DE3048703A1 - "quasioptischer frequenzdiplexer" - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen quasioptischen Frequenzdiplexer, mit einem Feld aus mehreren gestapelten Halbleiterabschnitten, das eine Längsachse und eine Diplexer-Freiraum-Schnittstelle
aufweist, die aufeinander senkrecht stehen, wobei jeder Hohlleiterabschnitt an jedem Ende
eine erste und zweite Eintrittsöffnung aufweist und Abmessunr gen besitzt, die den Durchgang vorbestimmter Frequenzbänder
gestattet.
Um Mikrowellenantennenanlagen besser ausnutzen zu können, benötigt
man das Frequenzdiplexen, um das gleichzeitige Senden und Empfangen von Mikrowellensignalen zu ermöglichen. Ein Verfahren
des Frequenzdiplexens besteht darin, einen Hohlleiterdiplexer in der Antennenspeisevorrichtung vorzusehen. Alternativ
kann der ankommende Strahl durch ein frequenzempfindliches Gerät vor dem Eintritt in die Speisevorrichtung abgefangen
werden, dieses Verfahren bezeichnet man als quasioptisches Diplexen.
Für das quasioptische Diplexen bei Mikrowellenfrequenzen wurde
bisher eine Anzahl von Einrichtungen vorgeschlagen. Eine
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solche Ausgestaltungsmethode wird diskutiert in dem Artikel "A Quasi-Optical Polarization-Independent Diplexer for Use
in the Beam Feed System of Millimeter-Wave Antennas" von A. A. M. Saleh u. a. in IEEE Transactions on Antennas and
Propagation, Vol. AP-24, Nr. 6, November 1976, Seiten 780 bis 785. Diese Druckschrift zeigt einen Diplexer, der aus einem
Parallel-Ebenen aufweisenden Fabry-Perot-Resonator besteht, der zwei metallische Maschen mit rechteckigen Zellen aufweist.
Das Verhältnis von Breite und Länge der Rechtecke ist so gewählt, daß bei dem gewünschten Auftreffwinkel ein polarisationsunabhängiger
Betrieb erzielt wird. Ein solcher Diplexer jedoch arbeitet nur in einem schmalen Bereich von Auftreffwinkeln
zufriedenstellend, und zwar aufgrund der bei Metallmaschen-Diplexern auftretenden "walk-off"-Effekte.
Eine andere Metallmaschen-Diplexeranordnung ist in der US-PS 26 36 125 dargestellt. Bei dieser Anordnung werden Hohlleiterstrukturen
dazu verwendet, einen Strahl elektromagnetischer Wellen zu filtern und zu "reinigen", um den Strahl auf ein gewünschtes
Frequenzband zu beschränken. Weiterhin hängt innerhalb des Ubertragungsfrequenzbandes des Leiters die Phasengeschwindigkeit
einer Welle gegebener Frequenz von der Querabmessung des Leiters ab, und sie steigt mit abnehmender Querabme&sung
ab. Daher ist es möglich, durch Verwendung einer aus solchen Leitern bestehenden Parallelanordnung einen Aufbau zu
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erhalten, durch den die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer Welle gegebener Frequenz durch die Ausgestaltung der Struktur
bestimmt werden kann.
Eine Antennenanlage, die den oben erläuterten alternativen Diplexer verwendet, ist in der US-PS 28 70 444 beschrieben.
Die Druckschrift zeigt eine Antenne, die in der Lage ist, gleichzeitig zwei fellen unterschiedlicher Frequenzen mit hohem
Wirkungsgrad und ohne gegenseitiges Stören der Wellen abzustrahlen o'ier zu empfangen. Diese Antenne weist im wesentlichen
eine Kombination aus zwei Strahlungsquellen auf, die jeweils auf einer Seite des Diplexers positioniert sind, der als
Linse bzw. als Spiegel für die zwei Quellen dient. Damit aber diese Anordnung in der Lage ist, sowohl zu senden, als auch
zu empfangen, müssen die Antennen-Durchlaßbänder um wenigstens eine Oktav voneinander getrennt sein.
