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Die Erfindung betrifft ein Antennenspeisenetzwerk bestehend aus vier Netzwerkeingängen, vier Hybridteilern, zwei Phasenschiebern und vier Netzwerkausgängen, wobei zwei Hybridteiler als symmetrische Hybridteiler ausgestaltet sind. Weiterhin ist je ein Hybridteiler mit einem anderen Hybridteiler und einem Phasenschieber verbunden und zwei Hybridteiler sind mit je zwei Netzwerkausgängen verknüpft.
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Phasengesteuerte Gruppenantennen sind grundsätzlich bekannt. Solche Gruppenantennen bestehen aus mehreren Antennenelementen, die in der Regel in einer Ebene in sogenannten Antennen-Arrays angeordnet sind. Über geeignete Antennenspeisenetzwerke können leitungsgebundene elektromagnetische Wellen in Teilwellen aufgespalten und auf die Antennenelemente geleitet werden. An den Antennenelementen werden diese Teilwellen dann in Form von Raumwellen abgestrahlt. Die Antennenelemente können hierbei so angesteuert werden, dass eine Bündelung der Strahlungsenergie und damit eine Richtwirkung der abgestrahlten Energie erreicht wird. Die Abstrahlscharakteristik von Antennen-Arrays umfasst üblicherweise eine sogenannte Hauptkeule und mehrere Nebenkeulen, wobei die Ausrichtung dieser Keulen über die Ansteuerung der Antennenelemente geschwenkt werden kann. Die Richtung der Abstrahlcharakteristik wird dabei von der Hauptkeule bestimmt. Die grafische Darstellung der Abstrahlcharakteristik wird als Antennendiagramm bezeichnet.
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Aus dem Stand der Technik sind Antennenspeisenetzwerke als sogenannte Butler-Matrizen bekannt. Aus
US 6 351 243 B1 ist eine Butler-Matrix bestehend aus vier Netzwerkeingängen, vier Hybridteilern, zwei Phasenschiebern und vier Netzwerkausgängen bekannt. Dabei ist je ein Hybridteiler mit einem anderen Hybridteiler und einem Phasenschieber verbunden und zwei Hybridteiler sind mit je zwei Netzwerkausgängen verknüpft. Die Hybridteiler sind als symmetrische Hybridteiler ausgestaltet. Eine leitungsgebundene elektromagnetische Welle wird damit von einem der vier Netzwerkeingänge auf vier an den Netzwerkausgängen angeschlossene Antennenelemente verteilt, wobei die an den Antennenelementen ankommenden Teilwellen untereinander phasenverschoben sind. Je nach Netzwerkeingang können mit solch einer Butler-Matrix Phasenverschiebungen zwischen den Teilwellen von –135°, +45°, –45° und +135° erreicht werden. Die Überlagerung dieser phasenverschobenen Teilwellen resultiert dann in einer gerichteten Abstrahlcharakteristik der gesamten Antenne, wobei je nach verwendetem Netzwerkeingang vier Richtungen möglich sind. Eine senkrecht zur Ebene des Antennen-Arrays ausgerichtete Hauptkeule kann mit dieser Butler-Matrix nicht erzeugt werden. Weiterhin ist die Abstrahlcharakteristik von ausgeprägten Nebenkeulen gekennzeichnet.
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In
US 6 353 410 B1 wird vorgeschlagen, die Leitungen zwischen den Antennenelementen und der zuvor beschriebenen Butler-Matrix so zu gestalten, dass eine weitere feste Phasenverschiebung der Teilwellen untereinander erreicht wird. Somit weist die Abstrahlcharakteristik eine senkrecht zur Ebene des Antennen-Arrays ausgerichtete Hauptkeule auf. Weiterhin wird beschrieben, wie die Nebenkeulen der Abstrahlcharakteristik unterdrückt werden können. Hierzu werden an den Ausgängen der Butler-Matrix mehrere Antennenelemente zu Einheiten zusammengeschaltet, wobei die Antennenelemente einer Einheit entlang einer Linie angeordnet sind. Entlang der Linien entspricht der Abstand der Antennenelemente der halben Wellenlänge der emittierten Strahlung. Der Abstand der linienförmigen Einheiten untereinander liegt zwischen 1/4 und 3/8 der Wellenlänge der abgestrahlten Strahlung. Die Anordnung der Einheiten weist innere Einheiten und äußere Einheiten auf, wobei die inneren Einheiten eine größere Anzahl an Antennenelementen umfassen als die äußeren Einheiten. Mit der beschriebenen Anordnung werden die Nebenkeulen der Abstrahlcharakteristik verringert. Aufgrund der festen Abstände zwischen den Antennenelementen und der Einheiten untereinander kann die technische Lösung nur für einen bestimmten Frequenzbereich verwendet werden. Für den Betrieb in einem anderen Frequenzbereich muss die Antennenstruktur angepasst werden.
