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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Sachgebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Filterbaugruppen. Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verzögerungsfilter
gemäß der Präambel in
Anspruch 1 und auf ein Verfahren gemäß der Präambel in Anspruch 8.
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2. Hintergrund
der Erfindung
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Beim
Erzeugen von Signalen in Kommunikationssystemen werden zum Unterdrücken unerwünschter
Signale Kammfilter eingesetzt. Gängige Kammfilterstrukturen
bestehen aus einer Serie metallischer Resonatoren, die in einem
Metallgehäuse verteilt
angeordnet sind. Wegen des Volumens, das für jedes einzelne Verzögerungsfilter
benötigt
wird, läßt sich
die Größe des Metallgehäuses nicht
weiter verringern als es die gegenwärtigen technologischen Mittel
zulassen, wobei die Grenze je nach Betriebsfrequenz und maximaler
Einfügungsdämpfung bei
typisch 3–10
Kubikzoll pro Resonator liegt. Überdies verursacht
das Metallgehäuse
einen beträchtlichen prozentualen
Anteil der Kosten für
die gesamte Filterbaugruppe. Infolgedessen sind die derzeitigen
metallischen Filter zu groß und
zu kostspielig.
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Systeme
zur Individualkommunikation erfordern zudem für Anwendungen in Basisstationen
sehr linearisierte Mikrowellen-Leistungsverstärker. In
der Leistungsverstärker-Entwicklung
werden zur Reduzierung der Intermodulationsverzerrungen (InterModulation
Distortion, IMD) gemeinhin Mitkopplungstechniken (Feed-Forward-Techniken)
angewandt. Eine Komponente, die allen Feed-Forward-Leistungsverstärkern gemein
ist, ist die Verzögerung
in der ersten Leistungsverstärkungs-Mitkopplungsschleife
zur Unterdrückung
der Fehlersignale des Leistungsverstärkers. Die elektrische Verzögerung wird
typisch mit einer Koaxial-Übertragungsleitung oder
einem Metallresonator-Filter erzielt. Eine filterbasierte Verzögerungsleitung
kann man sich als ein speziell dimensioniertes Bandpaßfilter
hoher Durchlaßbandbreite
mit optimierter Gruppenlaufzeit vorstellen.
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Der
Stand der Technik ist ferner bekannt aus
US 4,675,630 ,
EP 1 122 807 und dem Konferenzbeitrag
zum International Microwave Symposium MTT-S 2001, Phoenix, Arizona,
vom 20. bis zum 25. Mai 2001, "A
Practical Triple-Mode Monoblock Bandpass Filter for Base Station
Applications", von
Chi Wang et al., Seiten 1783 bis 1786.
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Die
zugehörige
Technik ist allerdings mit Problemen und Nachteilen behaftet. Als
ein Beispiel, das jedoch nicht einschränkend zu verstehen ist, sei
das erforderliche Volumen genannt, das für die Verzögerungsleitung bzw. das Filter
für die
Kommunikationssysteme der neuen Generation benötigt wird, welches bedingt,
daß sich
die Größe des Koaxialleitungs-
und Metallgehäusefilters
nicht weiter reduzieren läßt, da dieser
Parameter durch die maximale Einfügungsdämpfung begrenzt ist.
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ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung löst
die genannten Probleme durch ein Verzögerungsfilter gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren gemäß Anspruch
8.
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Die
Erfindung besteht aus einem Verfahren und einer Vorrichtung, welche über einen
weiten Frequenzbereich einen sehr flachen Verlauf der Gruppenlaufzeit
bewirken. In der Erfindung werden Triple-Mode-Monoblock-Verzögerungsfilter beschrieben,
die kleiner und weniger kostspielig sind als vergleichbare metallische
Kammfilterresonatoren einschließlich
eines Mikrowellenfilters mit flachem Verlauf der Gruppenlaufzeit.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die 1a und 1b zeigen
zwei Ansichten der Triple-Mode-Monoblock-Grundform.
In 1b ist ein in den Monoblock eingesetzter Koppler
dargestellt.
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2 zeigt
eine Vollflächen-
und eine Gittermodellansicht zweier Monoblocks, die zu einem sechspoligen
Filter zusammengeschaltet sind.
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Die 3a und 3b zeigen
Vollflächen- und
Gittermodellansichten des Monoblocks mit einem dritten Eckausschnitt.
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4 veranschaulicht
einen Schlitzausschnitt in einer Fläche des Resonators.
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5 zeigt
ein Diagramm mit Resonanzfrequenzen der Moden 1, 2 und 3 gegenüber der
Ausschnittlänge
für einen
in X-Richtung verlaufenden Schlitz
in der X-Z-Ebene.
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6 zeigt
ein Diagramm mit Resonanzfrequenzen der Moden 1, 2 und 3 gegenüber der
Ausschnittlänge
für einen
in X-Richtung verlaufenden Schlitz
in der X-Y-Ebene.
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7 zeigt
ein Diagramm mit Resonanzfrequenzen der Moden 1, 2 und 3 gegenüber der
Ausschnittlänge
für einen
in Y-Richtung verlaufenden Schlitz
in der X-Y-Ebene.
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8a veranschaulicht
ein Verfahren zum Abstimmen des Monoblocks durch Entfernen kleiner kreisförmiger Bereiche
der leitenden Oberfläche
aus einer bestimmten Fläche
des Resonators.