Gemäß einem anderen Lösungsversuch wurden vielschichtige Stapelanordnungen
für das quasioptische Diplexen herangezogen, vergleiche z. B. die US-PS 36 98 001, in der ein Diplexer derart
ausgestaltet ist, daß er beim Empfang die aus hohen und niedrigen Frequenzgruppen zusammengesetzten Strahlen separiert,
beim Senden hingegen die separaten Strahlen der hohen und niedrigen Frequenzgruppen zusammensetzt. Der Diplexer umfaßt
mehrere laminierte dielektrische Elemente, von denen jedes eine Dicke hat, die einem Viertel der Wellenlänge der Mitten-
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_ γ —
frequenz der hohen Frequenzgruppe entspricht, und insgesamt
wenigstens zwei Dielektrizitätskonstanten besitzt. Jedoch ist dieser bekannte Diplexer nicht in der Lage, separat Signalanteile
zu erfassen, die einen breiten Frequenzbereich und relativ eng beieinanderliegende Mittenfrequenzen aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen quasioptischen Frequenzdiplexer anzugeben, der ein quasioptisches Diplexen
über einen weiten Abtastwinkel gestattet, ohne daß jedoch die bei Metallmaschendiplexern in Erscheinung tretenden
"walk-off"-Effekte zum Tragen kommen.
Diese Aufgabe wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch gelöst, daß die erste und zweite Eintrittsöffnung
jedes der Hohlleiterabschnitte zueinander parallel ausgerichtet und derart gegeneinander versetzt sind, daß jeder
Hohlleiterabschnitt um einen vorbestimmten Winkel bezüglich der Längsachse des Feldes geneigt ist.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein für einen weiten Abtastbereich
geeigneter Frequenzdiplexer geschaffen, der über einen so breiten Abtastwinkel wirksam arbeiten kann, wie er
möglicherweise bei zukünftigen Satellitensystemen verwendet wird. Der eine weite Abtastung zulassende Frequenzdiplexer
weist ein aus Hohlleiterabschnitten bestehendes Feld auf und
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ist in dem Weg eines Mehrfrequenz-Strahls derart angeordnet,
daß die Hohlleiterabschnitte des Diplexers bezüglich der Strahlenweg-Diplexerschnittstelle geneigt oder gekippt sind.
Die Neigungswinkel der Eingangs- und Ausgangsöffnungen ermöglichen
dadurch dem Mehrfrequenz-Strahl, in den Diplexer über einen breiteren Winkelbereich einzutreten, als es bei
herkömmlichen Diplexern der Fall war, wobei der Strahl dennoch wirksam separiert werden kann und die gegenseitige Störung
der separierten Strahlen minimal gehalten wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittansicht einer als Beispiel dienenden
phasengesteuerten Cassegrain-Antenne gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Vorderansicht eines quasioptischen Diplexers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 3 eine Seitenansicht eines quasioptischen Diplexers, wobei die Neigung der Eingangs- und Ausgangsöffnungen
bezüglich der Diplexer-Freiraum-Schnittstelle angedeutet ist; hierbei zeigen die ausgezogenen Linien
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einen Diplexer, bei dem der Neigungswinkel an der Eingangs- und der Ausgangsöffnung gleich ist, die gestrichelten
Linien stellen einen Diplexer dar, bei dem die Neigungswinkel an den Eingangs- und Ausgangsöffnungen
ungleich sind,
Fig. 4 den Frequenzgang jeweils für verschiedene herkömmliche
quasioptische Frequenzdiplexer für vier ungünstigste Abtastwinkel, wobei jede separate Kurve den Frequenzgang
für einen anderen ungünstigsten Abtastwinkel darstellt, und
Fig. 5 den Frequenzgang für jeweils verschiedene quasioptische Frequenzdiplexer gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei dieselben ungünstigsten Abtastwinkel gewählt wurden, wie bei den in Fig. 4 dargestellten Kurven.
