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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Derartige Lampen sind insbesondere Hochdruckentladungslampen
für Allgemeinbeleuchtung
oder für
fotooptische Zwecke. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Hochspannungspulsgenerator,
der insbesondere für eine
Lampe eingesetzt werden kann.
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Stand der Technik
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Das
Problem der Zündung
von Hochdruckentladungslampen wird derzeit dadurch gelöst, dass
das Zündgerät in das
Vorschaltgerät
integriert ist. Nachteilig daran ist, dass die Zuleitungen hochspannungsfest ausgelegt
sein müssen.
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In
der Vergangenheit hat es immer wieder Versuche gegeben, die Zündeinheit
in die Lampe zu integrieren. Dabei wurde versucht, sie in den Sockel
zu integrieren. Eine besonders effektive und hohe Pulse versprechende
Zündung
gelingt mittels sog. Spiral-Puls-Generatoren, siehe US-A 3 289 015.
Vor längerer
Zeit wurden derartige Geräte
bei verschiedenen Hochdruckentladungslampen wie Metallhalogenidlampen
oder Natriumhochdrucklampen vorgeschlagen, siehe beispielsweise
US-A 4 325 004, US-A 4 353 012. Sie konnten sich jedoch nicht durchsetzen,
weil sie zum einen zu teuer sind. Zum andern ist der Vorteil, sie
in den Sockel einzubauen, nicht ausreichend, da das Problem des
Zuführens
der Hochspannung in den Kolben bleibt. Daher die Wahrscheinlichkeit
für Schädigungen
der Lampe, seien es Isolationsprobleme oder ein Durchbruch im Sockel,
steigt stark an. Bisher übiche
Zündgeräte konnten
Im allgemeinen nicht über
100 °C erwärmt werden.
Die erzeugte Spannung musste dann der Lampe zugeführt werden, was
Leitungen und Lampenfassungen mit entsprechender Hochspannungsfestigkeit
erfordert, typisch etwa 5 kV.
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Zur
Erzeugung besonders hoher Spannungen wird ein Doppel-Generator verwendet,
siehe US-A 4 608 521.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochdruckentladungslampe
bereitzustellen, deren Zündverhalten
gegenüber
bisherigen Lampen deutlich verbessert ist und bei der keine Schädigung infolge der
Hochspannung zu befürchten
ist. Dies gilt insbesondere für
Metallhalogenidlampen, wobei das Material des Entladungsgefäßes entweder
Quarzglas oder Keramik sein kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
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Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Weiterhin
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten Hochspannungspulsgenerator
anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es, einen Hochspannungspulsgenerator
anzugeben, der kompakt ist und hohe Spannungen über 15 kV erzeugen kann. Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 14
gelöst.
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Erfindungsgemäß wird jetzt
ein Hochspannungspuls mit mindestens 15 kV, der zur Zündung beispielsweise
einer Lampe verwendet werden kann, mittels eines speziellen temperaturresistenten
Spiral-Puls-Generators erzeugt, der in unmittelbarer Nähe des Entladungsgefäßes im Außenkolben
integriert wird. Nicht nur eine Kaltzündung sondern auch ein Heißwiederzündung ist
damit möglich.
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Der
jetzt verwendete Spiral-Puls-Generator ist insbesondere ein sog.
LTCC-Bauteil. Diese
Material ist eine spezielle Keramik, die bis 600 °C Temperaturfest
gemacht werden kann. Zwar wurde LTCC schon in Zusammenhang mit Lampen
verwendet, siehe US 2003/0001519 und US-B 6 853 151. Jedoch wurde
es für
ganz andere Zwecke bei praktisch kaum temperaturbelasteten Lampen,
mit typischen Temperaturen unter 100 °C, eingesetzt. Der besondere
Wert der hohen Temperaturstabilität von LTCC in Zusammenhang
mit der Zündung von
Hochdruckentladungslampen, wie vor allem Metallhalogenidlampen mit
Zündproblemen,
zu erkennen.