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8b veranschaulicht
das Abstimmen von Resonanzfrequenzen der drei Moden in dem Block
durch Vertiefungen oder Kreisen in drei orthogonalen Seiten.
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9 enthält ein Diagramm,
das die Frequenzänderung
für die
Mode 1 zeigt, wenn aufeinanderfolgende Kreise aus der X-Y-Fläche des
Monoblocks ausgeschnitten werden.
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Die 10a und 10b veranschaulichen
das Abstimmen von Resonanzfrequenzen der drei Moden in dem Block
durch Verwendung metallischer oder dielektrischer Abstimmelemente,
die an den drei orthogonalen Seiten angebracht sind (10a), oder durch Verwendung metallischer oder
dielektrischer Abstimmelemente, die in den Monoblock ragen (10b).
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Die 11 a, b, c und d veranschaulichen ein
Verfahren zur Eingangs-/Ausgangskopplung für das Triple-Mode-Monoblock-Filter.
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Die 12a und 12b veranschaulichen
eine Baugruppenkonfiguration, in welcher das Tiefpaßfilter
auf derselben Leiterplatte hergestellt ist, die das Monoblock-Filter und das Maskenfilter
trägt.
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13 veranschaulicht
eine Baugruppe, in welcher das Monoblock-Filter und das Kammfilter
auf derselben Leiterplatte montiert sind wie ein Vierelement-Antennenarray.
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Die 14 a, b und c veranschaulichen ein in
einer Box untergebrachtes Monoblock-Filter (14a),
bei dem interne Merkmale hervorgehoben dargestellt sind (14b). 14c zeigt
eine ähnliche
Baugruppe für
einen Duplexer.
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15 veranschaulicht
das Tiefpaßfilter (Low-Pass
Filter, LPF), das Vorauswahl- oder Maskenfilter, und die Filtercharakteristik
des Triple-Mode-Monoblock-Filters.
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Die 16a und b sind Fotos des Maskenfilters.
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Die 17(a) und (b) veranschaulichen eine bevorzugte
Ausführungsform
mit einem Triple-Mode-Monoblock-Filter.
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Die 18(a) und (b) veranschaulichen Vollflächenansichten
des Triple-Mode-Monoblock-Filters gemäß der vorliegenden Erfindung.
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19 veranschaulicht
eine Funktion einer Aperturfläche
im Verzögerungsfilter
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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20 veranschaulicht
simulierte Frequenzgänge
des Triple-Mode-Monoblock-Verzögerungsfilters
gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist wünschenswert,
die Abmessungen und Kosten der Filterbaugruppen über das Maß hinaus zu reduzieren, das
gegenwärtig
mit den derzeit zum Unterdrücken
unerwünschter
Signale verwendeten metallischen Kammfilterstrukturen möglich ist. Bei
der vorliegenden Erfindung werden Triple-Mode- Resonatoren in eine Baugruppe einbezogen,
die ein Maskenfilter und ein Tiefpaßfilter beinhalten, so daß mit der
gesamten Baugruppe über
den erweiterten Frequenzbereich die Dämpfung des unerwünschten
Signals erzielt wird. Die Baugruppe ist auf eine Weise integriert,
bei der das benötigte
Volumen minimiert wird und eine einfache Montage auf einer Leiterplatte
möglich
ist.
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Triple-Mode-Monoblock-Hohlraumresonatoren
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Filter,
die mit Triple-Mode-Monoblock-Hohlraumresonatoren aufgebaut sind,
bieten die Möglichkeit,
das Gesamtvolumen der Filterbaugruppe zu verkleinern, die Kosten
zu senken und zugleich ein akzeptables elektrisches Verhalten zu
erzielen. Die Verringerung der Abmessungen resultiert aus zwei Umständen. Erstens
sind bei einem Triple-Mode-Monoblock-Resonator drei Resonatoren in einem
Block zusammengefaßt.
(Hierbei erzeugt jeder Resonator einen Pol in der Filtercharakteristik.)
Dies bewirkt im Vergleich zu derzeit verwendeten Filtern mit nur
einem Resonator pro Block eine Größenverringerung um den Faktor
3. Zweitens handelt es sich bei den Resonatoren nicht um luftgefüllte Koaxialresonatoren wie
bei den Standard-Kammfiltern, sondern um Blocks, die mit einem Medium
niedriger Dielektrizitätszahl
gefüllt
sind. In einer bevorzugten Ausführungsform
bilden sie einen Block aus keramischem Vollmaterial, der mit einem
leitenden Metall – typischerweise
Silber – beschichtet
ist. Durch Verwendung des Materials mit hoher Dielektrizitätskonstante kann
der Resonator bei gleicher Betriebsfrequenz etwa proportional zur
Wurzel der Dielektrizitätskonstanten
verkleinert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform hat der verwendete
Keramikwerkstoff eine Dielektrizitätskonstante zwischen 35 und
36 und eine Güte
Q von 2000. In einer weiteren Ausführungsform beträgt die Dielektrizitätskonstante
44 bei einer Güte
Q von 1500. Obwohl die Güte
Q geringer ist, ist der Resonator wegen der höheren Dielektrizitätskonstanten
kleiner. In noch einer weiteren Ausführungsform beträgt die Dielektrizitätskonstante
21 bei einer Güte
Q von 3000.
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Weil
außerdem
die Monoblock-Hohlraumresonatoren abgeschlossene Resonatoren sind,
wird kein Metallgehäuse
benötigt.
