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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verbinderanordnung und eine
Verbindereinheit für
ein Elektroniksystem, das vorzugsweise bei Hochfrequenz arbeitet.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Eine
Mobilfunkbasissenderempfängerstation umfasst
normalerweise eine Anzahl von Senderempfängern, typischerweise um zehn
bis zwanzig Einheiten. Jede Senderempfänger-Einheit führt das
Senden und Empfangen von Hochfrequenzsignalen durch, die einem Abwärtsstreckenverbindungskanal bzw.
Downlink-Kanal und einem Aufwärtsstreckenverbindungskanal
bzw. Uplink-Kanal zugeordnet sind. Mit Hilfe eines Kombinierers
können
die Senderempfänger-Einheiten
eine gemeinsame Antenneneinheit teilen.
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Um
Flexibilität
zu erhalten, sind die Senderempfänger-Einheiten trennbar
mit den anderen Teilen des Basis-Senderempfängersystems
verbunden. Ein Senderempfänger-Karteneinschubplatz
kann demnach leer sein. Dies ermöglicht
es, dass Senderempfänger-Einheiten
hinzugefügt
werden oder entfernt werden, um die Systemkapazität zu erhöhen oder
reduzieren. Dies ermöglicht
zudem das rasche Ersetzen einer defekten Senderempfänger-Einheit ohne
erforderliches Unterbrechen der durch andere Senderempfänger-Einheiten
ausgeführten Übertragungsprozesse.
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Wenn
ein Senderempfängereinschubplatz leer
ist, werden jedoch Funkfrequenzsignale, die in Richtung des Verbinders
des Einschubplatzes wandern, zurück
in Richtung des Systems reflektiert und sie können Störungen verursachen. Daher ist
es eine normale Prozedur, eine angepasste Abschlussschaltung in
jedem leeren Einschubplatz anzuordnen. Die Abschlussschaltung absorbiert
im Wesentlichen alle kommenden Signale zumindest in einem relevanten Frequenzband.
Demnach werden Reflektionen verhindert.
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Das
Einfügen
von Abschlussschaltungen ist jedoch kostenintensiv und manchmal
beschwerlich. Die Verwendung einer Abschlussschaltung ist demnach
keine zu bevorzugende Lösung.
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Zudem,
wenn eine Senderempfänger-Einheit
durch eine Abschlusseinheit ersetzt wird, wenn die Basisstation
in Betrieb ist, werden noch während einer
kurzen Zeitdauer Reflektionen auftreten, da das Trennen und Verbinden
normalerweise nicht simultan vorgenommen werden können. Dasselbe
gilt, wenn beispielsweise eine erste Senderempfänger-Einheit, die vielleicht
defekt sein kann, durch eine zweite Senderempfänger-Einheit ersetzt wird.
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RESÜMEE DER
ERFINDUNG
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In Übereinstimmung
mit einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Ziel demnach, in einer
Hochfrequenzausrüstung
eine Anordnung mit einer verbesserten Hochfrequenz-Leistungsfähigkeit
zum trennbaren Verbinden eines ersten Verbinders, der mit einer
Einheit in der Ausrüstung
verbunden ist, mit einem zweiten Verbinder, der mit einer anderen
Einheit in der Ausrüstung
verbunden ist, bereitzustellen.
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Ein
anderes Ziel ist es, eine Verbinderanordnung bereitzustellen, die
leicht zu verwenden ist und nicht teuer zu bauen.
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Diese
Ziele werden durch eine Verbinderanordnung für das trennbare Verbinden eines
ersten Leiters mit einem zweiten Leiter erreicht, wobei der erste
Leiter mit einem Anschluss eines ersten Hybridelements verbunden
ist und der zweite Leiter mit einem Anschluss eines zweiten Hybridelements verbunden
ist. Jedes der Hybridelemente ist so entworfen, dass ein an dem
Anschluss von dem Leiter eingegebenes Signal in gleicher Weise aufgespalten und
zu zwei anderen Anschlüssen
des jeweiligen Hybrids übermittelt
wird. Das zu einem dieser Anschlüsse übermittelte
Signal ist um ein ungeradzahliges Vielfaches von 90° mehr phasenverschoben
als das an dem anderen Anschluss erscheinende Signal. Dasselbe gilt
in der umgekehrten Richtung, da das Hybridelement reziprok ist.
Diese vier Anschlüsse sind
jeweils mit Verbinderelementen verbunden.
