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.Anordnung zur Kompensation von an Störstellen längs Ultrahochfrequenzübertragungsleitungen
auftretenden Impedanzänderungen .
Die Erfindung bezieht sich auf Anordnungen
zur Kompensation von an Störstellen (Knickstellen, Halterungsstellen u. dgl. mehr)
längs Übertragungsleitungen für ultrahochfrequente elektromagnetische Schwingungen,
insbesondere des Dezimeter- und Zentimeterwellenlängengebietes, auftretenden Impedanzänderungen.
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Es ist bereits bekannt, daß die bei einer Energieleitung für elektromagnetische
Schwingungen durch Einschalten eines Halterungsteiles für die Leiter der Leitung
hervorgerufene Impedanzänderung durch Anordnung eines zweiten Halterungsteiles im
Abstand (ZZa -k- z) - 2/q. (n = o, z, a, 3 ...
) von dem ersten Halterungsteil kompensiert werden kann. Es ist ferner bereits
vorgeschlagen worden, die im Abstand (an -i- z) - A/4 angeordneten Hälterungsteile
unterschiedlich groß zu bemessen bzw. dem zwischen zwei Halterungsteilen liegenden
Energieleitungsabschnitt einen vom Wellenwiderstand der übrigen Leitung abweichenden
Wellenwiderstand zu geben, um dadurch eine vollständige Kompensation der -durch
die Halterungsteile hervorgerufenen Impedanzänderung zu erhalten. Sowohl bei der
bekannten Anordnung als auch bei der vorgeschlagenen Anordnung ist vorausgesetzt,
daß der Bereich, über den sich die durch die Halterungsteile geschaffenen Störstellen
erstrecken, klein ist zur Betriebswellenlänge und daß demzufolge an den Störstellen
mit konzentrierten Blindwiderständen zu
rechnen ist. Diese Voraussetzung
schränkt das Anwendungsgebiet der erwähnten bekannten und auch da: der erwähnten
vorgeschlagenen Anordnung wesentlich ein. So ist doch beispielsweise beim Arbeiten
mit sehe kurzen Wellen; z: B. Zentimeterwellen, die Voraussetzung, den- Halterungsteilen
eine Ausdehnung zu geben, die vernachlässigbar klein ist gegenüber der Betriebswellenlänge,
nicht mehr streng erfüllt, und es kann daher, wie sich auch gezeigt hat, bei den
erwähnten Anordnungen eine vollständige Kompensation der an den Störstellen auftretenden
Impedanzänderungen beim Arbeiten mit Zentimeterwellen nicht mehr erzielt werden.
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Ziel der Erfindung sind Anordnungen zur Kompensation der an Störstellen
längs Übertragungsleitungen auftretenden Impedanzänderungen, bei denen die Ausdehnung
der Störstellen berücksichtigt ist und die demzufolge eine genaue Kompensation der
an den Störstellen auftretenden Impedanzänderüngen ermöglichen, unabhängig von der
Erstreckung der Störstellen inRichtung der Achse der Übertragungsleitung und unabhängig
von der besonderen Art der Störstellen. - Zunächst soll an Hand der,Abb. i die den
neuen, zur Kompensation der an Störstellen auftretenden Impedanzänderungen dienenden
Anordnungen zugrunde liegende Theorie erläutert werden. In dieser Abbildung sind
zwei Vierpole (Transformationsglieder) i und 2 iin Zuge einer Doppelleitung 3; q.
hintereinandergeschaltet. Das eingangsseitige Ende des Vierpoles i ist mit xö 1@;
sein ausgangsseitiges Ende mit y,(1) bezeichnet. Entsprechend bedeuten x,(-)
das eingangsseitige und y,(2> das ausgangsseitige Ende des Vierpoles 2. Die Stellen
x.(1) und y,(1) bzw. x,(2) und y,(2) sind so gewählt, edaßjede ibei xoü> bzw. x,(2)
angeschlossene Impedanz: R1 bzw. R2 bei yo(l) bzw. bei y,(2) mit dem Wert ml - R1
bzw: in, - R2 erscheint. m, und m2 sind dabei reelle Zählen größer oder kleiner
als i. Wie die Theorie zeigt, existiert unter den genannten, wohlgemerkt jederzeit
erfüllbaren Voraussetzungen stets eine -Stelle x, vor dem ersten Transformationsglied.