Die Kostenersparnis durch den Wegfall des Metallgehäuses ist
größer als die
zusätzlichen
Kosten einer Verwendung dielektrikumgefüllter Resonatoren anstelle
von luftgefüllten Resonatoren.
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Das
Monoblock-Konzept ist nicht neu. Beim hier beschriebenen Resonator
handelt es sich jedoch um den ersten Triple-Mode-Monoblock-Hohlraumresonator. Überdies
ist die Möglichkeit,
den beschichteten Monoblock-Hohlraumresonator, der mit einem verlustarmen
Werkstoff mit hoher Dielektrizitätskonstante
gefüllt
ist, in einem Filter und einer Baugruppe unterzubringen, die in
der Praxis anwendbar sind, neuartig und nicht offensichtlich.
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Das
Grundkonzept für
einen Triple-Mode-Monoblock-Hohlraumresonator 10 ist
in 1 dargestellt, die zwei Ansichten
1(a) und 1(b) der grundsätzlichen
Triple-Mode-Monoblock-Formen enthält. Es handelt
sich um einen ungefähr
kubischen Block. Die drei angeregten Moden sind die Moden TE110,
TE101 und TE011. Näheres
hierzu findet sich in J.C. Sethares und S.J. Naumann, "Design of Microwave
Dielectric Resonators",
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Seiten 2–7, Januar
1966. Die drei Moden stehen orthogonal zueinander. Der Aufbau ist
eine Verbesserung gegenüber dem
Triple-Mode-Konzept für
einen Rechteckhohlleiter, wie er von G. Lastoria, G. Gerini, M.
Guglielmi und F. Emma in "CAD
of Triple-Mode Cavities in Rectangular Waveguides", IEEE Transactions
on Microwave Theory and Techniques, Seiten 339–341, Oktober 1998, beschrieben
wird.
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Die
drei Resonanzmoden in einem Triple-Mode-Monoblock-Resonator werden
typisch als TE011, TE101 und TE 110 (oder gelegentlich auch als
TE11, TE1 1 und TE 1 1) bezeichnet, wobei TE für eine transversal-elektrische
Mode steht und die drei aufeinanderfolgenden Indizes (die häufig auch
als tiefgestelle Zeichen geschrieben werden) die Anzahl der Halbwellenlängen in
x-, y- und z-Richtung angeben. Beispielsweise bedeutet die Angabe
TE101, daß bei
der Resonanzmode ein elektrisches Feld vorliegt, das sich in seiner
Phase um 180 Grad (also eine halbe Wellenlänge) in x- und y- Richtung ändert, während in y-Richtung keine Änderung
erfolgt. In dieser Beschreibung sollen die TE110-Mode als Mode 1, die
TE101-Mode als Mode 2 und die TE011-Mode als Mode 3 bezeichnet werden.
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Eckausschnitte
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Die
Eingangs- und Ausgangsleistung werden über einen Koppler 20 in
den Monoblock 10 ein- und aus diesem ausgekoppelt, der
wie in 1(b) in ein Eingangs-/Ausgangstor 21 in
den Monoblock 10 eingebracht wird. Der Koppler kann Teil
einer externen Koaxialleitung oder an eine andere externe Schaltung
angeschlossen sein. Die Kopplung zwischen einzelnen Moden wird durch
Eckausschnitte 30, 33 bewerkstelligt. Einer davon
ist entlang der Y-Achse 30 und der andere entlang der Z-Achse 33 ausgerichtet.
Die beiden Eckausschnitte dienen zum Koppeln der Moden 1 und 2 sowie
der Moden 2 und 3. Zusätzlich
zu den in 1 dargestellten Eckausschnitten
kann ein dritter Eckausschnitt entlang der X-Achse zur Kreuzkopplung der Moden 1
und 3 verwendet werden.
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2 zeigt
eine Vollflächen-
und eine Gittermodellansicht, in welcher zwei der Triple-Block-Monoblocks 10 und 12 miteinander
verbunden sind und ein sechspoliges Filter 15 bilden (wobei jeder
Triple-Block-Monoblockresonator
drei Pole hat). Eine Verbindungsapertur oder ein Wellenleiter 40 verbindet
Fenster in jedem der Blocks miteinander. Die Apertur kann Luft oder
ein dielektrischer Werkstoff sein. Die Eingangs-/Ausgangstore 21 und 23 dieses
Filters sind als Koaxialleitungen dargestellt, die mit den Kopplern 20 und 22 (siehe 1) in jedem Block 10 und 12 verbunden
sind.
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Die
Eckausschnitte 30 und 33 dienen dazu, eine in
einer Richtung ausgerichtete Mode mit einer zweiten zu koppeln,
die zur ersten orthogonal ausgerichtet ist. Jede Kopplung entspricht
einem Pol in der Filtercharakteristik. Daher entspricht der oben
beschriebene Triple-Mode-Monoblock drei Polen oder drei elektrischen
Resonatoren.
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3 zeigt einen (in diesem Beispiel unten angeordneten)
dritten Eckausschnitt 36, der eine Kreuzkopplung zwischen
den Moden 1 und 3 im Monoblock bewirkt. In Teil 3(a) ist eine Vollflächenansicht
dargestellt, während
Teil 3(b) eine Gittermodellansicht zeigt. Durch geeignete Wahl der
jeweiligen Blockkante für
diesen Eckausschnitt läßt sich
entweder eine positive oder eine negative Kreuzkopplung erzielen.
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Abstimmung
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Abstimmung:
Wie die meisten anderen Präzisions-Hochfrequenzfilter
wird auch das hier beschriebene Filter abgestimmt, um die Filtercharakteristik
zu optimieren.
