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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Wellen von Rohren nach den Oberbegriffen von Anspruch
1 beziehungsweise Anspruch 9 (vgl. z. B.
US-A 6 073 473 ).
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Verwendung von gewellten Rohren ist auf dem Gebiet der Kommunikation
und elektrischen Übertragung
immer verbreiterter geworden. Gewellte Rohre sind wirksame Vorrichtungen
zur Übertragung verschiedener
Informationen und/oder elektrischer Ströme. Verschiedene unterschiedliche
Methoden und Apparate sind für
die Herstellung solcher Rohre entwickelt worden.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Methode und eine Vorrichtung
für Wellrohre
und insbesondere zum Formen von Wellungen in der kontinuierlichen
Produktion von Rohren des Typs, welcher bei Hochfrequenzkabeln,
Wellenleitern und dergleichen verwendet werden.
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Eine
Zahl von Methoden und Typen von Apparaten sind entworfen worden,
um Wellungen in metallischen (einschließlich metallähnlichen)
Rohren zu erzeugen. Eine Wellung wird typischerweise angebracht,
wenn eine bestimmte Notwendigkeit für Flexibilität besteht.
Es gibt zwei allgemeine Klassen von gewellten Rohrleitungen, spiralartige
und ringartige. Bei einer spiralartigen Rohrleitung ist das Rohr
in einer kontinuierlichen Helix entlang seiner Länge gewellt. Bei einer ringartigen
Rohrleitung nimmt die Wellung die Form einzelner Wellenringe an.
Ringartige Leitungen werden typischerweise bei Außenanwendungen
benutzt, wo Wassermigration von Belang ist. Bei spiralartigen Leitungen
kann die kontinuierli che Form der Wellhelix Wasser zulassen, welches durch
ein Loch eintritt und längs
der Helix über
eine Strecke des Rohres wandert. Die unabhängigen Wellungen oder Ringe
eines ringartigen Kabels begrenzen eine derartige Migration.
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Glattheit
und Gleichförmigkeit
einer Wellungsformation ist insbesondere im Falle von Rohrleitungen
für Hochfrequenzstrahlungsübertragung
kritisch, wie beispielsweise als Koaxialkabel und Wellenleiter,
wo eine Dämpfung
und Erfüllung
mechanischer Spezifikationen, wie der militärischen Spezifikation ML-C-28830C,
notwendig ist. Es wurde gefunden, dass Wellungsunvollkommenheiten
und Abstands- beziehungsweise Steigungsvariationen, welche zu klein
sind, um sogleich beobachtet zu werden, hohe unerwünschte Reflexionen
oder stehende Wellen erzeugen.
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Qualitätsmängeln können von
mechanischen Vibrationen herrühren,
welche von verschiedenen Quellen innerhalb der Anlage auftreten
können. Lager,
Laufrollen, Getriebe, Riemen und Scheiben können alle Quellen solcher Vibrationen
sein. Die Vibrationen, oft gering in ihrem Ausmaß, sind typischerweise periodisch
und können
kleine Inkonsistenzen in der Formation der Wellungen verursachen,
welche wiederum Variationen in der elektrischen Resonanz des Kabels
oder der Rohrleitung über
dem Frequenzspektrum von Interesse erzeugen, und insbesondere Variationen
in dem Spannungsverhältnis
der stehenden Welle (Stehwellenverhältnis) (VSWR) der Leitung erzeugen.
Es ist wünschenswert,
dass das VSWR so niedrig wie möglich
ist, wobei 1,00 anzeigt, dass keine Reflektionsverluste vorliegen,
wobei für typische
Werte von 1,05–1,15
erwünscht
sind. Die Rotation des typischen Wellkopfes eines Wellapparates
mit mehreren Getrieben ist eine Hauptquelle für derartige Vibrationen und
ist ein signifikantes Gebiet von Belang bei dem Produzieren von
Kabeln und Wellenleitern von niedrigem und einheitlichem VSWR.
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Die
US-A-3 780 556 ist
für bekannte
Systeme zum Herstellen ringartig gewellter Rohre illustrativ. Ein
Wellkopf hat ein oder mehrere getriebeähnliche Wellräder, von
welchen jedes sowohl für
eine freie Rotation um eine Achse quer zur Hauptlängsachse
des Rohres, welches gewellt werden soll, und für eine Kreisrotation um die
Längsachse
des Rohres gelagert ist. Das Rohr wird entlang der Längsachse durch
den Wellkopf gezogen, während
die Wellräder um
das Rohr im Kreis geführt
werden. Die Getrieberadzähne
prägen
ringartige Wellungen in dem Rohr, wobei die einzelnen Getriebezähne der
Räder sich mit
dem Abschnitt der Wellung ausrichten, welche durch die anderen Getrieberäder als
Ergebnis der Freilaufeigenschaft der Getriebe erzeugt wird. Die allgemeine
Gestalt der Getriebe sowie ihre Kreisrotationsrate und die Längsbewegungsgeschwindigkeit des
Rohres durch den Kopf werden dem Stand der Technik entsprechend
bestimmt und angewendet.