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In
WO 2014/204678 A1 wird ein Antennenspeisenetzwerk beschrieben, womit die Antennenelemente mit Teilwellen unterschiedlicher Leistungen gespeist werden. Dies wird erreicht, indem zwischen der Butler-Matrix und den Antennenelementen zusätzlich Leistungsteiler angeordnet sind, womit in der Abstrahlcharakteristik eine Nebenkeulenunterdrückung erreicht wird. Die Verwendung zusätzlicher Leistungsteiler außerhalb der Butler-Matrix ist allerdings aufwändig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antennenspeisenetzwerk zu schaffen, welches innerhalb der Butler-Matrix eine unsymmetrische Leistungsverteilung auf die Antennenelemente ermöglicht, ohne dass Anpassungen der Antennenstruktur oder zusätzliche Bauteile zwischen Butler-Matrix und Antennenelementen notwendig sind. Ziel ist die Unterdrückung von Nebenkeulen in der Abstrahlscharakteristik.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem der zweite und der vierte Hybridteiler als unsymmetrische Hybridteiler gestaltet sind. Weiterhin sind in der Verbindung zwischen dem zweiten Hybridteiler und dem ersten Netzwerkausgang ein dritter Phasenschieber, in der Verbindung zwischen dem zweiten Hybridteiler und dem dritten Netzwerkausgang ein vierter Phasenschieber, in der Verbindung zwischen dem vierten Hybridteiler und dem zweiten Netzwerkausgang ein fünfter Phasenschieber und in der Verbindung zwischen dem vierten Hybridteiler und dem vierten Netzwerkausgang ein sechster Phasenschieber angeordnet. Die Verbindung zwischen dem dritten Phasenschieber und dem ersten Netzwerkausgang und die Verbindung zwischen dem fünften Phasenschieber und dem zweiten Netzwerkausgang sind mit einem ersten Transferschalter verknüpft. Ebenso sind die Verbindung zwischen dem vierten Phasenschieber und dem dritten Netzwerkausgang und die Verbindung zwischen dem sechsten Phasenschieber und dem vierten Netzwerkausgang mit einem zweiten Transferschalter verknüpft.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass an den Netzwerkausgängen Antennenelemente angeschlossen sind. Mit diesen Antennenelementen kann die anliegende Leistung als Raumwelle abgestrahlt werden. Die Raumwelle ergibt sich aus der Überlagerung der an den Antennenelementen abgestrahlten Teilwellen.
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Ein derart gestaltetes Antennenspeisenetzwerk bietet den großen Vorteil, dass die in das Netzwerk eingespeiste Leistung unsymmetrisch auf die Netzwerkausgänge und damit auf die Antennenelemente verteilt werden kann. Die Verteilung der Leistung erfolgt dabei so, dass geringere Leistungen auf äußere Antennenelemente geleitet werden, wodurch eine Nebenkeulenunterdrückung in der Abstrahlcharakteristik erreicht wird.
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Es wird vorgeschlagen, dass der erste und der zweite Phasenschieber ein –45°-Phasenschieber, der dritte Phasenschieber ein 0°-Phasenschieber, der vierte Phasenschieber ein –90°-Phasenschieber, der fünfte Phasenschieber ein –135°-Phasenschieber und der sechste Phasenschieber ein –45°-Phasenschieber sind.
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Mit der beschriebenen Phasenschieberkonfiguration kann bei geeigneter Anordnung der Antennenelemente eine Abstrahlcharakteristik erzeugt werden, deren Hauptkeule senkrecht zur Ebene der Antennenelemente oder gegen diese Senkrechte geneigt ausgerichtet werden kann.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass ein Signalausgang des ersten Netzwerkausgangs mit einem Signaleingang eines ersten Umschalters verbunden ist und dass an einem Signalausgang des ersten Umschalters ein Signaleingang eines zweiten Umschalters und an einem weiteren Signalausgang des ersten Umschalters ein Signaleingang eines siebten Phasenschiebers angeschlossen sind. Ein Signalausgang des siebten Phasenschiebers ist mit einem weiteren Signaleingang des zweiten Umschalters verbunden. Ein Signalausgang des zweiten Umschalters ist mit einem Signaleingang eines ersten Ausgangs verbunden. Ein Signalausgang des zweiten Netzwerkausgangs ist mit einem Signaleingang eines zweiten Ausgangs und ein Signalausgang des dritten Netzwerkausgangs ist mit einem Signaleingang eines dritten Umschalters verbunden. An einem Signalausgang des dritten Umschalters ist ein Signaleingang eines vierten Umschalters und an einem weiteren Signalausgang des dritten Umschalters ist ein Signaleingang eines achten Phasenschiebers angeschlossen. Ein Signalausgang des achten Phasenschiebers ist mit einem weiteren Signaleingang des vierten Umschalters und ein Signalausgang des vierten Umschalters ist mit einem Signaleingang eines dritten Ausgangs verbunden. Ein Signalausgang des vierten Netzwerkausgangs ist mit einem Signaleingang eines fünften Umschalters verbunden. An einem Signalausgang des fünften Umschalters ist ein Signaleingang eines sechsten Umschalters und an einem weiteren Signalausgang des fünften Umschalters ist ein Signaleingang eines neunten Phasenschiebers angeschlossen. Ein Signalausgang des neunten Phasenschiebers ist mit einem weiteren Signaleingang des sechsten Umschalters und ein Signalausgang des sechsten Umschalters ist mit einem Signaleingang eines vierten Ausgangs verbunden. Der erste, dritte und fünfte Umschalter weisen jeweils einen Signaleingang und zwei Signalausgänge auf, wobei diese Umschalter zwei Zustände einnehmen können. Im Zustand 1 wird ein am Signaleingang eintreffendes Signal auf einen der beiden Signalausgänge geleitet. Im Zustand 2 wird ein am Signaleingang eintreffendes Signal auf den anderen Signalausgang des Umschalters geschaltet. Der zweite, vierte und sechste Umschalter weisen jeweils zwei Signaleingänge und einen Signalausgang auf, wobei auch diese Umschalter zwei Zustände einnehmen können. Im Zustand 1 wird ein Signal von einem der Signaleingänge auf den Signalausgang geleitet. Im Zustand 2 wird das Signal vom anderen Signaleingang des Umschalters auf den Signalausgang geschaltet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der siebte Phasenschieber ein –45°-Phasenschieber, der achte Phasenschieber ein 45°-Phasenschieber und der neunte Phasenschieber ein 90°-Phasenschieber sind. Somit wird es möglich, abhängig davon, welcher Netzwerkeingang gespeist wird, sieben verschiedene Richtdiagramme zu erzeugen.