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Die
Verbinderelemente des ersten Hybrids paaren sich mit den Verbinderelementen
des zweiten Hybrids in solcher Weise, dass ein von dem ersten zu dem
zweiten Leiter wanderndes Signal in Signalkomponenten aufgespalten
wird, die in-Phase bei dem zweiten Leiter addiert werden.
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Wenn
die Verbinderelemente getrennt sind und ein Signal von dem ersten
Leiter eingegeben wird, werden an den Verbinderelementen reflektierte Signale
zu dem Anschluss des Verbinders um 90° phasenverschoben zurückgeführt und
demnach wird keine reflektierte Energie den Verbinder erreichen. Stattdessen
wird diese Energie in einem Widerstandselement in oder nahe bei
dem Hybridelement abgeschlossen.
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Diese
Technik führt
zu einer Verbinderanordnung, bei der keine getrennte Abschlussschaltungen verwendet
werden müssen
und bei der Reflektionen trotzdem vollständig in dem relevanten Frequenzband
vermieden werden. Von dem ersten Leiter betrachtet, wird die Verbinderanordnung
angepasst unabhängig
davon, ob der zweite Verbinder verbunden ist oder nicht.
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Vorzugsweise
sind die ersten und zweiten Hybridelemente 90°-Hybridschaltungen. Dies führt zu einer
einfachen Verbinderanordnung mit geeigneter Bandbreite, die mit
Hilfe nicht teurer Standardkomponenten realisierbar ist.
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Es
ist auch vorzugsweise, wenn das erste Hybrid- und/oder das zweite
Hybridelement einen vierten Anschluss mit einem Widerstandselement verbunden
hat, das jedwede an den Verbinderelementen reflektierte Signale
abschließt.
Dies ermöglicht
es, die reflektierte Energie entfernt von dem Hybridelement zu absorbieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das erste oder zweite Hybridelement als Mikrostreifen-Verzweigungsleitungshybrid
ausgebildet. Dies führt
zu einer kosteneffizienten Anordnung, die relativ einfach herzustellen
ist.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
ist das erste oder das zweite Hybridelement als Streifenleiter-Verzweigungsleitungshybrid
ausgebildet. Eine solche Schaltung strahlt sehr wenig Energie an
umgebende Schaltungen ab.
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In
noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind das erste oder
das zweite Hybridelement als ein Wellenleiterhybrid ausgebildet.
Dies ermöglicht
es, dass die Anordnung bei hohen Frequenzen und mit geringen Dämpfungen
verwendet werden kann.
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In
noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das erste Hybridelement
als ein Wilkinson-Teiler ausgebildet mit einem Aufspalter- bzw. Splitter-Eingang
und zwei Aufspalter- bzw.
Splitter-Ausgängen,
wobei der Splitter-Eingang mit dem ersten Anschluss verbunden ist,
ein erster Splitter-Ausgang mit einem zweiten Anschluss verbunden ist
und der zweite Splitter-Ausgang mit einem dritten Anschluss über eine λ/4-Phasenverschiebungseinheit
verbunden ist. Eine solche Anordnung erfordert wenig Raum und repräsentiert
sehr geringe Dämpfungen,
solange die Verbindung angepasst ist.
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In Übereinstimmung
mit einem zweiten Aspekt der Erfindung ist es ein Ziel, eine Verbindereinheit
mit verbesserten Funkfrequenzeigenschaften bereitzustellen.
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Dieses
Ziel wird durch eine Verbindereinheit zum trennbaren Verbinden eines
Leiters mit einer Funktionseinheit gelöst, die ein Hybridelement einbezieht
mit ersten, zweiten und dritten Anschlüssen. Ein Hochfrequenzsignal
innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes, das an dem ersten
Anschluss eingegeben wird, wird mit im Wesentlichen gleicher Signalstärke an dem
zweiten Anschluss und an dem dritten Anschluss abgegeben. Das an
dem dritten Anschluss abgegebene Signal ist um ein Vielfaches von 90° mehr phasenverschoben
als das an dem zweiten Anschluss abgegebene Signal, wenn der Leiter
mit der Funktionseinheit verbunden ist und an sie angepasst ist.
Der erste Anschluss ist mit dem Leiter verbunden, der zweite Anschluss
ist mit einem ersten Verbinderelement verbunden und der dritte Anschluss
ist mit einem zweiten Verbinderelement verbunden. Die ersten und
zweiten Verbinderelemente paaren sich mit Verbindern der Funktionseinheit. Dies
führt zu
einer Verbindereinheit, die automatisch Reflektionen abschließt, wenn
sie getrennt wird. Die Verbindereinheit ist vom Verbinder aus gesehen
angepasst, unabhängig
davon, ob sie mit einer anderen Einheit verbunden ist oder nicht.
