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Ein Pendelrückkopplungsdetektor ist eine
Rückkopplungsschaltung, in der ein üblicher Oszillator automatisch mit
einer geringen Radiofrequenztaktrate zwischen einem
schwingenden und einem nicht schwingenden Zustand
umgeschaltet wird. Die Umschaltfrequenz wird Löschfrequenz
genannt. Allgemein wird die Löschfrequenz mit größer
werdender Trägermodulationsfrequenz erhöht. Bei geeigneter
Abstimmung werden sich im Detektor Oszillationen nahe den
positiven Scheitelwerten einer jeden Periode der
niederfrequenten Löschspannung aufbauen und werden abklingen,
wenn die Spannung negativ oder zu gering ist, um die
Voraussetzungen für das Schwingen aufrecht zu erhalten. Die
nachzuweisende Signalspannung wird mit einer Rückkopplungsleitung
verbunden, welche an einen Transistorverstärker angekoppelt
ist, um Oszillationen hervorzurufen.
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Falls kein Signal angelegt ist, beginnen die Oszillationen,
die sich während jeder Periode der Löschspannung aufbauen,
mit einer Anfangsamplitude, die durch die Rauschspannungen
in der Eingangsschaltung bestimmt ist, und erreichen einen
Endwert, der dem Gleichgewichtswert für den Oszillator
entspricht. Diese Oszillationen klingen dann ab, wenn die
Löschspannung klein und dann negativ oder zu klein wird, um die
Voraussetzungen für das Schwingen aufrecht zu erhalten.
Wird dem System ein Radiofrequenzträgersignal überlagert,
dessen Amplitude größer ist als das thermische Rauschen
in der abgestimmten Eingangsschaltung, so entspricht die
Anfangsamplitude, wenn die Oszillationen beginnen sich
aufzubauen, der Amplitude des überlagerten
Radiofrequenzsignals. Die Oszillationen erreichen daher aufgrund der
größeren Anfangsamplitude schneller ihr Gleichgewicht. Die
Löschfrequenz kann auf einfache Weise eingestellt werden,
indem der Einstellwert einer mit der Basis des
Detektortransistors verbundenen RC-Schaltung verändert wird. Das
Radiofrequenzträgersignal ist mit einem gewünschten
Informationssignal
amplitudenmoduliert, das am Ausgang des
Detektors mittels eines das Radiofrequenzträgersignal und
das Löschsignal zurückhaltenden Tiefpaßfilters
zurückgewonnen wird.
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Dieser Schaltungstyp ist wertvoll, da er einfach und
wirtschaftlich aufzubauen ist und Störpulse kurzer Dauer
unterdrückt, da im Zustand der Pendelrückkopplung das System nur
während eines kleinen Bruchteils der Gesamtzeit für das
einkommende Signal empfindlich ist. Solche Schaltungen werden
wegen ihrer geringen Größe und des einfachen und
wirtschaftlichen Aufbaus bevorzugt in Komponenten wie Empfängern für
Garagentoröffner, tragbaren Telefonen und ähnlichem
eingesetzt.
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Sie haben jedoch auch einige ernsthafte Nachteile. Erstens
sind sie üblicherweise LC-kontrolliert. Das heißt, sie
verwenden Spulen und Kondensatoren in den
Rückkopplungsschaltkreisen, wodurch der Oszillator zeitlich instabil
ist und von seiner gewünschten Betriebsfrequenz wegdriftet.
Außerdem ist jede LC-Schaltung temperaturempfindlich,
wodurch die Betriebsfrequenz sich mit Temperaturänderungen
verändert. Weiterhin weisen Pendelrückkopplungsempfänger
nach dem bisherigen Stand der Technik relativ breite
Empfangsbänder auf und werden daher durch Streusignale und
Störungen beeinflußt, die sie aufnehmen und detektieren
können.
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Zur Überwindung dieser Probleme ist es notwendig, eine
Reckkopplungsschaltung zu verwenden, die einen geringen Verlust
hat, temperaturstabil ist und die notwendige
Phasenverschiebung des Ausgangs gegenüber dem Eingang zur Erzeugung von
Oszillationen im Detektor liefert.
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Ein akustisches Oberflächenwellen-Laufzeitglied ist sehr
temperaturstabil und könnte auf ideale Weise als
Phasenverschiebungselement in der Rückkopplungsschaltung eingesetzt
werden, außer daß akustische
Oberflächenwellenlaufzeitglieder nach dem bisherigen Stand der Technik üblicherweise
einen so hohen Einfügeverlust haben, daß mit einem
Eintransistoroszillator keine ausreichende Rückkopplung mehr
stattfindet.
