DE2927865A1

DE2927865A1 - Breitband-leistungszirkulator fuer vhf- oder uhf-frequenzen

Info

Publication number: DE2927865A1
Application number: DE19792927865
Authority: DE
Inventors: Nicolle Bernard; Gerard Forterre
Original assignee: Lignes Telegraphiques et Telephoniques LTT SA
Current assignee: Lignes Telegraphiques et Telephoniques LTT SA
Priority date: 1978-07-10
Filing date: 1979-07-10
Publication date: 1980-01-24
Also published as: GB2028004A; FR2434495B1; US4236125A; GB2028004B; DE2927865C2; FR2434495A1

Description

LIGNES TELEGRAPHIQUES ET TELEPHONIQUES 89» Rue de la Faisanderie
75016 Paris / Frankreich

Unser Zeichen; L 1108

Breitband-Leistungszirkulator für VHF- oder UHF-Frequenzen

Die Erfindung betrifft einen Breitbandzirkulator mit lokalisierten Konstanten für elektromagnetische Schwingungen einer Frequenz zwischen 0,02 und 2 GHz, für mittlere Leistungen von einigen 10 Watt.

Für die Nachrichtentechnik werden Leistungszirkulatoren benötigt, deren elektrische Kennwerte möglichst unabhängig von der Temperatur sind.

Es ist bekannt, daß eine gedruckte Schaltung, die für hohe Leistungen verwendbar ist, dadurch verwirklicht werden kann, daß auf den beiden Seiten eines isolierenden Trägers Leiter aufgebracht werden, wie dies z.B. in der US-PS 3 52.2. 555 be-

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schrieben ist; ferner können Leitungsabschnitte parallelgeschaltet werden, wie dies in der FR-PS 2 202 374 beschrieben ist.

Es ist ferner bekannt, einen Breitbandzirkulator zu schaffen, in dem die gedruckte Schaltung und die zugeordneten gyromagnetischeη Plättchen von einer Abschirmung umgeben werden, welche mit dem Gehäuse des Zirkulators durch wenigstens einen Kondensator verbunden ist, wie dies z.B. in der FR-PS 2 185 896 beschrieben ist.

Es ist insbesondere aus einem Aufsatz "Broad-band circulators for VHF and UHF» von G. Schiefer, S. 255-263, Nr. 9, Bd. 36, aus "Philips Technical Review" bekannt, die Schwankungen der Durchlaßbandbreite eines Zirkulators in Abhängigkeit von der Leistung der Eingangsschwingung zu kompensieren, indem in jedem Leitungsabschnitt, der einen Anschluß mit dem an das gyromagnetische Milieu angekoppelten Kreis verbindet, eine Änpassungsschaltung verwendet wird^ deren Induktivität einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, Eine derartige Induktivität wird gewonnen, indem einige Windungen auf einen YIG-Ferritkreisring aufgewickelt werden, der in einem transversalen magnetischen Gleichfeld angeordnet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es _y einen Breitband-Leistungszirkulator für sehr hohe Frequenzen oder Höchstfrequenzen (VHF bzw. UHF) zu schaffen, dessen elektrische Kennwerte in einem Temperaturbereich von -40 bis +80⁰C temperaturunabhängig sind, ohne daß eine Anpassungsinduktivität der erwähnten Art mit negativem Temperaturkoeffizienten verwendet wird.

Der Zirkulator mit lokalisierten Konstanten und für sehr hohe Frequenzen (VHF) oder Höchstfrequenzen (UIiF) enthält:

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- eine doppelseitige gedruckte Schaltung mit drei Übertragungsleitungsabschnitten, die jeweils an einem ersten Ende mit einer Metallhaube verbunden sind, welche über einen Kondensator zur Verbreiterung des Durchlaßbandes mit einem Metallgehäuse verbunden ist, sowie mit drei Kontakten mit dem Gehäuse;

- drei ersten Anpassungsschaltungen, welche jeweils das zweite Ende der Übertragungsleitungsabschnitte mit dem Mittelleiter eines der drei Koaxialausgänge verbindet, welche an dem Gehäuse befestigt sind;