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Der
Spiral-Puls-Generator ist in seiner Basisausführung ein Bauteil, das Eigenschaften
eines Kondensators mit denen eines Wellenleiters zur Erzeugung von
Zündpulsen
mit einer Spannung von mindestens 1,5 kV vereint, Für die Herstellung
werden zwei keramische "Grün-Folien" mit metallischer
Leitpaste bedruckt und anschließend
versetzt zu einer Spirale aufgewickelt und schließlich isostatisch
zu einem Formkörper
gepresst. Die folgende Co-Sinterung
von Metallpaste und keramischer Folie erfolgt an Luft im Temperaturbereich
zwischen 800 und 900 °C.
Diese Verarbeitung erlaubt einen Einsatzbereich des Spiral-Puls-Generators
bis 700 °C
Temperaturbelastung. Dadurch kann der Spiral-Puls-Generator in direkter
Nähe des
Entladungsgefäßes im Außenkolben,
aber auch im Sockel oder in unmittelbarer Nähe der Lampe untergebracht
werden.
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Unabhängig davon
kann ein derartiger Spiral-Puls-Generator auch für andere Anwendungen eingesetzt
werden, weil er nicht nur hochtemperaturstabil ist, sondern auch äußerst kompakt.
Dafür ist
wesentlich, dass der Spiral-Puls-Generator
als LTCC-Bauteil ausgeführt
ist, bestehend aus Keramikfolien und metallischer Leitpaste. Um
ausreichend Ausgangspannung zu liefern, sollte die Spirale mindestens
5 Windungen umfassen.
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Zudem
lässt sich
auf Basis dieses Hochspannungspulsgenerators eine Zündeinheit
angeben, die weiterhin zumindest einen Ladewiderstand und einen
Schalter umfasst. Der Schalter kann eine Funkenstrecke oder auch
ein Diac in SiC-Technologie sein.
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Bevorzugt
ist im Falle einer Anwendung für
Lampen die Unterbringung im Außenkolben.
Denn dadurch entfällt
die Notwendigkeit einer hochspannungsfesten Spannungszuleitung.
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Zudem
lässt sich
ein Spiral-Puls-Generator so dimensionieren, dass der Hochspannungspuls
sogar eine Heißwiederzündung der
Lampe ermöglicht.
Das Dielektrikum aus Keramik zeichnet sich durch eine außergewöhnlich hohe
Dielektrizitätskonstante ε von ε > 10 aus, wobei je nach
Material und Bauweise ein ε von typisch
70, bis zu ε =
100 erreicht werden kann. Das schafft eine sehr hohe Kapazität des Spiral-Puls-Generators
und ermöglicht
eine vergleichsweise große
zeitliche Breite der erzeugten Impulse. Dadurch wird eine sehr kompakte
Bauweise des Spiral-Puls-Generators möglich, so dass ein Einbau in
handelsübliche
Außenkolben
von Hochdruckentladungslampen gelingt.
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Die
große
Pulsbreite erleichtert zudem den Durchschlag im Entladungsvolumen.
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Als
Material des Außenkolbens
einer Lampe kann jedes übliche
Glas verwendet werden, also insbesondere Hartglas, Vycor oder Quarzglas.
Auch die Wahl der Füllung
unterliegt keiner besonderen Einschränkung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden.
Die Figuren zeigen:
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1 den
prinzipiellen Aufbau eines Spiral-Puls-Generators;
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2 Kenngrößen eines
LTCC-Spiral-Puls-Generators;
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3 den
Prinzipaufbau einer Natriumhochdrucklampe mit Spiral-Puls-Generator im Außenkolben.
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4 den
Prinzipaufbau einer Metallhalogenidlampe mit Spiral-Puls-Generator im Außenkolben.