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Die
Verbinderanordnung ist gekennzeichnet wie sie aus den kennzeichnenden
Teilen der Ansprüche
1 bis 7 erscheint.
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Die
Verbindereinheit ist dann gekennzeichnet wie aus dem kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 8 ersichtlich.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt:
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1 eine
Anzahl von zu einem Basisstationssystem verbundenen Senderempfänger-Einheiten
gemäß dem Stand
der Technik;
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2 mit
einem Basisstationssystem verbundene Senderempfänger-Einheiten gemäß der Erfindung;
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3 einen
Mikrostreifen-Verzweigungsleitungsentwurf einer 90°-Hybridschaltung;
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4 schematisch
einen als eine 90°-Hybridschaltung
ausgebildeten Wilkinson-Teiler; und
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5 einen
Wellenleiterentwurf einer 90°-Hybridschaltung.
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BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt
eine Anzahl von Senderempfänger-Einheiten
zu einem Basisstationssystem gemäß dem Stand
der Technik verbunden. Die Senderempfänger-Einheiten sind an ein
gemeinsames Kombinierernetz 102 gekoppelt und können demnach
eine gemeinsame Antenneneinheit 103 teilen, wie im Stand
der Technik wohlbekannt ist. In dieser Darstellung ist das Kombinierernetz 102 entworfen,
um sieben Senderempfänger-Einheiten aufzunehmen.
Da nur sechs Einheiten 101a–101f benötigt werden,
ist ein Senderempfängereinschubplatz
stattdessen mit einer Abschlusseinheit 104 versehen, die über eine Verbinderanordnung 105 verbunden
ist.
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2 zeigt
schematisch zwei Senderempfänger-Einheiten 201a, 201b zu
einem Basisstationssystem 202 mit Hilfe einer Verbinderanordnung
in Übereinstimmung
mit der Erfindung verbunden. Eine Verbinderanordnung in Übereinstimmung
mit der Erfindung sowie eine für
eine solche Verbinderanordnung geeignete Verbindereinheit sind für viele
Hochfrequenzanwendungen nützlich,
bei denen ein Verbinder trennbar mit einer Funktionseinheit verbunden ist
und bei denen Reflektionen vermieden werden sollten.
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In
einer Situation, bei der ein Signal von einem in dem Basisstationssystem 202 befindlichen ersten
Leiter 203 zu einem in einer Senderempfänger-Einheit 201a befindlichen
zweiten Leiter 204 gesendet wird, kann die Verbinderanordnung
als vollständig
reziprok angesehen werden und funktionieren demnach ähnlich,
wenn die Richtung des Sendens umgekehrt wird. Dem Ausdruck Leiter
sollte im Schutzbereich dieser Erfindung eine breite Interpretation
verliehen werden. Ein Leiter ist dann allgemein ein Mittel zum Übertragen
elektrischer Energie wie z.B. ein Kabelpaar, ein Koaxialkabel, ein
Mikrostreifen, ein Streifenleiter oder ein Wellenleiter.
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Der
erste Leiter 203 ist dann mit einem ersten Anschluss 205 eines
ersten Hybridelementes 206 verbunden. Das derart angelegte
Signal wird in gleicher Weise aufgespalten und übertragen zu zweiten und dritten
Anschlüssen 207, 208 des
ersten Hybridelementes 206. Da das Hybridelement in diesem
Fall eine 90°-Hybridschaltung
ist, wird das an dem dritten Anschluss 208 des Hybridelementes 206 erscheinende
Signal um λ/4 – 90° mehr phasenverschoben sein
gegenüber
dem Eingangssignal als das Signal, das an dem zweiten Anschluss 207 erscheint.
Dann ist λ die
Wellenlänge
des Eingangssignals, die innerhalb eines Frequenzbandes liegt, für das das
Hybridelement 206 entworfen ist.
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Obwohl
dies eine bevorzugte Ausführungsform
ist, sind andere Ausführungsformen
vorstellbar, bei denen eine Phasenverschiebung zwischen den Ausgängen ein
anderes ungeradzahliges Vielfaches von 90° wie z.B. 270° ist. Dies
wird jedoch zu einer Bandbreitenreduzierung führen.
