppler für eine Mikrowellensequenz
von 700 MHz ausgebildet ist.
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Mit anderen Worten, ein Streifenleitungsquerkoppler für das UHF-Band
besitzt gekoppelte Streifenleitungsstücke mit einer Länge von ungefähr 76 mm.
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Augenblicklich hat ein einstufiger Verstärker für das UHF-Band, wobei
für den Verstärker gewöhnliche konzentrierte Elemente wie Induktivitä ten, Kondensatoren
und Widerstände verwendet werden, gewöhnlich eine Größe von etwa 25 mm x 25 mm im
Quadrat.
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Damit hat der konventionelle Streifenleitungsquerkoppler gegenüber
dem Verstärker ungefähr die dreifache Größe. Damit ist es schwierig, einen solchen
Koppler in einen integrierten Mikrowellenschaltkreis einzubauen. Außerdem ist es
schwierig, bei den konventionellen Streifenleitungsquerkopplern eine enge Kopplung
zwischen den beiden Streifenleitungen zu erreichen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Streifenleitungsquerkoppler
mit geringer Größe aufzuzeigen, dabei soll dieser Querkoppler leicht in einen integrierten
Mikrowellenschaltkreis eingebaut werden können.
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Außerdem soll durch die Erfindung ein Streifenleitungsquerkoppler
aufgezeigt werden, der eine enge bzw. starke Kopplung zwischen den beiden Streifenleitungen
besitzt. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
anhand der Figuren hervor, dabei werden bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt.
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Figur 1 ist eine Blockdarstellung eines Verstärkers, bei dem am Eingang
und Ausgang Querkoppler verwendet werden.
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Figur 2 ist eine Darstellung eines bekannten Querkopplers.
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Figur 3 ist eine Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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Die Fign.4a u. 4b zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
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Figur 5 ist noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Figur 6 ist eine Darstellung der Obertragungsstärke in dB in Abhängigkeit
von der Frequenz in MHz für eine erfindungsgemäße Ausführungsform.
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Die Figuren 7 a und 7 b sind Darstellungen der Obertragungsstärke
in dB in Abhängigkeit von der Frequenz in MHz für eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform.
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Figur 1 ist eine Blockdarstellung eines Verstärkers, der aus zwei
3-dB-Querkopplern und zwei Verstärkermodulen besteht. Eine solche Schaltung ist
beispielsweise in dem US-Patent 3 516 024 dargestellt.
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Ein Eingangskoppler 10 besitzt vier Pole, Pol 1 ist mit einem Eingangsanschluß
12 verbunden, Pol 4 ist über einen Widerstand 14 mit der Erde verbunden, und die
Pole 2 und 3 sind mit den Verstärkermodulen 16 bzw. 18 verbunden. Ein Ausgangskoppler
20 besitzt ebenfalls vier Pole, die Pole 2 und 3 sind mit den Ausgängen der Verstärkermodulen
16 bzw. 18 verbunden, Pol 1 ist über einen Widerstand 22 mit der Erde verbunden,
und Pol 4 ist mit dem Ausgangsanschluß 24 verbunden.
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Als Verstärkermodulen 16 und 18 können drei- oder vierstufige Verstärker
benutzt werden, um eine hinreichende Verstärkung zu erreichen.
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Vorzugsweise wird jede Verstärkerstufe der Verstärkermodulen 16 und
18 in Streifenleitungstechnik ausgeführt.
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Zur Herstellung der Verstärkerstufen wurden Techniken entwickelt,
so daß jede Einheit nur einen minimalen Raum benötigt. Wie jedoch bereits beschrieben
wurde, benötigen Koppler der in Figur dargestellten Art wesentlich mehr Platz. Außerdem
sind bekannte Koppler der in Figur 2 dargestellten Art aufgrund des Leitungsabstandes
schwierig herzustellen.
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Figur 2 zeigt einen bekannten Streifenleitungsquerkoppler. In Figur
2 haben die Streifenleitungen 24 und 26 eine breite W und sind parallel zueinander
auf einem dielektrischen Substrat 28 ausgebildet, und zwar in der Länge einer Viertelwellenlänge.