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Zur Abstrahlung der an die Ausgänge verteilten Signale wird vorgeschlagen, an den Ausgängen Antennenelemente anzuschließen. Bei linearer Anordnung dieser Antennenelemente führt die bei der Abstrahlung auftretende Überlagerung der phasenverschobenen Raumwellen zu einer typischen Abstrahlcharakteristik. Ein Antennenelement kann dabei aus einer einzelnen Antenne oder aus mehreren miteinander verbundenen Antennen bestehen.
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Zweckdienlich ist, dass die Netzwerkeingänge des Antennenspeisenetzwerks mit je einem Signalausgang einer Schalteinheit verbunden sind und die Schalteinheit einen Signaleingang aufweist. Vorgeschlagen wird, dass die Schalteinheit ein Multiplexer ist. Somit ist es möglich, zwischen den verschiedenen Richtdiagrammen zu schalten. Bei linearer Anordnung von vier, an den Ausgängen bzw. Netzwerkausgängen angeschlossenen, Antennen kann damit das Antennenrichtdiagramm in einer Dimension geschwenkt werden.
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Es wird vorgeschlagen, dass jeder Ausgang mit einem Signaleingang einer Schalteinheit weiterer Antennenspeisenetzwerke verbunden ist. Somit können mehrere zuvor beschriebene Antennennetzwerke in einem Netzwerk verknüpft werden. Bei geeigneter Anordnung der mit den Ausgängen verbundenen Antennenelemente entsteht ein 4 × 4 Antennen-Array aus sechzehn Antennenelementen, welches mit diesem Netzwerk gespeist werden kann. Durch die Kombination aller möglichen Phasenunterschiede an den Ausgängen lässt sich über die Ansteuerung der Schalteinheiten das Antennenrichtdiagramm in zwei Dimensionen schwenken.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Antennenelemente als Patchantennen ausgeführt sind. Somit können die abgestrahlten Raumwellen horizontal oder vertikal polarisiert werden.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Patchantennen zwei Einspeisepunkte aufweisen. Das Eingangssignal wird vor dem Einspeisen in die Patchantenne aufgespalten. Ein Teil des Signals wird zum einem ersten Einspeisepunkt der Patchantenne geführt. Der zweite Teil des Signals wird zu einem weiteren Einspeisepunkt der Patchantenne geführt, wobei die Zuleitungen so ausgestaltet sind, dass zwischen beiden Signalen ein Phasenversatz von 90° erzeugt wird. Beide Einspeisepunkte liegen üblicherweise auf einer Kante der Patchantenne, wobei die Kanten mit den Einspeispunkten rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Damit kann das Eingangssignal als zirkular polarisierte Raumwelle abgestrahlt werden.
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Vorteilhaft ist, dass die unsymmetrischen Hybridteiler aus diskreten Bauelementen aufgebaut sind. Damit wird ein kompakter und platzsparender Aufbau erreicht. Weiterhin können die Leistungsverhältnisse an den unsymmetrischen Hybridteilern an die für den jeweiligen Anwendungsfall geforderte Nebenkeulenunterdrückung angepasst werden. Weiterhin lässt sich ein gewünschtes Leistungsverhältnis für unterschiedliche Frequenzbereiche realisieren.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die unsymmetrischen Hybridteiler als 6 dB-Hybridteiler oder 10 dB-Hybridteiler oder 20 dB-Hybridteiler ausgestaltet sind. Im Falle eines 6 dB-Hybridteilers weisen die an seinen beiden Signalausgängen ausgegebenen Teilwellen ein Amplitudenverhältnis von eins zu vier auf. Bei einem 10 dB-Hybridteiler wird ein Amplitudenverhältnis von eins zu zehn erreicht. Mit einem 20 dB-Hybridteiler kann ein Amplitudenverhältnis von eins zu hundert erreicht werden. Die Ausgestaltung der unsymmetrischen Hybridteiler ist allerdings nicht auf die genannten Hybridteiler beschränkt.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Phasenschieber aus Mikrostreifenleitungen gestaltet sind.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Phasenschieber aus diskreten Bauelementen aufgebaut sind. Somit wird der gesamte Aufbau kompakter und damit platzsparender.
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Vorgeschlagen wird, dass die Phasenschieber auf einen Frequenzbereich einstellbar sind.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen:
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1 Grafische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antennenspeisenetzwerks
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2a Schema eines Transferschalters im Zustand 1
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2b Schema eines Transferschalters im Zustand 2
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3 Tabellarische Darstellung der Amplitudenabschwächungen und der Phasenverschiebungen an den Signaleingängen der Phasenschieber 7, 8, 9, 10
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4 Tabellarische Darstellung der Amplitudenabschwächungen und der Phasenverschiebungen an den Signalausgängen der Phasenschieber 7, 8, 9, 10
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5 Tabellarische Darstellung der Amplitudenabschwächungen und der Phasenverschiebungen an den Signalausgängen der Phasenschieber 7, 8, 9, 10 bei umgeschalteten Transferschaltern
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6 Grafische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antennenspeisenetzwerks mit Schalteinheit
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7 Ausschitt eines erfindungsgemäßen Antennenspeisenetzwerks mit weiteren Umschaltern und Phasenschiebern
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8 Tabellarische Darstellung der Amplitudenabschwächungen und der Phasenverschiebungen an den Ausgängen Pout5, Pout6, Pout7 und Pout8 bei Stellung der Umschalter im Zustand 1
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9 Tabellarische Darstellung der Amplitudenabschwächungen und der Phasenverschiebungen an den Ausgängen Pout5, Pout6, Pout7 und Pout8 bei Stellung der Umschalter im Zustand 2
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10 Netzwerk aus fünf verschalteten Antennennetzwerken
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11 Schaltungsschema eines unsymmetrischen Hybridteilers
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12 Tabellarische Darstellung der Amplitudenabschwächungen und der Phasenverschiebungen an den Signalein- und ausgängen eines unsymmetrischen 6 dB-Hybridteilers
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1 zeigt eine grafische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antennenspeisenetzwerks.