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Der
zweite Anschluss 207 ist mit einem ersten Verbinderelement 209 verbunden,
welches sich mit einem dritten Verbinderelement 211 paart,
das zu einer Senderempfänger-Einheit 201a gehört. Der dritte
Anschluss 208 ist mit eine zweiten Verbinderelement 210 verbunden,
das sich in ähnlicher
Weise mit einem vierten Verbinderelement 212 paart, das
zu derselben Senderempfänger-Einheit 201a gehört.
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Ein
zweites Hybridelement 213 ist in der Senderempfänger-Einheit 201a angeordnet.
Es hat einen ersten Anschluss 214 mit dem zweiten Leiter 204 verbunden,
einen zweiten Anschluss 215 mit dem vierten Verbinderelement 212 verbunden
und einen dritten Anschluss 216 mit dem dritten Verbinderelement 211 verbunden.
An den zweiten und dritten Anschlüssen 215, 216 eingegebene
Signale werden bei dem ersten Anschluss 214 zueinander
addiert. Bevor dies passiert, werden sie jedoch phasenverschoben.
Das von dem dritten Anschluss 216 stammende Signal ist
um 90° mehr
phasenverschoben als das von dem zweiten Anschluss 212 stammende
Signal.
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Demnach
wird ein an den ersten Anschluss 205 des ersten Hybridelementes 216 eingegebenes Signal
in gleicher Weise aufgespalten in zwei Signalkomponenten, die über zwei
getrennte Zweite übertragen
werden und die in-Phase bei dem ersten Anschluss 214 des
zweiten Hybridelementes addiert werden. Ein erstes Widerstandselement 217 ist
mit einem vierten Anschluss 218 des ersten Hybridelements 206 verbunden
und ein zweites Widerstandselement 219 ist mit einem vierten
Anschluss 220 des zweiten Hybridelementes 213 verbunden.
In diesem Fall jedoch, wenn Impedanzen in der Schaltung angepasst
sind, wird keine Energie in den Widerstandselementen 217, 219 abgeschlossen.
Wie gezeigt werden wird, gibt es Ausführungsformen, bei denen solche
Widerstandselemente in das Hybrid integriert sind, was zu einem
Drei-Anschlusshybrid führt.
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In 2 dargestellt
ist ebenfalls ein Fall, bei dem ein Senderempfängereinschubplatz 221 leer
ist. Dann wird ein Signal von einem dritten Leiter 222 zu einem
ersten Anschluss 223 eines dritten Hybridelementes 224 eingegeben.
Das Signal wird in gleicher Weise aufgespalten und zu den zweiten
und dritten Anschlüssen 225, 226 übertragen,
wo es vollständig bei
den zugeordneten Verbinderelementen 227, 228 reflektiert
wird. Am ersten Anschluss 223 werden diese Reflektionen
außer
Phase addiert, da die Differenz in der Phase zwischen ihnen nun
180° ist.
Demnach wird keine reflektierte Komponente zu dem dritten Leiter 222 übertragen.
Bei einem vierten Anschluss 230 jedoch werden die reflektierten
Komponenten in-Phase
addiert und die reflektierte Energie wird demnach in einem Widerstandselement 228, das
mit diesem Anschluss verbunden ist, abgeschlossen.
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3 zeigt
einen Mikrostreifen-Verzweigungsleitungsentwurf einer 90°-Hybridschaltung 300.
Die Schaltung wird dann als ein geätztes Muster auf einem dielektrischen
Medium ausgebildet. Auf der gegenüberliegenden Seite dieses dielektrischen Mediums
ist eine Masseebene ausgebildet. Diese Hybridschaltung 300 ist
reziprok. Aus Gründen
der Klarheit ist es jedoch nützlich,
einen Anschluss 301 des Hybrids als Eingangsanschluss zu
definieren. Wenn die Schaltung in einer Weise in Übereinstimmung
mit der Erfindung verwendet wird, ist ein erster Ausgangsanschluss 302 mit
einem ersten Verbinderelement (nicht dargestellt) wie oben erwähnt verbunden.
In ähnlicher
Weise ist ein zweiter Ausgangsanschluss 303 mit einem zweiten
Verbinderelement (nicht dargestellt) verbunden. Ein isolierter Anschluss 304 sollte über ein
Widerstandselement 305 mit Masse verbunden sein.
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Um
in einer abgestimmten Weise zu arbeiten, sollten die Anschlüsse eine
Breite derart angepasst haben, dass sie eine charakteristische Impedanz
z0 in Entsprechung zu der charakteristischen Impedanz
von zugeordneten Übertragungsleitungen haben.
