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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Übertragung
von elektromagnetischen Signalen, insbesondere von Ultrahochfrequenzsignalen,
und dabei insbesondere auf die Schaltung solcher Signale, und sie
hat eine Schaltvorrichtung mit einem Eingang und zwei Ausgängen zur
Vermeidung von Übertragungsausfällen zum
Gegenstand.
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Die
vorliegende Erfindung findet insbesondere im Rahmen von Signalverarbeitungssystemen Anwendung,
die eine Struktur aufweisen, in der die Funktionsmodule derart angeordnet
sind, dass sie in einer Redundanz vom Typ zwei zu eins enden.
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Bestimmte
Arten von Anlagen, insbesondere Anlagen, die an Bord von Satelliten
installiert werden sollen, umfassen nämlich Module, die doppelt vorhanden
sind, so dass Ausfälle
behoben werden können,
die die Funktion eines Funktionsmoduls beeinträchtigen, indem ein identisches
oder gleichartiges Modul in Betrieb genommen wird, das in einem
parallelen Zweig doppelt vorhanden ist.
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Eine
solche Redundanz, die als Typ zwei zu eins bezeichnet wird, wird
herkömmlicherweise
bei verschiedenen Modulen eingesetzt, die in Bordgeräte integriert
sind, beispielsweise bei Verstärkermodulen,
die auf Signale wirken können,
die über
Wellenleiter übertragen
werden.
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In
Fällen
einer solchen Zwei-zu-eins-Redundanz verwendet man heute in der
Regel einen mechanischen Schalter mit einem Eingang und zwei Ausgängen (SPDT)(beispielsweise
einen T-Schalter), der in einem vorher festgelegten Zustand bleibt, solange
kein Steuersignal vorliegt. Aus dieser Eigenschaft ergibt sich,
dass ein entsprechendes Steuersignal erforderlich ist, um den Zustand
des Schalters zu verändern.
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Ein
Beispiel für
einen solchen mechanischen Schalter ist in 1 dargestellt,
in der der Schalter in Konfiguration 1 (1A) die
Möglichkeit
bietet, das Signal von Eingang 1 zu Eingang 3 zu übertragen
(wobei Eingang 2 gesperrt bleibt), anschließend ermöglicht der
Schalter die Übertragung
des Signals nach einem Steuersignal oder einer entsprechenden Betätigung (Konfiguration
2 – 1B)
von Eingang 1 zu Eingang 2 (wobei Eingang 3 gesperrt
bleibt).
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Aufgrund
der Tatsache, dass der mechanische Schalter ohne Steuersignal in
dem vorliegenden Funktionszustand bleibt, kann ein Übertragungsausfall
vermieden werden.
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Diese
mechanischen Schalter weisen jedoch große Baumaße auf und sind relativ schwer,
was ihren Einsatz in bestimmten Anwendungen erschwert, insbesondere
in Anwendungen im Raumfahrt-Bereich.
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Um
diese Nachteile und Einschränkungen
zu beseitigen, wurde vorgeschlagen, die mechanischen Schalter durch
Schaltvorrichtungen mit elektronischen Bauteilen zu ersetzen.
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Liegt
jedoch kein Steuersignal (Spannung oder Stromversorgung) vor, ist
ein Schalter mit einem Eingang und zwei Ausgängen mit elektronischen Bauteilen
mit festem Zustand (Dioden, Transistoren, ...) in einer solchen
Konfiguration unbestimmt und nicht funktionsbeteiligt. Aus dieser
Tatsache ergibt sich eine Symmetrie der Schaltstrecken.
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Um
das durch diese Situation entstandene Problem besser zu verstehen,
wird im Folgenden die Funktionsweise dieser bekannten, elektronischen Schalter
in Bezug auf die beiliegenden 2 und 3 erläutert, und
zwar für
den Fall einer Reihenschaltung (2) und einer
Parallelschaltung (3).
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Im
Fall von 2 entspricht der elektrische Abstand
zwischen den Punkten A und B einerseits, sowie A und C andererseits
einem ganzen Vielfachen der halben Signalwellenlänge. Die Vorrichtungen, die das
Umschalten von einer Strecke auf eine andere ermöglichen, sind in Reihe in der
entsprechenden Strecke angeordnet, und die Steuersignale, die in
jeder Strecke auf die Vorrichtung wirken, sind komplementär. Im Prinzip
funktioniert der Schalter auf folgende Weise:
- – Fall 1:
Das an die in Strecke 1-2 angeordnete Vorrichtung (von 1 zu 2) gesandte
Steuersignal bewirkt, dass diese sich wie ein Kurzschluss verhält. Das
an die in Strecke 1-3 angeordnete Vorrichtung gesandte, komplementäre Steuersignal bewirkt,
dass diese sich wie ein offener Stromkreis verhält. Aufgrund der Abzweigung
in Punkt 1 ist die Strecke 1-2 angepasst, während die Strecke 1-3 einen
offenen Stromkreis aufweist. Die Strecke 1-2 ist somit durchgängig und
die Strecke 1-3 ist gesperrt.