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Mechanische
Toleranzen und Schwankungen der Dielektrizitätskonstanten machen die Abstimmung
erforderlich. Die Fähigkeit
zum Abstimmen oder Einstellen der Resonanzfrequenzen des Triple-Mode-Monoblock-Resonators 10 verbessert
die Herstellbarkeit einer Filterbaugruppe, in der Triple-Mode-Monoblocks
als Resonanzelemente verwendet werden. Idealerweise sollte man in
der Lage sein, jede der drei Resonanzmoden im Monoblock unabhängig voneinander
abzustimmen. Darüber
hinaus sollte man die Resonanzfrequenz einer Mode durch Abstimmen
erhöhen
oder verringern können.
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Es
werden vier Abstimmverfahren beschrieben. Das erste Abstimmverfahren
besteht im mechanischen Schleifen bestimmter Bereiche auf drei orthogonalen
Flächen
des Monoblocks 10, um die Resonanzfrequenzen der drei Moden in jedem
Block zu verändern.
Durch Schleifen der Bereiche wird dielektrisches Keramikmaterial
entfernt, wodurch sich die Resonanzfrequenzen der Resonanzmoden ändern.
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Dieses
Verfahren ist mechanisch einfach zu handhaben, wird aber durch die
Tatsache erschwert, daß das
Schleifen auf einer Fläche
des Monoblocks 10 die Resonanzfrequenzen aller drei Moden
beeinflußt.
Für die
Produktionsumgebung ist eine computergestützte Analyse erforderlich,
bei welcher der Einfluß des
Abschleifens einer bestimmten Materialmenge von einer bestimmten
Fläche
bekannt ist und gesteuert wird.
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Ein
weiteres Verfahren zur Frequenzabstimmung besteht im Ausschneiden
eines Schlitzes 50, 52 innerhalb einer Fläche 60 des
Resonators 10 (siehe 4). Durch
einfaches Ausschneiden der richtigen Schlitze 50, 52 aus
der leitenden Oberfläche läßt sich
jede einzelne Mode auf eine niedrigere Frequenz abstimmen. Je länger der
Schlitz 50, 52 ist, desto stärker wird die Frequenz verringert.
Der Vorteil der Verwendung dieser leitenden Oberfläche aus
einer bestimmten Fläche
(oder Ebene) des Monoblocks 10 (siehe 8a und
b)... [Sentence in the original text is incomplete!]. 9 zeigt
die Frequenzänderung
bei Mode 1, wenn nacheinander Kreise 70 (Durchmesser =
0,040 Zoll) nahe der Flächenmitte aus
der X-Y-Fläche
(oder -Ebene) 60 des Monoblocks 10 ausgeschnitten
werden. Auf ähnliche
Weise kann man Mode 2 auf eine höhere
Frequenz abstimmen, indem man kleine Kreise 70 von Metall
aus der X-Z-Fläche
(oder -Ebene) 60 entfernt, und man kann Mode 3 auf eine
höhere
Frequenz abstimmen, indem man dasselbe Verfahren auf die Y-Z-Fläche (oder
-Ebene) 60 anwendet. Zu beachten ist, daß die Moden
2 und 3 relativ unverändert
sind, während
sich die Frequenz von Mode 1 erhöht.
Die Frequenz wird durch die Tiefe der Bohrungen beeinflußt. Auch
bei Anwendung dieses Verfahrens wird wiederum nur die Frequenz einer
der gekoppelten Moden beeinflußt. Die
Resonanzfrequenz der anderen beiden Moden bleibt dagegen unverändert. Das
Metall kann auf unterschiedliche Weise entfernt werden, so zum Beispiel
durch Schleifen, Laserschneiden, chemisches Ätzen, Funkenerosion oder mit
anderen Mitteln. 8(b) zeigt die Verwendung
dreier Kreise (oder Vertiefungen) 70 auf drei orthogonalen
Flächen 60 eines
von zwei miteinander verbundenen Triple-Mode-Monoblocks 10, 12.
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Sie
werden zum Justieren der Resonanzfrequenzen der drei Moden in einem
Block 12 verwendet. In dieser Abbildung ist das Abstimmen
lediglich eines Blocks dargestellt. Das Abstimmen des zweiten Blocks 10 (links)
würde ähnlich aussehen.
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Das
vierte hier beschriebene Abstimmverfahren besteht in der Verwendung
diskreter Abstimmelemente oder Zylinder 80, 82, 84.
Die 10(a) und 10(b) zeigen
die drei Elemente 80, 82, 84, die auf drei
orthogonale Flächen 60 des
Monoblocks 10 verteilt sind und die nötige Änderung der Resonanzfrequenzen
bewirken. 10(a) zeigt ein alternatives Abstimmverfahren,
bei welchem metallische oder dielektrische Abstimmelemente an drei
orthogonalen Seiten angeordnet sind und die metallischen oder dielektrischen
Abstimmelemente, wie in 10(b) gezeigt,
in den Monoblock 10 ragen. In dieser Abbildung ist lediglich
der Abstimmvorgang für
einen Block veranschaulicht. Das Abstimmen des zweiten Blocks (links)
würde ähnlich aussehen.
Die Abstimmelemente 80, 82, 84 können metallische
Elemente sein, die von kommerziellen Bezugsquellen erhältlich sind.