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Das Antennenspeisenetzwerk besteht aus einem ersten Hybridteiler 1, einem zweiten Hybridteiler 2, einem dritten Hybridteiler 3 und einem vierten Hybridteiler 4. Jeder dieser Hybridteiler 1, 2, 3, 4 weist je zwei Signaleingänge und je zwei Signalausgänge auf. Weiterhin besteht das Antennennetzwerk aus einem ersten Phasenschieber 5, einem zweiten Phasenschieber 6, einem ersten Netzwerkausgang Pout1, einem zweiten Netzwerkausgang Pout2, einem dritten Netzwerkausgang Pout3 und einem vierten Netzwerkausgang Pout4. Dabei sind ein Signalausgang des ersten Hybridteilers 1 mit einem Signaleingang des zweiten Hybridteilers 2, ein weiterer Signalausgang des ersten Hybridteilers 1 mit einem Signaleingang des ersten Phasenschiebers 5, ein Signalausgang des dritten Hybridteilers 3 mit einem Signaleingang des zweiten Phasenschiebers 6, ein weiterer Signalausgang des dritten Hybridteilers 3 mit einem Signaleingang des vierten Hybridteilers 4, ein Signalausgang des ersten Phasenschiebers 5 mit einem weiteren Signaleingang des vierten Hybridteilers 4 und ein Signalausgang des zweiten Phasenschiebers 6 mit einem weiteren Signaleingang des zweiten Hybridteilers 2 verbunden. Weiterhin sind ein Signalausgang des zweiten Hybridteilers 2 mit dem ersten Netzwerkausgang Pout1, ein weiterer Signalausgang des zweiten Hybridteilers 2 mit dem dritten Netzwerkausgang Pout3, ein Signalausgang des vierten Hybridteilers 4 mit dem zweiten Netzwerkausgang Pout2 und ein weiterer Signalausgang des vierten Hybridteilers 4 mit dem vierten Netzwerkausgang Pout4 verbunden.
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Der erste Phasenschieber 5 und der zweite Phasenschieber 6 sind als –45°-Phasenschieber ausgestaltet. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass eine elektromagnetische Welle am Signalausgang im Vergleich zum Signaleingang um –45° phasenverschoben ist.
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Weiterhin sind in der Verbindung zwischen dem zweiten Hybridteiler 2 und dem ersten Netzwerkausgang Pout1 ein dritter Phasenschieber 7, in der Verbindung zwischen dem zweiten Hybridteiler 2 und dem dritten Netzwerkausgang Pout3 ein vierter Phasenschieber 8, in der Verbindung zwischen dem vierten Hybridteiler 4 und dem zweiten Netzwerkausgang Pout2 ein fünfter Phasenschieber 9 und in der Verbindung zwischen dem vierten Hybridteiler 4 und dem vierten Netzwerkausgang Pout4 ein sechster Phasenschieber 10 angeordnet. Die Verbindung zwischen dem dritten Phasenschieber 7 und dem ersten Netzwerkausgang Pout1 und die Verbindung zwischen dem fünften Phasenschieber 9 und dem zweiten Netzwerkausgang Pout2 sind mit einem ersten Transferschalter 11 verknüpft. Ebenso sind die Verbindung zwischen dem vierten Phasenschieber 8 und dem dritten Netzwerkausgang Pout3 und die Verbindung zwischen dem sechsten Phasenschieber 10 und dem vierten Netzwerkausgang Pout4 mit einem zweiten Transferschalter 12 verknüpft.
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Der erste Hybridteiler 1 und der dritte Hybridteiler 3 sind als symmetrische Hybridteiler, der zweite Hybridteiler 2 und vierte Hybridteiler 4 sind als unsymmetrische Hybridteiler ausgestaltet. Symmetrische Hybridteiler zeichnen sich dadurch aus, dass eine über einen der Signaleingänge eingespeiste elektromagnetische Welle in zwei Teilwellen aufgespalten und auf beide Signalausgänge verteilt wird, wobei die Amplituden der beiden ausgegebenen Teilwellen identisch sind. Darüber hinaus sind die beiden ausgegebenen Teilwellen um 90° gegeneinander phasenverschoben. Bei unsymmetrischen Hybridteilern wird ebenfalls eine über einen der Signaleingänge eingespeiste elektromagnetische Welle auf beide Signalausgänge verteilt. Auch hier weisen die beiden ausgegebenen Teilwellen einen Phasenversatz von 90° auf. Im Gegensatz zum symmetrischen Hybridteiler sind die Amplituden der beiden ausgegebenen Teilwellen aber nicht identisch. Je nach eingesetztem unsymmetrischem Hybridteiler können unterschiedliche Amplitudenverhältnisse der beiden ausgegebenen Teilwellen erreicht werden. Wird als unsymmetrischer Hybridteiler beispielsweise ein 6 dB-Hybridteiler eingesetzt, liegt das Amplitudenverhältnis bei eins zu vier. Bei einem 10 dB-Hybridteiler wird ein Amplitudenverhältnis von eins zu zehn und bei einem 20 dB-Hybridteiler ein Amplitudenverhältnis von eins zu hundert erreicht. Das erfindungsgemäße Antennennetzwerk ist aber nicht auf diese drei Ausführungen eines unsymmetrischen Hybridteilers beschränkt. Im Weiteren wird davon ausgegangen, dass die beiden unsymmetrischen Hybridteiler als 6 dB-Hybridteiler ausgestaltet sind.