Die zwei parallelen Streifenleitungen 24 und 26 weisen voneinander einen Abstand
S auf und sind auf der Länge einer Viertelwellenlänge verkoppelt.
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Eine Eingangswelle im Pol 1 überkoppelt Leistung in die Pole 2 und
3, jedoch nicht in Pol 4. Pol 4 ist gewöhnlich abgeschlossen. Die in Pol 3 eingekoppelte
Leistung ist gewöhnlich vom Abstand S abhängig.
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Wie zuvor beschrieben wurde, ist es schwierig, einen derartigen Koppler
in einen integrierten Mikrowellenschaltkreis einzubauen.
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Figur 3 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Querkopplers.
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In Figur 3 sind zwei Streifenleitungen 30 und 32, jede mit einer Breite
W1, adhäsiv auf einem dielektrischen Substrat 32 in Form einer Spirale befestigt,
wobei die äußere Streifenleitung 30 in dieser Spirale auf einer Seite die Länge
D hat.
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Wie in Figur 3 dargestellt ist, sind zwei Streifenleitungen 30 und
32 zweimal herumgeführt, und der Abstand zwischen den zwei Streifenleitungen beträgt
S1, und der Abstand zwischen den aneinandergrenzenden Streifenleitungspaaren beträgt
S2.
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Der Abstand S2 zwischen den aneinandergrenzenden Streifenleitungspaaren
kann verschieden von Abstand S1 zwischen den zwei Streifenleitungen sein. Jedoch
ist eine Ausgestaltung mit S1 S2 vorzuziehen, da es einfach ist, den Koppler so
herzustellen. Die Pole 1, 2, 3 und 4 entsprechen den ebenso bezeichneten Polen in
Figur 2, d. h. eine Eingangswelle in Pol 1 überkoppeltLeistung in die Pole 2 und
3, jedoch nicht in Pol 4. Pol 4 wird gewöhnlich in einer angepaßten Last abgeschlossen.
Die Gesamtlänge des spiralförmigen Streifenleitungspaares 30 und 32 liegt ungefähr
bei einer effektiven Länge, die einer Viertelwellenlänge der mittleren Betriebsfrequenz
in einer gewünschten Bandbreite entspricht.
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Genauer gesagt, die Mittellinie des Abstandsraumes zwischen den zwei
Streifenleitungen 30 und 32 ist so ausgebildet, daß sie eine effektive Länge hat,
die gleich einer Viertelwellenlänge der Mittelfrequenz einer gewünschten Bandbreite
ist.
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In Figur 3 ist ein quadratisch spiralförmiger Querkoppler dargestellt,
bei dem ein Streifenleiterpaar entsprechend der Erfindung zweimal herumgeführt ist.
Jedoch sollte erwähnt werden, daß der Querkoppler auch in
anderer
Form, beispielsweise in runder Form, spiralförmig ausgeführt werden kann, außerdem
ist es möglich, die Streifenleitungen des erfindungsgemäßen Querkopplers weniger
oft oder öfter herumzuführen.
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Die Figuren 4 a und 4 b zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Figur 4 a ist eine Draufsicht, und Figur 4 b ist ein Querschnitt entlang
der Linie A-A' in Figur 4 a. In den Figuren 4 a und 4 b sind zwei Streifenleitungen
38 und 40 auf einem dielektrischen Substrat 56 angeordnet und bilden eine quadratische
Spiralform, in der die zwei Streifenleitungen 38 und 40 eineinhalbmal umlaufen.
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Die Mittellinie des Abstandsraumes zwischen den zwei Streifenleitungen
38 und 40 hat entsprechend der Ausführungsform eine effektive Länge, die gleich
einer Viertelwellenlänge der Mittelfrequenz einer gewünschten Bandbreite ist. Die
Pole 1, 2, 3 und 4 entsprechen den Polen in den Figuren 2 und 3.
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Der Pol 1 ist mit der Streifenleitung 38 über einen Streifenleiter
42 verbunden, der Pol 2 ist mit der Streifenleitung 38 über einen Leitungsstreifen
46 und einem Verbindungsdraht 52 verbunden. Der Pol 3 ist mit der Streifenleitung
40 über einen Leitungsstreifen 44 verbunden, und der Pol 4 ist mit der Streifenleitung
40 über einen Leiterstreifen 50 und einen Verbindungsdraht 54 verbunden und in einer
angepaßten Last 50 abgeschlossen.