(Siehe beispielsweise die von Johanson Manufacturing lieferbaren
metallischen Abstimmelemente, http://www.iohansonmfg.com/mte.htm#).
Man könnte auch
dielektrische Abstimmelemente verwenden, die ebenfalls von kommerziellen
Lieferanten bezogen werden können
(siehe beispielsweise wiederum bei Johanson Manufacturing).
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Die
obige Beschreibung konzentriert sich vor allem auf die Verwendung
eines Triple-Mode-Monoblocks 10 in einem Filter. Es sei
darauf hingewiesen, daß diese
Beschreibung auch die Verwendung des Triple-Mode-Monoblock-Filters
als Bestandteil eines Multiplexers einschließt, wobei zwei oder mehr Filter an
ein gemeinsames Tor angeschlossen sind. Eines oder mehr der mehreren
Filter könnten
aus den Triple-Mode-Monoblocks aufgebaut sein.
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Eingang/Ausgang
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Eingang/Ausgang:
Ein geeignetes Verfahren zum Übertragen
eines Mikrowellensignals in das (Eingang) oder aus dem (Ausgang)
des Triple-Mode-Monoblock-Filters besteht in der Verwendung von Kopplern.
Der Eingangskoppler regt eine Hochfrequenzwelle an, die eine Vielzahl
von Moden beinhaltet. Die Eckausschnitte koppeln anschließend die verschiedenen
Moden. Im Dokument von K. Sano und M. Miyashita "Application of the Planar I/O Terminal
to Dual-Mode Dielectric-Waveguide Filter", IEEE Transactions on Microwave Theory
and Techniques, Seiten 2491–2495,
Dezember 2000, wird ein Dual-Mode-Monoblock mit einem Eingangs-/Ausgangstor
beschrieben, das als Patch-Antenne
wirkt und Hochfrequenzleistung in den Monoblock ein- und aus dem Monoblock
abstrahlt.
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Das
in der vorliegenden Erfindung beschriebene Verfahren besteht darin,
eine Vertiefung 90 im Monoblock herzustellen (hier wurde
insbesondere eine zylindrische Bohrung verwendet), das Innere dieser
Bohrung 90 mit einem leitenden Material (typisch, aber
nicht notwendigerweise, Silber) zu beschichten und die metallische
Oberfläche
anschließend,
wie in 11 gezeigt, mit einer Schaltung
außerhalb
des Filters/Monoblocks zu verbinden. Die Verbindung zwischen der
metallischen Beschichtung und der externen Schaltung kann eine von
mehreren Formen aufweisen, wie 11 zeigt,
in welcher das Innere oder der Innendurchmesser einer Bohrung oder
einer Vertiefung mit Metall beschichtet ist (11(a)).
Als nächstes
wird eine elektrische Verbindung 100 zwischen dem Metall
in der Bohrung bzw. Vertiefung 90 und einer externen Schaltung
hergestellt, womit ein reproduzierbares Verfahren vorliegt, um ein
Signal in den Triple-Mode-Monoblock 10 oder aus diesem
heraus zu übertragen.
In 11(b) ist ein Draht an die Beschichtung
gelötet,
der die elektrische Verbindung 100 bildet, während in 11(c) ein Einpreß-Steckverbinder 100 verwendet
wird und in 11(d) die Vertiefung mit
Metall einschließlich
des Drahtes 100 gefüllt
ist.
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Da
der Koppler 100 in den Monoblock 10 integriert
ist, wird das Spiel zwischen Koppler und Block verringert. Dies
ist eine Verbesserung gegenüber
dem bisherigen Stand der Technik, bei dem ein externer Koppler 100 in
eine Bohrung 90 im Block 100 eingebracht wurde.
Aufgrund von Spalten zwischen dem Koppler 100 und der Bohrung 90 kam
es dabei zu Problemen beim Ein- und Auskoppeln der Hochfrequenzleistung.
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Integrierte Filterbaugruppe,
beinhaltend ein Vorauswahl- oder Maskenfilter, einen Triple-Mode-Monoblock-Resonator
und ein Tiefpaßfilter
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Es
wurden mehrere Merkmale bzw. Techniken entwickelt, um aus dem Triple-Mode-Monoblock-Filter
ein praxistaugliches Bauelement zu machen. Diese Merkmale und Techniken
werden nachstehend beschrieben und bilden die Ansprüche zu dieser
Beschreibung.
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Filterbaugruppe:
Die Filterbaugruppe 110, bestehend aus drei Teilen, nämlich dem
Monoblock-Resonator 10, dem Vormaskierungsfilter (oder Maskierungsfilter) 120 und
den Tiefpaßfiltern 130, kann
wie in einem von mehreren Beispielen aufgebaut sein. In einem Beispiel
sind die drei Filterelemente wie in 12a miteinander
verbunden, wobei die Verbindungen zur gemeinsamen Leiterplatte durch
Koaxialsteckverbinder 140 hergestellt werden. In diesem
Beispiel wurde das Tiefpaßfilter
(Low-Pass Filter, LPF) 130, wie in 12b gezeigt,
auf der gemeinsamen Leiterplatte rechts durch Ätzen realisiert. Das Tiefpaßfilter 130 wurde
in Mikrostreifenleitertechnik auf derselben Leiterplatte hergestellt,
auf der auch das Monoblock-Filter 10, 12 und das
Maskierungsfilter 120 untergebracht sind.
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Das
in den 12a und 12b gezeigte Tiefpaßfilter 130 besteht
aus drei offenen Stichleitungen und ihren Anschlußbereichen.