und eine Stelle y, hinter dem zweiten Transformationsglied, für die gilt, daß jede
bei xo angeschlossene Impedanz R, an der Stelle yo mit dem Wert m, - R, erscheint;
wobei mo ebenfalls ein reeller Faktor größer oder kleiner als i ist. Die beiden
hintereinandergeschalteten Transformationsglieder i und 2 können somit als ein einziges
Transformätionsglied betrachtet werden, dessen Eingang bei x, und dessen Ausgang
bei yo liegt.. Die Theorie zeigt weiter, daß die Übertragungszahlen ml und m2 der
beiden Transformatiönsglieder i und 2 und der Abstand a der beiden Transformationsglieder
so gewählt werden können, daß die Übertragungszahlen mo des resultierenden, von
x, bis yo sieh erstreckenden Tränsformationsgliedes gleich i wird: Mit anderen Worten
gesagt heißt das, daß zwei in geeignetem Abstand in eine Übertragungsleitung eingeschaltete
Vierpole sich in ihrer Wirkung kompensieren können. Wie man sich an Hand der Theorie
klarmachen kann, tritt diese Kompensation zweier hintereinandergeschalteter Transformationsglieder
bzw. zweier hintereinandergeschalteter Vierpole dann ein, wenn der Abstand a der
-beiden Transformatiönsglieder gleich Null und ihre Übertragungszahlen
m einander reziprok (m =I/m2) gewählt werden. Dabei ist noch vorausgesetzt
daß der Wellenwiderstand der Übertragungsleitun# außer an den Stellen; an denen
die Transformations glieder sieh befinden, konstant ist. Ist der Wellen widerstand
der Übertragungsleitung nicht konstant dann tritt, wie die weitere Theorie zeigt,
die kompen sierende Wirkung der beiden hintereinandergeschälteten Transformationsglieder
dann ein, wenn a = A/q und
, wobei Z3 den Wellenwiderstand des zwischen den beiden Transformationsgliedern
befindlichen Energieleitungsabschnittes und Z2 den Wellenwiderstand des an das zweite
Transformationsglied sich anschließenden Energieleitungsabschnittes bedeuten.
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Ausgehend von der Erkenntnis, daß die Übertragungszahl zweier hiptereinandergeschalteter
Transformationsglieder durch Wahl der Übertragungszahl und des Abstandes der einzelnen
Transformationsglieder gleich i gemacht werden kann, und der Erkenntnis, daß jede
längs einer Übertragungsleitung auftretende Störstelle durch Hinzunahme geeignet
langbemessener Leitungsabschnitte vor und hinter der eigentlichen Störstelle zu
einem Vierpol bzw. zu einem wie ein Transformator mit reellem Übersetzungsverhältnis
wirkenden Transformationsglied ergänzt werden kann, wird gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgeschlagen; zur Kompensation der an Störstellen längs Übertragungsleitungen
auftretenden Impedanzänderungen vor oder hinter der Störstelle ein wie ein Transformator
mit reellem Übersetzungsverhältnis wirkendes zusätzliches Transformationsglied einzuschalten,
dessen Abstand von der durch Hinzunahme geeignet bemessener Leitungsabschnitte zu
einem Transformationsglied mit reellem Übersetzungsverhältnis ergänzten Störstelle
und dessen Übertragungszahl so bemessen sind; daß der aus der Hintereinanderschaltung
von Störstelle und zusätzlichem Tränsförmationsglied resultierende Transformator
die Übertragungszahl
aufweist, wobei Z1 und Z2 die Wellenwiderstände der Übertragungsleitung vor bzw.
