DE2754302A1

DE2754302A1 - Rauscharmer mikrowellenverstaerker

Info

Publication number: DE2754302A1
Application number: DE19772754302
Authority: DE
Inventors: Clarence Burke Swan
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1976-12-06
Filing date: 1977-12-06
Publication date: 1978-06-08
Also published as: ES464799A1; GB1547110A; CA1086837A; JPS5370745A; NL7713150A; JPS5520403B2; US4056785A; DE2754302B2; SE425534B; SE7713307L; FR2373188B1; IT1091220B; AU3118377A; AU514769B2; BE861440A; DE2754302C3; FR2373188A1

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenverstärkerschaltung mit einem Eingangsabschnitt für den Empfang eines Eingangssignals, einem Ausgangsabschnitt zur Abgabe eines Ausgangssignals, einem Eingangsmikrowellenzirkulator, der in Umlaufrichtung ein mit dem Eingangsabschnitt gekoppeltes erstes Tor, ein zweites Tor und ein drittes Tor aufweist, einem Ausgangsmikrowellenkoppler mit wenigstens einem ersten, zweiten und dritten Tor, und einer Verstärkerstufe mit einem Eingangsanschluß, der mit einem Tor des Eingangsmikrowellenzirkulators gekoppelt ist, und mit einem Ausgangsanschluß, der mit dem ersten Tor des Ausgangsmikrowellenkopplers gekoppelt ist.

Eine bekannte Mikrowellenverstärkerschaltung ist in der US-PS 3 857 106 beschrieben, bei der ein Eingangssignal mittels eines Quadraturhybridkopplers in zwei Komponenten aufgeteilt wird. Die erste dieser Komponenten wird über einen Zirkulator dem Eingangstor einer Transistorverstärkerstufe zugeführt. Die zweite Komponente wird über einen zweiten Zirkulator zum Ausgangstor der Verstärkerstufe geführt. Eine Viertor-Blindwiderstandsschaltung faßt die am Eingangs- und am

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Ausgangstor der Verstärkerstufe erzeugten Streu- oder Einzel/iwellen zusammen und liefert ein verstärktes Ausgangssignal. Die Verfügbarkeit rauscharmer Mikrowellentransistoren, wie Galliumarsenid-Feldeffekttransistoren (GaAs-FET's) sollte die Verwirklichung eines rausch- und verzerrungsarmen Verstärkers möglich machen. Die Verwendung eines einzigen GaAs-FET-Verstärkers, der mehreren Funkkanälen gemeinsam ist, bringt Zuverlässigkeitsanforderungen wesentlicher Wichtigkeit mit sich. Einerseits würde ein Ausfall des Verstärkungstransistors unannehmbare Signalverluste für mehrere Kanäle bewirken. Andererseits würde der Verstärkungstransistor bei einem Energieausfall einen zu einem totalen Betriebsautfall führenden hohen Übertragungsverlust aufweisen, wenn er als gemeinschaftlicher Verstärker in einer Vielkanal-Funkanlage verwendet wird. Bei dieser bekannten Anordnung sind diese Zuverlässigkeitsanforderungen durch einfache und wirtschaftliche Mittel nicht erfüllt und können auch nicht erfüllt werden, überdies führt eine Verdopplung der Verstärkerstufenzahl zur Lösung des Zuverlässigkeitsproblems zu einer voluminösen, komplexen und teuren Verstärkerschaltung.

In der US-PS 3 789 314 ist eine weitere bekannte Mikrowellenverstärkeranordnung beschrieben, bei der eine Signalquelle mittels zweier parallelverbundener Vellenwege mit einer Anpassungsausgangsschaltung verbunden sind. Einer der Vellen-

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wege ist ein verlustarmer passiver Wellenweg, während der andere Wellenweg ein oder mehrere aktive Elemente umfaßt. Diese bekannte Anordnung befaßt sich hauptsächlich damit, einen Teil des Eingangssignals, der zuvor in Anpassungsabschlußimpedanzen vernichtet worden ist, zu erhalten. Diese bekannte Anordnung erfüllt die beiden oben erwähnten Zuverlässigkeitsanforderungen nicht, d. h., annehmbare Ausgangssignale beim Ausfall entweder der Verstärkerstufe oder der Energieversorgung. Ferner führt eine empfohlene Parallelkopplung zweier Verstärkerstufen zu Nachteilen ähnlich Jenem, der zuvor in Verbindung mit der ersten bekannten Anordnung erläutert worden ist.

