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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltanordnung
zum Schalten von Fernsehsignalen in einem Frequenzbereich von etwa ein Gigaherz bis
etwa zwei Gigaherz, mit mindestens zwei Signalstrecken, die mit je einem Eingang und
einem Verstärker versehen sind und wobei die Ausgänge jeder der Strecken an ein und
derselben Ausgangsklemme ein Signal liefern.
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Eine derartige Schaltanordnung wird insbesondere bei Einrichtungen zum
Empfangen von Satelliten-Fernsehen verwendet. Nach der für derartigen Empfang
aufgestellten Norm werden in zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen gleichzeitig
zwei Kanäle übertragen und der Empfangskopf überträgt die beiden je einer der
Polarisationsrichtungen entsprechenden Signale zu einer Abstimmanordnung. Die
erfindungsgemäße Schaltanordnung kann zur Selektion des Empfangs eines der beiden
Signale benutzt werden.
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Eine derartige Schaltanordnung ist aus dem Dokument US-A-3 475759
bekannt. Diese Schaltanordnung enthält zwei Signalstrecken, die mit je einem Eingang
und einem Verstärker versehen sind, und wobei die Ausgänge der beiden Strecken je an
ein und derselben Ausgangsklemme ein Signal liefern. Jeder der Verstärker wird über
eine relativ aufwendige Impedanzanpaßschaltung gespeist und mittels ebenfalls
aufwendige Senderschaltungen polarisiert, obschon jede Strecke einen anderen
Frequenzbereich verstärkt, was, durch die Spezialisierung jeder Strecke, die Anpassung erleichtert.
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Die vorliegende Erfindung hat nun zur Aufgabe, eine Schaltanordnung zu
schaffen zum Selektieren einer der beiden Strecken unter Ausschluß der anderen, wobei
diese Strecken beide Signale in demselben Frequenzbereich um etwa 1 bis 2 GHz
übertragen, wobei zugleich eine große Einfachheit und eine optimale Isolierung für die
isolierte Strecke angestrebt wird.
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Dazu weist die erfindungsgemäße Schaltanordnung das Kennzeichen auf,
daß jeder Verstärker auf Wunsch ein dem Eingang zugeführtes Signal entweder
verstärken oder isolieren kann und eine Impedanzanpaß-Eingangsstufe sowie eine
eigentliche Verstärkerstufe aufweist, wobei diese letztere am Ausgang mit einem
emittergeschalteten Transistor versehen ist, und wobei der Emitter dieses Transistors
mit Masse verbunden ist, und wobei die Ausgänge aller Verstärkerstufen zusammen mit
einem gemeinsamen Punkt direkt verbunden sind, der mit einer allen Strecken
gemeinsamen Ladungs- und Impedanzanpaßstufe verbunden ist.
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Mit dem Ausdruck "direkt verbunden" wird gemeint, daß sie mit einem
gemeinsamen Punkt galvanisch verbunden sind und daß keine einzige
Impedanzanpaßschaltung zwischen diesem Punkt und dem Verstärker liegt. Diese Lösung hat den
Vorteil einer großen Einfachheit und außerdem beschränkt sie sich nicht auf die
Herstellung einer Schaltanordnung für zwei Strecken, sondern es ist ebenfalls denkbar,
sie auf dieselbe Art und Weise auch zum Schalten einer beliebigen Anzahl von
Signalstrecken angewandt werden. Außerdem wurde gefunden, daß die Tatsache, daß die
Emitter unmittelbar an Masse liegen auf überraschende Weise die Isoliereigenschaften
verbessert.
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Nach einer speziellen Ausführungsform weist eine erfindungsgemäße
Schaltanordnung das Kennzeichen auf, daß die Kollektor-Elektroden der genannten
emittergeschalteten Transistoren mit dem gemeinsamen Punkt verbunden sind, wobei die
genannte Lade- und Anpaßstufe mit einer Speisequelle verbunden ist zum Liefern von
Strom zu den genannten Kollektor-Elektroden.