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Obgleich
Wellmaschinen, welche die vorgenannte Technologie umfassen, grundsätzlich in
der Lage sind ringförmig
gewellte Rohrleitungen in wirksamer Weise herzustellen, war es aufgrund
der hohen Toleranzen, welche insbesondere in Verbindung mit der
Herstellung von Hochfrequenz-RF-Kabeln bisher schwierig, lange Läufe derartiger
Leitungen ohne Fehler und/oder Inkonsistenzen herzustellen, welche
ihre Ausführung
beeinflussen.
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Es
ist dementsprechend ein Zweck der vorliegenden Erfindung, eine Methode
und eine Vorrichtung zum Rohrwellen vorzusehen, und insbesondere für einen
Wellkopf vom Mehrfachgetriebetyp, welcher eine verbesserte Ausführung und
der Ergebnisse vorweist.
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Ein
noch weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine Rohrwellmethode
und eine Rohrwellvorrichtung vorzusehen, welche es erlaubt, erhöhte Längen von
kreisringgewellten Rohren mit größerer Präzision und
Gleichförmigkeit
herzustellen, als sie bisher erzeugt worden sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung
mit den vorgenannten und anderen Zwecken und Vorteilen enthalten
das Verfahren der vorliegenden Erfindung und eine Rohrwellvorrichtung,
welche nach der vorliegenden Erfindung gebaut ist, ein Mehrfachgetriebewellkopf,
bei welchem wenigstens zwei der Getriebe die gleiche Steigung beziehungsweise
den gleichen Abstand und eine unterschiedliche Primzahl von Getriebezähnen umfassen.
Die Zahl der Zähne
an jedem Getriebe ist so ausgewählt,
dass die konstruktive Verstärkung
der nachteiligen Vibrationen, welche von der Getrieberotation herrühren, derart
minimiert werden, dass die Effekte derartiger Vibrationen, welche
auf das Rohr übertragen
werden, welches durch den Wellkopf läuft und welche sich als Rohrinkonsistenzen
manifestieren, minimiert sind. Insbesondere führt die Verwendung von Getrieben,
welche jeweils eine unterschiedliche Primzahl aufweisen, zu einer
Minimierung der zusätzlichen
Vibrationseffekte. Der Getriebekopf kann vorzugsweise in Verbindung
mit einem Hohlrohrmotor verwendet werden, um derartige Vibrationseffekte
zu begrenzen und zu minimieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ein
vollständigeres
Verstehen der vorliegenden Erfindung wird nach Betrachtung der folgenden Detailbeschreibung
einer bevorzugten, aber dennoch erläuternden Ausführungsform
der Erfindung erfüllt werden,
wenn sie in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen betrachtet
wird, wobei:
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1 eine
schematische Zeichnung eines Radiofrequenzkabels ist, welches ringartige
Wellungen des Typs trägt,
welche durch das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung gebildet
sind;
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2 eine
Ansicht eines Wellgetriebes ist, welches in der vorliegenden Erfindung
benutzt wird;
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3 eine
Endansicht eines Wellkopfes des Typs, welcher in der vorliegenden
Erfindung benutzt wird, ist;
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4 eine
Endansicht eines Wellkopfes nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist, welcher vier Getriebe benutzt;
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5 eine
Endansicht eines Wellkopfes nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist, welcher fünf
Getriebe benutzt;
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6 eine
perspektivische Ansicht eines Hohlwellenmotors ist, welcher in der
vorliegenden Erfindung aufgenommen sein kann;
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7a–c eine
Reihe von Grafiken sind, welche die simulierte VSWR-Resonanz herkömmlicher ringartig
gewellter Leitungen darstellt; und
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8a–c eine
Reihe von Grafiken sind, welche die simulierte Resonanz entsprechender
gewellter Leitungen darstellen, welche nach dem Verfahren entsprechend
der vorliegenden Erfindung gebildet sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Unter
anfänglicher
Bezugnahme auf 1 hat ein RF-Kabel oder eine ähnliche
rohrförmige
Konstruktion ringartige Wellungen auf seiner äußeren Wand fläche 10 mit
einer konstanten Steigung 12, welche der Abstand zwischen
den korrespondierenden Stellen auf benachbarten Ringen ist. Jeder
der Ringe hat einen größeren Außendurchmesser 14 und
einen kleineren Außendurchmesser 16.