Der Aufbau des Tiefpaßfilters 130 kann
je nach den geforderten Spezifikationen unterschiedlich sein.
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In
einem zweiten Beispiel ist die Leiterplatte, auf der auch die Filterbaugruppe 110 untergebracht ist,
ein integraler Bestandteil der Leiterplatte, die aus anderen Teilen
des Sende- und/oder Empfangssystems, beispielsweise der Antenne,
dem Verstärker oder
dem Analog-Digital-Wandler besteht. Als Beispiel zeigt 13 die
Filterbaugruppe 110 auf derselben Leiterplatte wie ein
aus vier Elementen bestehendes Array 150 von Mikrostreifenleitungs-Patch-Antennen.
Das Monoblock-Filter 10, 12 und das Maskierungsfilter 120 befinden
sich auf der einen Seite der Leiterplatte. Das Tiefpaßfilter 130 und die
Antenne 150 sind auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet.
Je nach Bedarf könnte
die gesamte Baugruppe auch in einem Gehäuse untergebracht sein.
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In
einem dritten Beispiel ist die Filterbaugruppe 110 in einer
Box enthalten, wobei Verbinder entweder in Form von Koaxialsteckverbindern
vorhanden sind oder als Pads realisiert sind, die in einem Standard-Lötvorgang
auf eine andere Leiterplatte gelötet
werden können. 160 zeigt zwei Beispiele für Baugruppen
mit Pads 160. Die Filterbaugruppe kann bei Bedarf auch
mit Kühlrippen
versehen sein. Eine Baugruppe der in 14 gezeigten
Art kann entweder, wie gezeigt, nur den Monoblock 10, 12 oder
eine Filterbaugruppe 110 der in 13 gezeigten
Art enthalten. 14(a) zeigt das in
einer Box untergebrachte Monoblock-Filter 10, 12;
die internen Merkmale sind in 14(b) hervorgehoben
dargestellt. Die Pads auf der Unterseite der Box in 14(b) würden auf
eine Leiterplatte gelötet. 14(c) zeigt eine ähnliche Baugruppe für einen Duplexer,
bestehend aus zwei Filtern mit einem gemeinsamen Tor und daher drei
Anschlußpads 160. Eine
Baugruppe der hier gezeigten Art kann entweder nur den Monoblock 10, 12 oder
aber eine Filterbaugruppe 110 enthalten.
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Vorauswahl-
oder Maskenfilter: Allen Resonanz-Bauelementen wie z.B. Filtern
ist das Problem unerwünschter
parasitärer
Moden oder unerwünschter
Resonanzen gemein. Dieses Problem macht sich besonders in Multimode-Resonatoren
wie dem Triple-Mode-Monoblock 10, 12 bemerkbar.
Bei einem Triple-Mode-Monoblock 10, 12,
der für
einen Durchlaßbereich
mit einer Mittenfrequenz von 1,95 GHz dimensioniert ist, tritt die
erste Resonanz in der Nähe von
2,4 GHz auf. Um dieses Problem zu verringern, wird hier die Verwendung
eines relativ breitbandigen Maskierungsfilters 120 beschrieben,
das mit dem Monoblock-Filter 10, 12 zu einer Baugruppe
zusammengefaßt
ist.
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Das
Vormaskierungsfilter 120 wirkt als breitbandiges Bandpaßfilter,
dessen Durchlaßbereich
die Bandpaßcharakteristik
des Triple-Mode-Monoblocks 10, 12 einschließt. Sein
Durchlaßbereich
ist größer als
der Durchlaßbereich
des Triple-Mode-Monoblocks 10, 12. Daher beeinflußt es keine
Signale, deren Frequenzen in den Durchlaßbereich des Triple-Mode-Monoblocks 10, 12 fallen.
Es bewirkt jedoch eine zusätzliche
Unterdrückung
im Sperrbereich. Daher wird es die ersten parasitären Moden
unterdrücken,
die auf den Durchlaßbereich
des Triple-Mode-Monoblocks 10, 12 folgen. Siehe 15.
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In
Beispiel 1 wurde eine Filterbaugruppe für 3G-Anwendungen dimensioniert.
In einem bevorzugten Beispiel wird diese in einer Basisstation verwendet,
die nach dem Verfahren WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access)
arbeitet. Sie hat eine Ausgangsfrequenz von ca. 2,00 GHz und eine
Spezifikation zur Signalunterdrückung
bis 12,00 GHz. Die Empfangsbandbreite beträgt 1920 bis 1980 MHz. Die Sendebandbreite
beträgt
2110 bis 2170 MHz. Im Sperrbereich für den Sendebetrieb muß die Dämpfung 90
dB im Bereich von 2110 bis 2170 MHz, 55 dB im Bereich von 2170 MHz
bis 5 GHz und 30 dB im Bereich von 5 GHz bis 12,00 GHz betragen.
Es wurde ein Vorauswahl- oder Maskierungsfilter 120 mit
einem Durchlaßbereich
von 1800 MHz bis 2050 MHz und einer Kerbfiltercharakteristik mit
60 dB Dämpfung
bei 2110 MHz ausgewählt.
Zwischen 2110 MHz und 5 GHz hat es eine Dämpfung von 30 dB.