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Nach einer anderen Abwandlung weist die Schaltanordnung das
Kennzeichen auf, daß die Kollektor-Elektroden der genannten emittergekoppelten
Transistoren über einen Potentialfestlegungswiderstand mit je einer Speisequelle, und je über eine
Diode mit dem gemeinsamen Punkt verbunden sind, wobei die Lade- und Anpaßstufe
mit einer Speisequelle zum Liefern von Strom zu den genannten Kollektor-Elektroden
verbunden ist.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten SHF-Verstärker mit
steuerbarer Verstärkung,
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Fig. 2 eine bekannte Zusammenstellung von zwei Verstärkern nach Fig.
1, die einen Schalter bilden,
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Fig. 3 eine schematische Darstellung der Zusammenstellung von zwei
Verstärkern zum Bilden eines erfindungsgemäßen Schalters,
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Fig. 4 den detaillierten elektrischen Schaltplan einer ersten
Ausführungsform
der Erfindung,
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Fig. 5 den detaillierten elektrischen Schaltplan einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung,
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Fig. 6 den detaillierten elektrischen Schaltplan einer
Verstärkungssteuerschaltung für die Schaltungsanordnungen nach Fig. 4 und 5,
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Fig. 7 eine maßstäbliche Darstellung einer praktischen Ausführungsform
einer Schaltungsanordnung mit den miteinander verbundenen Elementen der Fig. 5 und
6.
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In der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird ein Eingangssignal einer
Klemme 1 zugeführt, die mit einer Impedanzanpaßschaltung 2 verbunden ist, der eine
durch 3 bezeichnete Verstärkerstufe folgt, deren Verstärkung mittels einer der Klemme
9 zugeführten Regelspannung regelbar ist, und zwar zwischen einem minimalen Wert,
der einem Zustand entspricht, in dem das Signal isoliert ist, und einem maximalen
Wert, der einem Zustand entspricht, in dem das Signal verstärkt wird, und wobei
zuletzt eine Impedanzanpaßschaltung 4 vorgesehen ist, die das verstärkte Signal an der
Ausgangsklemme 5 liefert. Die Isolierung wird definiert als die Differenz zwischen der
maximalen und minimalen Verstärkung.
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In Fig. 2 ist eine Schaltanordnung gebildet aus der Zusammenstellung
einer ersten Schaltungsanordnung 1 bis 4 und einer zweiten Schaltungsanordnung 1B bis
4B, die je einen Schaltplan nach Fig. 1 entsprechen.
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Die der Klemme 9 zugeführte Steuerspannung wird unmittelbar der ersten
Schaltungsanordnung zugeführt und nach Inversion, der zweiten Schaltungsanordnung,
und zwar derart, daß wenn die eine sich in dem Zustand befindet, in dem das Signal
isoliert ist, die andere in dem Verstärker-Zustand ist.
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Die beiden Schaltungsanordnungen sind am Ausgang miteinander
verbunden. Bei sehr hohen Frequenzen weist eine derartige Anordnung einen
wesentlichen Nachteil auf. Es wird nun vorausgesetzt, daß die Strecke B sich in dem
Isolierzustand befindet; die Impedanzanpaßschaltung 4B, die zu dem Ausgang der anderen
Schaltungsanordnung 4 parallelgeschaltet ist, hat eine frequenzveränderliche Impedanz,
die Nullwerte aufweisen kann und eine Falle bildet, wodurch das Nutzsignal gestört
wird.
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Es sei bemerkt, daß wenn es mehr als zwei Strecken gibt, wird es auch
mehr als einen Störkreis geben und ist es noch schwerer das Problem zu lösen.
