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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Modul und insbesondere,
aber nicht ausschließlich,
betrifft die Erfindung ein Sende-Empfangs-Modul (TRM) zur Benutzung
beispielsweise bei der Radarkommunikation.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Benutzung von Sende-Empfangs-Modulen (TRMs) ist ein gebräuchliches
Verfahren geworden, um Antennen zu erregen, die phasengesteuerten
Radarinstrumenten zugeordnet sind. Die Benutzung derartiger Module
ermöglicht
die Ausbildung von Hochfrequenzleistung an einer Anzahl von Stellen über der
Antenne. Im typischen Fall ist dies eine große Zahl von Antennen. Die Spitzen-Hochfrequenzleistung,
die erforderlich ist, um den erforderlichen Pegel der Radarinstrumenten-Funktionalität herbeizuführen, kann
dann in kleinen Abschnitten in jedem der TRMs erzeugt und in einem
einzigen Impuls von Hochfrequenzleistung im Bereich des Luftraumes
vor der Antenne vereinigt werden.
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Die
Bereitstellung einer derartigen Hochfrequenzleistung erzeugt einen
Bedarf nach Energie innerhalb des TRM. Diese Energie wird üblicherweise von
Kurzzeitenergiespeichern akquiriert, im typischen Fall von einer
Gruppe von Kondensatoren. Die endgültige Energiemenge, die in
derartigen Kondensatoren gespeichert werden kann in Verbindung mit der
plötzlichen
Rate, mit der diese Energie aus der Energie daraus während der
Zeit entladen wird, während
das TRM einen Impuls von Hochfrequenzenergie erzeugen muss, ergibt
eine beträchtliche
Schwierigkeit bezüglich
der Dauer des Impulses, der durch das TRM erzeugt werden kann. Die
typische Dauer derartiger Impulse liegt zwischen Mikrosekunden und Hunderten
von Mikrosekunden.
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Die
Notwendigkeit derartiger Kondensatoren ergibt einen sehr komplexen
Aufbau bei der TRM-Konstruktion für Radar, bei denen der Sender kontinuierlich
während
Perioden senden muss, die länger
als Hunderte von Mikrosekunden dauern. Insbesondere in Fällen, wo
das Radar einen interessierenden Bereich kontinuierlich statt gepulst
beleuchten muss, wurden andere Mittel zum Betrieb von TRMs benutzt.
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Während der
gepulsten Arbeitsweise führt der
mittlere Strom, der benötigt
wird, um derartige Kondensatoren nach jedem Impuls der Hochfrequenzleistungserzeugung
wieder aufzuladen, dazu, dass beträchtliche Gleichstrom-Leistungskonditionierungs-Schaltungen innerhalb
eines jeden TRM benötigt
werden, und es muss eine Drahtverbindung mit erheblichem Querschnitt
vorgesehen werden, um die elektrische Leistung nach den Leistungskonditionierungselementen
eines jeden TRM zu überführen. Die
Leistungskonditionierungs-Schaltungen in jedem TRM entnehmen die
elektrische Leistung einer äußeren Quelle,
beispielsweise von der elektrischen Leistungsübertragungsschiene, die der
elektrischen Ausrüstung
in den meisten Raumfahrzeug/Satelliten verfügbar ist und wandelt diese
verfügbare
Leistung in die jeweilige Zuführungsspannung
um, die von den individuellen elektrischen Schaltungen innerhalb
des TRM benötigt
wird.
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Ziele und
Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezweckt, einige der oben erwähnten Nachteile
zu vermeiden oder zu vermindern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sende-Empfangs-Modul (TRM)
zu schaffen, das eine Hochfrequenzleistung während Perioden erzeugt, die
sich erstrecken von Perioden, die so kurz wie kleine Bruchteile
einer Sekunde sind, bis zu kontinuierlichen Emissionen über sehr
langgestreckte Perioden. Dies ist eine Verbesserung gegenüber der Möglichkeit
bekannter TRM-Konstruktionen, die nur in der Lage sind, über Perioden
zu arbeiten, welche nur kleine Bruchteile einer Sekunde sind.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Sende-Empfangs-Modul
(TRM) zu schaffen, das eine billige Lösung zur Schaffung eines TRM
darstellt, das funktionell für
auf dem Raum basierende Anwendungen geeignet ist, bei denen das
finanzielle Budget oft begrenzt ist.