hinter dem resultierenden Transformator sind. Die Übertragungsleitung kann dabei
beispielsweise aus einer Zweidrahtleitung, einer bandförmigen Leitung, einer konzentrischen
Leitung mit Innenleiter oder einer Hohlrohrleitung ohne Innenleiter oder aus beliebig
langen Abschnitten von Leitungen der genannten Arten bestehen. Die Störstellen können
verursacht sein durch Halterungsteile für die Leiter der Leitung, durch Knick- oder
Biegungsstellen, durch Blenden, durch Unterbrechungsstellen eines oder auch beider
Leiter einer Doppelleitung, durch Unstetigkeitsstellen des Dielektrikums oder des
Wellenwiderstandes der Leitung, durch Übergangsstellen der Übertragungsleitung von
einer nach einer der vorgenannten Arten ausgebildeten Leitung, z. B. einer konzentrischen
Doppelleitung, in eine andersartige Leitung, z. B. in eine Hohlrohrleitung, u. dgl:
m.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung verweisen wir auf die in den
Zeichnungen dargestellten und nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Abb.2
zeigt die Anwendung der Erfindung zur Kompensation der durch Einfügung eines Halterungsteiles
in eine Übertragungsleitung hervorgerufenen Impedanzänderung. Die mit i, 2 bezeichnete
Leitung, für die hier eine konzentrische Doppelleitung mit Innenleiter benutzt ist,
dient beispielsweise zur Verbindung des Strahlers 3 mit dem Empfänger 4. Es ist
vorausgesetzt, daß der Strahlungswiderstand und der innere Widerstand des Empfängers
4 durch hier nicht interessierende Schaltmaßnahmen dem Wellenwiderstand Z der Leitung
i, 2 angepaßt sind. Wenn die Leitung i, 2 eine größere Länge aufweist, ist es erforderlich,
ihre Leiter durch Halterungsteile gegeneinander abzustützen. Bei 5 ist ein solches,
zweckmäßig aus keramischen Werkstoffen oder einem anderen Isolierstoff, z. B. Kunststoff,
hergestelltes Halterungsteil angedeutet. Es kann z. B. in Form einer Scheibe oder
in Form eines Stiftes ausgeführt sein: Wie oben erwähnt worden ist, kann ein solches
Halterungsteil durch Hinzunahme geeignet lang bemessener Leitungsabschnitte vor
und hinter ihm zu einem Transformationsglied mit einem bestimmten reellen Übersetzungsverhältnis
ml ergänzt werden. In der Abbildung sind mit xo(i) und yo(i) der Eingang und der
Ausgang des zu einem Transformationsglied ergänzten Halterüngsteiles 5 bezeichnet.
Hat dieses Transformationsglied, was durch Versuche festzustellen ist, beispielsweise
die Übertragungszahl ml = 1,4, so würde das bedeuten, daß der Strahlungswiderstand
(der gleich dem Wellenwiderstand der ungestörten Leitung i, 2 sein soll) von z.
B. 7o Ohm durch die Wirkung -des Halterungsgliedes 5 in den Wert von 98 Ohm transformiert
würde. Diese einer Störwirkung gleichkommende transformierende Wirkung des Halterungsteiles
5 wird nun gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß hinter dem Halterungsteil
5 bzw. hinter dem zu einem Transformator mit reellem Übersetzungsverhältnis ergänzten
Halterungsteil 5 unmittelbar in die Leitung i, 2 ein zweites Transformationsglied
6 eingeschaltet ist, dessen reelle Übertragungszahl m2 = i/ml gewählt ist. Wenn
die Eingangsstelle xa,(2) dieses zweiten Transformationsgliedes mit der Ausgangsstelle
yo(l) des Transformationsgliedes 5 zusammenfallend gewählt wird, dann hat die Hintereinanderschaltung
der beiden Halterungsteile das Übersetzungsverhältnis i. Die an der Ausgangsstelle
yo(2) des Transformationsgliedes 6 auftretende (transformierte) Impedanz ist dann
gleich dem Wellenwiderstand Z der Übertragungsleitung z, 2. Zweckmäßig wählt man,
wie es in der Abbildung auch bereits angedeutet ist, für das zweite Transformationsglied
6 ebenfalls ein Halterungsteil der Energieleitung i, 2. Der Abstand, in dem die
beiden Halterungsteile 5 und 6 voneinander anzuordnen sind, um die angegebene Kompensation
der Impedanzänderung zu erhalten, ist von der Größe der experimentell zu ermittelnden
Stellungen y.(1) und x.(2) abhängig. Es ist zu bemerken, daß dieser Abstand beim
Arbeiten mit Dezimeter- und Zentimeterwellen für gewöhnlich abweichend von A,/4
wird.