Insbesondere wenn die Rohrleitungswand auf Getriebekopftyp-Wellsystemen
gebildet ist, schließt
diese, wo sie die Stelle des kleineren Außendurchmessers umgibt, einen
kleinen gebogenen Abschnitt ein, wobei der Abstand zwischen den
einander gegenüberliegenden
Wandteilen den Grunddurchmesser 18 definiert. Im Allgemeinen
sind die Steigung, die größeren und
kleineren Außendurchmesser
und die Grunddurchmesser in Übereinstimmung
mit den geforderten mechanischen und elektrischen Spezifikationen und
den allgemeinen Fähigkeiten
der Herstellungsanlage, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, ausgewählt. Eine
typische Leitung schließt
ferner einen Mittelleiter 20 ein, welcher von einem Schaumkern 22 umgeben
sein kann.
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Die
vorliegende Erfindung benutzt eine einzigartige Anordnung von Getriebezähnen an
den Getrieben einer Getriebetyp-Wellvorrichtung von bekannter allgemeiner
Konstruktion, um ringartige Wellungen in der aus dem Stand der Technik
allgemein bekannten Weise zu bilden, jedoch mit einem signifikant
niedrigeren Grad an Unregelmäßigkeiten
und Inkonsistenzen, welche einen schädlichen Einfluss auf die Rohrleitungsausführung und
insbesondere auf die Ausführung
von gewellten Hochfrequenz-Radiofrequenz-Leitungen haben kann. Wie
in 2 dargestellt ist ein Wellgetriebe 24,
welches in der vorliegenden Erfindung benutzt wird, von im allgemeinen übliche Konfiguration,
wobei eine Mehrzahl von Getriebezähnen 26 um die Peripherie
des Getriebes angeordnet ist. Das Getriebe ist mit einem zentralen Lager 28 für den Einbau
in den Wellkopf in üblicher Weise
ausgestattet. Die allgemeine Geometrie, wie die Höhe und Gestalt
der Zähne,
welche den größeren und
kleineren Durchmesser für
die Leitungsringe bestimmen, ist ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt,
während
die Steigung beziehungsweise der Abstand der Zähne auf der Peripherie des
Getriebes der Steigung beziehungsweise dem Abstand der Ringe entspricht,
welche an der Leitung gebildet werden sollen.
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Die
Zähne 26 jedes
Getriebes, welches in einem Getriebekopf aufgenommen ist, welcher
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, sind so ausgewählt, dass
es eine unterschiedliche Zahl von Zähnen aufweist, als die charakteristischen
Vibrationen, welche mit dem rotierenden Getriebe verbunden sind,
eine Funktion der Anzahl an Getriebezähnen ist. Mit unterschiedlichen Zahlen
von Zähnen
sind die Vibrationsfrequenzen, welche jedem rotierenden Getriebe
zugeordnet sind, verschieden, wobei die Spitzen und Tiefen der Oszillation
zu unterschiedlichen Zeiten auftreten. So führt der additive und kumulative
Effekt derartiger Vibrationen zu einem relativ niedrigen Vibrationspegel über einen
weiten Bereich von Frequenzen, statt zu höheren Vibrationspegeln bei
geringeren Frequenzen, resultierend von kumulativer Addition und
simultanem Auftreten von Spitzen und Tälern. Es sind hohe Vibrationspegel,
welche sich in Unregelmäßigkeiten
in der geformten Rohrleitung manifestieren, welche die Ausführung beeinträchtigen.
Insbesondere und um die Konstruktionsbeiträge von Vibrationen zu minimieren,
ist jedes der Getriebe vorzugsweise so ausgewählt, dass es eine Anzahl von
Zähnen 26 hat, welche
einer einzigen Primzahl entspricht.
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Es
wurde gefunden, dass je größer die
Zahl der Getriebe mit jeweils einer unterschiedlichen Primzahl von
Zähnen
ist, welche in einem Getriebekopf aufgenommen ist, die Qualität der resultierenden
Leitung umso höher
ist, und insbesondere desto niedriger das Gesamt-VSWR der Leitung
ist. Praktische physikalische Beschränkungen bestimmen jedoch die
Zahl der Getriebe, welche benutzt werden können. Im Allgemeinen steht
die Zahl der Getriebe, welche wirksam benutzt werden können, in
direkter Beziehung zum Durchmesser der/des mit Wellen zu versehenen
Rohrleitung oder Kabel. Je größer der Durchmesser
der Rohrleitung ist, umso größer ist
die Zahl der Getriebe, welche dort herum orientiert werden kann.