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Im
breitesten Sinne beruht die vorliegende Erfindung auf dem Konzept
der Benutzung von Batterien als Energiespeichermedium im TRM anstelle von
Kondensatoren, so dass das TRM in die Lage versetzt wird, mit jeder
Impulslänge
bis zu kontinuierlichen Emissionen und einschließlich dieser zu arbeiten.
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Daher
ist gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Sende-Empfangs-Modul vorgesehen,
um eine Antenne zu erregen, wobei das Modul Batterieenergie-Speichermittel aufweist,
um die Energie zu speichern und um die Energie dem Modul während einer
vorbestimmten Zeitdauer zuzuführen,
wobei weiter den Batterieenergie-Speichermitteln eine Schaltung
zugeordnet ist, die eine Leistungserzeugungseinrichtung aufweist,
um eine Leistung in Abhängigkeit
von der Energiezufuhr von den Batterieenergie-Speichermitteln zu
erzeugen und wobei Übertragungsmittel
vorgesehen sind, um die erzeugte Leistung auf die Antenne derart
zu übertragen,
dass die Antenne durch den Betrieb des Moduls erregt wird.
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Vorteilhafterweise
wird es durch Benutzung des erfindungsgemäßen TRM überflüssig, Leistungskonditionierungs-Schaltungen
vorzusehen, die gewöhnlich
bei bekannten TRM-Konstruktionen vorhanden sind. Zweckmäßigerweise
wird durch die Erfindung die Querschnittsfläche der Drähte, die zur Leitung der elektrischen
Leistung nach dem Modul erforderlich sind, vermindert.
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Obgleich
die Leistung dem erfindungsgemäßen Modul
im Betrieb zugeführt
werden kann, ist vorteilhafterweise eine solche Zuführung während des Betriebes
nicht wesentlich. Die Leistung kann im typischen Fall dem Modul
während
einer Zeitdauer zugeführt
werden, bevor der Betrieb des Moduls einsetzt, so dass die für jene Betriebsperiode
benötigte
Energie vorhanden ist, wenn der Betrieb beginnt.
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Die
Wahl von Batterien als Energiespeichermedium in der TRM, deren Speisespannung
jener angepasst ist, die von den Hauptenergiesenken in dem TRM erforderlich
ist, vermeidet zweckmäßigerweise
die Notwendigkeit von komplexeren Leistungskonditionierungs-Schaltungen,
die der Arbeitsweise bekannter TRM-Konstruktionen von einer allgemeinen
Leistungszuführungsschiene
zugeordnet sind.
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Außerdem ermöglicht die
Benutzung von Batterien als Energiespeichermedium bei der Erfindung
eine Wiederaufladung der gesamten erforderlichen Energiequellen
während
Perioden, wo das Modul nicht benutzt wird und auch während des
Betriebes. Zweckmäßigerweise
ist der mittlere Strom, der von dem erfindungsgemäßen TRM
abgezogen wird, nicht größer als
der, der von herkömmlichen TRM-Konstruktionen
abgezogen wird, die die Kondensatoren als Energiespeicher benutzen,
und der Strom ist häufig
noch kleiner. Daher wird der Querschnitt der Leiter, die die Leistung
nach dem neuartigen erfindungsgemäßen TRM führen, kleiner und die zugeordnete
Masse ist kleiner.
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Vorzugsweise
sind die Batterien Lithiumionen-Batterien der Bauart, wie sie von
Sony/AEA Technology unter der Bezeichnung Type 18650 geliefert werden.
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Vorzugsweise
wird der Zustand der Batterien durch ein Batterieladegerät überwacht,
so dass die Batterien automatisch wieder aufgeladen werden können, wenn
eine Anzeige besteht, dass die Batterien eine Wiederaufladung/Erneuerung
erfordern.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, die im Folgenden im Einzelnen beschrieben wird, besteht
die Schaltung des Moduls aus einer Kombination von Verstärkern und
Schaltern, die die Möglichkeit
schaffen, dass die Hochfrequenzleistung durch das Modul gemäß der Zuführung von
Energie aus den Batterien ausgegeben wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese ein Verfahren zum Betrieb
eines Sende-Empfangs-Moduls zur Erregung einer Antenne, wobei das
Verfahren die folgenden Schritte umfasst: es wird Energie in Batterieenergiespeichern des
Moduls gespeichert; es wird die gespeicherte Energie dem Modul während einer
vorbestimmten Zeitdauer zugeführt;
es wird eine Leistung in dem Modul in Abhängigkeit von der Energiezufuhr
aus dem Batterieenergiespeicher übertragen,
so dass die Antenne durch die Arbeitsweise des Moduls erregt wird.
