EP1540761B1 - Hohlleiterfilter - Google Patents
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- H01P1/208—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure
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- H01P1/201—Filters for transverse electromagnetic waves
- H01P1/203—Strip line filters
Definitions
- the invention relates to a waveguide filter according to claim 1.
- Waveguide filters are common components in micro and millimeter wave technology. This type of filter usually has relatively high resonator qualities and low electrical tolerances for the passband and stopband. Waveguide filters are characterized by high blocking attenuation and low transmission loss. Waveguide filters are preferably used where, due to high demands on the electrical tolerance accuracy and quality, the use of planar filters is no longer possible.
- the arrangement comprises a carrier plate having a first and second substrate surface, each having a coupling terminal and an electrically conductive plate.
- a hood arranged over the carrier plate forms with the electrically conductive plate a hollow chamber which acts as a cavity resonator.
- the resonant cavity acts as a high-pass filter, whereby only those frequencies are existent capable of propagation which are greater than a cutoff frequency determined by the geometrical dimensions of the cavity resonator.
- a filter is off US 6,236,291 B1 known.
- a housing is arranged, which forms a cavity with the upper side of the substrate.
- a dielectric plate is arranged, which acts as a dielectric filter.
- FIG. 1 another possible arrangement is shown.
- the illustration shows the integration of a waveguide filter in a planar circuit according to the prior art.
- the arrangement comprises a substrate S having on the top a first Stripline ML1 and a second stripline ML2, for example, has a microstrip line.
- the first strip line ML1 serves to couple the transported electromagnetic wave into the waveguide filter HF
- the second strip line ML2 serves to decouple the wave from the waveguide filter HF.
- coupling and decoupling points are provided at both ends of the filter in order to convert the signal from the mode propagatable on the stripline into the waveguide mode propagatable in the filter, and vice versa.
- the strip lines ML1, ML2 each end below a screen cap SC, which serves to prevent radiation of the electromagnetic wave in the environment.
- a back-side metallization RM which has an opening DB in the area of the umbrella cap.
- a metallic carrier plate TP is arranged, which also has an interruption DB in the region of the umbrella cap, so that the two openings in the rear-side metallization of the substrate and the carrier plate TP are aligned with one another.
- the waveguide filter HF is screwed, wherein the openings of the waveguide filter are each connected to the openings DB.
- An electromagnetic wave passes from the first stripline ML1 through the substrate S and the aperture DB into the waveguide filter HF. From the waveguide filter HF, the electromagnetic wave then passes through the openings DB to the second stripline ML2.
- a disadvantage of integrating a conventional waveguide filter into a stripline environment is the associated high cost, which heretofore prevents widespread use of this principle. Cost drivers at this point are the high number of manufacturing steps and components and the necessary assembly of components on the front and back of the substrate.
- the waveguide transition requires a precisely manufactured mechanically accurately positioned shield cap SC.
- the metallizations on the substrate S must be patterned on both sides with a small offset between the conductor patterns on top and bottom.
- the opening DB in the carrier plate is to be produced in an additional manufacturing step.
- the substrate S is conductive and positionally accurate to connect to the support plate TP.
- a to be produced as a separate component canopy is conductive and accurate position on the substrate S applied.
- the waveguide filter HF usually consists of two separately produced parts (waveguide filter lower part with three side walls of the waveguide filter and cover part as the fourth side wall of the waveguide filter) which must be joined first. Afterwards, the attached filter has to be fixed exactly to the bottom of the carrier plate.
- the waveguide filter usually comprises several components (screen cap, carrier plate, waveguide filter) and that this type of implementation has a high space requirement.
- a waveguide filter is eg also off JP 2002 111312 A , as the closest prior art, or from Kinayman et al. "A novel surface-mount millimeter-wave bandpass filter" IEEE Microwave and Wireless Components Letters, IEEE Service Center, Piscatawa, NJ, US, Vol. 12, No. 3, March 2002, pages 76-78 known.
- US 2,463,472 describes a cavity resonator mounted on a crystal plate. The connection between the resonator and the plate takes place by means of a web on the resonator.