- zwei Plättchen aus gyromagnetischem Material vom Granattyp, die auf beiden Seiten der gedruckten Schaltung in einer der Hauben angeordnet sind;

- und mit einem Magnetkreis, der ein Gleichfeld rechtwinkelig zu den Hauptseiten der Plättchen erzeugt, dessen temperaturabhängige Änderung diejenige der Sättigungsinduktion der Plättchen kompensiert; gemäß der Erfindung ist der Zirkulator dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Anpassungskreise jeweils gebildet sind aus einer Induktivität in Reihe mit einem einstellbaren Kondensator, daß die drei zweiten Anpassungsschaltungen, die jeweils aus einem einstellbaren Kondensator in Reihe mit einer Induktivität gebildet sind, jeweils zwischen diejenigen Enden der ersten Anpassungsschaltungen, welche mit den Mittelleitern der Koaxialausgänge verbunden sind, und eine Metallisierung der gedruckten Schaltung, welche in Berührung mit dem Gehäuse ist, geschaltet sind, und daß die Plättchen aus gyromagnetischem Material, die Haube, der Magnetkreis und das Gehäuse wenigstens teilweise von einer wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Fettschicht bedeckt sind.

Der erfindungsgemäße Zirkulator weist folgende Vorzüge auf:

- das relative Durchlaßband, das von der Nennleistung überdeckt wird, beträgt ungefähr 66%;

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- die Einfügungsverlus te sind in dem gesamten Durchlaßband für jegliche Temperatur innerhalb des Nenntemperaturbereichs geringer als 0,6 dB;

- der Zirkulator kann beträchtliche Überlastungen aushalten, z.B. solche, die bei einem Kurzschluß seines zweiten Anschlusses entstehen, wenn er mit der Nennleistung gespeist wird, die an den ersten Anschluß angelegt wird, und zwar ohne Beschädigung des Zirkulators oder der Außenschaltung;

- die Entkopplung ist in dem gesamten Durchlaßband bei Nennleistung größer als 17 dB;

-der Nenntemperaturbereich erstreckt sich von -40 bis +SO⁰C.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht des erfindungsgemäßen Zirkulators, wobei die obere Hälfte des Gehäuses entfernt ist;

Fig. 2 eine Schnittansicht des Zirkulators längs Linie A-A in Fig. 1; - "

Fig. 3 eine Detailansicht der gedruckten Schaltung;

Fig. 4a und 4b zwei Schnittansichten eines Teils des Zirkulators;

Fig. 5 ein Ersatzschaltbild des Zirkulators;

Fig. 6 ein Diagramm der Änderung der EinfügungsVerluste in dem Durchlaßband;

Fig. 7 ein Diagramm der Änderung der Entkopplung in dem Durchlaßband;

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Fig. 8 ein Diagramm der Änderung des Eingangestehwellenverhältnisses in dem Durchlaßband; und

Fig. 9 ein Diagramm der Änderung der Einfügungsverluste in dem Durchlaßband bei dem erfindungsgemäßen Zirkulator, wenn ein Anschluß kurzgeschlossen ist.

Bei dem in Fig. 1 in Perspektivansicht gezeigten Zirkulator ist die obere Hälfte des Gehäuses entfernt, und das untere Halbgehäuse 1 trägt eine gedruckte Schaltung 2. Das obere Halbgehäuse 3 (Fig. 2) wird mit dem Halbgehäuse 1 zusammengesetzt, indem Spannschrauben durch Bohrungen 8 eingeführt werden, um die zwei Halbgehäuse gegen Massekontakte 7 zu spannen. Auf jeder Seite der gedruckten Schaltung 2 befindet sich ein Plättchen 4 aus gyromagnetisehern Material, dessen Resonanzlinienbreite höchstens gleich 12 Örsted ist; in Fig. 1 ist nur ein solches Plättchen gezeigt. Jedes Plättchen 4 ist mit einer Haube 5 in Berührung, die aus einer gut wärme- und elektrisch leitenden Metallmasse, z.B. Messing, gearbeitet ist und in den Fig. 4a und 4b in größerem Maßstab gezeigt ist. Die Seitenfläche der Plättchen 4 weist drei Ausschnitte auf, die unter 120° zueinander angeordnet sind. Die Oberseite der gedruckten Schaltung 2 trägt:

- drei bereits erwähnte Massekontakte 7;

- drei Ubertragungsleitungsabschnitte 9, die von der Haube 5 durch Ausnehmungen 57 (Fig. 4) isoliert sind;

- drei Ubertragungsleitungsabschnitte 11 (Fig. 3), die jeweils in der Verlängerung eines der Abschnitte 9 liegen, welcher mit der Haube 5 in Berührung ist;

- drei Ubertragungsleitungsabschnitte 12 und 13, die jeweils Leitungsabschnitte 9 bis zu Koaxialanschlüssen 14 (Fig. 3) verlängern;

- vier Metallisierungen 16, die jeweils als Zwischenverbindung zwischen einem Massekontakt und einer Metallisierung 13 dienen.

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Jeder Abschnitt 12 ist über einen Kondensator 17 mit festem Wert und einen dazu parallelgeschalteten einstellbaren Kondensator 18 jeweils mit einem Abschnitt 9 verbunden. In gleicher Weise ist jeder Abschnitt 12 mit einem Abschnitt 13 verbunden, und zwar über eine Induktivität bzw. Wicklung 19 mit nur einigen Windungen. Jede aus den Kondensatoren 17 und 18 und einer Induktivität 19 gebildete Einheit ist eine erste Anpassungssehaltung mit einer Resonanz im Durchlaßband des Zirkulators. Jeder Abschnitt 13 ist über einen einstellbaren Kondensator 20 mit einer Metallisierung 16 verbunden, und jede Metallisierung 16 ist über eine Induktivität 21 mit nur einigen Windungen mit einer Metallisierung 7 verbunden. Jede aus einem einstellbaren Kondensator 20 und einer Induktivität 21 gebildete Gesamtheit stellt eine zweite Anpassungsschaltung dar, mit einer Resonanzfrequenz im Durchlaßband des Zirkulators.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht des Zirkulators längs Linie A'-A in Fig. 1, wobei die Dicken der Elemente zur leichteren Erkennbarkeit übertrieben sind. Die gyromagnetischen Plättchen 4 sind auf die beiden Seiten der gedruckten Schaltung 2 aufgebracht. Eine Fettschicht 50 aus "Elecolit 692" gewährleistet einen guten thermischen Kontakt zwischen jedem Plättchen 4 und jeder Haube 5. Auf der Außenseite jeder Haube 5 wird durch eine dielektrische Scheibe 22, eine Stahlscheibe 23, einen Magnet 24, ein Magnetfeld-Korrekturelement 25 und ein Jochteil 26 aus Stahl der Aufbau eines Magnetfeldes ermöglicht, das senkrecht zu den Plättchen 4 verläuft. Der thermische Kontakt zwischen den genannten Elementen wird dadurch erhalten, daß jeweils ein Fettfilm aus "Elecolit 692" zwischengeschaltet wird, der in Fig, 2 mit 50 bezeich-

in net ist. Die durch dielektrische Verluste/den Plättchen 4 erzeugte Wärme durchquert die Scheiben 22, die aus Aluminiumoxid gebildet sind. Ein Teil der Wärme wird über die Stahlscheiben 23 zum Gehäuse übertragen, und zwar über die Ansätze