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Der dritte Phasenschieber 7 ist als 0°-Phasenschieber, der vierte Phasenschieber 8 als –90°-Phasenschieber, der fünfte Phasenschieber 9 als –135°-Phasenschieber und der sechste Phasenschieber 10 als –45°-Phasenschieber gestaltet. In bevorzugter Ausführung sind die Phasenschieber 5, 6, 7, 8, 9, 10 als gefaltete Mikrostreifenleitungen gestaltet. Diese Mikrostreifenleitungen können über Kurzschlussbrücken auf verschiedene Frequenzbereiche abgestimmt werden. Eine weitere bevorzugte Ausführung der Phasenschieber 5, 6, 7, 8, 9, 10 besteht aus diskreten Bauteilen in T- oder PI-Layout, die die gewünschte Phasenverschiebung erzeugen. Durch Bestückungsvarianten können verschiedene Frequenzbereiche abgedeckt werden.
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Die Transferschalter 11, 12 sind als diskrete Bauelemente ausgestaltet. Die Transferschalter 11, 12 dieses Antennennetzwerks können zwei Zustände einnehmen. 2a zeigt ein Schema eines Transferschalters 11, 12 im Zustand 1 (parallele Schaltung) und 2b im Zustand 2 (gekreuzte Schaltung). Im Zustand 1 wird eine über ein Signaleingang in1 eingespeiste elektromagnetische Welle auf einen Signalausgang out1 und eine über ein Signaleingang in2 eingespeiste elektromagnetische Welle auf einen Signalausgang out2 geleitet. Im Zustand 2 werden die elektromagnetischen Wellen überkreuzt, wodurch im Zustand 2 eine über ein Signaleingang in1 eingespeiste elektromagnetische Welle auf einen Signalausgang out2 und eine über ein Signaleingang in2 eingespeiste elektromagnetische Welle auf einen Signalausgang out1 geleitet wird.
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Der Nutzen der Transferschalter 11, 12 wird im Folgenden anhand der Phasen- und Amplitudenverhältnisse innerhalb des Antennennetzwerks aus 1 erläutert. Über die Signaleingänge Pin1 und Pin2 des ersten Hybridteilers 1 und die Signaleingänge Pin3 und Pin4 des dritten Hybridteilers 3 lässt sich eine leitungsgebunde elektromagnetische Welle in das Antennennetzwerk einspeisen. Diese elektromagnetische Welle wird dann vom Antennennetzwerk in Teilwellen aufgespalten und auf die Netzwerkausgänge Pout1, Pout2, Pout3, Pout4 verteilt. An daran angeschlossenen Antennenelementen werden die Teilwellen in elektromagnetische Raumwellen umgewandelt und abgestrahlt. Die Abstrahlleistung an einem Antennenelement hängt dabei von der Leistung der auf dieses Antennenelement geleiteten Teilwelle ab. Die einzelnen Raumwellen überlagern sich dann zu einer Raumwelle. Dabei ergibt sich eine Abstrahlcharakteristik, die sich aus einer sogenannten Hauptkeule und mehreren Nebenkeulen zusammensetzt. Dabei hängt die Ausbildung der Abstrahlcharakteristik der gesamten Antenne davon ab, in welchen Netzwerkeingang Pin1, Pin2, Pin3, Pin4 des Antennennetzwerks die leitungsgebundene elektromagnetische Welle eingespeist wird. In 3 ist eine tabellarische Darstellung der Phasen- und Amplitudenverhältnisse an den Eingängen des dritten, vierten, fünften und sechsten Phasenschiebers 7, 8, 9, 10 dargestellt. 4 zeigt eine tabellarische Darstellung der Phasen- und Amplitudenverhältnisse an den Ausgängen dieser Phasenschieber 7, 8, 9, 10.
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Bei der Einspeisung über den Netzwerkeingang Pin2 ergibt sich eine Abstrahlcharakteristik, die eine senkrecht zur Antennenebene ausgerichtete Hauptkeule aufweist. Weiterhin zeichnet sich die Abstrahlcharakteristik durch unterdrückte Nebenkeulen aus. Dies wird dadurch erreicht, dass die an den unsymmetrischen Hybridteilern 2, 4 um 6 dB abgeschwächten Teilwellen auf die Netzwerkausgänge Pout1 und Pout4 geleitet werden. Dies resultiert in geringeren Abstrahlleistungen bei den an diesen Netzwerkausgängen Pout1 und Pout4 angeschlossenen Antennenelementen und somit in geringeren Anteilen an der durch Überlagerung resultierenden Freiraumwelle.