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In Figur 4 b bezeichnet 58 eine Grundebene, 59 bezeichnet ein Gehäuse.
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Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsfcrm der Erfindung. In Figur
5 ist ein Streifenleitungspaar 60 und 62 in einer runden Spiralform auf einem dielektrischen
Substrat 64 ausgebildet, dabei ist das Leitungsstreifenpaar 60 und 62 eineinhalbmal
herumgeführt.
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Wie in den Figuren 3, 4 und 5 dargestellt ist, können die Abmessungen
des Streifenl ei tungsquerkoppl ers gemäß der Erfindung im Vergleich zu bekannten
Strei fenl eitungsquerkoppl ern beträchtlich vermindert werden.
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Wenn beispielsweise, vergleiche Figur 3, ein Querkoppler für das 700
MHz-Band entsprechend der Erfindung hergestellt wird, so besitzt W1 eine Abmessung
von 0,92 mm, S1 S2ist 0,17 mm, das Leitungsstreifenpaar ist in einer quadratischen
Spiralform auf einem Teflon-Glasfiber-Substrat mit einer Dicke von 0,8 mm angeordnet,
und das Leitungsstreifenpaar ist eineinhalbmal herumgeführt. Die Länge D liegt bei
ungefähr 18 mm, dies ist ungefähr ein Viertel der Länge von 76 mm, die der bekannte
Querkoppler nach Figur 2 in einer Richtung aufweist.
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Bei einem anderen Beispiel eines erfindungsgemäßen Querkopplers für
das 700 MHz-Band sind die Abmessungen wie folgt: W1 beträgt 0,9 mm, = 2S2beträgt
0,18 mm, das Leitungsstreifenpaar ist in einer quadratischen Spiralform auf einem
Teflon-Glasfiber-Substrat mit einer Dicke von 0,8 mm angeordnet, und das Leitungsstreifenpaar
ist zweieinhalbmal herumgeführt. Die Länge D beträgt 13 mm, dies ist ein Sechstel
der Länge von 76 mm beim bekannten Querkoppler nach Figur 2.
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In Figur 6 ist eine Darstellung der Obertragungsstärke in dB in Abhängigkeit
von der Frequenz in MHz für die soeben beschriebene Ausführungsform wiedergegeben,
bei der ein Streifenleitungspaar eineinhalbmal herumgeführt ist.
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In Figur 6 gibt die Kurve 66 die vom Pol 1 auf Pol 2 übertragene Leistung
wieder. Die Kurve 68 zeigt die vom Pol 1 auf Pol 3 übergekoppelte Leistung. Die
Kurve 70 gibt die Leistungsisolation zwischen Pol 1 und Pol 4 wieder, und die Kurve
72 zeigt die Rückfluß- bzw.
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Echodämpfung am Pol 1.
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Aus Figur 6 ist ersichtlich, daß im UHF-Band eine Kopplung von ungefähr
-7 dB und eine Isolation von ungefähr -20 dB erreicht wurden. Im Falle der anderen
oben beschriebenen Ausführungsform, bei der das Leitungsstreifenpaar zweieinhalbfach
herumgeführt ist, wurden eine Kopplung von ungefähr -6 dB und eine Isolation von
ungefähr -17 dB erreicht.
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Wie aus diesem Ergebnissen ersichtlich ist, wird entsprechend der
Erfindung eine umso größere Kopplung erreicht, je öfter das Leitungsstreifenpaar
herumgeführt ist.
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Der Grund dafür liegt im folgenden: Je öfter das Leitungsstreifenpaar
herumgeführt ist, umso größer wird der Kopplungsbereich, der zwischen den aneinandergrenzenden
Leitungsstreifenpaaren ausgebildet ist (dieser Raum ist mit S2 bzeichnet).
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Bei der Ausführungsform entsprechend dem Stande der Technik nach Figur
2 wird unter den gleichen Bedingungen, d. h. S = S1 beträgt 0,18 mm, W =-W1 beträgt
0,92 mm, und das dielektrische Substrat ist ein Teflon-Glasfiber-Substrat mit einer
Dicke von 0,8 mm, nur eine Kopplung von -10 dB erreicht.