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Fig. 3 zeigt eine Schaltanordnung nach der Erfindung, in der zwei
Strecken vorgesehen sind und zwar 2, 3 bzw. 2B, 3B, die je gewünschtenfalls ein dem
Eingang 1 bzw. 1B zugeführtes Signal verstärken oder isolieren können, wobei jede
Strecke eine Impedanzanpaßeingangsstufe 2, 2B und eine Verstärkerstufe 3, 3B
aufweist. Die Ausgänge der Verstärkerstufen 3, 3B sind unmittelbar mit einem
gemeinsamen Punkt 10 verbunden, der mit einer allen Strecken gemeinsamen Lade- und
Impedanzanpaßstufe 4 verbunden ist. Eine derartige Schaltanordnung ist einfacher als
die bekannte Schaltanordnung. Die vom Ausgang des isolierenden Verstärkers gelieferte
Impedanz ist eine einfache Kapazität niedrigen Wertes, die parallel zu der des Ausgangs
der belebten Strecke liegt und keinen wesentlichen Effekt hat; es reicht, bei der
Bestimmung der gemeinsamen Anpaßstufe dies zu berücksichtigen. Außerdem können
ohne weiteres mehr als zwei Strecken vorgesehen werden.
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In Fig. 4 weist jede Verstärkerstufe der genannten Strecke an dem
Ausgang einen Transistor T2 oder T2B auf, der in Emitterschaltung vorgesehen ist und
wobei die Kollektor-Elektroden dieser Transistoren mit dem gemeinsamen Punkt 10
verbunden sind. Die Lade- und Anpaßstufe besteht aus einer Induktivität L5, die
einerseits mit der Verbindung 10 verbunden ist und andererseits über eine Kapazität C6
an Masse liegt und über zwei reihengeschaltete Widerstande R7 und R6 mit einer Quelle
für eine Speisespannung von +12V verbunden ist, wobei der gemeinsame Punkt 8 der
Widerstände durch eine mit Masse verbundene Kapazität C5 entkoppelt ist. Der durch
R6, R7, L5 gebildete Weg ermöglicht es, dem Kollektor der Transistoren T2, T2B
Strom zu liefern. Die Verbindung zwischen den Ausgängen der in diesem Fall durch die
Kollektor-Elektroden der Transistoren T2, T2B dargestellten Verstärker ist direkt,
während die Verbindung 10 mit überhaupt keiner, einer einzigen Strecke zugeordneten
Impedanzanpaßschaltung verbunden ist. Die in diesem Fall durch die Lade- und
Anpaßstufe angepaßte Impedanz ist als Funktion der nachfolgenden Stufen bestimmt und
diese Anpassung kann verschiedenartig durchgeführt werden.
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Das Signal der einen Strecke ist beim Eingang 1 dargestellt und wird der
Basis eines ersten Transistors T1 zugeführt, dessen Emitter über eine
Impedanzanpaßschaltung direkt mit Masse verbunden ist, wobei diese Schaltung aus der zwischen dem
Eingang 1 und Masse vorgesehenen Kapazität C1, einer Reihenkapazität C8 und einer
Reiheninduktivität L1, sowie den Elementen L2, L3, C2 besteht, die nachstehend noch
erläutert werden. Die jeweiligen Schaltungselemente sind in einem geschlossenen
Metallgehäuse untergebracht und der Kreis um die Klemme 1 bedeutet, daß an dieser
Stelle der Eingang in das Gehäuse ist. Über die Kapazität C8 wird das Signal der Basis
des Transistors T1 zugeführt. Der Kollektor des Transistors T1 wird über eine
Induktivität L4 in Reihe mit einem Widerstand R3 geladen, wobei dieser Widerstand
andererseits mit einer an der Verbindung 8 vorhandenen Speisequelle sowie mit einer mit
Masse verbundenen Entkopplungskapazität C3 verbunden ist.
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Der Kollektor von T1 ist mit der Basis eines zweiten Transistors T2
verbunden, der über eine Kopplungskapazität C4 in Kaskade mit T1 verbunden ist. Vom
zweiten Transistor T2 ist auch der Emitter direkt mit Masse verbunden und der
Kollektor bildet den bereits genannten Ausgang des Verstärkers.
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Die Basis-Elektroden der beiden Transistoren T1 und T2 werden von ein
und derselben Schaltungsanordnung polarisiert, die untenstehend anhand der Fig. 6
näher beschrieben wird. Diese Schaltungsanordnung steuert die Verstärkung durch
Beeinflussung der Polarisation der Basis-Elektroden der Transistoren T1, T2. Dazu ist
jede der Basis-Elektroden über einen Widerstand R1 bzw. R4 mit Masse und über einen
Widerstand R2 bzw. R5 mit einer Verstärkungsregeleingangsklemme 7 verbunden, die
an sich wieder mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 verbunden ist.