- EP 0 500 949 A1 describes an arrangement of a cylindrical waveguide.
- the waveguide is formed of a metal body having a cylindrical bore and a shorting plate covering the borehole.
- the metal body has a ridge which runs concentrically around the borehole.
- the waveguide filter according to the invention consists essentially of a single, simple and inexpensive to manufacture component, which is applied to the top of a corresponding prestructured substrate.
- the waveguide filter is not formed by the component or the substrate itself, but only by the inventive arrangement of the two elements to each other.
- the component can advantageously be designed as an SMD (surface mounted device) component.
- SMD surface mounted device
- a plurality of the components used on a printed circuit board are SMD components.
- the SMD component of the waveguide filter according to the invention can be suitably included in the manufacturing process.
- the assembly of the assembly can be carried out from only one side. This results in further advantages in terms of manufacturing costs and time.
- the component also referred to as the filter top, advantageously has a conductive surface and may be made of metal or metallized plastic, for example, with the latter resulting in further advantages in terms of manufacturing costs and weight.
- the filter top is advantageously conductively connected to the substrate, in particular the filter top is soldered to the substrate or adhesively bonded.
- the filter top part has a structure on the side wall opposite the top side of the substrate (that is, the side of the substrate to which the filter top part is fastened).
- This structure can be predetermined depending on the desired filter properties of the waveguide filter.
- the cross section of the waveguide filter is advantageous to choose according to the high-frequency signal to be filtered.
- Fig. 2 shows in plan view the filter top with structured inner surface.
- the filter top FB has at its opposite ends in each case an opening OZ, through which the microstrip lines (see. Fig. 4 and Fig. 5 ) are guided in the waveguide filter.
- the filter top FB is substantially U-shaped (see. Fig. 3 ) and has a structure SK on the inside.
- the structure SK is advantageously selected according to the desired filter properties of the waveguide filter.
- the filter upper part FB according to the invention has a peripheral web ST ( Fig. 2 and Fig. 3 ).
- This web ST sits on the waveguide filter directly on the metallized top of the substrate (not shown).
- This web ST is expedient adapted for the respective, used, joining method.
- the conductive solder or the conductive adhesive can be distributed, thus ensuring an optimal connection.
- the web ST can be suitably adapted so that, for example, in the joining process "soldering" the solder surface occurring surface voltages are used to the fact that the component FB during the soldering process exactly on the in Fig. 4 positioned shown metallically structured layer.
- Fig. 3 shows along the section AA 'according to Fig. 2 a sectional view of the filter top.
- the substantially U-shaped filter top FB is shown with the internal structure SK.
- the structure SK is shown here only as an example. Of course, other structural forms are possible depending on the application.
- Fig. 4 shows in plan view, the metallized top of the substrate, on which the filter top to form the waveguide filter according to the invention can be placed.
- the strip lines are denoted by ML1, ML2 and the metallization by TM, which forms a wall of the waveguide filter in the arrangement according to the invention.
- the strip lines ML1, ML2 can be, for example, microstrip lines and serve for coupling and decoupling the electromagnetic waves into the waveguide filter.
- Fig. 5 shows in sectional view along the section line BB 'from Fig. 2 and Fig. 4 the inventive arrangement for a waveguide filter.
- the waveguide filter HF is formed by the fact that in Fig. 2 shown filter top FB fit on the in Fig. 4 illustrated metallized top surface TM of the substrate S is applied.
- the strip lines ML1, ML2 executed on the upper side of the substrate S lead from the outside into the inner region of the waveguide filter HF.
- the metallization TM on the upper side of the substrate S forms the fourth wall of the waveguide filter HF according to the invention.
- the other side walls (not shown) of the waveguide filter HF are formed by the filter top FB.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Hohlleiterfilter gemäß Patentanspruch 1.