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Aus der obigen Darstellung ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung
einen Streifenleitungsquerkoppler mit geringer Größe und starker Kopplung ermöglicht.
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Die Figuren 7 a und 7 b zeigen Darstellungen der Obertragungsstärke
in dB in Abhängigkeit von der Frequenz in MHz für eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform.
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Bei dieser Ausführungsform wird ein quadratischer Koppler für 800
MHz hergestellt, seine Abmessungen sind wie folgt: W1 beträgt 0,406 mm, = 2S2 beträgt
0,03 mm, das Leitungsstreifenpaar ist in einer quadratischen Spiralform auf einem
Aluminiumkeramiksubstrat (mit einer
relativen Dielektrizitätskonstante
von 9,7) mit einer Dicke von 0,65 mm angeordnet, und das Leitungsstreifenpaar ist
eineinhalbmal herumgeführt.
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Die Länge D beträgt in diesem Falle ungefähr 9 mm, dies ist im Vergleich
zur Länge von 43 mm beim bekannten Querkoppler nach Figur 2 nur ein Fünftel.
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In den Figuren 7a und 7b zeigt die Kurve 4 die vom Pol 1 auf den Pol
3 übergekoppelte Leistung. Die Kurve 76 zeigt die von Pol 1 auf Pol 2 übergekoppelte
Leistung. Die Kurve 78 gibt die Leistungsisolation zwischen Pol 1 und Pol 4 wieder,und
die gestrichelte Kurve 80 zeigt die Rückfluß- bzw. Echodämpfung am Pol 1.
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Aus den Figuren 7a und 7b ist ersichtlich, daß eine Kopplung von ungefähr
-3 dB und eine Isolation von -20 dB im UHF-Band erreicht wurden.
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Bei der in Figur 2 dargestellten bekannten Ausführungsform wurde unter
den gleichen Bedingungen, d. h. S = S1 beträgt 0,03 mm, W = W1 beträgt 0,406 mm,
und das Substrat ist ein Aluminiumkeramiksubstrat mit einer Dicke von 0,65 mm, nur
eine Kopplung von ungefähr -5 dB erreicht.
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Um eine Kopplung von -3 dB bei der obigen bekannten Ausführungsform
zu erreichen, muß darüber hinaus der Abstand S eine Größe von ungefähr 3 um haben,
und dementsprechend ist ein sehr genaues Photoätzverfahren notwendig, um einen derartigen
Querkoppler herzustellen.
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Entsprechend der Erfindung kann jedoch der Abstand S1 eine Größe von
ungefähr 20 um bis 50 vm haben.
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Bei der vorliegenden Erfindung ändert sich der Abstand S1, wenn jeweils
die gleiche Kopplungsstärke erreicht werden soll, in Abhängigkeit davon, wie viele
Male das Leitungsstreifenpaar herumgeführt wird.
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Aufgrund der Schwierigkeiten, einen 3-dB-Koppler entsprechend dem
Stand der Technik in einer einzigen Stufe auszuführen, wie oben erwähnt wurde, mußte
beispielsweise ein zweistufiger Koppler in Tandemverbindung benutzt werden, bei
dem eine Kopplerstufe eine Kopplung von -8,34 dB besitzt.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist es andererseits möglich, einen
3-dB-Streifenleitungsquerkoppler mit dem Abstand S1 herzustellen, diese Ausführung
ist möglich, da zumindest ein Teil einer Streifenleitung des Streifenleitungspaares
auf beiden Seiten dieser Streifenleitung Kopplungsbereiche besitzt.
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Wie beschrieben wurde, ist es entsprechend der Erfindung möglich,
den Abstand S1 vergleichsweise breiter auszuführen, und damit wird es einfacher,
einen Streifenleitungsquerkoppler herzustellen.
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Da außerdem ein erfindungsgemäßer Streifenleitungsquerkoppler eine
geringe Größe besitzt, kann er leichter in eine integrierte Mikrowellenschaltung
eingebaut werden.
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