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Bisher bekannte Resonatoren, die aus akustischen
Oberflächenwellenlaufzeitgliedern aufgebaut sind, haben geringe
Einfügeverluste, aber eine so hohe Güte Q, daß die
Löschschaltung nicht richtig funktionieren kann. Der Aufbau
eines Pendelrückkopplungsdetektors unter Verwendung
bekannter akustischer Oberflächenwellenlaufzeitglieder würde
daher die Konstruktion des Pendelrückkopplungsdetektors
mit nur einem einzigen Transistor verhindern und müßte
daher durch die Verwendung eines getrennten Löschoszillators
und anderer Schaltungen ziemlich komplex sein, was die
Einfachheit und Wirtschaftlichkeit des Aufbaus zunichte
machen würde.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
Pendelrückkopplungsempfänger, der in der Rückkopplungsschaltung
ein akustisches Oberflächenwellenbauteil verwendet, das
nicht nur ein Laufzeitglied, sondern auch ein Bauteil mit
geringen Verlusten ist. Der neuartige
Pendelrückkopplungsdetektor ermöglicht auf diese Weise den Aufbau eines
Pendelrückkopplungsdetektors mit einem Transistor, ist
temperaturstabil, ist nicht LC-kontrolliert, driftet nicht
in seiner Frequenz und hat ein sehr schmales Empfangsband,
wodurch der Empfang von nahe an der Betriebsfrequenz des
Detektors liegenden Rausch- und Streusignalen ausgeschlossen
wird. Das ideale zu verwendende akustische
Oberflächenwellenlaufzeitglied ist als einphasiger, einseitig wirkender
Übertrager mit Lambda-Viertel-Elektroden und -Abständen
ausgebildet und erlaubt so den Betrieb des Detektors bei
sehr hohen Frequenzen.
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Die Druckschrift US-A-4143324, gegenüber der die vorliegende
Erfindung charakterisiert wird, legt ein anderes Beispiel
des Standes der Technik ähnlich dem zu Beginn genannten
offen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein selbstlöschender
Pendelrückkopplungsdetektor zur Verfügung gestellt, der
einen RF-(Radiofrequenz)-Oszillator mit einem Ausgang und
einem Eingang; eine Rückkopplungsleitung zur Ankopplung
des Ausgangs an den Eingang, um die RF-Schwingungen
hervorzurufen; sowie einen an den RF-Oszillator angekoppelten
Löschoszillator zur Umschaltung des RF-Oszillators zwischen
einem schwingenden und einem nicht schwingenden Zustand
umfaßt; gekennzeichnet durch ein akustisches
Oberflächenwellenlaufzeitglied in der Rückkopplungsleitung, wobei das
Laufzeitglied ein einphasiger, einseitig wirkender
Übertrager ist, der auf einem piezoelektrischen Substrat mit
Elektroden, die ein Viertel einer Wellenlänge breit sind,
ausgeformt ist und einen geringen Einfügeverlust und eine
kleine Güte Q besitzt. Vorzugsweise sind Mittel zur
Ankopplung eines modulierten RF-Signals an den Oszillatoreingang;
sowie an den Ausgang angekoppelte, als Tiefpaßfilter
wirkende Mittel, um das Modulationssignal zurückzuerhalten,
vorhanden.
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In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm eines
Pendelrückkopplungsdetektors nach dem bisherigen Stand der
Technik;
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Fig. 2 eine Grafik, die die Frequenzantwort des
Pendelrückkopplungsdetektors
nach dem bisherigen Stand
der Technik darstellt;
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Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm des neuartigen
Pendelrückkopplungsdetektors nach der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 4 eine schematische Darstellung eines einphasigen,
einseitig wirkenden Übertragers mit
Lambda-Viertel-Elektroden, der als das akustische
Oberflächenwellenlaufzeitglied in der
Rückkopplungsleitung der in Fig. 3 gezeigten Schaltung verwendet
werden kann;
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Fig. 5 eine schematische Darstellung eines
reflektionslosen Übertragers eines akustischen
Oberflächenwellenlaufzeitgliedes, das in der
Rückkopplungsleitung der in Fig. 3 gezeigten neuartigen
Erfindung verwendet werden kann;
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Fig. 6 eine Grafik, die die Frequenzantwort des in Fig.
3 gezeigten neuartigen
Pendelrückkopplungsdetektors darstellt; und
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Fig. 7 eine Grafik der Frequenzantwort des in Fig. 3
gezeigten neuartigen
Pendelrückkopplungsdetektors, die mit einer breiteren Frequenzskala
dargestellt ist.