- – Fall
2: Dies ist der entgegengesetzte Fall zu Fall 1. Die Strecke 1-3
ist durchgängig
und die Strecke 1-2 ist gesperrt.
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Im
Fall von 3 entspricht der elektrische Abstand
zwischen den Punkten A und B einerseits, sowie zwischen den Punkten
A und C andererseits einem ganzen, ungeraden Vielfachen einer Viertel- Signalwellenlänge. Die
Vorrichtungen, die das Umschalten von einer Strecke auf eine andere
ermöglichen,
sind parallel in der entsprechenden Strecke angeordnet. Die auf
die Vorrichtung in jeder Strecke wirkenden Steuersignale sind komplementär. Im Prinzip funktioniert
der Schalter auf folgende Weise:
- – Fall 1:
Das an die in Strecke 1-2 angeordnete Vorrichtung gesandte Steuersignal
bewirkt, dass diese sich wie ein Kurzschluss verhält. Die
Impedanz an der Abzweigung in Punkt 1 ist ein offener Stromkreis.
Das an die in Strecke 1-3 angeordnete Vorrichtung gesandte, komplementäre Steuersignal
bewirkt, dass diese sich wie ein offener Stromkreis verhält. Durch
die parallele Anordnung ist diese somit durchlässig. Aufgrund der Abzweigung
an Punkt A ist die Strecke 1-3 angepasst, während die Strecke 1-2 einen
offenen Stromkreis aufweist. Die Strecke 1-3 ist somit durchlässig und
die Strecke 1-2 ist gesperrt.
- – Fall
2: Dies ist der entgegengesetzte Fall zu Fall 1. Die Strecke 1-2
ist durchgängig
und die Strecke 1-3 ist gesperrt.
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Es
ist festzustellen, dass die Steuersignale, die auf die einzelnen
Strecken angewandt werden, aufgrund der Schaltersymmetrie zwingenderweise komplementär sein müssen, wenn
die Vorrichtungen identisch sind (Transistoren gleichen Typs, Dioden, ...).
Wenn also die Steuersignale nicht zu einer dieser Vorrichtungen,
und umso mehr zu beiden, gelangen, verhalten sich diese weder wie
Kurzschlüsse
noch wie offene Stromkreise. Das Signal wird dann gleichzeitig über beide
Strecken übertragen
und die Verluste entsprechen dann mindestens den Teilungsverlusten,
d.h. 3 dB (die Hälfte
des Signals in jeder Strecke). Wird der Schalter vor einem Empfangskopf
angeordnet, sind diese Verluste vom Gesichtspunkt des Systems her
unzulässig.
Der Schalter stellt somit einen Punkt für Übertragungsausfälle dar.
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Schaltvorrichtungen,
in denen das oben beschriebene Problem auftritt, werden insbesondere
in den Dokumenten US-A-4 316 159, US- A-4 779 065 und US-A-5 696 470 in Bezug
auf einfache, doppelte oder Matrix-Schaltanordnungen beschrieben,
gegebenenfalls in Verbindung mit Systemen mit Zwei-zu-eins-Redundanz.
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Im
Hinblick auf den Wegfall von Schaltern oder aktiven, analogen Schaltvorrichtungen
an sich wurde auch vorgeschlagen, einen Wellenleiter in Form eines
hohlen Rohrs auszuführen,
der in der Lage ist, elektromagnetische Signale zu übertragen und
in dessen Wand zwei Mittel zur Entnahme von elektromagnetischen
Feldern (oder Koppelsonden) montiert sind, die mit zwei doppelten
Funktionsabzweigen eines redundanten Systems vom Typ zwei-zu-eins
verbunden sind. Eine solche Lösung wird
insbesondere im Dokument WO 01/82405 beschrieben.
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Im
Dokument FR-1.548.893 wird ein Sende-Empfangs-Schalter beschrieben,
der in einer symmetrischen Struktur mit Dioden und Viertelwellen-Leitungen
angeordnet ist.