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Die Klemme 6 ist ein Speiseeingang, der es ermöglicht, mit Hilfe der
Elemente L3, C2, L2, die nicht einen Teil der Erfindung bilden, daß einer mit der
Klemme 1 verbundenen Leitung ein Speisestrom zugeführt wird, der die erwünschte
Impedanz für das Signal hat. Diese Speisung ist gemeint für einen Empfangskopf, der
sich meistens in der Empfangsantenne auf dem Dach hoher Gebäude befindet.
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Die unter Hälfte der Figur zeigt die Elemente der zweiten Strecke mit
einer Signaleingangsklemme 1B und mit regelbaren Verstärkungstransistoren T1B, T2B.
Die Elemente dieser Strecke entsprechen denen der oben beschriebenen ersten Strecke,
wodurch auf eine Beschreibung derselben verzichtet werden kann.
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Der Kollektor des Ausgangstransistors T2B ist über eine kürzeste
Verbindung 10 mit dem des Transistors T2 der ersten Strecke direkt verbunden, und die
mit dieser Verbindung 10 verbundene Lade- und Polarisationsstufe L5, C6, R7, C5 ist
den beiden Strecken gemeinsam.
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Fig. 5 zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform nach der
Erfindung. Jeder Verstärker weist nur eine Transistorstufe auf und die Isolation wird wie in
der vorhergehenden Zusammenstellung auf demselben Pegel gehalten durch eine Diode
D oder DB (PIN-Diode), die gesperrt wird, wenn die Strecke sich in dem isolierenden
Zustand befindet.
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Die zwischen der Eingangsklemme 1 und dem Ausgang des Transistors
T1 vorgesehenen Elemente entsprechen denen auf Fig. 4 und sind durch dieselben
Bezugszeichen angegeben. In diesem Fall ist der der Kollektor von T1, der den
genannten Ausgang des Verstärkers bildet. An der Verstärkungsregelungseingangsklemme
7 ist ein Entkopplungskondensator C13 vorhanden.
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Die Diode D verbindet den Kollektor des Transistor T1 mit dem
gemeinsamen Punkt 10 der Lade- und Anpaßstufe, deren Bezugszeichen L5, R7, C5 und deren
Wirkungsweise denen aus Fig. 4 entsprechen. Die Anode der Diode D ist mit der
Klemme 10 und die Kathode mit dem Transistor T1 verbunden, sie ist also für den
Strom des Transistors T1 leitend. Der Kollektor von T2 ist außerdem über einen kein
Element der Lade- und Impedanzanpaßschaltung bildenden Widerstand R30 mit der
Speiseklemme 8 verbunden. Seine Aufgabe ist es das Potential des Kollektors auf dem
Potential des Punktes 8 zu halten, wenn der Transistor T1 gesperrt wird und das Signal
isoliert. Die Diode D wird ebenfalls gesperrt und die Kapazität des Übergangs liegt in
Reihe in der Signalstrecke, was die Isolierung vergrößert.
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In diesem Fall entsprechen die Elemente der zweiten Strecke denen der
ersten und die Bezugszeichen sind daher dieselben mit einem Index B. Die
Bezugszeichen 12, C15 bezeichnen die wirklichen Elemente der Verbindung, insbesondere der
zweiten Strecke, und werden im Zusammenhang mit dem Verdrahtungsplan nach Fig. 7
erläutert. Durch den Index B ist es möglich, in dem Verdrahtungsplan nach Fig. 7
anzugeben, welche Elemente der einen und welche der anderen Strecke zugeordnet sind.
Die Anode der Diode DB der zweiten Strecke ist mit der der Diode D der ersten
Strecke sowie mit dem gemeinsamen Punkt 10 der Lade- und Impedanzanpaßschaltung
direkt verbunden. Das Ausgangssignal wird über eine Reihenschaltung aus einem
Kondensator C16 und einem Widerstand R15, die auch zu der Impedanzanpassung
beitragen, anderen, nicht dargestellten, Schaltungsanordnungen zugeführt.