In der folgenden Beschreibung und auch in der Zeichnung wird von einer phasengesteuerten Cassegrain-Antenne ausgegangen, jedoch
lediglich zu Anschauungszwecken. Es versteht sich, daß die
Beschreibung nur beispielhaften Charakter hat und zur Erläuterung dient, hingegen keinerlei Beschränkungen bedeutet, da die
vorliegende Erfindung überall dort angewendet werden kann, wo ein Frequenzdiplexen mit breiter Abtastung erforderlich ist.
Die in Fig. 1 dargestellte beispielhafte phasengesteuerte Casse
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— ι O —
'grain-Antenne weist einen erfindungsgemäßen quasioptischen
Frequenzdiplexer auf. Ein Hauptreflektor 10, ein Subreflektor 12 und ein Abbildungsreflektor 14 sind derart angeordnet,
daß ein an der Speisevorrichtung 12 erscheinendes Bild einige Male vergrößert ist, bevor es am Hauptreflektor 10 ankommt.
Bei dieser speziellen Antennenanordnung umfaßt die Speisevorrichtung
20 zwei Felder, ein Sendefeld 16 und ein Empfangsfeld 18, die in der Lage sind, zwei unterschiedliche Breitbandsignale
17 bzw. 19, die eng beieinanderliegende Mittenfrequenzen aufweisen, zu senden bzw. zu empfangen.
Ein Frequenzdiplexer 22 gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein aus Hohlleiterabschnitten bestehendes Feld auf, das zwischen
dem Sendefeld 16 und dem Empfangsfeld 18 derart angeordnet ist, daß die Hohlleiterabschnitte bezüglich der Grenzfläche
31 zwischen Diplexer und freiem Raum um vorbestimmte Winkel geneigt oder gekippt sind. Die Winkel sind so bestimmt,
daß der Diplexer 22 gleichzeitig mit beiden Breitbandsignalen 17 und 19 arbeiten kann, so daß das Signal 19 durch den Diplexer
22 bei minimaler Reflexion hindurchläuft, während das Signal 17 von dem Diplexer 22 bei minimaler Durchlässigkeit
reflektiert und umgelenkt wird.
Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht auf einen beispielhaften Frequenzdiplexer
22. Der Diplexer 22 weist ein aus Hohlleiterab-
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schnitten (22. - 22 ) bestehendes Feld auf. Jeder Abschnitt
ι η
hat die gleiche Breite b und die gleiche Höhe a, wobei zwischen jedem Abschnitt gleiche Abstände dy und dx in y- bzw.
x-Richtung vorhanden sind. Die Zeilen des Feldes verlaufen parallel, sind jedoch in x-Richtung versetzt, so daß eine
"Ziegelmauer"-Struktur entsteht. Dieser Aufbau vermindert
das Gitterzipfelproblem bei phasengesteuerten Antennen.
Bei der Bestimmung der zu berücksichtigenden Abmessungen ist es aus der Hohlleiter-übertragungstheorie bekannt, daß für
das zur x-Richtung senkrechte elektrische Feld die Abmessung'
b eines willkürlich herausgegriffenen Hohlleiterabschnittes des Diplexers 22 in Zusammenhang mit der Mittenfrequenz des
Sendesignals 17 steht, das oben im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert
wurde. Betrachtet man den Diplexer als ein Filter, so kann diese Mittenfrequenz auf die Eckfrequenz bezogen werden,
wobei das Sendesignal 17 im Sperrbereich und das oben ebenfalls
im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnte Empfangssignal 19 im Durchlaßbereich
liegt. Die Abmessung a eines willkürlich herausgegriffenen Hohlleiterabschnitts des Diplexers 22 bezieht sich
in ähnlicher Weise auf die oben in Zusammenhang mit der Messung b erläuterten Eckfrequenz, wobei in diesem Fall das elektrische
Feld senkrecht zur y-Richtung orientiert ist, um die Abmessung a festzulegen. Die Abmessung a unterliegt auch praktischen
Beschränkungen, ein zu großer Wert von a ergibt Gitter-
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zipfel, während dann, wenn sich die Abmessung a einem zu
kleinen Wert nähert, sich ein schlechtes Senden ergibt. Die Werte von dx und dy werden so klein wie möglich gewählt,
ohne die Herstellung des Diplexers unnötig zu erschweren.