- Hohlleiterfilter sind gängige Bauelemente in der Mikro- und Millimeterwellentechnik. Dieser Filtertyp besitzt üblicherweise relativ hohe Resonatorgüten und geringe elektrische Toleranzen für den Durchlass- und Sperrbereich. Hohlleiterfilter zeichnen sich durch hohe Sperrdämpfungen und geringe Durchgangsdämpfung aus. Hohlleiterfilter werden vorzugsweise dort eingesetzt, wo aufgrund hoher Anforderungen an die elektrische Toleranzgenauigkeit und Güte die Verwendung planarer Filter nicht mehr möglich ist.
- Aus
DE 197 57 892 A1 ist eine Anordnung zur frequenzselektiven Unterdrückung von Hochfrequenzsignalen bekannt. Die Anordnung umfaßt dabei eine Trägerplatte mit einer ersten und zweiten Substratfläche mit jeweils einem Koppelanschluß sowie mit einer elektrisch leitfähigen Platte. Eine über die Trägerplatte angeordnete Haube bildet mit der elektrisch leitfähigen Platte eine Hohlkammer, welche als Hohlraumresonator wirkt. Der Hohlraumresonator wirkt als Hochpaß, wodurch nur solche Frequenzen ausbreitungsfähig existent sind, welche größer als eine durch die geometrischen Abmessungen des Hohlraumresonators bestimmte Grenzfrequenz sind. - Ein weiteres bekanntes Filter ist aus
US 6,236,291 B1 bekannt. Auf der Oberseite eines auf der Unterseite komplett metallisch beschichteten Substrats ist ein Gehäuse angeordnet, welches mit der Oberseite des Substrats einen Hohlraum bildet. In diesem Hohlraum ist eine dielektrische Platte angeordnet, welche als dielektrisches Filter wirkt. - In
Fig. 1 ist eine weitere mögliche Anordnung dargestellt. Die Darstellung zeigt die Integration eines Hohlleiterfilters in eine planare Schaltung gemäß dem Stand der Technik. Die Anordnung umfaßt ein Substrat S, das auf der Oberseite eine erste Streifenleitung ML1 und eine zweite Streifenleitung ML2, z.B. eine Mikrostreifenleitung aufweist. Die erste Streifenleitung ML1 dient dabei der Einkopplung der transportierten elektromagnetischen Welle in das Hohlleiterfilter HF und die zweite Streifenleitung ML2 dient der Auskopplung der Welle aus dem Hohlleiterfilter HF. Zur Ein-/Auskopplung des Signals von der Streifenleitung sind an beiden Enden des Filters Ein- und Auskoppelstellen vorhanden, um das Signal von der auf der Streifenleitung ausbreitungsfähigen Mode in die in dem Filter ausbreitungsfähige Hohlleitermode zu überführen und umgekehrt. - Diese Koppelstellen werden an beiden Enden des Filters aus den Streifenleitungen ML1, ML2, dem Substrat S, der Schirmkappe SC, den Durchkontaktierungen (Via-Holes) VH, der Rückseitenmasse RM und der Trägerplatte TP mit der Durchbrechung DB gebildet.
- Die Streifenleitungen ML1, ML2 enden jeweils unterhalb einer Schirmkappe SC, welche dazu dient, eine Abstrahlung der elektromagnetischen Welle in die Umgebung zu verhindern. Auf der Unterseite des Substrats S befindet sich eine Rückseitenmetallisierung RM, welche im Bereich der Schirmkappe eine Durchbrechung DB aufweist. An der Unterseite des Substrats ist eine metallische Trägerplatte TP angeordnet, welche im Bereich der Schirmkappe ebenfalls eine Unterbrechung DB aufweist, so dass die beiden Durchbrechungen in der Rückseitenmetallisierung des Substrats und der Trägerplatte TP miteinander fluchten. Auf diese Trägerplatte TP ist das Hohlleiterfilter HF aufgeschraubt, wobei die Öffnungen des Hohlleiterfilters jeweils mit den Durchbrechungen DB verbunden sind.
- Eine elektromagnetische Welle gelangt von der ersten Streifenleitung ML1 durch das Substrat S und die Durchbrechung DB in das Hohlleiterfilter HF. Vom Hohlleiterfilter HF gelangt die elektromagnetische Welle dann durch die Durchbrechungen DB zu der zweiten Streifenleitung ML2.