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Fig. 6 zeigt ebenfalls die beiden Verbindungen 7 und 7B aus Fig. 4 und
5. Jede ist verbunden mit dem Kollektor eines Transistors T7. T7B, dessen Emitter mit
der Speiseklemme 8 verbunden ist, wobei die Emitter-Kollektor-Strecke durch einen
Kondensator C7 bzw. C7B entkoppelt wird um jede Schwingungsgefahr auszuschalten,
und jede Basis ist einerseits über einen Widerstand R12 bzw. R12B mit der +12V
Speisung verbunden und andererseits über einen Widerstand R9 bzw. R9B mit dem
Kollektor eines anderen Transistors T5 bzw. T5B. Die beiden Transistoren T5, T5B
sind auf bekannte Weise angeordnet, was als Schmitt-Trigger bezeichnet wird, wobei
ihre Emitter-Elektroden miteinander verbunden sind und über einen Widerstand R11
zusammen an Masse liegen, wobei die Basis-Elektrode von T5 über einen Widerstand
R10 mit dem Kollektor von T5B verbunden ist und über einen Widerstand R13 an
Masse liegt. Die Basis-Elektrode von T5B ist mit einem gemeinsamen Punkt der beiden
zwischen der Speisung +12V und einer Steuerklemme 9 der Schaltanordnung
reihengeschalteten Widerstände R8, R14 verbunden.
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Wenn die Spannung an dieser Klemme 9 niedrig ist, sind die Transistoren
T5 und T7 leitend, und folglich ist T1 leitend, ebenso wie D, während die Transistoren
T5B, T7B und die aktiven Elemente der zweiten Strecke mit dem Index B gesperrt sind
und die zweite Strecke isoliert ist. Wenn die Spannung an der Klemme 9 hoch ist, gilt
das Umgekehrte.
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Das Bezugszeichen 11 bei der Basis von T7B bezeichnet eine Verbindung
über eine Leitung in der Verdrahtung der Schaltungsanordnung. Diese relativ lange
Leitung ist an der Seite der Basis von T7B durch einen Kondensator C10 entkoppelt.
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Fig. 7 zeigt die materielle Ausgestaltung der Schaltungsanordnungen nach
den Fig. 5 und 6 in einem Maßstab in der Zeichnung von "1 cm". Diese
Schaltungsanordnung ist auf einer doppelseitigen Printplatte mit metallisierten Löchern vorgesehen
und in einem Gehäuse untergebracht, dessen Außenwand senkrecht zu der
Schaltungsanordnung durch das Bezugszeichen 13 angegeben ist, und wobei eine innere
Trennwand die Schaltanordnung von den anderen, nicht beschriebenen und mit dem
Bezugszeichen 14 angegebenen Schaltungsanordnungen trennt. Die Bauelemente dieser
Ausführungsform haben dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 5 und 6. Es erübrigt sich
folglich die gegenseitigen Verbindungen abermals zu beschreiben. Nahezu alle
Bauelemente sind oberflächenmontierte Bauelemente und sind flach auf den dargestellten
Kupferverbindungen der gedruckten Schaltung befestigt. Die Induktivitäten L1, L1B
sind auf der Schaltungsanordnung gedruckt. Nur die Induktivitäten L2, L2B, L3, L3B,
L5 sind diskrete Elemente mit durch die Printplatte hindurchgehenden Anschlüssen.
Diese Elemente befinden sich also auf der Oberfläche, die der dargestellten Oberfläche
gegenüberliegt. Diese andere Oberfläche ist nahezu völlig metallisiert zum Bilden einer
Erdungsfläche, abgesehen von einigen Stellen, die für Hindurchführungen reserviert
sind, die nicht mit Erde verbunden sind, insbesondere für die als diskrete Elemente
ausgebildeten Induktivitäten. Die jeweiligen als Verbindungen mit Masse angegebenen
Stellen in der Zeichnung sind über eine metallisierte Öffnung mit der zweiten
Oberfläche, d. h. mit der Erdungsfläche verbunden. Die Elemente der Erdungsfläche auf der
Seite der oberflächenmontierten Bauelemente sind an ihrem Umfang mit einer Reihe
metallisierter Öffnungen (nicht dargestellt), zur Gewährleistung einer effektiven
Verbindung nach Masse.