Fig. 3 zeigt eine Seitenschnittansicht eines beispielhaften quasioptischen Frequenzdiplexers, der gemäß der Lehre der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist. Aus dieser Perspektive sind die Länge d und die Neigungswinkel t und }f ersichtlich. Die
Länge d muß so bemessen sein, daß wenig Energie in dem oben in Zusammenhang mit Fig. 2 erwähnten Sperrbereich auf die tlbertragungsmode
gekoppelt wird, die Länge d darf jedoch nicht einen solchen Wert haben, daß der Q des Diplexers 22 groß wird und
dadurch die Bandbreite abnimmt. Außerdem muß die Länge d so gewählt werden, daß sich mehrfachreflektierte Wellen im Durchlaßbereich
aufbauend addieren. Allen diesen Bedingungen wird genügt, wenn der Diplexer 22 auf eine niedrige Resonanz abgestimmt
ist und die Wellenlänge d etwa der halben Wellenlänge im Durchlaßbereich entspricht. Der Neigungs- oder Kippwinkel
X wird nach Maßgabe des Winkels des an der Eingangsöffnung
des Diplexers 22 auftreffenden Feldes gewählt, wobei T bezüglich der Längsachse 21 gemessen wird. Die Achse 21 steht definitionsgemäß
senkrecht auf der Grenzfläche 31 zwischen Diplexer und freiem Raum. Wenn der gesamte Abtastsektor mit
©iß bezeichnet wird, ist der Neigungswinkel V annähernd
. 130038/0904
gleich dem Mittenwinkel θ der auftreffenden Wellen, was eine
übertragung mit einem Minimum an Ablenkung gestattet. Durch die Reziprozität gemäß der Theorie des elektromagnetischen
Feldes haben in einem Winkel -Θ ankommende Signale die gleichen
Übertragungseigenschaften wie Signale, die bei einem Winkel +Θ ankommen. Auf diese Weise arbeitet der Diplexer 22
ähnlich wie ein zweipoliges Filter, d. h., eine auf den Abtastwinkel bezogene Breitbandübertragung ergibt sich zwischen
- V und + T . Um eine angemessene Übertragung bei Winkeln
zwischen θ - β und θ + ß zu gewährleisten, sollte TTdaher etwas
größer als θ gewählt werden, so daß der größte Teil des Abtastfeldes zwischen den Filterspitzen - T und +T liegt.
Der Neigungswinkel an der Ausgangsöffnung 32 kann ebenfalls V
betragen, so daß erfindungsgemäß gerade Hohlleiterabschnitte verwendet werden können. Eine alternative Ausgestaltung ist
in Fig. 3 durch gestrichelte Linien angedeutet. Demgemäß werden gebogene Hohlleiterabschnitte verwendet, indem der Neigungswinkel
an der Ausgangsöffnung geändert wird, gemäß diesem Beispiel wird ein kleinerer Neigungswinkel y erzielt. Durch
Vermindern oder Vergrößern des Winkels wird der Diplexer 22 ein vierpoliges Filter mit Spitzen -γ und +^, die zwischen
bzw. außerhalb von -V und +T liegen. Hierdurch wird ein flacherer
Frequenzgang über dem gewünschten Abtastfeld θ ± β erzielt.