- Ein Nachteil bei der Integration eines herkömmlichen Hohlleiterfilters in eine Streifenleitungsumgebung (z.B. in gedruckten Schaltungen oder Leiterkarten) sind die damit verbundenen hohen Kosten, die bisher eine breite Anwendung dieses Prinzips verhindern. Kostentreiber an dieser Stelle sind die hohe Anzahl an Fertigungsschritten und Komponenten und die notwendige Montage von Bauteilen auf Vorder- und Rückseite des Substrats.
- Der Hohlleiterübergang erfordert eine präzise gefertigte mechanisch genau positionierte Schirmkappe SC. Die Metallisierungen auf dem Substrat S müssen beidseitig mit einem geringen Versatz zwischen den Leiterbahnbildern auf Unter- und Oberseite strukturiert werden. Die Durchbrechung DB in der Trägerplatte ist in einem zusätzlichen Fertigungsschritt herzustellen. Das Substrat S ist leitfähig und positionsgenau mit der Trägerplatte TP zu verbinden. Eine als separates Bauteil herzustellende Schirmkappe ist leitfähig und positionsgenau auf das Substrat S aufzubringen.
- Das Hohlleiterfilter HF besteht üblicherweise aus zwei separat herzustellenden Teilen (Hohlleiterfilterunterteil mit drei Seitenwänden des Hohlleiterfilters und Deckelteil als vierte Seitenwand des Hohlleiterfilters) die zunächst gefügt werden müssen. Anschließend muss das gefügte Filter positionsgenau an der Unterseite der Trägerplatte befestigt werden.
- Weitere Nachteile ergeben sich daraus, dass das Hohlleiterfilter üblicherweise mehrere Bauteile (Schirmkappe, Trägerplatte, Hohlleiterfilter) umfasst und dass diese Art der Implementierung einen hohen Raumbedarf aufweist.
- Ein Hohlleiterfilter ist z.B. auch aus
JP 2002 111312 A -
US 2,463,472 beschreibt einen Hohlraumresonator, welcher auf eine Kristalplatte aufgebracht ist. Die Verbindung zwischen dem Resonator und der Platte erfolgt mittels eines Steges am Resonator. -
EP 0 500 949 A1 beschreibt eine Anordnung eines zylindrischen Hohlleiters. Der Hohlleiter ist gebildet aus einem Metallkörper mit einem zylindrischen Bohrloch und einer Kurzschlussplatte, welche das Bohrloch abdeckt. Der Metallkörper weist einen Steg auf, welcher konzentrisch um das Bohrloch verläuft. - Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Hohlleiterfilter zu schaffen, welches einfach, kostengünstig, raumsparend und mit einer guten elektrischen Verbindung an eine Leiterplatte adaptiert werden kann.
- Diese Aufgabe wird mit dem Hohlleiterfilter gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Hohlleiterfilters sind Gegenstand von Unteransprüchen.
- Ein Vorteil der Erfindung ist, dass das erfindungsgemäße Hohlleiterfilter im Wesentlichen aus einem einzigen, einfach und kostengünstig herzustellenden Bauteil besteht, welches auf der Oberseite eines entsprechend vorstrukturierten Substrats aufgebracht ist. Das Hohlleiterfilter wird dabei nicht durch das Bauteil oder das Substrat an sich gebildet, sondern erst durch die erfindungsgemäße Anordnung beider Elemente zueinander.
- Das Bauteil kann vorteilhaft als SMD-(surface mounted device)-Bauteil ausgeführt sein. Üblicherweise sind eine Vielzahl der auf einer Leiterkarte verwendeten Bauteile SMD-Bauteile. Das erfindungsgemäße SMD-Bauteil des Hohlleiterfilters kann zweckmäßig in den Fertigungsprozess einbezogen werden. Die Montage der Baugruppe kann von nur einer Seite aus durchgeführt werden. Hierdurch entstehen weitere Vorteile hinsichtlich Fertigungskosten- und zeit.