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Die Eingangsklemmen 1, 1B sind metallische Laminierungen, deren
Länge durch Impedanzanpassungserwägungen (Zc = 75 Ohm) bestimmt wird. Die
Eingänge 6, 6B, 9 und die Masse der Speisung sind gruppiert (oben in der Zeichnung)
und die Verbindungen 6, 6B sind in der Nähe des Eingangs des Gehäuses durch
Sicherheitsdioden D2, D2B in Reihe mit Widerständen R20, R20B von 22 Ohm mit
Masse verbunden.
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Die durch 12 bezeichneten Elemente in Fig. 5 und durch 11 bezeichneten
Elemente in Fig. 6 sind Verdrahtungsleitungen auf der Oberfläche, die der Oberfläche
mit dem Großteil der Elemente gegenüberliegt. Die Leitung 11 ist als gestrichelte Linie
in Fig. 7 gezeichnet. Deutlichkeitshalber sind von der Leitung 12 nur der Anfangs- und
der Endpunkt durch Pfeile angegeben. Diese Leitung 12 verbindet die Metallisierung
des Eingangs 6B oben in der Figur mit dem gemeinsamen Punkt bei L3B und mit C15
unten in der Figur. Wegen der Streuinduktivität dieser relativ langen Leitungen, die
"kalte" Verbindungen sein dürfen, ist für die Leitungen 12 und 11 das Ende mittels
Kapazitäten C15 und C10 gegenüber Masse entkoppelt. Die Kapazität C15 ist in zwei
Komponenten aufgeteilt, die mit je einem Ende der Leitung verbunden sind.
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Die in den Schaltungsanordnungen nach den Fig. 5, 6, 7 verwendeten
Bauelemente haben beispielsweise die nachfolgenden Werte:
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C1 = 0,5 pF R1 = 1 kOhm
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C2 = 10 pF R2 = 2,2 kOhm
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C5 = 2·100 pF R30 = 10 kOhm
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C7, C7B = 47 nF R6 = 100 Ohm
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C8 = 5 pF R7 = 47 Ohm
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C9 = 100 pF R8 = 100 kOhm
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C10 = 100 pF R9, R9B = 6,8 kOhm
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C15 = 2·100 pF R10 = 82 kOhm
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R11 =1,2 kOhm
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T1 = BFR 92A R12, R12B = 2,2 kOhm
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T1B = BFR 92AR R13 = 47 kOhm
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D,DB = BA679 R14 = 5,6 kOhm
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T5 = BC848BR
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T5B = BC848B L2 1,5 Kupferwicklung 50/100º
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T7 = BC858BR Innendurchmesser 2 mm
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T7B = NC858B L3 5,5 Kupferwicklungen 50/100º
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Innendurchmesser 2,5 mm
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L5 1,5 Kupferwicklung 50/100º
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Innendurchmesser 3 mm.
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Die Ausführungsformen nach den Fig. 5 und 7 haben die nachfolgenden
Eigenschaften:
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- Nutzfrequenzband: 900 bis 1800 MHz
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- Impedanz eines Eingangs: 75 Ohm
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- Isolierung der isolierenden Strecke: > 35 dB
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- Verstärkung einer aktiven Strecke: > 8 dB
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- Stehwellenverhältnis : 1,5
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- Kompatibilität TTL für die Steuerung (Klemme 9).
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Bisher konnten derartigen Eigenschaften nur mit Koaxialrelais oder mit
Schaltungsanordnungen mit aufwendigen PIN-Dioden erzielt werden.
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Es dürfte einleuchten, daß im Rahmen der Erfindung viele Abwandlungen
möglich sind. So können die Transistoren T1, T2 durch Anpassung der Polarisation
MOS-Transistoren ersetzt werden, was dem Fachmann deutlich ist. In dem Fall sollten
statt Basis, Emitter und Kollektor die Ausdrücke Gate, Source und Drain benutzt
werden.