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Bei einer Einspeisung über den Netzwerkeingang Pin3 sind die Teilwellen an den jeweils benachbarten Signalausgängen der Phasenschieber 7, 8, 9, 10 um +90° phasenverschoben, womit sich nach Überlagerung der einzelnen Freiraumwellen eine Abstrahlcharakteristik mit gegen die Senkrechte der Antennenebene geneigter Hauptkeule ergibt. Bei einer Einspeisung über den Netzwerkeingang Pin4 sind die Teilwellen an jeweils benachbarten Signalausgängen der Phasenschieber 7, 8, 9, 10 um –90° phasenverschoben, wobei damit nach Überlagerung die Hauptkeule der Abstrahlcharakteristik in entgegengesetzter Richtung zur Senkrechten geneigt ist. Ohne Transferschalter 11, 12 sind allerdings die Amplituden der Teilwellen an den Signalausgängen des vierten und fünften Phasenschiebers 8, 9 um 6 dB abgeschwächt. Die Teilwellen an den Signalausgängen des dritten und sechsten Phasenschiebers 7, 10 sind nicht abgeschwächt. Somit wird in der Abstrahlcharakteristik keine Nebenkeulenunterdrückung erreicht. Mit Hilfe der Transferschalter 11, 12 ist es nun möglich, die abgeschwächten Teilwellen auf die Netzwerkausgänge Pout1 und Pout4 zu leiten und die nicht abgeschwächten Teilwellen auf die Netzwerkausgänge Pout2 und Pout3. Hierfür werden die Transferschalter 11, 12 in den Zustand 2 (gekreuzt) versetzt. Dabei ist hervorzuheben, dass sich hierbei der Phasenversatz benachbarter Netzwerkausgänge Pout1, Pout2, Pout3, Pout4 betragsmäßig nicht ändert. Lediglich das Vorzeichen des Phasenversatzes erfährt bei gekreuzter Schaltung der Transferschalter 11, 12 eine Änderung. Somit sind nun bei einer Einspeisung über Pin3 die Teilwellen an jeweils benachbarter Netzwerkausgänge Pout1, Pout2, Pout3, Pout4 um –90° phasenverschoben. Bei einer Einspeisung über Pin4 beträgt die Phasenverschiebung +90°. Bei Einspeisung einer leitungsgebundenen Welle am Netzwerkeingang Pin2 in das Antennennetzwerks werden die Transferschalter 11, 12 in den Zustand 1 versetzt.
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In 5 findet sich eine tabellarische Darstellung der Amplitudenabschwächungen und der Phasenverschiebungen an den Signalausgängen der Phasenschieber 7, 8, 9, 10, wenn sich bei einer Einspeisung über Pin2 die Transferschalter 11, 12 im Zustand 1 und bei Einspeisung über Pin3 oder Pin4 im Zustand 2 befinden. Damit ist in allen drei Fällen sichergestellt, dass die abgeschwächten Teilwellen auf die Netzwerkausgänge Pout1 und Pout4 geleitet werden und somit eine Nebenkeulenunterdrückung in der Abstrahlcharakteristik der gesamten Antenne erreicht wird.
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6 zeigt eine grafische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antennenspeisenetzwerks mit Schalteinheit. Die Ansteuerung der Eingänge Pin1, Pin2, Pin3 und Pin4 des Antennennetzwerks N erfolgt mittels einer Schalteinheit, wobei üblicherweise Multiplexer M verwendet werden. Der Multiplexer M weist einen Signaleingang und vier Signalausgänge auf. Ein Eingangssignal kann dabei vom Multiplexer M auf die Signaleingänge Pin1, Pin2, Pin3 und Pin4 geschaltet werden. Somit ist es möglich, das Richtdiagramm des an dem Antennennetzwerk angeschlossenen Antennen-Arrays zu schwenken. Eine Ansteuerung der Signaleingänge Pin1, Pin2, Pin3 und Pin4 ist allerdings nicht auf Multiplexer M beschränkt.
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7 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Antennenspeisenetzwerks mit weiteren Umschaltern 13, 14, 15, 16, 17, 18 und Phasenschiebern 19, 20, 21. Der dargestellte Ausschnitt schließt unmittelbar an die Netzwerkausgänge Pout1, Pout2, Pout3 und Pout4 an. Ein Signalausgang des ersten Netzwerkausgangs Pout1 ist mit einem Signaleingang eines ersten Umschalters 13 verbunden. An einem Signalausgang des ersten Umschalters 13 ist ein Signaleingang eines zweiten Umschalters 14 und an einem weiteren Signalausgang des ersten Umschalters 13 ist ein Signaleingang eines siebten Phasenschiebers 19 angeschlossen. Ein Signalausgang des siebten Phasenschiebers 19 ist mit einem weiteren Signaleingang des zweiten Umschalters 14. Ein Signalausgang des zweiten Umschalters 14 ist mit einem Signaleingang eines ersten Ausgangs Pout5 verbunden. Ein Signalausgang des zweiten Netzwerkausgangs Pout2 ist mit einem Signaleingang eines zweiten Ausgangs Pout6 verbunden. Ein Signalausgang des dritten Netzwerkausgangs Pout3 ist mit einem Signaleingang eines dritten Umschalters 15 verbunden. An einem Signalausgang des dritten Umschalters 15 ist ein Signaleingang eines vierten Umschalters 16 und an einem weiteren Signalausgang des dritten Umschalters 15 ist ein Signaleingang eines achten Phasenschiebers 20 angeschlossen. Ein Signalausgang des achten Phasenschiebers 20 ist mit einem weiteren Signaleingang des vierten Umschalters 16 und ein Signalausgang des vierten Umschalters 16 ist mit einem Signaleingang eines dritten Ausgangs Pout7 verbunden. Ein Signalausgang des vierten Netzwerkausgangs Pout4 ist mit einem Signaleingang eines fünften Umschalters 17 verbunden. An einem Signalausgang des fünften Umschalters 17 ist ein Signaleingang eines sechsten Umschalters 18 und an einem weiteren Signalausgang des fünften Umschalters 17 ist ein Signaleingang eines neunten Phasenschiebers 21 angeschlossen. Ein Signalausgang des neunten Phasenschiebers 21 ist mit einem weiteren Signaleingang des sechsten Umschalters 18 und ein Signalausgang des sechsten Umschalters 18 ist mit einem Signaleingang eines vierten Ausgangs Pout8 verbunden.