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Es
ist zu berücksichtigen,
dass das erfindungsgemäße Modul
eine vereinfachte Konstruktion besitzt und mit vernünftigen
Kosten hergestellt werden kann und dann für verschiedene Zwecke anwendbar
ist, beispielsweise für
Anwendungen der Raumfahrt.
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Die
vorstehend erwähnten
und weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den
beiliegenden Ansprüchen,
und Ausführungsbeispiele
werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung der Steuer- und Leistungs-Schnittstelle einer
bekannten Sende-Empfangs-Modul-Konstruktion;
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2 ist
eine schematische Darstellung eines Sende-Empfangs-Moduls gemäß der Erfindung;
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3 ist
ein Diagramm der Schaltung des Moduls gemäß 2; und
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4 ist
eine schematische Darstellung der Steuer- und Leistungs-Schnittstelle bei
dem Modul gemäß 2.
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Einzelbeschreibung
eines Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
schematisch eine Sende-Empfangs-Modul (TRM)-Konstruktion 1 gezeigt,
bei der der Energiespeicher nur während der kurzen Periode verfügbar ist,
die der Zeitdauer eines typischen Radarimpulses entspricht, die
im typischen Fall zwischen zehn und hundert Mikrosekunden liegt.
Wie in der Zeichnung dargestellt, wird ein Kondensator 2 als Hauptenergiespeicherelement
benutzt, und dem Kondensator 2 ist eine Stromquellenschaltung 3 zugeordnet,
die aus einer Stromquelle besteht, die benutzt wird, um dem Kondensator 2 einen
stetigen Aufladestrom zu liefern. Diese Schaltung 3 gewährleistet,
dass nur ein konstanter Strom von der äußeren elektrischen Leistungsquelle
(nicht dargestellt) abgezogen wird, wobei eine Isolation gegenüber den schwerwiegenden
Impulsstromforderungen vorgesehen ist, die vom Modul 1 während der
Stromübertragung
notwendig sind.
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Als
Nächstes
wird auf 2 Bezug genommen. Hier ist schematisch
die Beziehung zwischen den bevorzugten durch Batterie gespeisten
Sende-Empfangs-Modulen (TRM) 10 gemäß der Erfindung dargestellt.
Das Modul 10 weist ein Energiespeicherelement in Form eines
Batteriepacks 11 auf, das einen Gleichstromeingang 12 an
seinem Eingangsende und zugeordnete elektronische Schaltungselemente 13 aufweist,
um die Leistung gemäß der vom
Batteriepack 11 am Ausgangsende gelieferten Leistung zu
erzeugen und zu übertragen.
Wie dargestellt, haben die aktiven elektronischen Elemente der Schaltung 13 einen
Hochfrequenzeingangsanschluss 15 und einen Hochfrequenzausgangsanschluss 16,
und Steuersignale 14 werden der Schaltung 13 derart
zugeführt,
dass die Komponenten in der Schaltung 13 gesteuert aktiviert
werden, wenn das Modul 10 in Betrieb befindlich ist.
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Grundsätzlich speichert
deshalb das Batteriepack Energie, die von der Batterie benutzt wird;
die elektrische Leistung wird der Batterie zugeführt, um die Energie zu ersetzen,
die während
des Betriebes verbraucht wird. 2 zeigt,
dass die Gleichstromleistung dem Modul zugeführt wird, und der wichtige Aspekt
ist die Überführung der
Energie nach der Batterie, und die Energie wird zweckmäßigerweise
als elektrische Gleichstromleistung zugeführt. Jedoch könnte die
Energie beispielsweise auch als elektrische Wechselstromenergie
oder als optische Energie in Form von Licht zugeführt werden,
die dann anschließend
in elektrische Energie über
photovoltaische Einrichtungen, beispielsweise Solarzellen, umgeformt
wird.