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5 eine
Metallhalogenidlampe mit Spiral-Puls-Generator im Außenkolben;
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6 eine
Metallhalogenidlampe mit Spiral-Puls-Generator im Sockel;
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7 Kenngrößen eines LTCC-Spiral-Puls-Generators,
wobei eine normale Ausführungsform (7a)
mit einer kompakten verdoppelten Ausführungsform (7b)
verglichen werden;
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8 das
Prinzip der Verschaltung für
einen verdoppelten Spiral-Puls-Generator;
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9 den
Aufbau eines verdoppelten LTCC-Spiral-Puls-Generators im Detail.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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1 zeigt
den Aufbau eines Spiral-Puls-Generators 1 in Draufsicht.
Er besteht aus einem keramischen Zylinder 2, in den zwei
verschiedene metallische Leiter 3 und 4 als Folienband
spiralförmig
eingewickelt sind. Der Zylinder 2 ist innen hohl und besitzt
einen gegebenen Innendurchmesser ID. Die beiden inneren Kontakte 6 und 7 der
beiden Leiter 3 und 4 liegen sich in etwa gegenüber und
sind über
eine Funkenstrecke 5 miteinander verbunden.
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Nur
der äußere der
beiden Leiter besitzt am äußeren Rand
des Zylinders einen weiteren Kontakt 8. Der andere Leiter
endet offen. Die beiden Leiter bilden dadurch zusammen einen Wellenleiter
in einem dielektrischen Medium, der Keramik.
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Der
Spiral-Puls-Generator wird entweder aus zwei mit Metallpaste beschichteten
keramischen Folien gewickelt oder aus zwei Metallfolien und zwei
keramischen Folien aufgebaut. Eine wichtige Kenngröße ist dabei
die Zahl n der Windungen, die bevorzugt in der Größenordnung
5 bis 100 liegen soll. Diese Wickelanordnung wird dann laminiert
und anschließend
gesintert, wodurch ein LTCC-Bauteil entsteht. Die so geschaffenen Spiral-Puls-Generatoren mit Kondensatoreigenschaft
werden dann mit einer Funkenstrecke sowie einem Ladewiderstand beschaltet.
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Die
Funkenstrecke kann sich an den inneren oder den äußeren Anschlüssen oder
auch innerhalb der Wicklung des Generators befinden. Als Hochspannungsschalter,
der den Puls initiiert, kann bevorzugt eine Funkenstrecke verwendet
werden, die auf SiC basiert und sehr temperaturstabil ist. Beispielsweise
kann das Schaltelement MESFET der Fa. Cree verwendet werden. Dieses
ist für
Temperaturen oberhalb 350 °C
geeignet.
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In
einem konkreten Ausführungsbeispiel
wird ein Keramikmaterial mit ε =
60 bis 70 verwendet. Dabei wird bevorzugt als Dielektrikum eine
Keramikfolie, insbesondere ein Keramikband wie Heratape CT 707 oder bevorzugt
CT 765 oder auch eine Mischung beider, jeweils von Heraeus verwendet.
Es hat eine Dicke der grünen
Folie von typisch 50 bis 150 μm.
Als Leiter wird insbesondere Ag-Leitpaste wie "Cofirable Silver," ebenfalls von Heraeus, verwendet. Ein
konkretes Beispiel ist CT 700 von Heraeus. Gute Ergebnisse liefert
auch die Metallpaste 6142 von DuPont. Diese Teile lassen sich gut
laminieren und danach ausheizen ("burnout") und zusammen sintern ("co-firing").
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Der
Innendurchmesser ID des Spiral-Puls-Generator ist 10 mm. Die Breite
der einzelnen Streifen ist ebenfalls 10 mm. Die Foliendicke ist
50 μm und
auch die Dicke der beiden Leiter ist jeweils 50 μm. Die Ladespannung beträgt 300 V.
Unter diesen Voraussetzungen erreicht der Spiral-Puls-Generator ein Optimum
seiner Eigenschaften bei einer Windungszahl von n = 20 bis 70.
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In 2 sind
die zugehörige
Halbwertsbreite des Hochspannungspulses in μs (Kurve a), die Gesamtkapazität des Bauteils
in μF (Kurve
b), der resultierende Außendurchmesser
in mm (Kurve c), sowie die Effizienz (Kurve d), die maximale Pulsspannung
(Kurve e) in kV und der Leiterwiderstand in Ω (Kurve f) dargestellt.