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Die Umschalter 13, 15, 17 weisen einen Signaleingang und zwei Signalausgänge auf, wobei die Umschalter 13, 15, 17 zwei Zustände einnehmen können. Im Zustand 1 wird ein am Signaleingang eintreffendes Signal auf einen der beiden Signalausgänge geleitet. Im Zustand 2 wird ein am Signaleingang eintreffendes Signal auf den anderen Signalausgang des Umschalters geschaltet. Die Umschalter 14, 16, 18 weisen zwei Signaleingänge und einen Signalausgang auf, wobei auch diese Umschalter 14, 16, 18 zwei Zustände einnehmen können. Im Zustand 1 wird ein Signal von einem der Signaleingänge auf den Signalausgang geleitet. Im Zustand 2 wird das Signal vom anderen Signaleingang des Umschalters 14, 16, 18 auf den Signalausgang geschaltet. Im Zusammenhang mit 7 wird im Folgenden davon ausgegangen, dass die Umschalter 13, 14, 15, 16, 17, 18 im Zustand 1 sind, wenn die Schaltung die jeweiligen Phasenschieber 19, 20, 21 umgeht. Im Zustand 2 befinden sich die Umschalter 13, 14, 15, 16, 17, 18, wenn das Signal die Phasenschieber 19, 20, 21 passiert.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der siebte Phasenschieber 19 ein –45°-Phasenschieber, der achte Phasenschieber 20 ein 45°-Phasenschieber und der neunte Phasenschieber 21 ein 90°-Phasenschieber sind. Somit wird es möglich, neben den bisherigen Phasenunterschieden (0°, +90°, –90°) zwischen den Netzwerkausgängen Pout1, Pout2, Pout3 und Pout4 weitere Phasenunterschiede zu erzeugen. Durch die weiteren Umschalter 13, 14, 15, 16, 17, 18 und Phasenschieber 19, 20, 21 werden an den Ausgängen Pout5, Pout6, Pout7 und Pout8 nun die Phasenunterschiede 0°, –45°, +45°, –90°, +90°, –135° und +135° erreicht. Damit ergeben sich bei der Überlagerung der abgestrahlten Raumwellen sieben verschiedene Richtdiagramme. Werden die Signaleingänge Pin1, Pin2, Pin3 und Pin4 beispielsweise über einen Multiplexer M angesteuert, kann zwischen den einzelnen Richtdiagramme geschaltet werden und somit ein Schwenken des Richtdiagramms in einer Dimension erreicht werden.
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8 zeigt eine tabellarische Darstellung der Amplitudenabschwächungen und der Phasenverschiebungen an den Ausgängen Pout5, Pout6, Pout7 und Pout8 bei Stellung der Umschalter 13, 14, 15, 16, 17, 18 im Zustand 1. Abhängig davon, welcher Netzwerkeingang Pin1, Pin2, Pin3, Pin4 gespeist wird, werden zwischen den Ausgängen Pout5, Pout6, Pout7 und Pout8 Phasenunterschiede von 0, –90°, 90° und 180° erreicht.
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Befinden sich die Umschalter 13, 14, 15, 16, 17, 18 im Zustand 2, werden die Signale über die Phasenschieber 19, 20 bzw. 21 geführt. Damit werden zwischen den Ausgängen Pout5, Pout6, Pout7 und Pout8 weitere Phasenunterschiede erzeugt In 9 sind die Amplitudenabschwächungen und die Phasenverschiebungen an den Ausgängen Pout5, Pout6, Pout7 und Pout8 bei Stellung der Umschalter 13, 14, 15, 16, 17, 18 im Zustand 2 tabellarisch dargestellt. An den Ausgängen Pout5, Pout6, Pout7 und Pout8 werden, je nachdem welcher Netzwerkeingang Pin1, Pin2, Pin3, Pin4 gespeist wird, Phasenunterschiede von –45°, 45°, –135° bzw. 135° erreicht.