Fig. 4 zeigt den Frequenzgang für verschiedene herkömmliche
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Diplexeranordnungen. Bei dieser speziellen Darstellung wurden die Diplexer im Frequenzbereich zwischen 12 und 16 GHz betrieben,
wobei die Eckfrequenz bei 12,93 GHz lag. Hierdurch bestimmt sich die Größe b für die Hohlleiterabschnitte aus der
bekannten Hohlleiter-Übertragungstheorie zu 1,16 cm. Die folgenden Werte der übrigen Parameter wurden so gewählt, daß
bestmöglicher Betrieb erzielt wurde. Die Größe a betrug 0,22 cm,
dx und dy betrugen 0,01 cm und d betrug 2,40 cm. Die bei dieser speziellen Darstellung und auch weiterhin in Fig. 5 zugrundeliegenden
vier Abtastungen wurden als ungünstigste Werte ermittelt, die bei dem Diplexer auftreten können, diese ungünstigsten
Werte sollen nachstehend im einzelnen erläutert werden.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die oben erwähnten speziellen Werte nur beispielhaft sind, nicht jedoch beschränkenden Charakter
haben, da jeder solcher geeigneter Parameterwerte, der in die in Zusammenhang mit Fig. 2 und 3 diskutierten Grenzen
fällt, verwendet werden kann, ohne von dem Grundgedanken der
vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Gemäß Fig. 4 tragen die den Stand der Technik kennzeichnenden Kurven die Bezeichnungen 1„, 2„, 3„ und 4„, wobei der Index
χι π ti π
H sich auf die horizontale Orientierung der herkömmlichen Diplexer
bezieht; jede der Kurven bezieht sich auf einen anderen ungünstigsten Abtastwinkel. Jeder ungünstigste Abtastwinkel
ist definiert als der Richtungscosinus des auftreffenden Feldes
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und wird geschrieben als geordnetes Paar (x, y) bezüglich der x-, y- und z-Achsen gemäß Fig. 2 und 3, wobei der Richtungscosinus
jedesmal normalisiert ist, um einheitliche Beträge
beizubehalten. Speziell gehört das geordnete Paar (O; 0,61) zu der Kurve 1„, das geordnete Paar (O; 0,89) ge-
hört zu der Kurve 2„, das geordnete Paar (0,31 ; 0,58) ge~
hört zu der Kurve 3„, und das geordnete Paar (0,19; 0,87) gehört
zu der Kurve 4„. Wie man sehen kann, wird in sämtlichen
ti
vier ungünstigsten Fällen die gewünschte Übertragungsfrequenz
von 14 GHz hindurchgelassen, während die Frequenzen unterhalb der Eckfrequenz von 12,93 GHz gesperrt werden. Für die ungünstigsten
Winkel entsprechend den Kurven 2„ und 4 jedoch ist
H H
das Verhalten im Durchlaßbereich nicht so flach, wie es notwendig ist, um einen Breitbandbetrieb mit vernachlässigbarem
Verlust zu gewährleisten.
Fig. 5 zeigt den Frequenzgang gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Neigungswinkel betrug in diesem speziellen Beispiel V =
54,43 °. Die Kurven 1 , 2 , 3 und 4 , deren Index T die gekippte oder geneigte (tilt) Ausgestaltung des Diplexers andeutet,
sind direkt auf die Kurven gemäß dem Stand der Technik bezogen, die oben in Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert wurden,
wobei die Kurven 1 und 1 für denselben Abtastwinkel bestimmt
wurden und 2 und 2 , 3 und 3_ sowie 4 und 4 in ähnlicher
ti IH Γ Η J.
Weise zueinander in Beziehung stehen. Wie man aus Fig. 5 ersieht
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liefern alle vier ungünstigsten Situationen einen angemessenen Absatz zwischen dem Durchlaß- und Sperrbereich- Verglichen
mit den Kurven 2TT und 4„ gemäß dem Stand der Technik,
π π
die in Fig. 4 dargestellt sind, sind die Kurven 2 und 4 gemäß
Fig. 5 im Durchlaßbereich merklich flacher, was die Verbesserung des Betriebs des erfindungsgemäßen Diplexers im Vergleich
zu herkömmlichen quasioptischen Frequenzdiplexern hervorhebt .