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Fig. 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines
Pendelrückkopplungsempfängers nach dem Stand der Technik. Die grundlegende
Komponente der Schaltung ist Transistor Q1, der auf Leitung
10 über Widerstand R2 und den Schwingkreis L1C1 B+-Spannung
erhält. Die Ruhebasisspannung wird durch die Widerstände
R4 und R6 bestimmt, und eine Rückkopplungsschaltung vom
Ausgang am Kollektor an den Eingang am Emitter umfaßt die
Kondensatoren C3 und C4, C6 und C7. Kondensator C5 bestimmt
den Löschfrequenztakt und wird in seiner Größe derart
ausgewählt, daß er die gewünschte Löschfrequenz des
Oszillators festsetzt.
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Wenn durch die Antenne 12 ein moduliertes RF-Signal
empfangen wird, wird es über Widerstand R1 und Kondensator
C2 an den aus L1C1 gebildeten Schwingkreis und an den
Kollektor des Transistors Q1 angekoppelt. Diese modulierte
RF-Signalspannung wird dem System überlagert und über die
die Kondensatoren C3 und C4 umfassende Rückkopplungsleitung
an den Emitter des Transistors Q1 angekoppelt, wodurch
Oszillationen anfangen sich aufzubauen. Jedesmal, wenn
Transistor Q1 aufgrund der Löschspannung leitend wird,
wird das modulierte RF-Signal überlagert und über
Schwingkreis L1C1 an den Tiefpaßfilter 14 angekoppelt, welcher
die Träger und die Löschfrequenz abtrennt und das
Modulationssignal auf Leitung 16 weiter an zusätzliche
Schaltungen zur weiteren Verarbeitung überträgt.
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Wie bereits angeführt, ist diese Schaltung wirtschaftlich
aufzubauen, da sie lediglich einen Transistor verwendet und
nur wenige Bauteile aufweist, aber aufgrund der LC-Kontrolle
driftet die Frequenz, und das Gerät ist nicht stabil. Es ist
auch temperaturabhängig, was die Frequenz ebenfalls driften
läßt, und hat ein breites Empfangsband und wird daher durch
Streusignale, die es aufnehmen und verstärken kann,
beeinflußt.
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Fig. 2 zeigt ein Diagramm der Frequenzantwort des in Fig.
1 gezeigten Pendelrückkopplungsdetektors nach dem Stand der
Technik. Die Mittenfrequenz beträgt etwa 370 MHz, und jedes
der horizontalen Frequenz-Skalenteile entspricht etwa 20 MHz.
Die vertikale Skala stellt die Signalhöhe in dB dar, ein
Skalenteil entspricht 10 dB. An den 3 dB-Punkten der Kurve
beträgt, wie ersichtlich ist, die Bandbreite etwa 30 MHz.
Dies bedeutet natürlich, daß der Empfänger für jedes Signal
mindestens innerhalb dieses 30 MHz-Bereiches empfindlich
ist. Auf diese Weise ist der Empfänger nach dem Stand der
Technik dem Empfang vieler anderer Signale unterworfen,
die wünschenswerterweise ausgeschlossen werden sollten.
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Der neuartige Pendelrückkopplungsdetektor nach der
vorliegenden Erfindung, welcher die Probleme des bisherigen Standes
der Technik ausschaltet, ist in Fig. 3 dargestellt. Wieder
wird ein einzelner Transistor Q1 als das Herz der Schaltung
verwendet. Die Gleichspannung auf Leitung 18 wird über
Widerstand R1 und Spule L1 an den Kollektor des Transistors Q1
angekoppelt. Kondensator C7 koppelt den Emitter des
Transistors an dessen Basis und bestimmt die Löschfrequenz der
Schaltung. Das modulierte RF-Eingangssignal an der
Eingangsklemme 20 wird über Kondensator C5 an den Kollektor des
Transistors Q1 und an die Rückkopplungsleitung gekoppelt,
die ein akustisches Oberflächenwellenlaufzeitglied 22 und
eine Spule L2 umfaßt. Das Signal, das über die das
akustische Oberflächenwellenlaufzeitglied 22 und die Spule
L2 beinhaltende Rückkopplungsleitung angekoppelt ist, hebt
die Signalhöhe an der Basis des Transistors Q1 an, wenn
es zu der an Kondensator C7 aufgebauten Spannung hinzugefügt
wird, um so den Transistor Q1 schneller zum Einsetzen
von Schwingungen anzuregen als es der Fall ist, wenn das
thermische Rauschen alleine die Eingangsspannung liefert.