Eine Hochfrequenzschutzschaltung für Verstärker und andere aktive Schaltungen, die Übertragungsverluste bei Energieversorgungsausfällen reduziert, ist in der US-PS 3 992 669 beschrieben. Die bekannte Schutzschaltung umfaßt einen Eingangszirkulator, einen Ausgangszirkulator, eine Verstärkerstufe und eine aktive Nebenschlußanordnung mit einer Energieausfall-Fühlereinrichtung wie einer PIN-Diode. Beide, nämlich die Verstärkerstufe und die PIN-Diode, werden von der selben Energiequelle gespeist. Im Normalbetrieb, d. h., ohne Energieversorgungsausfall, wird ein Eingangssignal an der Diode reflektiert und zum Eingangsanschluß der Verstär-

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kerstufe zurückgeschickt. Am Verstärkerstufenausgangsanschluß erscheint ein verstärktes Signal. Dieses verstärkte Signal wird dann mit Hilfe des Ausgangszirkulators zur PIN-Diode gekoppelt. Das verstärkte Signal wird von der Diode reflektiert und zum Ausgangszirkulator zurückgeschickt. Damit sind unter Normalbedingungen sowohl der Verstärkerstufenweg als auch die aktive Nebenschlußanordnung in die Schaltung eingefügt. Im Ausfallzustand, der in dieser Druckschrift nur als Energieversorgungsausfall definiert ist, koppelt die PIN-Diode die Eingangssignale zum Ausgang der Schaltung. Aufgrund der Umlaufrichtung des Eingangszirkulators arbeitet die bekannte Schutzschaltung jedoch nicht und ist nutzlos, wenn Verstärkerstufenausfälle auftreten. Auch treten unter Normalschaltungsbedingungen unnötige Reflexionen des Eingangssignals auf der Eingangs- und der Ausgangsseite der PIN-Diode auf.

Eine Lösung der geschilderten Probleme besteht in einer Mikrowellenverstärkerschaltung der eingangs genannten Art, die erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch eine zwischen die dritten Tore von Eingangsmikrowellenzirkulator und Ausgangsmikrowellenkoppler gekoppelte passive Signalnebenschlußanordnung zur Verringerung der Übertragungsverluste der Verstärkerschaltung lediglich dann, wenn die Verstärker-

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stufe ohne Energie ist oder sich in einem anderen Ausfallzustand befindet.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, daß die Übertragungsverluste eines rauscharmen Mikrowellenverstärkers im energielosen oder ausgefallenen Zustand verringert werden.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die im energielosen Zustand vorhandenen niedrigen Eingangs- und Ausgangsrücklaufverluste besonders bei einem FET dazu benutzt werden, die Übertragungsverluste von rauschannen Mikrowellenverstärkern im energielosen oder ausgefallenen Zustand zu verringern.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß gute Eingangs- und Ausgangsanpassungen ungeachtet der Eingangsund Ausgangsanpassung der Verstärkerstufe sowohl unter normalen als auch unter Notfallbedingungen erreicht werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Verwirklichung eines einfachen, kompakten und wirtschaftlichen rauscharmen Mikrowellenverstärkers ohne das Erfordernis eines symmetrischen oder Gegentaktverstärkeraufbaus.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen;

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines rauscharmen Mikrowellenverstärkers entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform; und

Fig. 2 einen Querschnitt einer beispielsweisen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der Technologie integrierter Mikrowellenschaltungen (MIC).

Bei einer beispielsweisen AusfUhrungsform d?r Erfindung besitzt ein rauscharmer Mikrowellenverstärker einen Eingangsund einen Ausgangsmikrowellenzirkulator, die je ein erstes, zweites und drittes Tor aufweisen. Ein Eingangssignal wird auf das erste Tor des Eingangszirkulators gekoppelt, und vom zweiten Tor des Ausgangszirkulators wird ein Ausgangssignal abgenommen. Eine Verstärkerstufe ist zwischen das zweite Tor des Eingangszirkulators und das erste Tor des Ausgangszirkulators gekoppelt. Erfindungsgemäß ist eine Signalnebenschlußanordnung zwischen die dritten Tore von Eingangs- und Ausgangszirkulatoren gekoppelt, um Übertragungsverluste des Verstärkers im energielosen oder ausgefallen Zustand der Verstärkerstufe zu verringern.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die Signalnebenschlußanordnung eine passive nichtreziproke Vorrichtung, die verhindert, daß Ausgangssignale zum Eingangsteil des Verstärkers rückgekoppelt werden. Die nichtreziproke Vorrichtung kann eine Mikrowelleneinwegleitung sein, die beispielsweise einen Mikrowellenzirkulator aufweist, der an einem seiner Tore geeignet abgeschlossen ist. Bei einer solchen bevorzugten Ausführungsform ist die Verstärkerstufe ein einseitig geerdeter rauscharmer Verstärker unter Verwendung eines GaAs-FET oder eines ähnlichen Transistors.