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3 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer Natriumhochdrucklampe 10 mit
keramischem Entladungsgefäß 11 und
Außenkolben 12 mit
darin integriertem Spiral-Puls-Generator 13, wobei eine
Zünd-Elektrode 14 außen am keramischen
Entladungsgefäß 11 angebracht
ist. Der Spiral-Puls-Generator 13 ist mit der Funkenstrecke 15 und
dem Ladewiderstand 16 im Außenkolben untergebracht.
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4 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer Metallhalogenidlampe 20 mit
integriertem Spiral-Puls-Generator 21, wobei keine Zünd-Elektrode
außen
am Entladungsgefäß 22,
das aus Quarzglas oder Keramik gefertigt sein kann, angebracht ist.
Der Spiral-Puls-Generator 21 ist mit der Funkenstrecke 23 und
dem Ladewiderstand 24 im Außenkolben 25 untergebracht.
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5 zeigt
eine Metallhalogenidlampe 20 mit einem Entladungsgefäß 22,
das von zwei Zuleitungen 26, 27 in einem Außenkolben
gehaltert wird. Die erste Zuleitung 26 ist ein kurz abgewinkelter
Draht. Die zweite 27 ist im wesentlichen ein Stab, der
zur sockelfernen Durchführung 28 führt. Zwischen
der Zuleitung 29 aus dem Sockel 30 und dem Stab 27 ist
eine Zündeinheit 31 angeordnet,
die den Spiral-Puls-Generator, die Funkenstrecke und den Ladewiderstand
enthält,
wie in 4 angedeutet.
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6 zeigt
eine Metallhalogenidlampe 20 ähnlich wie 5 mit
einem Entladungsgefäß 22,
das von zwei Zuleitungen 26, 27 in einem Außenkolben 25 gehaltert
wird. Die erste Zuleitung 26 ist ein kurz abgewinkelter
Draht. Die zweite 27 ist im wesentlichen ein Stab, der
zur sockelfernen Durchführung 28 führt. Hier
ist die Zündeinheit
im Sockel 30 angeordnet, und zwar sowohl der Spiral-Puls-Generator 21,
als auch die Funkenstrecke 23 und der Ladewiderstand 24.
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Diese
Technik kann auch für
elektrodenlose Lampen angewendet werden, wobei der Spiral-Puls-Generator
als Zündhilfe
dienen kann.
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Weitere
Anwendungen dieses kompakten Hochspannungspulsgenerators liegen
in der Zündung
anderer Geräte.
Die Anwendung ist vor allem bei sog. magischen Kugeln, bei der Erzeugung
von Röntgenpulsen und
der Erzeugung von Elektronenstrahl-Pulsen vorteilhaft. Auch ein
Einsatz in Kfz als Ersatz für
die üblichen Zündspulen
ist möglich.
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Dabei
werden Windungszahlen von n bis 500 verwendet, so dass die Ausgangsspannung
bis in die Größenordnung
von 100 kV erreicht. Denn die Ausgangsspannung UA ist
als Funktion der Ladespannung UL gegeben
durch UA = 2 × n × UL × η, wobei
die Effizienz η durch η = (AD-ID)/AD
gegeben ist.
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Die
Erfindung entfaltet besondere Vorteile im Zusammenwirken mit Hochdruckentladungslampen
für Autoscheinwerfer,
die mit Xenon unter hohem Druck von bevorzugt mindestens 3 bar und
Metallhalogeniden gefüllt
sind. Diese sind besonders schwer zu zünden, da wegen des hohen Xenondrucks
die Zündspannung mehr
als 10 kV beträgt.
Derzeit wird versucht, die Komponenten der Zündeinheit im Sockel unterzubringen. Ein
Spiral-Puls-Generator
mit integriertem Ladewiderstand kann entweder in den Sockel der
Kfz-Lampe oder in einen Außenkolben
der Lampe untergebracht sein.