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Die
Auswahl eines der beiden Zweige des Systems erfolgt durch Aktivierung
des ersten Verarbeitungsmoduls eines der beiden Zweige und entsprechende
Anpassung der Impedanz dieses Zweiges zur Abnahme und Übertragung
der elektromagnetischen Energie der Signale, die durch den Wellenleiter übertragen
werden, wobei der andere Zweig eine reflektierende Impedanz aufweist
(keine Übertragung).
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Diese
letztgenannte Lösung
erfordert jedoch die Herstellung einer Struktur, die Wellenleiter
bildet und mit zwei Abnahmesonden (präzise, mechanische Montage)
und im Allgemeinen mit zusätzlichen Modulen
zur Anpassung der Impedanz nach jeder Sonde ausgerüstet ist,
wodurch sich eine insgesamt sperrige, komplexe und kostenaufwändige Konstruktion
ergibt.
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Die
vorliegende Erfindung hat insbesondere zum Ziel, die vorgenannten
Nachteile zu beseitigen.
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Zu
diesem Zweck besteht der Gegenstand der Erfindung in einer Schaltvorrichtung
mit einem Eingang und zwei Ausgängen,
die einen Eingangs-Leitungsabschnitt und zwei Ausgangs-Leitungsabschnitte
umfasst, die mit dem genannten Eingangs-Leitungsabschnitt im Bereich
eines Abzweigungspunktes verbunden sind und mit dem genannten Eingangs-Leitungsabschnitt
zwei mögliche Übertragungsstrecken
für die
elektromagnetischen Signale definieren, die über den genannten Eingangs-Leitungsabschnitt
an dem genannten Abzweigungspunkt ankommen, wobei jeder Ausgangs-Leitungsabschnitt
ein elektronisches Bauteil mit zwei Zuständen umfasst, das entweder
einen praktisch offenen Stromkreis oder praktisch einen Kurzschluss
bildet, in Abhängigkeit
von der Anwendung eines entsprechenden Steuersignals auf beide elektronischen Bauteile
gleichzeitig, und die sich in einem der beiden vorgenannten Zustände befinden,
wenn das genannte Steuersignal fehlt, wobei diese beiden identischen elektronischen
Bauteile jeweils in Reihe oder parallel in einem der beiden Ausgangs-Leitungsabschnitte montiert
sind, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie
eine asymmetrische Struktur aufweist, wobei sich die beiden Übertragungsstrecken
durch ihre Konfiguration und/oder durch die Parität ihres
elektrischen Längenmaßes, ausgedrückt in Viertel-Wellenlängen, zwischen
den genannten Bauteilen und dem Abzweigungspunkt voneinander unterscheiden,
so dass unabhängig
vom Zustand der genannten Bauteile eine der beiden Strecken für die elektromagnetischen
Signale durchgängig
und die andere Strecke für
diese gesperrt ist.
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Die
Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung besser verständlich,
die sich auf die bevorzugten Ausführungsvarianten bezieht, die
als Beispiele ohne einschränkenden
Charakter dienen und die in Bezug auf die beigefügten Schemazeichnungen erläutert werden,
wobei:
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4 eine
Funktionsdarstellung einer ersten Ausführungsvariante einer Schaltvorrichtung
mit einem Eingang und zwei Ausgängen
gemäß der Erfindung
ist;
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5 eine
Funktionsdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante der Vorrichtung
gemäß der Erfindung
ist, und
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6 eine
vereinfachte Funktionsdarstellung eines Systems mit Zwei-zu-eins-Redundanz
ist, die mindestens eine Vorrichtung gemäß der Erfindung umfasst.
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Die 4 und 5 zeigen
eine Schaltvorrichtung 5 mit einem Eingang und zwei Ausgängen, die
einen Eingangs-Leitungsabschnitt 1 und zwei
Ausgangs-Leitungsabschnitte 2 und 3 umfasst, die
mit dem genannten Eingangs-Leitungsabschnitt 1 im Bereich
eines Abzweigungspunktes A verbunden sind und mit dem genannten
Eingangs-Leitungsabschnitt 1 zwei mögliche Übertragungsstrecken 1-2 und
1-3 für
elektromagnetische Signale definieren, die über den genannten Eingangs-Leitungsabschnitt 1 am
Abzweigungspunkt A ankommen, wobei jeder Ausgangs-Leitungsabschnitt 2 und 3 ein
elektronisches Bauteil 4 und 4' mit zwei Zuständen umfasst, das entweder
einen praktisch offenen Stromkreis oder praktisch einen Kurzschluss
bildet, und zwar in Abhängigkeit
von einem entsprechenden Steuersignal, und das sich in einem der
beiden vorgenannten Zustände
befindet, wenn das Steuersignal fehlt, wobei diese beiden identischen
elektronischen Bauteile 4 und 4' jeweils in Reihe oder parallel
in einem der beiden Ausgangs-Leitungsabschnitte 2 und 3 montiert
sind.