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Bei der Anordnung nach Abb. 2 können natürlich im Bedarfsfall weitere
Paare von Halterungsteilen für die Doppelleitung in ganz entsprechender Weise vorgesehen
werden. Zwei solcher Paare von Halterungsteilen sind in der Abb. 2 auch angedeutet.
Die zu dem ersten Paar gehörenden Halterungsteile sind mit 7 und 8 und die zu dem
zweiten Paar gehörenden Halterungsteile sind mit 9 und io bezeichnet. Der Abstand
dieser aufeinanderfolgenden Paare von Halterungsteilen kann an sich beliebig groß
gewählt werden. In vorteilhafter Weise wird der Abstand der aufeinanderfolgenden
Halterungspaare gemäß der weiteren Erfindung jedoch so gewählt, daß die Kompensation
der durch die Halterungsteile hervorgerufenen Impedanzänderung der Doppelleitung
innerhalb eines mehr oder weniger großen Wellenlängenbereiches auftritt. Hierzu
ist folgendes zu beachten.
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Wegen der Frequenzabhängigkeit des Abstandes der beiden Transformationsstücke
5 und 6 bzw. 7 und 8 bzw. 9 und io und wegen der Frequenzabhängigkeit der Übertragungszahlen
ml und m2 der einzelnen Halterungsteile ist die Kompensation. der Impedanzänderung
bei der Anordnung nach Abb. 2 exakt jeweils nur für eine Frequenz gewährleistet,
z. B. für eine Frequenz bzw. für eine Wellenlänge von A, = 14 cm. Für die Wellenlänge
A,/16 cm stellt die Hintereinanderschaltung der beiden Halterungsteile bzw. der
beiden Transformationsglieder 5 und 6 oder 7 und 8 oder 9 und io einen Transformator
dar, dessen Übertragungszahl etwas von i abweicht. Diese Störwirkung für die Wellenlänge
A, = 16 cm kann erfindungsgemäß dadurch beseitigt werden, daß hinter dem von beiden
Halterungsteilen 5 und 6 geschaffenen ersten (resultierenden) Transformationsglied
unmittelbar in die Leitung i, 2 ein zweites Transformationsglied geschaltet ist,
dessen Übertragungszahl für die Wellenlänge Z, = 14 cm gleich i -und für die Wellenlänge
A, = 16 cm reziprok zu der Übertragungszahl des ersten (resultierenden) Transformationsgliedes
ist. Dieses zweite Transformationsglied kann im einfachsten Fall in derselben Weise
aufgebaut sein wie das erste Transformationsglied, also aus zwei in vorgegebenem
Abstand angeordneten Halterungsteilen, so daß es auch für die Wellenlänge 2 = 14
cm die Impedanz der Leitung nicht ändert. Auf diese Weise ergeben sich Gruppen von
j eweils vier Halterungsteilen.
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In der Abb. 3 sind zwei solche im Zuge einer konzentrischen Energieleitung
i, 2 angeordnete Vierergruppen von Halterungsteilen dargestellt. Die erste Vierergruppe
besteht aus den Halterungsteilen 1i, 12, 13, 14, die zweite Vierergruppe aus den
Halterungsteilen 15, 16, 17, 18. Der Abstand der Halterungsteile ii und 12 voneinander
und der der Halterungsteile 13 und 14 voneinander ist gleich dem Abstand der Halterungsteile
5 und 6 bei der Anordnung nach Abb. 2 gewählt. Für die Wellenlänge Z, = 14 cm ist
dann an allen Stellen Kompensation der Impedanzänderung vorhanden. Der Abstand der
Halterungsteile 12 und 13 voneinander ist so gewählt, daß für die Wellenlänge A,
= 16 cm die Übertragungszahl des aus den beiden Halterungsteilen ii und 12 resultierenden
Transformationsgliedes reziprok zu der Übergangszahl des aus den Halterungsteilen
13 und 14 resultierenden Transformationsgliedes wird. In entsprechender Weise sind
die Abstände zwischen den Halterungsteilen 15 und 18 der zweiten Vierergruppe gewählt.