- Das Bauteil, auch als Filteroberteil bezeichnet, besitzt vorteilhaft eine leitfähige Oberfläche und kann z.B. aus Metall oder metallisiertem Kunststoff hergestellt sein, wobei bei letzterem weitere Vorteile hinsichtlich Herstellungskosten und Gewicht entstehen.
- Das Filteroberteil ist mit dem Substrat vorteilhaft leitend verbunden, insbesondere ist das Filteroberteil mit dem Substrat verlötet oder leitend verklebt.
- In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist das Filteroberteil auf der, der Oberseite des Substrats (also der Seite des Substrat, an der das Filteroberteil befestigt ist) gegenüberliegenden Seitenwand eine Struktur auf. Diese Struktur ist dabei je nach den gewünschten Filtereigenschaften des Hohlleiterfilters vorgebbar. Der Querschnitt des Hohlleiterfilters ist vorteilhaft entsprechend des zu filternden Hochfrequenzsignals zu wählen.
- Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungen werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen an ein Substrat angebrachten Hohlleiterfilter gemäß dem Stand der Technik,
- Fig. 2
- in Draufsicht das Filteroberteil mit strukturierter Innenoberfläche eines Hohlleiterfilters gemäss der Erfindung
- Fig. 3
- im Längsschnitt das Filteroberteil entlang der Schnittline A-A' gemäß
Fig. 2 - Fig. 4
- in Draufsicht die metallisierte Schicht auf der Oberseite des Substrats,
- Fig. 5
- einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung eines Hohlleiterfilters umfassend Substrat und Filteroberteil entlang der Schnittlinie B-B' gemäß
Fig. 2 undFig. 4 . -
Fig. 2 zeigt in Draufsicht das Filteroberteil mit strukturierter Innenoberfläche. Das Filteroberteil FB weist an seinen gegenüberliegenden Enden jeweils eine Öffnung OZ auf, durch welche die Mikrostreifenleitungen (vgl.Fig. 4 undFig. 5 ) in das Hohlleiterfilter geführt werden. Das Filteroberteil FB ist im Wesentlichen u-förmig (vgl.Fig. 3 ) und weist im Innern eine Struktur SK auf. Die Struktur SK ist dabei vorteilhaft entsprechend der gewünschten Filtereigenschaften des Hohlleiterfilters gewählt. - Durch Fertigungsverfahren wie Fräsen oder Kunststoffspritzguß ist es möglich, mechanisch sehr genaue Strukturen SK zu erzeugens, so dass das Hohlleiterfilter entsprechend auch elektrisch nur geringe Toleranzen für die Einkopplung und die Filterfunktion aufweist.
- Darüber hinaus weist das Filteroberteil FB erfindungsgemäß einen umlaufenden Steg ST auf (
Fig. 2 undFig. 3 ). Dieser Steg ST sitzt beim Hohlleiterfilter direkt auf der metallisierten Oberseite des Substrats auf (nicht dargestellt). Dieser Steg ST ist zweckmäßig für das jeweilige, zum Einsatz kommende, Fügeverfahren angepaßt. In dem Zwischenraum, der sich beim Zusammenführen zwischen dem Filteroberteil und dem Substrat ergibt, kann sich das leitfähige Lot oder der leitfähige Kleber verteilen und so eine optimale Verbindung gewährleisten. - Der Steg ST kann zweckmäßig so angepaßt werden, dass z.B. bei dem Fügeverfahren "Löten" die beim Lötvorgang auftretenden Lot-Oberflächenspannungen dazu ausgenutzt werden, dass sich das Bauteil FB während des Lötvorgangs exakt auf der in
Fig. 4 dargestellten metallisch strukturierten Schicht positioniert. -
Fig. 3 zeigt entlang der Schnittlinie A-A' gemäßFig. 2 eine Schnittdarstellung des Filteroberteils. In der Darstellung ist das im wesentlich u-förmige Filteroberteil FB mit der innenliegenden Struktur SK gezeigt. Die Struktur SK ist hierbei lediglich beispielhaft dargestellt. Es sind je nach Anwendungsfall selbstverständlich auch andere Strukturformen möglich. -