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Die
Erfindung entfaltet ganz besondere Vorteile im Zusammenwirken mit
Hochdruckentladungslampen, die kein Quecksilber enthalten. Derartige
Lampen sind aus Umweltschutzgründen
besonders erstrebenswert. Sei enthalten eine geeignete Metallhalogenid-Füllung und
insbesondere ein Edelgas wie Xenon unter hohem Druck. Wegen des
fehlenden Quecksilbers ist die Zündspannung
besonders hoch. Sie beträgt
mehr als 20 kV. Derzeit wird versucht, die Komponenten der Zündeinheit
im Sockel unterzubringen. Ein Spiral-Puls-Generator mit integriertem
Ladewiderstand kann entweder in den Sockel der Quecksilberfreien
Lampe oder in einen Außenkolben
der Lampe untergebracht sein.
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Dabei
hat der Spiral-Puls-Generator zum Erzeugen der hohen Spannung von
beispielsweise 20 kV bevorzugt zwei integrierte Generatoren in einer
einzigen LTCC-Spirale oder einem anderen hochwärmebeständigen Material. Da ein einzelner
Generator, der einen Hochspannungspuls von z.B. 20 kV erzeugen soll,
einen größeren Außendurchmesser
haben müsste,
als der Außendurchmesser
des Außenkolbens
der Lampe (siehe 7a, in der verschiedene Kenngrößen ähnlich wie
in 2 dargestellt sind), werden zwei Generatoren in Gegentaktschaltung
verwendet (8). Dabei werden zwei Ladewiderstände R1 und
R2 und ein Schalter Sch in Form einer Funkenstrecke verwendet. Die
beiden auf die Lampe L wirkenden Spiralgeneratoren sind mit SG1
und SG2 bezeichnet. Dieses Prinzip ist grundsätzlich aus US-A 4 608 521 bekannt.
Dort werden jedoch zwei getrennt Generatoren verwendet.
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Die
beiden Generatoren werden jetzt integriert als eine einzige LTCC-Spirale 29 mit
zwei „gestapelten" Leiterebenen und
evtl. dazwischen einer möglichen
Abschirmung ausgeführt
(9). Die beiden keramischen Folien 31 und 32 sind
jeweils ein aufgewickeltes Band und haben typisch eine Breite a
von 10 bis 50 mm und enthalten jetzt gleichzeitig drei metallische
Schichten, die parallel zueinander laufen. Der erste Spiralgenerator SG1
wird jeweils von einer ersten breiten Schicht 33 (typische
Breite b ist 3 bis 20 mm) der beiden Folien gebildet. Der zweite
Spiralgenerator SG2 wird von einer zweiten gleichartigen Schicht 34 mit ähnlicher
Breite d gebildet. Um den Abstand zwischen beiden Schichten gering
halten zu können
wird ggf. eine Abschirmung in Gestalt eines schmalen metallischen
Bandes 35 (typische Breite c ist 1 bis 5 mm) zwischen den
beiden Schichten 33 und 34 als Option aufgebracht.
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Diese
doppelte keramische Folie 31, 32 wird bis zu 100-fach
aufgewickelt, wobei der Innendurchmesser ID des entstehenden Hohlzylinders
typisch 10 bis 50 mm beträgt. Durch
Verwendung der LTCC-Technik in doppellagiger Ausführung werden
sowohl eine Temperaturfestigkeit bis 600 °C als auch ein hinreichend kleiner Außendurchmesser
erzielt, da jeder einzelne Generator nur die halbe geforderte Hochspannung,
z.B. 10 kV, erzeugen muss (siehe 7b im
Vergleich zu 7a).
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Die
Kenngrößen verändern sich
dadurch in Richtung Kompaktifizierung. Mögliche Dimensionierungen für einen
einfachen und verdoppelten Spiral-Puls-Generator in LTCC-Bauweise sind:
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In
beiden Fällen
wird jeweils eine Foliendicke von 50 μm und eine Leiterdicke von ebenfalls
50 μm verwendet.