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Das akustische Oberflächenwellenlaufzeitglied 22 wird nur
dann richtig als Rückkopplungsglied arbeiten, wenn es in der
Schaltung einen kleinen Verlust hat und eine kleine Gute
Q aufweist. Ein einphasiger, einseitig wirkender Übertrager
bat die richtigen Eigenschaften für die Verwendung als
akustisches Oberflächenwellenlaufzeitglied 22 in der
Rückkopplungsschaltung.
Ein solcher Übertrager wird in unserer
britischen Patentanmeldung Nr. 2168212 offengelegt und
"einphasiger, einseitig wirkender, akustischer
Oberflächenwellen-Übertrager" benannt.
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Ein solcher Übertrager, der Lambda-Viertel-Elektroden
verwendet, ist in Fig. 4 dargestellt. Wie in der
Druckschrift GB-A-216 8212 beschrieben, wird die einseitig
wirkende Beschaffenheit des Übertragers erreicht, indem
der Übertrager gezielt auf einem geeignet ausgewählten
Substratmaterial angeordnet wird, das eine vorgeschriebene
Kristallorientierung aufweist, um eine Wellenfortpflanzung
in einer gewünschten Richtung in dem genannten Substrat
zu bewirken. Außerdem kann ein Übertrager mit geringem
Verlust verwendet werden, wie er in der am 03.02.1988
veröffentlichten europäischen Patentanmeldung EP-A-0255263
dargestellt ist. Dieser Übertrager besitzt mindestens zwei
Gruppen von miteinander verzahnten Elektroden 30, 32, 34
und 36, die von einander gegenüberliegenden
Leitungsstreifen 40 und 42 ausgehen, wobei jede Gruppe von
Elektroden einen Abstand 44 innerhalb der Gruppe von
Lambda-Viertel hat und der Zwischenraum 28 zwischen benachbarten
Gruppen eine Länge von Lambda-Halbe hat, so daß sich die
Reflektionen an benachbarten Gruppen miteinander auslöschen.
Indem abwechselnd Massespannung an die genannten Gruppen
von Elektroden angelegt wird, erreicht man eine
beträchtliche einseitig wirkende Wellenfortpflanzung in dem Substrat.
Ein solcher Übertrager ist in Fig. 5 dargestellt mit einem
Zwischen- oder Hohlraum 28 von Lambda-Halbe zwischen den
Elektrodengruppen 30 und 32, 32 und 34 sowie 34 und 36,
und einem Abstand 44 von Lambda-Viertel zwischen den
Elektroden innerhalb der Gruppen 30, 32, 34 und 36. Der
Aufbau mit Lambda-Viertel-Elektroden ermöglicht die
Verwendung der größten Frequenz, die mit akustischen
Oberflächenwellenbauteilen nach dem derzeitigen Stand der Technik
erreicht werden kann. Weiterhin ist das Laufzeitglied
ein Baustein mit geringem Verlust.
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Der Ausgang des Transistors Q1 ist über Spule L1 und
Kondensator C3 an den Tiefpaßfilter 24 angekoppelt, um das
Modulationssignal zurückzugewinnen. Der Ausgang des Tiefpaßfilters
24 ist mittels Leitung 26 an gegebenenfalls notwendige
zusätzliche Schaltungen, wie z. B. Verstärker, gekoppelt.
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Die Spulen L1 und L2 sind in dem in Fig. 3 gezeigten
ausgewählten Schaltungsbeispiel Luftspulen, für die Draht der
Stärke Nr. 28 auf einem 0,080 Inch (2 mm)-Spulenkörper
verwendet wird. Spule L1 bildet eine Feineinstellung für
die Mittenfrequenz der Oszillation, die im wesentlichen
durch das akustische Oberflächenwellenlaufzeitglied 22
zusammen mit der konstanten Induktivität L2 bestimmt wird.
Die Induktivität der Spule L2 wirkt sich in einem geringen
Maß auf die Mittenfrequenz aus, aber ihr tatsächlicher
Zweck ist die Einstellung des Leistungsniveaus des
Oszillators durch Anpassung der Impedanz des akustischen
Oberflächenwellenlaufzeitgliedes an den Oszillator, was das
Rückkopplungsverhältnis beeinflußt. Die Spule L1 wird
verwendet, um den Transistor Q1 und das akustische
Oberflächenwellenlaufzeitglied 22 aneinander anzupassen. Wie
bereits gesagt, wird die Größe des Kondensators C7 geeignet
gewählt, um die Löschfrequenz einzustellen.