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15, auf denen sie sich aufstützen, und die restliche Wärme wird über den Magnet 24 und das Korrekturelement 25 auf das Jochteil 26 und das Gehäuse übertragen, mit dem das Jochteil in Berührung ist. Der Magnetkreis zur Erzeugung des magnetischen Gleichfeldes ist so bemessen, daß sich das Magnetfeld in dem gyromagnetischen Material in derselben Weise temperaturabhängig ändert wie die Sättigungsinduktion. Diese Kompensation wird durch Anwendung von magnetischen Nebenschlüssen erreicht, deren temperaturabhängige Magnetisierungsänderung im Bereich des Curie-Punktes progressiv und reversibel ist und schnell erfolgt. Es werden zwei Arten von Nebenschlüssen verwendet, nämlich einer mit einem Curie-Punkt bei 8⁰C und ein weiterer mit einem Curie-Punkt bei 70⁰C, so daß eine Kompensation für alle Temperaturen zwischen -40 und +8O⁰C erreicht wird.

Fig. 3 zeigt eine Detailansicht der gedruckten Schaltung ohne die aufgebrachten Bauelemente. Die Metallisierungen 7 bilden die drei Massekontakte, auf die sich das obere Halbgehäuse 3 abstützt. Die Bohrungen 8 ermöglichen die Verbindung der Halbgehäuse 1, 3 miteinander. Zwischen den Metallisierungen 7 sind die drei Leitungsabschnitte 9 zu erkennen, die gegeneinander um 120° versetzt sind. Jeder Abschnitt 9 ist über vier parallelgeschaltete schmale Leiter 47, 48, 49, 51 mit einem Abschnitt 11 verbunden. Diese Leiter kreuzen sich und verlaufen über metallisierte Löcher von einer Seite der Schaltung 2 zur anderen. Jeder Abschnitt 11 ist von einem Loch 26 durchbohrt, durch das sich eine Schraube 6 (Fig. 2) hindurch erstreckt, die dazu dient, die beiden Hauben 5 auf beiden Seiten der gedruckten Schaltung 2 miteinander zu verbinden. Jeder Abschnitt 9 ist durch einen Abschnitt 12 verlängert, auf den ein Abschnitt 13 folgt, der mit dem Mittelleiter eines Koaxialausgangs verbunden ist.

Fig. 4a und 4b zeigen Schnittansichten einer Haube 5 in

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größerem Maßstab, und zwar Fig. 4a längs der Ebene des Substrats und Fig. 4b längs der Ebene der Linie A-A in Fig. 1. Die Haube 5 ist ersichtlich ein massives Teil mit zylindrischer Außengestalt, dessen Innengestalt die Form eines Hexagons hat, mit drei geraden Seiten 54 und drei gekrümmten Seiten 55. Die Materialdicke zwischen der Außenseite des Zylinders und den ebenen Flächen der geraden Seiten 54 und die Materialstärke des Bodens 56 sind ausreichend, um der Haube 5 eine hohe Steifigkeit zu verleihen. Die Bearbeitung aus einem massiven Block gewährleistet eine Qualität der Innenoberfläche, die es gestattet, einen engen Kontakt mit dem Ferritplättchen 4 zu schaffen, das auf der Innenseite angeordnet ist, wodurch jegliche Gefahr vermieden wird, daß zufällige Luftschichten zwischen den Teilen vorhanden sind. Das Plättchen ist so bearbeitet, daß es dem Innenprofil der Haube 5 folgt. Die Seitenfläche der Haube 5 weist drei Ausnehmungen 57 auf, deren Achsen dieselben sind wie diejenigen der ebenen Seitenflächen. Diese Ausnehmungen haben die Aufgabe, die Leiter 9 von der Haube zu isolieren. Gewindelöcher 58 in der Haube gestatten die Einführung von Befestigungsschrauben (Bezugszeichen 6 in Fig. 2) zur .Befestigung der aus zwei Hauben 5 und der gedruckten Schaltung 2 gebildeten Gesamtheit.

Die Eliminierung von Luftschichten, die inv allgemeinen zwischen dem gyromagnetischen Plättchen und der Abschirmung vorhanden ist, bietet folgende Vorteile:

- Reproduzierbarkeit und genaue Beherrschung der Schaltungsimpedanzen;

- Entfallen von parasitären Fehlresonanzen in dem Durchlaßband;

- Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen dem Plättchen und der Haube, wobei eine weitere Verbesserung durch einen Film aus wärmeleitendem Fett möglich ist.