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In
Beispiel 1 hat das Maskierungsfilter 120 eine Bandbreite
von 250 MHz und die Durchlaßcharakteristik
eines vierpoligen Kammfilters mit einer Kreuzkopplung, die das Erreichen
der gewünschten Außerbandunterdrückung unterstützt. Ein
Foto des Maskierungsfilters 120 ist in 16 zu
sehen. 16(a) zeigt eine vierpolige
Kammfilterbaugruppe. 16(b) zeigt den
Innenaufbau der vier Pole und der Kreuzkopplung. Die SMA-Steckverbinder
in 16(b) sind für die gesamte Filtrbaugruppe
durch Direktverbindungen zur Leiterplatte ersetzt.
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Tiefpaßfilter:
In einer Filterspezifikation für eine
Zellularfunk-Basisstation ist es üblich, ein gewisses Maß an Signalunterdrückung bei
Frequenzen vorzugeben, die um ein Mehrfaches über dem Durchlaßbereich
liegen. So kann beispielsweise für
ein Filter mit einem Durchlaßbereich
um 1900 MHz eine Unterdrückungsspezifikation
bei 12.000 MHz gefordert sein. Bei Standard-Kammfiltern bewirkt
ein Koaxial-Tiefpaßfilter
die nötige
Signalunterdrückung
bei Frequenzen erheblich über
dem Durchlaßbereich. Bei
der hier beschriebenen Filterbaugruppe ist das Tiefpaßfilter 130 in
Mikrostreifenleitungs- oder Streifenleitungstechnik hergestellt
und in die Leiterplatte integriert (oder geätzt), die bereits das Monoblock-Filter 10, 12 sowie
das Maskierungsfilter 120 enthält, und mit letzteren beiden
Komponenten verbunden. Der genaue Aufbau des Tiefpaßfilters 130 würde von
den im konkreten Anwendungsfall zu erfüllenden elektrischen Spezifikationen
abhängen. Eine
mögliche
Konfiguration ist in den 12a und 12b dargestellt.
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Verzögerungsfilter
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In
einer den Geltungsbereich nicht einschränkenden, exemplarischen Ausführungsform
ist ein Verzögerungsfilter
vorgesehen, das unter dem Aspekt einer flach verlaufenden Gruppenlaufzeitcharakteristik
ausgelegt ist. Als Beispiel, das jedoch nicht als den Geltungsbereich
einschränkend
zu verstehen ist, ist das Verzögerungsfilter
in dieser Ausführungsform
nicht für
die Unterdrückung
einer bestimmten Frequenz dimensioniert.
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Um
eine flach verlaufende Gruppenlaufzeitcharakteristik zu erzielen,
ist ein vorgeschriebenes Kreuzkopplungsschema Voraussetzung. Als
Beispiel, das jedoch nicht als den Geltungsbereich einschränkend zu
verstehen ist, wären
in einem sechspoligen Filter zumindest die Moden 1-2, 2-3, 3-4,
4-5 und 5-6 gekoppelt. Vorgeschriebene Kreuzkopplungen werden darüber hinaus
verwendet, um bestimmte Frequenzunterdrückungsspezifikationen zu erfüllen. Im
Fall der vorliegenden Ausführungsform
sind die bei einem sechspoligen Filter zum Glätten der Verzögerung verwendeten
Kreuzkopplungen 1-6 und 2-5.
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Zum
Realisieren der vorgenannten Ausführungsform ist eine Geometrie
vorgesehen, wie sie in den 17(a) und
(b) veranschaulicht ist. Im Gegensatz zu dem in 2 veranschaulichten
Beispiel sind die Eingangs- und Ausgangskoppler an den Endflächen der
Baugruppe statt auf derselben Seite der beiden Blocks wie in 2 gezeigt
positioniert. Dies hat zur Folge, daß positive Kreuzkopplungen zwischen
den Moden 1-6 und 2-5 möglich
sind, während
in dem in 2 veranschaulichten Beispiel
die 1-6-Kreuzkopplung negativ und keine 2-5-Kreuzkopplung vorhanden
ist. Dies hat zur Folge, daß in der
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein flacher Verlauf der Gruppenlaufzeit möglich ist.
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Wie
weiter oben ausführlicher
beschrieben wurde, beinhaltet das Triple-Mode-Monoblock-Verzögerungsfilter
zwei Triple-Mode-Monoblock-Hohlraumresonatoren 10, 12.
In je einem Block jedes Triple-Mode-Monoblock-Hohlraumresonators
befinden sich drei Resonatoren. Verwendet werden die drei zueinander
orthogonalen Moden TE101, TE011 und TE110. Die Orientierungen des
elektrischen Feldes der sechs Moden 1...6 sind in den in 17(a) gezeigten Richtungen angeordnet, so daß ein ausgeglichenes
Verzögerungsverhalten
des Filters erreicht werden kann. Als Beispiel, das jedoch nicht
als den Geltungsbereich einschränkend
zu verstehen ist, benötigt
das Verzögerungsfilter
alle positiven Kopplungen zwischen Resonator 1 und 2, Resonator
2 und 3, Resonator 3 und 4, Resonator 4 und 5, Resonator 5 und 6,
Resonator 1 und 6 und Resonator 2 und 5.
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Ein
Eingangs-/Ausgangskoppler, z.B. 20, ist mit jedem metallbeschichteten
dielektrischen Block, z.B. 10, verbunden, um die Mikrowellensignale
zu übertragen.
Die Kopplung zwischen Resonanzmoden innerhalb jedes Hohlraums wird
durch die oben beschriebenen Eckausschnitte 30, 33, 36 bewerkstelligt.