Bei einer anderen beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung ist in die Nebenschlußanordnung ein Filter und/oder eine WeglängenJustierschaltung in Reihe mit der nichtreziproken Vorrichtung geschaltet, und zwar zur weiteren Einstellung der Phase irgendeines am Eingangstor der Verstärkerschaltung reflektierten Eingangssignals, bevor ein solches reflektiertes Signal auf den Ausgangszirkulator gekoppelt wird.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielsweisen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen rauscharmen Mikrowellenverstärkers. Der Verstärker besitzt einen Eingangszirkulator 1 mit einem ersten, zweiten und dritten Tor a, b bzw. c.

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Ein auf das Tor a gekoppeltes Eingangssignal erscheint entsprechend den bekannten Zirkulatortheorien am Tor b. Tor b des Zirkulators 1 ist mit einem Eingangsanschluß 3 einer Verstärkerstufe 2 gekoppelt. Ein Ausgangsanschluß 4 der Verstärkerstufe 2 ist mit dem ersten Tor a¹ eines Ausgangszirkulators 5 gekoppelt. Vom zweiten Tor b¹ des Ausgangszirkulators wird ein Ausgangssignal abgenommen. Somit wird ein dem Tor a zugeführtes Eingangssignal von der Stufe 2 verstärkt und am Tor b^f des Ausgangszirkulators 5 abgegeben. Bei herkömmlichen Mikrowellenverstärkerschaltungen würde ein Verlust der Gleichstromenergie in der Verstärkerstufe 2 oder ein Ausfall der aktiven Elemente in einer solchen Stufe zu einem wesentlichen Übertragungsverlust führen. Um einen solchen Verlust auf einen Wert unterhalb 10 dB zu verringern, ist erfindungsgemäß eine Signalnebenschlußanordnung zwischen den dritten Toren c und c¹ von Eingangs- und Ausgangszirkulator 1 bzw. 5 vorgesehen.

Gemäß Fig. 1 umfaßt eine beispielsweise Ausführungsform einer solchen Nebenschlußanordnung eine nichtreziproke Mikrowellenvorrichtung, beispielsweise eine Standard-Mikrowelleneinwegleitung 6. Letztere ist derart eingefügt, daß nur Signale vom Eingangszirkulator 1 zum dritten Tor c^f des Ausgangszirkulators 5 geleitet werden. Die Richtung des Pfeils in der

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Einwegleitung 6 zeigt die Richtung dieser Kopplung. Bei der beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Verstärkerstufe 2 einen einseitig oder einpolig geerdeten rauscharmen Verstärker, bei dem GaAs-FET's oder ähnliche aktive Mikrowellenvorrichtungen verwendet sind. Ein energieloser Zustand kann entweder von einem Ausfall der Gleichstromenergieversorgung der Verstärkerstufe 2 herrühren oder von einem Ausfall der aktiven Vorrichtungen in einer solchen Stufe. Es hat sich gezeigt, daß die Eingangsrücklauf- oder -Kflexionsverluste eines rauscharmen GaAs-FET-Verstärkers im energielosen oder ausgefallenen Zustand nur 1 bis 3 dB betragen. Wenn dem Tor a des Zirkulators 1 ein Eingangssignal zugeführt wird, wird dieses Signal über das Tor b zum Eingangsanschluß 3 der Verstärkerstufe übertragen. Da diese Verstärkerstufe sich jedoch in einem energielosen Zustand befindet, wird das Eingangssignal bei 3 reflektiert und zum Tor b des Zirkulators 1 zurückgeschickt. Aufgrund der Drehwirkung des Zirkulators 1 erscheint dieses reflektierte Signal am Tor c und wird über die Einwegleitung 6 zum Tor c¹ des Zirkulators 5 gekoppelt. Aufgrund der Drehwirkung des Zirkulators 5 wird das Signal von der Nebenschlußanordnung vom Tor a' zum Ausgangsanschluß 4 der Verstärkerstufe 2 gerichtet. Es zeigte sich, daß auch die Ausgangsrücklaufoder -reflexionsverluste eines rauscharmen GaAs-FET im energie-

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losen oder ausgefallenen Zustand nur 1 bis 3 dB betragen. Deshalb wird der Hauptteil des Nebenschlußsignals bei 4 reflektiert und zum Tor a* des Zirkulators 5 gerichtet. Dieses Äusgangsreflexionssignal erscheint daher am Ausgangstor b* des Zirkulators 5.