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Fig. 5 zeigt ein Ersatzschaltbild des Zirkulators. Die Leitungsabschnitte 9, die zwischen die Plättchen 4 aus gyromagnetisehern Material verschachtelt eingefügt und mit den Hauben 5 verbunden sind, sind drei Parallelresonanzkreisen 30, 31) 32 äquivalent, die zwischen einem gemeinsamen Punkt 33 und drei Anschlüssen 34, 35, 36 angeordnet sind und einen Zirkulatoreffekt aufweisen, der symbolisch durch Pfeile 37 bezeichnet ist. Die zwei Parallelkondensatoren, die jeweils durch eine dielektrische Scheibe 22 zwischen einer Haube 5 und einer mit der Wandung des Gehäuses verbundenen Scheibe 23 gebildet sind, sind mit dem Bezugszeichen 38 bezeichnet, und die Länge der Verbindungen stellt eine in Reihe mit dem Kondensator 38 geschaltete parasitäre Induktivität 44 dar. In bestimmten Fällen kann zwischen jeden Abschnitt 11 und die Leiter ein bloßliegender Kondensator 45 in Form eines Plättchens oder "Chips" angeordnet werden, dessen Wert zwischen 0,6 und 4,5 Picofarad liegt und dessen Lage entlang dem Zwischenraum zwischen dem Leiter 7 und dem Abschnitt 11 von dem Wert der Induktivität 46 abhängt, die zur Überdeckung des Durchlaßbandes geschaffen werden muß. Diese Ausfuhrungsform ist insofern vorteilhaft, als dadurch die Einstellung der Dicke der Scheiben 22 entfällt. Die ersten Anpassungsschaltungen sind durch Rechtecke 39 und die zweiten Anpassungsschaltungen durch Rechtecke 40 dargestellt; die in den Rechtecken 39 enthaltenen Schaltungen sind in Reihe zwischen die Anschlüsse 34, 35, 36 und die Ausgänge 41, 42, 43 geschaltet.

Ein als Ausführungsbeispiel verwirklich+es Muster hat eine Masse von 370 g und die Abmessungen 64 χ 51 x 30 mm, unter Verwendung von Ferritplättchen, die von der Anmelderin unter der Handelsbezeichnung 6931 vertrieben werden, oder aus Ferrit Y 220, das von der Firma Thomson-CSF in den Handel gebracht wird. Bei diesen Zirkulatoren sind die Scheiben 22 aus Aluminiumoxid, und ihre Dicke ist so abgestimmt, daß der

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Kondensator 38 einen Wert von 60 Picofarad aufweist. Auf diese Weise entfallen die unnötig gewordenen Kondensatoren 45. Das Durchlaßband des Zirkulators überdeckt das Intervall von 225 - 400 MHz, wenn die angelegte Leistung wenigstens 50 W beträgt. Die unter diesen Bedingungen gemessenen Einfügungsverluste bleiben unter 0,6 dB in einem Temperaturbereich von -40 bis +8O⁰C (siehe Fig. 6). Die in diesem Band bei einer Leistung von 50 W gemessene Entkopplung ist größer als T7 dB (Fig, 7). Das am Eingang jedes Anschlusses ermittelte Stehwelleriverhältnis bei angepaßtem anderem Anschluß ist niedriger als 1,45, und zwar bei jeglichen Temperaturen zwischen -40 und +80⁰C (Fig. 8).Die ersten Anpassungsschaltungen 39 enthalten eine Induktivität von 20 Nanohenry und einen Kondensator, der zwischen 12,6 und 18 Picofarad einstellbar ist. Die zweiten Anpassungsschaltungen 40 enthalten eine Induktivität von 70 Nanohenry und einen Kondensator, der zwischen 0,6 und 6 Picofarad einstellbar ist.