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In 10 ist ein Netzwerk aus fünf miteinander verschalteten Antennennetzwerken N1, N2, N3, N4, N5 dargestellt. Jedes Antennennetzwerk weist vier Signaleingänge Pin1, Pin2, Pin3, Pin4 und vier Ausgänge Pout5, Pout6, Pout7, Pout8 auf. Jedem Antennennetzwerk ist je ein Multiplexer M1, M2, M3, M4, M5 zugeordnet, wobei die Signaleingänge Pin1, Pin2, Pin3, Pin4 mit je einem Signalausgang des jeweils zugeordneten Multiplexers M1, M2, M3, M4, M5 verbunden sind. Weiterhin weist jeder Multiplexer M1, M2, M3, M4, M5 einen Signaleingang auf. Der Ausgang Pout5 des Antennennetzwerks N5 ist mit dem Signaleingang des Multiplexers M1, der Ausgang Pout6 des Antennennetzwerks N5 ist mit dem Signaleingang des Multiplexers M2, der Ausgang Pout7 des Antennennetzwerks N5 ist mit dem Signaleingang des Multiplexers M3 und der Ausgang Pout8 des Antennennetzwerks N5 ist mit dem Signaleingang des Multiplexers M4 verbunden. An jedem Ausgang Pout5, Pout6, Pout7, Pout8 der Antennennetzwerke N1, N2, N3, N4 ist ein Antennenelement angeschlossen. Die Antennenelemente sind in der Darstellung nicht gezeigt. Die Anordnung der Antennenelemente, welche an demselben Antennennetzwerk angeschlossen sind, ist dabei idealerweise linear. Die jeweils linear angeordneten Antennenelemente der Antennennetzwerke N1, N2, N3, N4 werden dann wiederum gestapelt angeordnet, sodass ein Antennen-Array aus 4 × 4 Antennenelementen entsteht. Kombiniert man alle möglichen Phasenunterschiede zwischen den Ausgängen, so ergeben sich 7 × 7 = 49 Möglichkeiten. Damit lässt sich die Abstrahlcharakteristik des 4 × 4 Antennen-Array in zwei Dimensionen schwenken.
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Üblicherweise werden die Antennenelemente als Patchantennen ausgeführt, wobei sich mit dieser Antennenvariante je nach Einspeisepunkt das Eingangssignal als horizontal bzw. vertikal polarisierte Raumwellen abstrahlen lässt. Es ist aber auch möglich, das Eingangssignal vor dem Einspeisen in die Patchantenne aufzuspalten. Ein Teil des Signals wird zu einem Einspeisepunkt der Patchantenne geführt. Der zweite Teil des Signals wird zu einem weiteren Einspeisepunkt der Patchantenne geführt, wobei die Zuleitungen so ausgestaltet sind, dass zwischen beiden Signalen ein Phasenversatz von 90° erzeugt wird.
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Beide Einspeisepunkte liegen üblicherweise auf einer Kante der Patchantenne, wobei die Kanten mit den Einspeispunkten rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Damit kann das Eingangssignal als zirkular polarisierte Raumwelle abgestrahlt werden. Je nach Wahl der Ausführung der Patchantennen können somit 49 Antennenrichtdiagramme mit vertikaler Polarisation, 49 Antennenrichtdiagramme mit horizontaler Polarisation oder 49 Antennenrichtdiagramme mit zirkularer Polarisation erzeugt werden.
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11 zeigt ein Schaltungsschema einer bevorzugten Ausführung eines unsymmetrischen Hybridteilers aus acht Spulen 22 und sechzehn Kondensatoren 23. 12 zeigt eine tabellarische Darstellung der Amplituden- und Phasenverhältnisse an den Signalausgängen out1 und out2 abhängig vom Signaleingang in1 und in2 eines unsymmetrischen 6 dB-Hybridteilers. So wird bei Einspeisung einer elektromagnetischen Welle am Signaleingang in1 diese in zwei Teilwellen aufgeteilt und auf die Signalausgänge out1 und out2 geleitet, wobei die Amplitude der Teilwelle am Signalausgang out1 viermal so groß ist wie die Amplitude der Teilwelle am Signalausgang out2. Weiterhin ist die Teilwelle am Signalausgang out1 um –90° gegen die am Signaleingang eingespeiste Welle phasenverschoben. Die Teilwelle am Signalausgang out2 ist um –180° gegenüber der eingespeiste Welle phasenverschoben. Somit sind die beiden Teilwellen an out1 und out2 um 90° gegeneinander phasenverschoben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Hybridteiler
- 2
- zweiter Hybridteiler
- 3
- dritter Hybridteiler
- 4
- vierter Hybridteiler
- 5
- erster Phasenschieber
- 6
- zweiter Phasenschieber
- 7
- dritter Phasenschieber
- 8
- vierter Phasenschieber
- 9
- fünfter Phasenschieber
- 10
- sechster Phasenschieber
- 11
- erster Transferschalter
- 12
- zweiter Transferschalter
- 13
- erster Umschalter
- 14
- zweiter Umschalter
- 15
- dritter Umschalter
- 16
- vierter Umschalter
- 17
- fünfter Umschalter
- 18
- sechster Umschalter
- 19
- siebter Phasenschieber
- 20
- achter Phasenschieber
- 21
- neunter Phasenschieber
- 22
- Spule
- 23
- Kondensator
- Pout1
- erster Netzwerkausgang
- Pout2
- zweiter Netzwerkausgang
- Pout3
- dritter Netzwerkausgang
- Pout4
- vierter Netzwerkausgang
- Pout5
- erster Ausgang
- Pout6
- zweiter Ausgang
- Pout7
- dritter Ausgang
- Pout8
- vierter Ausgang
- Pin1
- Netzwerkeingang
- Pin2
- Netzwerkeingang
- Pin3
- Netzwerkeingang
- Pin4
- Netzwerkeingang
- in1
- Signaleingang
- in2
- Signaleingang
- out1
- Signalausgang
- out2
- Signalausgang
- N
- Antennennetzwerk
- N1
- Antennennetzwerk
- N2
- Antennennetzwerk
- N3
- Antennennetzwerk
- N4
- Antennennetzwerk
- N5
- Antennennetzwerk
- M
- Multiplexer
- M1
- Multiplexer, Schalteinheit
- M2
- Multiplexer, Schalteinheit
- M3
- Multiplexer, Schalteinheit
- M4
- Multiplexer, Schalteinheit
- M5
- Multiplexer, Schalteinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6351243 B1 [0003]
- US 6353410 B1 [0004]
- WO 2014/204678 A1 [0005]