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Gemäß der Erfindung
weist die Schaltvorrichtung 5 zur Vermeidung von Übertragungsausfällen eine
asymmetrische Struktur auf, wobei sich die beiden Übertragungsstrecken
(1-2 und 1-3) durch ihre Konfiguration und/oder die Parität ihres
elektrischen Längenmaßes, ausgedrückt in Viertel-Wellenlängen, zwischen
den genannten Bauteilen 4 und 4' und dem Abzweigungspunkt A voneinander
unterscheiden, so dass unabhängig
vom Zustand der genannten Bauteile eine der beiden Strecken für die elektromagnetischen
Signale durchgängig
und die andere Strecke für
diese gesperrt ist.
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Auf
diese Weise ist es durch die Erstellung einer asymmetrischen Schaltvorrichtung 5 möglich, Störungen beim
Ausfall der Stromversorgung oder des Steuersignals für die elektronischen
Bauteile 4 und 4',
die Unterbrecher mit zwei Zuständen
(gesperrt/durchgängig)
darstellen, zu vermeiden, wobei die genannte Vorrichtung 5 aus
diesem Grund Übertragungsausfälle vermeidet.
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Die
beiden identischen elektronischen Bauteile 4 und 4' bilden beim
Fehlen des Steuersignals idealerweise jeweils einen Kurzschluss
(Impedanz gleich Null, bzw. praktisch gleich Null) oder einen offenen
Stromkreis (erhöhte
Impedanz) und werden von dem gleichen Steuersignal gesteuert, das
sie gleichzeitig in einen der beiden vorgenannten Zustände versetzt.
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Aufgrund
der vorgenannten Anordnung mit unterschiedlicher Konfiguration der
beiden Übertragungsstrecken
(Montage der Bauteile 4 und 4' in Reihe oder parallel) und Planung
bestimmter elektrischer Längenmaße bis zu
den Bauteilen 4 und 4' im Bereich jeder Strecke ist es
möglich,
dass am Abzweigungspunkt A systematisch eine entsprechende Strecke
vorhanden ist, die die Übertragung
ermöglicht, sowie
eine Strecke, die einen offenen Stromkreis bildet und die Übertragung
sperrt.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsvariante der
Erfindung, und wie in 4 der beiliegenden Zeichnungen
dargestellt, ist eines der elektronischen Bauteile 4, 4' in Reihe in
einem der beiden Ausgangs-Leitungsabschnitte 2, 3 und
das andere elektronische Bauteil 4, 4' ist parallel
in dem anderen Ausgangs-Leitungsabschnitt 3, 2 montiert,
wobei außerdem
die folgenden Bedingungen geprüft
werden:
- – LAB: ganzes Vielfaches der halben Wellenlänge;
- – LAC: ungerades, ganzes Vielfaches der Viertel-Wellenlänge;
- – LCD: ganzes Vielfaches der halben Wellenlänge;
wobei:
- – LXY: elektrischer Abstand zwischen den Punkten X
und Y;
- – A:
Abzweigungspunkt von Eingangs-Leitungsabschnitt (1) und
Ausgangs-Leitungsabschnitten 2, 3;
- – B:
Eingangspunkt des in Reihe montierten, elektronischen Bauteils 4;
- – C:
Abzweigungspunkt von Ausgangs-Leitungsabschnitt 3 und Ableitungsabschnitt 7 im
Bereich des Leitungsabschnitts 3, der das parallel montierte
Bauteil 4 umfasst;
- – D:
Eingangspunkt des parallel montierten Bauteils 4'.
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In
diesem Fall, in dem die elektronischen Bauteile 4 und 4' beim Fehlen
eines Steuersignals einen Kurzschluss oder einen offenen Schalter
bilden, weist das Bauteil 4 der Strecke 1-2 eine unendliche Impedanz
auf (offener Stromkreis), die in der Praxis sehr hoch ist, und die
Impedanz in der Strecke 1-2, betrachtet an der Abzweigung A, entspricht
einem offenen Stromkreis.
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Das
elektronische Bauteil 4' in
der Strecke 1-3 weist einen offenen Stromkreis auf, allerdings in einer
parallelen Konfiguration, so dass dies von Punkt C aus nicht ersichtlich
ist. Die Strecke 1-3 ist daher durchlässig, während die Strecke 1-2 gesperrt ist.