Bei der eben beschriebenen Anordnung sind die Gesamtübertragungsverluste aufgrund aller von Ausfällen herrührender Effekte von typischerweise 20 dB auf etwa 3 bis 8 dB verringert worden. Bei Funk- und Nachrichtensystemen» bei denen ein rauscharmer Verstärker gemeinschaftlich für mehrere Kanäle benutzt wird, ist ein Verlust im Größenbereich von 3 bis 8 dB ausreichend klein, um während eines Notfalls noch einen nichtunterbrochenen Betrieb aufrechtzuerhalten.

Zusätzlich zur Schaffung eines Notfallsignalweges können der Eingangs- und der Ausgangszirkulator 1 bzw. 5 der Fig. gute Eingangs- und Ausgangsanpassungen an die zugeordnete (nicht gezeigte) Eingangs- bzw. Ausgangsschaltungsanordnung sicherstellen, und zwar unbeachtet der Eingangs- und Ausgangsanpassung der Verstärkerstufe sowohl für den normalen als auch für den Notfallszustand.

Die beispielsweise Ausführungsform der Fig. 1 umfaßt lediglich einen Transistor und eliminiert die Notwendigkeit der

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Benutzung bekannter Hybridkoppler, die eine genaue und exakte Bearbeitung erfordern, um Abmessungstoleranzen einzuhalten. Erfindungsgemäß wird durch Verwendung einer Lösung mit einem einzigen Transistor eine wesentliche Wirtschaftlichkeit bezüglich Abmessungen, Komplexität und Kosten erreicht. Andere Standardschaltungselemente, wie ein Filter und/oder eine Weglängenjustiervorrichtung 6a, können in die Nebenschlußanordnung eingefügt werden, um die Phase der zum Tor c' des Ausgangszirkulators 5 gelieferten Signale zu ändern.

Eine spezielle, beispielsweise Verwirklichung eines erfindungsgemäßen rauscharmen Mikrowellenverstärkers in MIC-Form ist in Fig. 2 gezeigt. In dieser haben verschiedene Elemente die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1. Der rauscharme Verstärker ist in einem Metallgehäuse 7 mit einem Hohlleitereingangsabschnitt 8 und einem Hohlleiterausgangsabschnitt 9 untergebracht. Ein Eingangs- und ein Ausgangszirkulator 1 bzw. 5 besitzen Luft-Streifenleitung-Zirkulatoren, die mit dem Eingangs- und dem Ausgangshohlleiterabschnitt 8 bzw. 9 mittels Standard-Hohlleiter/Streifenleitung-Ubergangselementen 10 und 11 gekoppelt sind. Die Verstärkerstufe 2 besitzt einen einzigen GaAs-FET 12 zusammen mit zwei herkömmlichen Eingangs- und Ausgangsanpaßschaltungen 13 und 14 in Aluminiumoxidkeramik-Mikrostreifenleiterform. Der GaAs-FET 12 und die beiden Anpaßschaltungen 13 und 14 sind auf

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einer Metallträgerplatte 15 montiert, die vom Gehäuse mittels einer dünnen Folie aus dielektrischem Material isoliert ist. Letztere kann beispielsweise eine 76 Mikrometer dicke Folie aus im Handel erhältlichem Polyimid sein und dient dazu, eine (potentialmäßig) freischwebende Erdungsebene zu schaffen, wodurch das Betreiben des Verstärkers aus bei einer Funkstelle verfügbaren Energiequellen zugelassen wird. Der Eingangs- und der Ausgangszirkulator 1 und 5 sind mit der Verstärkerstufe 2 mittels Streifenleitungsabschnitten 16 bzw. 17 gekoppelt.

Wie zuvor vorgeschlagen, handelt es sich bei der Einwegleitung 6 in Fig. 2 beispielsweise um einen Dreitor-Mikrowellenzirkulator mit einem ersten Tor, das mittels eines Streifenleiterabschnitts 18 mit dem Eingangszirkulator 1 gekoppelt ist, und mit einem zweiten Tor, das mittels eines Streifenleiterabschnitts 19 mit dem Ausgangszirkulator 5 gekoppelt ist. Das dritte Tor des Zirkulators 6 ist mit einer Anpaßimpedanz 20 gekoppelt, so daß durch den Zirkulator 6 lediglich Signale in der Richtung vom Zirkulator 1 zum Zirkulator 5 durchgelassen werden. Jeder der drei Zirkulatoren ist vorteilhafterweise in einer Luft-Dielektrikum-Streifenleiter-Form verwirklicht, bei der ein Paar im Handel erhältlicher Ferritscheiben an jedem Zirkulatorknoten verwendet wird.