Der Zirkulator kann ohne Beschädigung eine Leistung von 50 W an seinem Anschluß 1 verarbeiten, gleich welche Phasenlage ein Kurzschluß an den Klemmen des Anschlusses 2 aufweist. Fig. 9 zeigt die unter diesen Bedingungen zwischen dem Anschluß 1 und dem Anschluß 3 ermittelten EinfügungsVerluste. Die EinfügungsVerluste sind bei jeder Temperatur zwischen -40 und +80⁰C höchstens gleich 1,2 dB; die Spitzenleistung bei Kurzschluß beträgt bei den Messungen 200 W. =

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Claims

PatentanwälteDipl-lng. _ . G. Leiser327'Dipl-lng. E. Prinz -Dipl.-Chem. Dr. G. Hauser -EIr nsbergerstrasse 19■ - -. ""-. "8 München 609. Juli1979 LIGNES TELEGRAPHIQUES ET TELEPEONIQÜES 89, Rue de la Faisanderie 75016 Paris ./- Frankreich Unser Zeichen: L 1108 PATENTANSPRÜCHE

1.. Breitband-Leistungszirkulator mit lokalisierten Konstanten und für sehr hohe oder Höchstfrequenzen, mit:."

- einer doppelseitigen gedruckten Schaltung mit drei Übertragungsleitungsabschnitten, die jeweils an einem ersten Ende mit zwei Metallhauben verbunden sind, welche jeweils über einen Kondensator zur Verbreiterung des Durchlaßbandes mit einem Metallgehäuse verbunden sind, und mit drei Kontakten mit diesem Gehäuse;

- drei ersten Anpassungsschaltungen, die jeweils aus einer Induktivität in Reihe mit einem einstellbaren Kondensator gebildet sind, der jeweils das zweite Ende der Übertragungsleitungsabschnitte mit dem mittleren Leiter eines der drei koaxialen Ausgänge verbindet, welche an dem Gehäuse befestigt sind;

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- drei zweiten Anpassungsschaltungen, die jeweils aus einem einstellbaren Kondensator in Reihe mit einer Induktivität gebildet sind und Jeweils zwischen diejenigen Enden der ersten Anpassungsschaltungen, welche mit den zentralen Leitern der Koaxialausgänge verbunden sind, und die drei Kontakte mit dem Gehäuse geschaltet sind;

- und mit einem Magnetkreis, der ein Gleichfeld rechtwinkelig zu den Hauptseiten der Plättchen erzeugt, dessen temperaturabhängige Änderung diejenige der Sättigungsinduktion der Plättchen kompensiert; dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen au- gyromagnetischem Material, die Hauben, der Magnetkreis und das Gehäuse wenigstens teilweise von einem Film aus wärmeleitendem und elektrisch isolierenden Fett bedeckt sind.

2. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Kondensatoren zur Verbreiterung des Durchlaßbandes aus wenigstens einer Scheibe aus einem Dielektrikum gebildet ist, die zwischen einer Außenseite einer Haube und einer Stahlscheibe angeordnet ist, die beide auf einem Absatz des Gehäuses ruhen.

3. Zirkulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität der Kondensatoren zur Verbreiterung des Durchlaßbandes dadurch einstellbar ist, daß die Dicke der Dielektrikum-Scheiben bearbeitet wird.

4. Zirkulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ferner drei Kondensatoren geringer Kapazität parallel zu den Kondensatoren zur Verbreiterung des Durchlaßbandes

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vorgesehen sind, mit jeweils einer Elektrode, die mit einem Ende der Leitungsabschnitte/welches mit den Hauben in Berührung ist, verbunden ist, wobei das andere Ende mit den Kontakten am Gehäuse verbunden ist.

Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Haube aus einem in seiner Masse bearbeiteten Metallteil gebildet ist, dessen Außenform zylindrisch ist, mit nur einer Basis, deren äußere Form im Querschnitt kreisförmig und deren innere Form im Querschnitt sechseckig ist, mit drei gekrümmten Seiten, welche in der Nähe der Öffnung Ausnehmungen aufweisen.

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