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Es
ist auch festzustellen, dass die "aktiven elektronischen Elemente" üblicherweise die fundamentale
Hochfrequenzfunktionalität
des Sende-Empfangs-Moduls bilden. Diese Elemente verstärken durch
Abziehen elektrischer Leistung aus der Batterie und unter Steuerung äußerer Signale
die ankommenden Signale von dem Anschluss, der mit HF-Eingang bezeichnet
ist und liefern die verstärkte
Version an den Anschluss, der mit HF-Ausgang bezeichnet ist. Unter
einer weiteren Instruktion aus dem Anschluss, der mit "Steuersignale" bezeichnet ist,
werden diese Elemente zweckmäßigerweise
so geschaltet, dass ankommende Signale (Niederleistungsechos) von
dem mit HF-Ausgang bezeichneten Anschluss verstärkt und die verstärkten Versionen dem
mit HF-Eingang bezeichneten Anschluss zugeführt werden.
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3 zeigt
die HF-Komponenten der Schaltung 13, zugeordnet dem Modul 10 gemäß der Erfindung.
Wie in der Zeichnung dargestellt, werden die HF-Signale wie üblich von
dem mit "HF-Eingang" bezeichneten Eingang 21 über eine
funktionelle Route, die hier durch einen Schalter 22 repräsentiert
ist (obgleich auch andere Einrichtungen, beispielsweise Ferrit-Zirkulatoren, ähnliche
Funktionen durchführen könnten),
nach einem Hochfrequenzleistungsverstärker 17 geleitet.
Die Signale von dem HF-Leistungsverstärker 17 werden dann
an den mit "HF-Ausgang" 22 bezeichneten
Ausgang über
eine funktionelle Route zugeführt,
die hier als Ferrit- Zirkulatoren
präsentiert
sind (obgleich auch andere Einrichtungen, beispielsweise Schalter, ähnliche
Funktionen durchführen
könnten).
Während
der Übertragung
werden Elemente der "Empfangs"-Kette deaktiviert.
Nach Übermittlung
der Ereignisse wird der HF-Leistungsverstärker deaktiviert und die am
TR-Modul empfangenen Signale werden über die Routenfunktionalität, die in 2 als
Zirkulatoren 19, 20 dargestellt sind, der Radar-Empfänger-Verstärker-Funktionalität 18 zugeführt, wo
eine gewisse Verstärkung
stattfindet. Die verstärkten
Signale werden dann über
die Schalterfunktionalität 22 dem
mit "HF-Eingang" 21 bezeichneten
Teil zugeführt.
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Wie
im Ausführungsbeispiel
nach 3 dargestellt, ist eine stabile elektronische
Koppelanordnung vorteilhafterweise vorgesehen, um den Hochleistungs-HF-Verstärker 17 an
seinem Ausgang mit einem rauscharmen HF-Verstärker 18 an seinem Eingang über das
Zirkulatorelement 19 und das Isolatorelement 20 anzukoppeln.
Der Eingang des Verstärkers 17 und
der Ausgang des Verstärkers 18 werden
an den Signalüberführschalter 22 angeschlossen.
Bei Benutzung der Schaltung 13 besteht das Ergebnis darin,
dass Spannungssignale, die vom Batterieenergiespeicher 11 des
Moduls 10 durch den Eingangsanschluss 21 (einem
HF-Anschluss geringer Leistung) empfangen wurden, über den
Schalter 22 geleitet werden, um entweder (1) die jeweiligen
Signale einem nicht dargestellten Sender über den Ausgangsanschluss 22' (einem Hochleistungs-HF-Anschluss)
oder (2) die Ausgangssignale vom Verstärker 18 nach dem Anschluss 21 zu
leiten.