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Bei
einem Ausfall in der Strecke 1-3 werden die Bauteile 4 und 4' durch ein entsprechendes
Steuersignal in den Kurzschluss-Zustand (sehr geringe Impedanz)
geschaltet. Die Strecke 1-2 wird damit durchgängig. In der Strecke 1-3 verursacht
der Kurzschluss an Punkt D einen Kurzschluss an Punkt C und damit
einen offenen Stromkreis an Punkt A (Umkehr der Impedanz). Die Strecke
1-3 wird damit gesperrt.
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Wenn
die elektronischen Bauteile 4 und 4' wie im Fall von 4 beim
Fehlen eines Steuersignals eine Impedanz gleich Null aufweisen (d.h.
sie bilden Kurzschlüsse),
ergibt sich aus den vorhergehenden Ausführungen, dass die Strecke 1-2
natürlich durchgängig und
die Strecke 1-3 natürlich
gesperrt ist.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsvariante der
Erfindung, die in 5 der beiliegenden Zeichnungen
dargestellt ist, sind die beiden Bauteile 4 und 4' parallel in
den beiden Ausgangs-Leitungsabschnitten 2 und 3 montiert,
wobei die folgenden Bedingungen geprüft werden:
- – LAB: ungerades, ganzes Vielfaches der Viertel-Wellenlänge;
- – LAC: ungerades, ganzes Vielfaches der Viertel-Wellenlänge;
- – LCD: ganzes Vielfaches der halben Wellenlänge;
- – LBE: ungerades, ganzes Vielfaches der Viertel-Wellenlänge;
wobei:
- – LXY: elektrischer Abstand zwischen den Punkten X
und Y;
- – A:
Abzweigungspunkt von Eingangs-Leitungsabschnitt 1 und Ausgangs-Leitungsabschnitten 2, 3;
- – B
und C: Abzweigungspunkte der Ausgangs-Leitungsabschnitte 2 bzw. 3 und
der Ableitungsabschnitte 7 bzw. 7';
- – D
und E: Eingangspunkte der parallel montierten Bauteile 4 und 4'.
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Ausgehend
von der Funktionsweise der oben beschriebenen, zweiten Ausführungsvariante ist
es für
den Fachmann offensichtlich, dass, unabhängig vom Zustand (durchgängig/gesperrt)
der Bauteile 4 und 4', beim Fehlen des Steuersignals
eine der Strecken 1-2 und 1- 3
natürlich
durchgängig
oder angepasst und die andere natürlich gesperrt ist.
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Vorzugsweise
werden die elektronischen Bauteile 4 und 4' aus einer Gruppe
gewählt,
die aus Bauteilen mit festem Zustand (Dioden, Transistoren, Mikroelektronik-
oder analoge Schalter) und Mikro-Bauteilen
besteht.
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Wie
aus 6 ersichtlich, hat die Erfindung außerdem ein
System mit einer Redundanzstruktur vom Typ 2-zu-1 zum Gegenstand,
die aus zwei parallelen Zweigen mit identischer Funktion besteht.
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Dieses
System ist dadurch gekennzeichnet, dass die selektive Übertragung
von elektromagnetischen Signalen von einem der beiden Zweige 6 und 6' mit Hilfe einer
Schaltvorrichtung 5 entsprechend der vorhergehenden Beschreibung
ausgeführt
wird, wobei jeder Ausgangs-Leitungsabschnitt 2, 3 der
genannten Vorrichtung 5 mit dem Eingang eines der beiden
Zweige 6 und 6' des
genannten Systems verbunden ist.
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Gemäß einem
zusätzlichen
Merkmal der Erfindung sind die Ausgänge der beiden Zweige 6 und 6' mit den Ausgangs-Leitungsabschnitten 2 und 3 einer
umgekehrt montierten Schaltvorrichtung 5 des vorgenannten
Typs verbunden, um eine Schaltvorrichtung mit einem Eingang und
zwei Ausgängen
zu bilden.
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In
der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Begriff „Leitung" auf einen beliebigen
Träger, der
in der Lage ist, elektromagnetische Signale zu übertragen, und insbesondere
auf Leitungen in Form von Drahtadern, Bändern, Bahnen, Wellenleitern
etc.
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Natürlich ist
die Erfindung nicht auf die beschriebenen und in den beiliegenden
Zeichnungen dargestellten Ausführungsvarianten
beschränkt. Änderungen
sind möglich,
insbesondere im Hinblick auf die Ausführung der verschiedenen Elemente
oder durch Ersatz durch gleichwertige Techniken, ohne den geschützten Bereich
der Erfindung zu verlassen.