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Eine Grafik der Frequenzantwort des neuartigen Bauteils
ist in Fig. 6 gezeigt. Die horizontale Achse stellt die
Frequenz dar mit einer Skaleneinteilung von 1 MHz pro
Skalenteil, die vertikale Achse stellt die Signalhöhe dar
mit einer Skaleneinteilung von 10 dB pro Skalenteil. Es
ist zu beachten, daß die horizontale Skaleneinteilung der
Fig. 6 nur ein Zwanzigstel der horizontalen Skaleneinteilung
für die in Fig. 2 gezeigte Darstellung der Frequenzantwort
des Bausteins nach dem Stand der Technik beträgt. Daher
beträgt in Fig. 6 die Bandbreite am 3 dB-Punkt ungefähr 200
KHz. Der in Fig. 3 gezeigte neuartige
Pendelrückkopplungsdetektor ist also extrem selektiv und schaltet alle
Streusignale aus mit Ausnahme derjenigen innerhalb einer in
diesem ausgewählten Schaltungsbeispiel gegebenen Bandbreite
von etwa 200 KHz.
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Fig. 7 stellt dieselbe Frequenzantwort dar, die bereits in
Fig. 6 gezeigt ist, benutzt jedoch eine Skaleneinteilung,
die derjenigen in Fig. 2 gezeigten bei dem Baustein nach dem
Stand der Technik vergleichbar ist und 20 MHz pro Skalenteil
beträgt. Man beachte in Fig. 7 die scharfe Kurve der
Frequenzantwort für das Bauteil nach der vorliegenden
Erfindung im Vergleich zu der in Fig. 2 gezeigten
Frequenzantwort des Bausteins nach dem bisherigen Stand der Technik.
Man sieht leicht, daß das störende Rauschen auf beiden
Seiten der 200 KHz-Bandbreite an den 3 dB-Punkten im
wesentlichen eliminiert ist.
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Die vorliegende Erfindung ergibt also einen
Pendelrückkopplungsempfänger, der ein akustisches Oberflächenwellenbauteil
in der Rückkopplungsleitung verwendet, um Schwingungen
hervorzurufen. Das akustische Oberflächenwellenbauteil ist
ein Laufzeitglied mit einem geringen Verlust, das mittels
eines einphasigen, einseitig wirkenden Übertragers
ausgebildet ist. Je größer die Verzögerung des akustischen
Oberflächenwellenlaufzeitgliedes ist, desto stabiler ist
der Oszillator, da die Phase des Signals durch das
akustische Oberflächenwellenlaufzeitglied einen steilen
Anstieg zeigt, wodurch die Auswirkungen einer jeden
Phasenverschiebung aufgrund irgendwelcher anderer
Schaltungselemente auf die Oszillatormittenfrequenz minimiert werden.
Die Verzögerung beeinflußt aber auch die maximale
Löschtaktrate, so daß die Größe der Verzögerung durch die
gewünschte zu verwendende Löschtaktrate begrenzt ist. Die
Verzögerung beeinflußt oder bestimmt auch die Bandbreite
des Empfängers. Je größer die Verzögerung, desto höher
auch seine Güte Q und desto schmaler sein Empfangsband.
Die Größe der möglichen Verzögerung wird daher auch durch
die Stabilität des Senders begrenzt.
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Diese Schaltung hat ebenfalls außerordentlich gute
Temperatureigenschaften, da sie in erster Linie durch das akustische
Oberflächenwellenlaufzeitglied kontrolliert wird, das eine
sehr gute Temperaturantwort besitzt. Dies soll heißen, daß
seine Frequenzantwort sich nicht sehr stark durch
Temperaturveränderungen ändert. Natürlich variiert, wie in der Technik
wohl bekannt ist, die Temperaturantwort eines akustischen
Oberflächenwellenlaufzeitgliedes mit der Art des
Substratmaterials, auf dem der Übertrager angeordnet ist, ebenso wie
mit der Richtung, in der die Wellen durch das Substrat
übertragen werden. Vorzugsweise sollte das Substrat Quarz sein,
aber das Laufzeitglied könnte auch auf anderen Substrattypen
verwendet werden, wie z. B. Lithiumniobat oder
Lithiumtantalat, obwohl deren Temperaturkoeffizient nicht so gut wie
der von Quarz ist.
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Wie aus Fig. 7 zu ersehen ist, ist der neuartige Detektor
aufgrund seiner im Vergleich geringen Bandbreite sehr
empfindlich und kann leicht das Signal aus dem
Rauschuntergrund heraus aufnehmen, da sein Signalrauschverhältnis
wesentlich größer ist als nach dem bisherigen Stand der
Technik.