Wie in 3 gezeigt schließt ein Wellkopf 30,
welcher für
die Benutzung in Verbindung mit einer Rohrleitung eines Durchmessers
von etwa 6,35 bis 12,7 mm (1/4 bis 1/2 inch) drei Wellgetriebe 24 ein, welche
an einem dreieckigen Lagersupport 32 montiert sind. Jedes
der Getriebe ist mit einer unterschiedlichen Primzahl an Getriebezähnen versehen, wie
zum Beispiel 11, 13 und 17 Zähne.
Der Fachmann erkennt, dass, um eine konstante Steigung der drei
Getriebe aufrechtzuerhalten, die Getriebedurchmesser unterschiedlich
sein müssen.
Entsprechend ist der dreieckige Support 26 konstruiert,
um eine solche Differenz aufzunehmen. Die allgemeine Konstruktion
des Kopfes ist aus dem Stand der Technik bekannt, wobei die Rotationsachse
jedes der Getriebe 24 quer zu der Hauptachse oder längs der
Leitung 38 ist, welche in der Figur senkrecht zu der Ebene des
Blattes steht. Während
die Leitung durch den Wellkopf 30 gezogen wird, rotiert
der Kopf, wie durch Pfeil dargestellt, wobei die Getriebe 24 sich
um die Leitung als freies Rad um ihre individuellen Achsen bewegen.
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Da
der Lagersupport des Wellkopfes als Ergebnis der Einbeziehung von
unterschiedlich gestalteten Getrieberädern asymmetrisch sein kann,
ist es wichtig, dass der Kopf sorgfältig konstruiert und ausbalanciert
ist, unter Benutzung von Bohrlöchern,
Gegengewichten und dergleichen, wie es im Stand der Technik bekannt
ist, um sicherzustellen, dass Vibrationen minimiert werden. Die
Benutzung geeigneter Sensoren, wie im Stande der Technik bekannt,
um Vibrationen zu beobachten, während
die Wellvorrichtung in Betrieb ist, wird ebenfalls angeregt, so
dass der Betrieb angehalten oder angepasst werden kann, wenn Vibrationen
zu übermäßig werden.
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4 stellt
einen Wellkopf 30 dar, in welchem vier Getriebe 24,
orthogonal zueinander, vorgesehen sind. Eine solche Konstruktion
kann in Verbindung mit Kabeln oder Rohrleitungen eines Durchmessers
im Bereich von 12,7 bis 22 mm (0.50 bis 0.866 inch) benutzt werden,
wobei in einem solchen Fall die Getriebe 11, 13, 17 und 19 Zähne haben
können.
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In
einer ähnlichen
Weise offenbart 5 einen Wellkopf 30 mit
fünf Getrieben 24,
jeder mit einer anderen Primzahl an Zähnen. Die Getriebe sind an einem
pentagonalen Support 32 montiert, welcher geeignet konstruiert
und dimensioniert ist, um Getriebe unterschiedlichen Durchmessers
aufzunehmen. In einem solchen Fall können die Getriebe 11, 13, 17, 21
und 23 Zähne
haben.
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Die
Benutzung eines Wellkopfes mit Getrieben, von welchen jedes eine
andere Primzahl an Getriebezähnen
aufweist, verringert signifikant die konstruktive Interferenz der
Vibrationsmuster, welche durch die Getriebe und zugeordnete Befestigungen erzeugt
werden, was in der Formung gewellter Rohrleitungen und Kabelleitungen
signifikant verbesserter und konsistenter Eigenschaften führt. Um
weiterhin sowohl die Komplexität
des Wellkopfes als auch die Begleitvibration zu verringern, kann
ein Wellkopf in Übereinstimmung
mit der Erfindung, welcher eine Mehrzahl von Primzahl-Zähnen-Getrieben
benutzt, einen Hohlwellenmotor einsetzen, welcher in 6 dargestellt
ist. Wie dort gezeigt ist der Hohlwellenmotor 34 ein elektrischer
Motor von im Allgemeinen üblicher
Konstruktion aber mit einer Hohlarmaturenwelle 36. Die Öffnung,
welche sich durch die Welle erstreckt, hat einen Durchmesser, welcher
ausreicht, um einen Wellkopf darin zu montieren und abzustützen. Die
Kabel- oder Rohrleitung 38 wird durch die Welle und den
Wellkopf darin in Übereinstimmung mit
bekannten Techniken geführt.