Der Abstand zwischen dem letzten Halterungselement 14 der ersten
'
Vierergruppe und dem ersten Halterungselement 15 der zweiten Vierergruppe- kann
wieder beliebig groß gewählt werden, wenn die Kompensation der durch die Halterungsteile
hervorgerufenen Impedanzänderung nur für die beiden angegebenen Betriebswellenlängen
14 cm und 16 cm erwünscht ist. Durch Zusammenfassen der beiden Vierergruppen zu
einer Achtergruppe kann bei entsprechender Bemessung des Abstandes zwischen dem
vierten und fünften Halterungsteil der Achtergruppe die Kompensation der durch die
Halterungsteile hervorgerufenen Impedanzänderung der Doppelleitung auch noch für
eine dritte Wellenlänge, z. B. für 12 cm oder für A, = 18 cm oder für # = 15 cm,
erzielt werden. Die Achtergruppe, nochmals wiederholt, könnte schließlich für eine
vierte Betriebswellenlänge die Kompensation der Impedanzänderung schaffen: Bei.
Verwendung einer sehr langen Übertragungsleitung; bei der also an sich eine größere
Anzahl von Halterungsteilen erforderlich ist, kann auf diese Weise für einen verhältnismäßig
großen Wellenlängen- bz w. Frequenzbereich eine vollständige Kompensation der durch
die Halte rungsteile bedingten Impedanzänderung der Doppelleitung erzielt werden.
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Es ist an dieser Stelle noch darauf hinzuweisen, daß, da die Überträgüngszahl.
eines, einzigen Haltetangsteiles bei Verwendung üblicher keramischer Werkstoffe
an sich klein ist, die Kompensation der Impedanzänderung der Doppelleitung jeweils
nicht nur für die Wellenlänge @1 = 14 cm bzw. für die Wellenlängen 2, = 14 cm und
A, = 16 cm usw. auftritt, sondern daß die Kompensation auch für Wellenlängen vorhanden
ist, die den angegebenen Wellenlängen unmittelbar benachbart sind. Wenn beispielsweise
die Anordnung so getroffen ist, daß die Kompensation der Impedanz-_ änderung mathematisch
exakt für die Wellenlängen A, = 14 cm und A. = 16 cm vorhanden ist, dann tritt auch
praktisch die Kompensation der Impedanzänderüng in dem zwischen A, = 14 cm und ,1
= 16 cm sich erstreckenden Wellenbereich ein.
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Abb. q: zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die an
einer Übergangsstelle von einer Hohlrohrleitung ohne Innenleiter in eine konzentrische
Leitung mit Innenleiter auftretende Impedanzänderung beseitigt ist. Mit i9 ist der
Innenleiter und mit 2o der Außenleiter der konzentrischen Doppelleitung und mit
21 die Hohlrohrleitung bezeichnet. Bei 22 geht die konzentrische Leitung i9, 2o
in die Hohlrohrleitung über. Diese Übergangsstelle 27, kann, wie an anderer Seite
ausgeführt ist, unter Hinzunahme geeignet lang bemessener Leitungsabschnitte ebenfalls
als ein Transformator mit einem reellen Übersetzungsverhältnis betrachtet werden.
An sich wird man bemüht sein, das Übersetzungsverhältnis dieses Transformationsgliedes
möglichst so zu wählen, daß sich z. B. bei laufender Welle auf der Doppelleitung
auch eine laufende Welle auf der Hohlrohrleitung ergibt und umgekehrt. Wenn dieses
Bemühen aber nicht gelingt, dann kann die Störung der Übergangsstelle gemäß der
Erfindung z. B. durch eine in die Doppelleitung ig, 2o eingeschaltete Isolierstoffscheibe
23 kompensiert werden, deren Abstand von der Übergangsstelle 22 und deren Übertragungszahl
so gewählt sind, daß für den Fall gleichen Wellenwiderstandes für beide Leitungen
das aus der Übergangsstelle 22 und der Isolierstoff scheibe 23 resultierende Transformätionsglied
diE Übertragungszahl x besitzt.