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Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abänderungen möglich. Beispielsweise können anstelle des Ausgangszirkulators 5 andere Mikrowellenkopplungsvorrichtungen, wie herkömmliche 3 dB-Koppler, verwendet werden. Zusätzlich kann die MIC-Struktur der Fig. 2 so abgeändert werden, daß sie eine Filter- und/oder eine Weglängenjustiereinrichtung in Reihenschaltung mit dem Mikrowellenzirkulator 6 umfaßt.

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Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER - HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÖNCHEN UND WIESBADEN

Patenlconsult RadedcestraOe 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsull Patentconsult Sonnenberger Strafle 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patenlconsult

Western Electric Company, Incorporated

New York, N.Y., USA Swan 6

Rauscharmer Mikrowellenverstärker

Patentansprüche

. Mikrowellenverstärkerschaltung mit

einem Eingangsabschnitt für den Empfang eines Eingangssignals;

einem Ausgangsabschnitt zur Abgabe eines Ausgangssignals; einem Eingangsmikrowellenzlrkulator (1), der in Umlaufrichtung ein mit dem Eingangsabschnitt gekoppeltes erstes Tor (a), ein zweites Tor (b) und ein drittes Tor (c) aufweist; einem Ausgangsmikrcwellenkoppler (5) mit wenigstens einem ersten (a^f)* zweiten (b¹) und dritten (c¹) Tor; und einer Verstärkerstufe (2) mit einem Eingangsanschluß (3),

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München: ft Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phy». Dr. rar. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. ph», net. Wiesbaden: P. G. «lumtwdi Oipl.-tag . P. Bargan OipL-tng. Dr. jur. · 6. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-lng.

der mit einem Tor des Eingangsmikrowellenzirkulators (1) gekoppelt ist und mit einem Ausgangsanschluß (4), der mit dem ersten Tor (a¹) des Ausgangsmikrowellenkopplers gekoppelt ist;

gekennzeichnet durch eine zwischen die dritten Tore (c und c¹) von Eingangsmikrowellenzirkulator (1) und Ausgangsmikrowellenkoppler (5) gekoppelte passive Signalnebenschlußanordnung (6) zur Verringerung der Übertragungsverluste der Verstärkerschaltung lediglich dann, wenn die Verstärkerstufe (2) ohne Energie ist oder sich in einem anderen Ausfallzustand befindet.
2. Mikrowellenverstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die passive Signalnebenschlußanordnung (6) eine Mikrowelleneinwegvorrichtung (6) aufweist.
3. Mikrowellenverstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Mikrowelleneinwegvorrichtung derart beschaffen ist, daß das Eingangssignal (EINGABE) dann, wenn die Verstärkerstufe (2) ohne Energie ist oder sich in einem anderen Ausfallzustand befindet, am Eingangsanschluß (3) der Verstärkerstufe reflektiert und zu deren Ausgangsanschluß (4) über den Eingangsmikrowellenzirkulator (1), die Einwegvorrichtung (6) und den Ausgangs-

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mikrowellenkoppler (5) richtungsgekoppelt wird.
4. Mikrowellenverstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Einwegvorrichtung einen Dreitor-Zirkulator aufweist, bei dem in Umlaufrichtung gesehen das erste Tor (18) mit dem dritten Tor (c) des Eingangsmikrowellenzirkulators (1), das zweite Tor (19) mit dem dritten Tor (c¹) des Ausgangsmikrowellenkopplers und das dritte Tor mit einer Abschlußimpedanz (20) gekoppelt ist.
5. Mikrowellenverstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die passive Signalnebenschlußanordnung außerdem eine filternde und/oder längenjustierende Schaltungsanordnung (6a) zur änderung der Phase der Nebenschlußsignale aufweist.
6. Mikrowellenverstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Verstärkerstufe (2) eine GaAs-FET-Verstärkervorrichtung (12) aufweist.
7. Mikrowellenverstärkerschaltung nach einem der Ansprüche bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Mikrowellenausgangskoppler einen Dreitor-Zirkulator aufweist, der in Umlaufrichtung gesehen das erste (a¹), zweite (b·) und dritte (c¹) Tor des Mlkrowellenausgangskopplers besitzt.

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