Eine solche Konstruktion kann die Vibration und andere Inkonsistenzen
weiter verringern, welche von dem Getriebekopf auf die Kabel- oder
Rohrleitung übertragen
werden, und weiter die Qualität
des erzeugten Produktes anheben.
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Die 7a–c und 8a–c legen
berechnete VSWR-Verhältnisse
für einen
Frequenzbereich von etwa 1000 bis 2000 MHz für verschiedene Durchmesser
von Koaxialkabeln dar, welche durch Wellköpfe mit Getrieben erzeugt wurden,
welche eine konstante Zahl an Getriebezähnen (7a–c) und unterschiedliche
Primzahlen an Getriebezähnen
in Übereinstimmung
mit der Erfindung (8a–c) haben. In jedem Fall sind
die Grafiken für
Köpfe mit
der gleichen Anzahl von Zähnen
benachbart zueinander angeordnet. 7a, 8a beispielsweise
stellen beide Daten für
drei Getriebeköpfe
dar. Die Simulationen wurden durch Zuordnen eines Zufallsimpedanzwertes
zu jedem Getriebezahn jedes Getriebes im Bereich von +/–2,00 Ohm
um den nominellen Impedanzwert der Kabelleitung, typischerweise
50 Ohm, ausgeführt.
Die Impedanzvariation, welche der Kabelleitung an jedem Punkt aufgeprägt wurde,
ist diejenige des Getriebezahnes in Berührung mit der Kabelleitung
an diesem Punkt, welchem die höchste Impedanz
zugeordnet wird. Eine Schnelle Furie-Transformation (FFT) wird an
die resultierende simulierte Kabellänge angelegt und die korrespondierenden
VSWR-Werte werden erzeugt. Die Werte sind repräsentativ für die Effekte der Getriebezähne, welche
die Wellungen bilden, und veranschaulichen periodische Fehler kontinuierlich
wiederholt längs
einer Kabellänge
und berücksichtigen
nicht irgendwelche anderen Kabeldefekte oder Unregelmäßigkeiten.
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Im
Allgemeinen gleicht eine Kabelqualität die Konsistenz von VSWR über das
Frequenzspektrum von Interesse aus. Umso größer die Variation oder Ausbreitung
von VSWR-Spitzen sind, wie in den Simulationen dargestellt, desto
geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine einzelne Spitze in
Wirklichkeit von genügender
Größe ist,
um von Belang zu sein. Man sieht, dass die signifikante einzelne
VSWR-Spitze, welche in einer Kabelleitung existiert, welche mit
einem Wellkopf erzeugt wurde, welche Getriebe mit der gleichen Anzahl
an Zähnen
hat, in jedem Fall durch eine Mehrzahl von Spitzen ersetzt wird,
typischerweise eines signifikant abgeschwächten VSWR. Als Ergebnis von
Einschränkungen
der Simulation kann tatsächlich
in der Praxis die tatsächliche
Größe der einzelnen
Spitze in einem Bereich von 2 bis 3 mal der gezeigten Größe sein,
während die
Größen der
Mehrfachspitzenspektra nicht so erhöht sind. Während eine konventionell erzeugte
Kabelleitung bei Frequenzen nützlich
sind, außer
solchen, die am dichtesten an der Frequenz der VSWR-Spitze liegen,
erlaubt die vorliegende Erfindung eine "universelle" Kabelleitung herzustellen, welche in
der Lage ist, in einem weiten Frequenzbereich betrieben zu werden,
bei niedrigem VSWR bei allen Frequenzen.
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Es
ist ferner gefunden worden, dass die Vorteile eines Getriebekopfes
mit unterschiedlichen Primzahlen an Zähnen auch durch einen Getriebekopf
erreicht werden können,
welcher sowohl unterschiedliche Primzahlen-Zahn-Getriebe und Getriebe mit
Nicht-Primzahlen der gleichen Anzahl von Zähnen aufweisen, weil die Verbreitung
der VSWR-Spitzen bei derartigen Kombinationen immer noch erreicht
werden können.
Für Getriebeköpfe mit
drei Getrieben wurde gefunden, dass wenigstens zwei Getriebe eine
unterschiedliche Primzahl an Zähnen
haben sollte. Für
Getriebeköpfe
mit vier oder fünf
Getrieben sollten wenigstens drei der Getriebe unterschiedliche
Primzahlen an Zähnen
aufweisen.