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Durch Einschaltung der Isoherstoffscheibe 23 ist diE Störung nur für
eine Frequenz bzw. für einen kleinerer Frequenzbereich beseitigt: Für eine andere
Frequent wird die Hintereinanderschaltung der ÜbergangsstellE 22 und des Halterungsteiles
23 eine von i abweichendE Übertragungszahl aufweisen. Durch Einschaltung zweier
weiterer Transförmationsglieder, z. B. zweier Isolierstöffscheiben 24, 25 in die
Doppelleitung ig, 2o, in der an Hand der Abb. 3 erläuterten Weise, kann die Störung
auch für eine zweite Frequenz kompensiert werden.
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Selbstverständlich könnten bei diesem Ausführungsbeispiel die Isolierstoffscheiben
23, 2q., 25 auch in die Hohlrohrleitung 21 eingeschaltet werden, die aber für die
Doppelleitung i9, 2o an sich schon Halterungsteile zur Kompensation der an der Übergangsstelle
22 auftretenden Impedanzänderung benutzen und- ihren Abstand dementsprechend bemessen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 5 ist das Hälterungsteil 32,
welches beispielsweise aus zwei gekreuzten Keramikstiften bestehen mag und zur:gegenseitigen,
Abstützung der Leiter. 30, 31 -dient, in derartigem Abstand von der Knickstelle
33 der Leitung 30"31 angeordnet, 'daß die: aus der Hintereinanderschaltung von Störstelle
33 und Halterungsteil 32 resultierende Übertragungszahl für die vorgegebene Betriebswellenlänge
gleich i wird. Durch Hinzunahme weiterer Halterungsteile kann der störende Einfluß
der Knickstelle 33 für weitere Wellenlängen beseitigt werden. Dabei ist es belanglos,
ob diese weiteren Halterungsteile vor oder hinter der Knickstelle in geeignet bemessenem
Abstand vorgesehen werden.
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Abb. 6 zeigt schließlich die Anwendung der Erfindung auf eine konzentrische
Doppelleitung, bei der die Störwirkung der zur Halterung der Leiter 26 und 27 dienenden
Halterungsscheiben, z. B. Isolierstöffscheiben 28 und 29, durch entsprechendes Eindrehen
des Innenleiters 26 der Doppelleitung bereits weitgehend kompensiert ist. Da die
Gesamtlängenausdehnung der kompensierten Störung der Halterungsteile 28, 29 im Vergleich
zur Wellenlänge kürzer ist als bei den Anordnungen nach den Abb. 2 bis 4; ist die
Frequenzäbhängigkeit dieser kompensierten Störstelle geringer.. Für eine größere
Frequenzabweichung der Betriebswellenlänge von ihrem Sollwert wird aber auch hier
das Übersetzungsverhältnis eines einzelnen Halterungsteiles 28 oder 29 merklich
von i abweichen. Entsprechend den Anordnungen nach den Abb.3 und 4 kann auch hier
durch Bemessung des Abstandes der beiden Halterungsscheiben 28 und z9 voneinander
die Kompensation der durch die Halterungsscheiben hervorgerufenen Impedanzänderung
auch für eine zweite Frequenz bzw. für einen größeren Frequenzbereich erzielt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Anordnungen
beschränkt. Die Erfindung kann auch, worauf bereits eingangs hingewiesen ist, zur
Kompensation andersartiger, beliebig große Ausdehnungen aufweisender Störstellen
benützt werden. Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung
stellt
jedoch die Kompensation der Impedanzänderung dar, die bei Übertragungsleitungen
für Dezimeter- und Zentimeterwellen einmal durch die Halterungsteile für deren Leiter
und zum anderen durch Biegungen oder Knicke der Leitungen hervorgerufen werden.
Im besonderen kann die Erfindung auch beim Aufbau von Kabeln, insbesondere Fernsehkabeln
und anderen Verwendungszwecken dienenden Breitbandkabeln Verwendung finden.