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Im
Folgenden wird auf 4 Bezug genommen. Diese zeigt,
wie die Steuer- und Leistungs-Schnittstellen, die oben beschrieben
wurden, im Modul 10 gemäß der Erfindung
angeordnet sind. 4 zeigt außerdem eine Funktionalität, um den Anteil
der Ladung zu beeinflussen, die der Batterie von der äußeren Stromquelle
zugeführt
wird. Wie dargestellt, beruht die Schaltung gemäß 4 auf der
innovativen Proposition, dass Batterien wirksam anstelle von Kondensatoren
als Hauptenergiespeichermedium des Moduls 10 benutzt werden
können, wobei
die zugeordneten Schaltungskomponenten (nämlich die Kombination von Schaltern
und Verstärkern),
die nach dem Stande der Technik zur Erzeugung und Übertragung
der Leistung bekannt sind, in geeigneter Weise im Modul 10 verbleiben.
Die Signaleinstellung wird in der Schaltung durch die Zuführung vorbestimmter
Steuersignale über
die Steuer-Schnittstelle vorgenommen. Die dargestellte Schaltung
wird als besonders geeignet, beispielsweise für Raumfahrtanwendungen, angesehen.
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Die
Wahl von Batterien in dem erfindungsgemäßen Modul ist nicht auf irgendeine
spezielle Batterietype oder Energiespeicherzellentype eines bestimmten
Herstellers beschränkt.
Jedoch kann das erfindungsgemäße Modul
in geeigneter Weise unter Benutzung einer Lithiumionen-Anordnung
realisiert werden, wie sie von Sony/AFA Technology unter der Bezeichnung
Type 18650 vertrieben wird.
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Eine
Batterieladeanordnung kann auf einfache Weise verwirklicht werden,
und die Schaltung gemäß 4 zeigt
nur eine Möglichkeit,
dies zu erreichen. Wie in dieser Figur dargestellt, ist die Batterie 11 mit
einem Batterieladesteuergerät 11' verbunden, das
den Ladezustand der Batterie 11 überwacht und gesteuert die
Batterie 11 wieder auflädt,
wenn eine Anzeige erkennen lässt,
dass die Batterie 11 aufgeladen werden muss.
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Vorteilhafterweise
besteht die vom Modul 10 im Betrieb erzeugte Leistung aus
einer gepulsten Leistungsemission oder einer kontinuierlichen Leistungsemission.
Durch Veränderung
der Schaltungsparameter kann das erfindungsgemäße Modul mit jeder Pulslänge bis
zu einer kontinuierlichen Emission und einschließlich dieser arbeiten.
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Außerdem ermöglicht die
Benutzung von Batterien in dem erfindungsgemäßen Modul eine Energiezufuhr
nach der Schaltung durch die Batterien in gesteuerter Weise, bevor
oder während
das Modul im Betrieb befindlich ist.
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Es
können
mehrere Module 10 zusammen benutzt werden, um die von jedem Modul
erzeugte Leistung mit der Leistung anderer Module zu kombinieren,
wodurch eine einzige intensive gepulste Leistungsemission, beispielsweise
zur Übertragung
auf eine Antenne, zustandekommt.
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Demgemäß werden
im Betrieb durch das erfindungsgemäße Modul die folgenden Schritte
durchgeführt:
die
Energie wird anfänglich
in der Batterie des Moduls gespeichert,
- (1)
die Energie wird durch die Batterie freigegeben und der zugeordneten
Schaltung während
einer vorbestimmten Zeitdauer zugeführt;
- (2) die Leistung wird von der Schaltung in Abhängigkeit
von der zugeführten
Energie erzeugt, und
- (3) die erzeugte Leistung wird einer entfernt liegenden Stelle
zugeführt,
beispielsweise einer Antenne, so dass die Antenne durch den Betrieb
des Moduls erregt wird.
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Es
ist klar, dass verschiedene Batterietypen oder Energiespeicherzellen
benutzt werden können, und
es kann jede Zahl von Batterien und Zellen benutzt werden, um den
technischen Effekt der Erfindung zu realisieren. Während bei
dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
die Leistung dem Modul als Gleichstromleistung zugeführt wird,
könnte
die Leistung stattdessen auch in Form elektrischer Wechselstromenergie
oder in Form optischer Energie als Licht zugeführt werden, wobei das Licht
anschließend
in elektrische Energie über
photovoltaische Einrichtungen, beispielsweise Solarzellen, umgewandelt
wird.
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Die
Erfindung ist für
verschiedene Anwendungen nützlich,
beispielsweise für
Radaranwendungen und Anwendungen in der Raumfahrt.