Ein erstes Brückenelement 306 verbindet
die ersten und zweiten Anschlüsse 301, 302 und
ein zweites Brückenelement 307 verbindet
die dritten und vierten Anschlüsse 303, 304.
Diese Elemente sollten irgendwie breiter sein, so dass ihre charakteristische
Impedanz z0 – √2 ist. Sie sollten eine Länge in Entsprechung
zu λ/4 haben,
wobei λ die
Wellenlänge
des zu übertragenden
Signals ist. Ein drittes Brückenelement 308 verbindet
die ersten und vierten Anschlüsse 301, 304 und
ein viertes Brückenelement 309 verbindet
die dritten und vierten Anschlüsse 303, 302.
Diese Elemente sollten eine solche Breite haben, dass ihre charakteristische
Impedanz z0 ist. Sie sollten eine Länge in Entsprechung
zu λ/4 haben. Wenn
ein Signal mit einer Wellenlänge λ am Eingangsanschluss 301 eingegeben
wird, erscheint dieses Signal an beiden Ausgängen 302, 303.
Das an dem zweiten Ausgang 303 ausgegebene Signal ist jedoch
in der Phase um λ/4
mehr verschoben als das Signal, das bei dem zweiten Ausgang 302 ausgegeben
wird.
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Eine
solche Mikrostreifenschaltung ist relativ einfach herzustellen.
Es ist auch möglich,
eine Verzweigungsleitungsschaltung in Streifenleitertechnik zu erzeugen,
was zu einer sehr geringen von der Schaltung während des Betriebs abgestrahlten
Energie führt.
Dies bezieht unter anderem das Einfügen einer zusätzlichen
Masse-Ebene in die
Schaltung ein wie es Fachleuten wohlbekannt ist.
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4 zeigt
schematisch einen Wilkinson-Teiler, der als eine 90°-Hybridschaltung 400 ausgebildet
ist. Diese Ausführungsformen
beziehen einen Splitter-Eingangsanschluss 401 ein, einen
ersten Splitter-Ausgangsanschluss 402 und einen zweiten
Splitter-Ausgangsanschluss 403. Ein Verzögerungselement 404 wird
an dem ersten Ausgangsanschluss 402 angewendet, das hindurch
verlaufende Signale um 1/4 der Wellenlänge phasenverschiebt. Ein Innenwiderstand 405 ist
zwischen den Zweigen des Teilers verbunden, um den Teiler abgestimmt
zu machen. Wenn ein Wilkinson-Teiler in einem Verbinderelement in Übereinstimmung
mit der Erfindung verwendet wird, schließt dieser Widerstand 405 die gesamte
reflektierte Energie ab, wenn die Verbinderelemente getrennt sind.
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5 zeigt
ein Wellenleiter-Design einer 90°-Hybridschaltung 500.
Um die Beschreibung dieser Ausführungsform
zu erleichtern, ist eine Öffnung oben
an dem Hybrid vorgesehen. Der Hybrid bezieht einen Eingangsanschluss 501 ein,
einen ersten Ausgangsanschluss 502 und einen zweiten Ausgangsanschluss 503.
Um eine gleichmäßige Energieverteilung
zwischen den Ausgangsanschlüssen
zu erzielen, sind Ausnehmungen 504, 505 in den
jeweiligen Wellenleitern ausgebildet und die Wand 506 zwischen
ihnen beinhaltet eine Öffnung 507.
Ein abgeschlossener Anschluss 508 ist mit einem Widerstandselement 509 versehen,
irgendwelche an den Ausgängen
reflektierte Energie absorbierend. Der Hybrid ist ebenfalls mit
einem Verbinder 510 an den Ausgangsanschlüssen 502, 503 versehen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile detailliert beschrieben
worden sind, sollte verstanden werden, dass verschiedene Änderungen, Ersetzungen
und Abwandlungen darin vorgenommen werden können ohne vom Schutzbereich
der Erfindung abzuweichen, wie er durch die beiliegenden Ansprüche definiert
ist. Andere Ausführungsformen sind
denkbar, beispielsweise solche, bei denen die verwendeten Leiter
Koaxialkabel sind. Andere Hybridschaltungen wie Lange-Koppler, die
in Streifenleiter- oder
Mikrostreifentechnik aufgebaut sein können, sind im Stand der Technik
bekannt und können in
Verbindung mit der Erfindung verwendet werden. Dasselbe gilt für Niederfrequenz-Hybridanordnungen,
die durch diskrete Induktanzen und Kapazitäten gebildet sind.