Eckausschnitte werden zum Koppeln einer Mode verwendet, die in einer
Richtung zu einer Mode orientiert ist, welche in einer zweiten,
zueinander orthogonalen Richtung orientiert ist. Um die drei Resonatoren
in jedem Hohlraum zu koppeln, sind zwei Haupt-Eckausschnitte 30, 33 vorhanden,
von denen einer entlang der x-Achse und der andere entlang der y-Achse
ausgerichtet ist. Eine Apertur 40 zwischen den beiden Blocks 10, 12 wird
verwendet, um alle sechs Resonanzmoden 1...6 zusammen zwischen den
Hohlräumen
zu koppeln. Die Apertur 40 erzeugt zwei induktive Kopplungen
durch Magnetfelder zwischen zwei Moden und eine kapazitive Kopplung durch
elektrische Felder. Zusätzlich
kann ein dritter Eckausschnitt 36 entlang der z-Achse verwendet werden,
um die unerwünschte
Kopplung zwischen Resonatoren zu unterdrücken. Eine Gittermodellansicht
des Triple-Mode-Monoblock-Verzögerungsfilters
ist in 17(b) dargestellt, die auch
die Eckausschnitte 30, 33, 36 und die
Kopplungsapertur 40 zeigt.
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Die 18(a) und (b) zeigen die Vollflächenansichten
der beiden miteinander zu einem sechspoligen Verzögerungsfilter
gekoppelten Monoblocks 10, 12. Die Eckausschnitte 30, 33, 36 werden dazu
verwendet, innerhalb eines Monoblock-Hohlraums eine in einer Richtung
orientierte Mode mit einer Mode zu koppeln, welche in einer zweiten,
zueinander orthogonalen Richtung orientiert ist. Jede Kopplung entspricht
einem Pol in der Filtercharakteristik. Daher entspricht ein Triple-Mode-Monoblock der oben
beschriebenen Art drei Polen oder drei elektrischen Resonatoren. 17(b) und 18 zeigen
den dritten Eckausschnitt 36, der eine Kreuzkopplung zwischen
den Moden 1 und 3 sowie den Moden 4 und 6 im Filter bewirkt. Durch
geeignete Wahl der jeweiligen Blockkante für diesen Eckausschnitt läßt sich
entweder eine positive oder negative Kreuzkopplung erzielen. Der
dritte Eckausschnitt 36 kann verwendet werden, um die Verzögerungscharakteristik
des Filters zu verbessern oder die unerwünschten parasitären Effekte
innerhalb des Triple-Mode-Monoblock-Filters zu unterdrücken.
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Die
Apertur 40 erfüllt
die Funktion, drei Kopplungen unter allen sechs Resonanzmoden für das Verzögerungsfilter
anstelle von zwei Kopplungen für das
reguläre
Bandpaßfilter
zu erzeugen. Die Apertur 40 erzeugt, wie in 19 gezeigt,
zwei induktive Kopplungen durch Magnetfelder zwischen den Moden
3 und 4 sowie den Moden 2 und 5 und eine positive kapazitive Kopplung
durch elektrische Felder zwischen den Moden 1 und 6. Das Justieren
der Aperturhöhe
H verändert
die Kopplung M34 am stärksten,
während
das Justieren der Aperturbreite W die Kopplung M25 am stärksten verändert. In ähnlicher
Weise läßt sich
durch Ändern
der Aperturdicke T die Kopplung M16 verändern, die über elektrische Felder erfolgt.
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20 zeigt
die mit einem elektromagnetischen Simulator HFSS 3D simulierten
Frequenzgänge
des Triple-Mode-Monoblock-Verzögerungsfilters bei
einer Mittenfrequenz von 2140 MHz. Das Filter besitzt eine Rückflußdämpfung von über 30 dB
und zeigt über
einen weiten Frequenzbereich einen sehr flachen Verlauf der Gruppenlaufzeit.
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Obwohl
die Erfindung in dieser Patentanmeldung unter Bezug auf die Einzelheiten
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben wurde, sei darauf hingewiesen, daß die Beschreibung veranschaulichend
und nicht den Geltungsbereich einschränkend zu verstehen ist und
daß innerhalb des
Geltungsbereichs der beigefügten
Patentansprüche
für den
Fachmann Modifikationen leicht denkbar sind.
- FO OF THREE
MODES FO VON DREI MODEN
- CUTTING LENGTH IN XZ PLANE ALONG X... AUSSCHNITTLÄNGE IN DER
XZ-EBENE IN X-RICHTUNG BEI EINER SCHNITTBREITE VON 20 mil
- CUTTING LENGTH IN XY PLANE ALONG X... AUSSCHNITTLÄNGE IN DER
XY-EBENE IN X-RICHTUNG BEI EINER SCHNITTBREITE VON 20 mil
- CUTTING LENGTH IN XY PLANE ALONG Y... AUSSCHNITTLÄNGE IN DER
XY-EBENE IN Y-RICHTUNG BEI EINER SCHNITTBREITE VON 20 mil
- NUMBER OF CIRCLES CUTTING IN XY... ZAHL DER IN DER XY-EBENE GESCHNITTENEN
KREISE BEI EINEM SCHNITTDURCHMESSER VON 40 mil
- PRESELECT OR MASK FILTER VORAUSWAHL- ODER MASKENFILTER
- UNWANTED SPURIOUS UNERWÜNSCHTE
NEBENFREQUENZEN
- TRIPLEMODE PASSBAND TRIPLE-MODE-DURCHLASSBEREICH
- Cavity Hohlraum