Die vorliegende Erfindung schafft demnach einen quasioptischen
Frequenzdiplexer, der in der Lage ist, über einen breiten Abtastwinkel zu arbeiten und Mikrowellensignale zu separieren,
die dicht beieinanderliegende Mittenfrequenzen haben. Die vorliegende Erfindung, die gemäß einem Aspekt in einer phasengesteuerten
Antennenanordnung, bei der die Sende- und Empfangsfrequenzen separiert werden, verwendet werden kann,
besteht aus einem Feld von Hohlleiterabschnitten, die bezüglich der Längsachse des Feldes geneigt sind. Die Neigungswinkel
und die Abmessungen der Hohlleiterabschnitte können so eingestellt
werden, daß ein Frequenzdiplexen bei nur geringer gegenseitiger Störung der gediplexten Signale erzielbar ist.
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e e r s e
i t
Claims (7)
1./Quasioptischer Frequenzdiplexer, mit einem Feld (22) aus
mehreren gestapelten Hohlleiterabschnitten (22 - 22 ), das
eine Längsachse (21) und eine Diplexer-Freiraum-Schnittsteile
aufweist, die aufeinander senkrecht stehen, wobei jeder Hohlleiterabschnitt an seinen Enden eine erste bzw. zweite
Eintrittsöffnung aufweist und Abmessungen besitzt, die den Durchgang vorbestimmter Frequenzbänder gestattet, dadurch
gekennzeichnet , daß die erste und zweite Eintrittsöffnung jedes der Halbleiterabschnitte (22,. - 22 ) zueinander
parallel ausgerichtet und derart gegeneinander versetzt sind, daß jeder Hohlleiterabschnitt um einen vorbestii^rn-
München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rsr. nat. · E. Hofimann Dipl.-Ing.
Wiesbaden: P. G. Blumbadi Dipl.-Ing. · P. Bergen Prol. Dr. jur. Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 · G. Zv/irner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.
130038/0904
ten Winkel bezüglich der Längsachse (21) des Feldes (22) geneigt ist.
2. Frequenzdiplexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Hohlleiterabschnitte (22. - 22 )
1 η
bezüglich der Längsachse (21) des Feldes (22) um denselben vorbestimmten
Winkel (T) geneigt sind.
3. Frequenzdiplexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Hohlleiterabschnitte (22, - 22 )
ι η
bezüglich der Längsachse (21) des Feldes (22) um unterschiedliche vorbestimmte Winkel ( V ) geneigt sind.
4. Frequenzdiplexer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Hohlleiterabschnitt (22
22 ) des Feldes (22) in einer ersten, zur Längsachse (21) senkrechten Richtung (x) dieselbe Breite (b) hat und in einer
zweiten, senkrecht zur Längsachse (21) stehenden Richtung (y) dieselbe Höhe (a) hat.
5. Frequenzdiplexer nach Anspruch A, dadurch gekennzeichnet , daß die Zeilen des Feldes (22) entlang
der ersten Richtung (x) parallel verlaufen und in der zweiten Richtung (y) um einen vorbestimmten Betrag dy) versetzt sind.
13Q038/Q904
6. Frequenzdiplexer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Hohlleiterabschnitte in jeder
Zeile des Feldes von den Abschnitten in einer benachbarten Zeile in der ersten Richtung (x) derart versetzt sind, daß
die Hohlleiterabschnitte in jeder zweiten Reihe entlang der zweiten Richtung (y) ausgerichtet sind.
7. Frequenzdiplexer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Neigungswinkel der Hohlleiterabschnitte
an der ersten Eintrittsöffnung vom Neigungswinkel der Hohlleiterabschnitte an der zweiten Eintrittsöffnung abweicht.
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