Fig. 4 zeigt in Draufsicht die metallisierte Oberseite des Substrats, auf welches das Filteroberteil zur Bildung des erfindungsgemäßen Hohlleiterfilters aufsetzbar ist. Dabei sind mit ML1, ML2 die Streifenleitungen und mit TM die Metallisierung bezeichnet, die in der erfindungsgemäßen Anordnung eine Wand des Hohlleiterfilters bildet. Die Streifenleitungen ML1, ML2 können z.B. Mikrostreifenleitungen sein und dienen der Ein- und Auskopplung der elektromagnetischen Wellen in das Hohlleiterfilter. -
Fig. 5 zeigt in Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie B-B' ausFig. 2 undFig. 4 die erfindungsgemäße Anordnung für ein Hohlleiterfilter. Das Hohlleiterfilter HF wird dadurch gebildet, dass das inFig. 2 dargestellte Filteroberteil FB passgenau auf die inFig. 4 dargestellte metallisierte Oberseite TM des Substrats S aufgebracht ist. - Die auf der Oberseite des Substrats S ausgeführte Streifenleitungen ML1, ML2 führen von außen in den Innenbereich des Hohlleiterfilters HF. Die Metallisierung TM auf der Oberseite des Substrats S bildet die erfindungsgemäße vierte Wand des Hohlleiterfilters HF. Die anderen Seitenwände (nicht dargestellt) des Hohlleiterfilters HF werden durch das Filteroberteil FB gebildet.
Claims (8)
- Hohlleiterfilter gebildet aus einem Substrat (S), welches auf der Oberseite eine strukturierte metallische Schicht (TM) mit einer oder mehreren metallischen Streifenleitungen (ML1, ML2) zur Führung elektromagnetischer Wellen aufweist,
wobei die Struktur der strukturierten metallischen Schicht nach den gewünschten Filtereigenschaften des Hohlleiterfilters vorgebbar ist
und einem Bauteil (FB),
wobei das Bauteil (FB) auf der Oberseite des Substrat (S) aufgebracht ist und wobei eine Seitenwand des Hohlleiterfilters durch die strukturierte metallische Schicht (TM) des Substrats (S) und die übrigen Seitenwände des Hohlleiterfilters durch die zum Substrat (S) zugewandte Innenoberfläche des Bauteils (FB) gebildet werden,
wobei das Hohlleiterfilter Ein- und Auskoppelstellen zur Kopplung der in den Streifenleitungen (ML1, ML2) geführten elektromagnetischen Welle in das Hohlleiterfilter und umgekehrt aufweist und
wobei die auf der Oberseite des Substrats (S) liegende Seitenwand des Bauteils (FB) eine Struktur (SK) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass, das Bauteil (FB) einen, entlang der für die entsprechenden Filtereigenschaften vorgebbaren Struktur (SK) verlaufenden Steg (ST) aufweist, welcher auf der strukturierten metallischen Schicht (TM) auf der Oberseite des Substrats (S) aufliegt und welcher eine Erhöhung der Innenränder der Struktur (SK) des Bauteils (FB) darstellt. - Hohlleiterfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (FB) ein SMD-Bauteil ist.
- Hohlleiterfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Bauteils (FB) entsprechend der vorgebbaren Filtereigenschaften des Hohlleiterfilters (HF) gewählt ist.
- Hohlleiterfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine auf der Oberseite des Substrats vorhandene Streifenleitung (ML1, ML2) in das Hohlleiterfilter hineinragt.
- Hohlleiterfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (S) auf der Unterseite eine Rückseitenmetallisierung (RM) aufweist.
- Hohlleiterfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (FB) und das Substrat (S) leitend verbunden, insbesondere verlötet oder leitend verklebt sind.
- Hohlleiterfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (FB) eine leitfähige Oberfläche aufweist.
- Verwendung eines Hohlleiterfilters nach einem der vorangehenden Ansprüche in einer Sende-/Empfangsanordnung einer Kommunikations- und/oder Radaranwendung
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