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Diese
Erfindung bezieht sich auf einen RF-Leistungskombinierer/Teiler-Schaltkreis
zur Verwendung beim Kombinieren oder Teilen von RF-Signalen.
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Kombinierer/Teiler
sind zum Kombinieren oder Teilen (Splitten) von elektrischen Signalen
bekannt. Ein RF-Signalerzeuger kann ein Radiofrequenzsignal auf
einem geringen Leistungsniveau erzeugen, und es kann gewünscht sein,
daß das
Signal auf ein viel höheres
Leistungsniveau verstärkt
wird. Es ist üblich,
daß RF-Signal
zu teilen, und die geteilten Signale auf verschiedene Wege zu verteilen,
von denen jeder einen Leistungsverstärker aufweist, um die Amplitude
des Signals zu erhöhen.
Umgekehrt können
RF-Signale, die verstärkt
wurden, kombiniert werden und einer RF-Last zugeführt werden.
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Kombinierer/Teiler,
die in der Lage sind, diese Funktionen auszuführen, sind in der Beschreibung des
US-Patents Nr. 4,163,955 offenbart, das einen N-Wege-Leistungskombinierer/Teiler,
der als Gysel-Kombinierer/Teiler bekannt ist, beschreibt. Ein Beispiel
eines Gysel-Kombinierers kann die Form eines Zweiwege-Hybridringkombinierers
einnehmen. Ein derartiger Kombinierer ist in dieser Schrift in den 1 und 2 offenbart.
Dieser Kombinierer umfaßt
sechs 90°-Phasenschieberabschnitte,
zwei kohärente
RF-Stromquellen
und zwei Isolationswiderstände.
Zwei RF-Signale werden jeweils zwei Eingangsanschlüssen zugeführt, so
daß die
RF-Signale durch die Phasenschieberabschnitte wandern und an einem
gemeinsamen Anschluss kombiniert werden. Die Signale erreichen den
gemeinsamen Anschluss mit derselben Phasenverschiebung von 90°.
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Die
Gysel ähnlichen
Kombinierer/Teiler-Strukturen, die in den 1 und 2 gezeigt sind,
verwenden sechs 90°-Phasenschieberabschnitte
oder -zweige. Eine modifizierte Form dieser Gysel-Strukturen ist
in den 3 und 4 gezeigt, die nur vier Phasenschieberabschnitte,
um eine einfachere Struktur bereitzustellen, und ein größeres Frequenzband
aufweist. Diese Struktur umfaßt
einen Phasenschieberabschnitt, der die Phase um –90° verschiebt, im Gegensatz zu
einer Phasenverschiebung um +90°,
wie im Falle der anderen drei Phasenschieberzweige. Diese Struktur
ist gegenüber
der in den 1 und 2 gezeigten
dahingehend vereinfacht, daß sie
nur einen einzigen Isolationswiderstand aufweist. Ein Nachteil der
modifizierten Gysel-Vorrichtung der 3 und 4 ist,
daß diese Struktur
nicht symmetrisch aufgebaut ist. Aufgrund der frequenzabhängigen Amplitudenreaktion
der umgekehrten Übertragungsleitung
(des –90°-Phasenschieberzweiges)
müssen
die Stromquellen verschiedene Leistungsniveaus für ein optimales Verhalten aufweisen.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Kombinierer/Teiler-Schaltkreis bereitzustellen,
der eine größere Symmetrie und
einen vergrößerten Frequenzbereich
aufweist.
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Dementsprechend
stellt die Erfindung einen N-Wege-RF-Lesitungskombinierer/Teiler
bereit, umfassend:
einen gemeinsamen Ausgangs/Eingangsanschluss; N-Eingangs/Ausgangsanschlüsse; N-Isolationsanschlüsse; und
einen
90°-Phasenschieber,
der jeden der N-Eingangs/Ausgangsanschlüsse mit dem gemeinsamen Ausgangs/Einganganschluss
verbindet, gekennzeichnet durch N-Zweiwege-Leistungsteiler, die jeweils einen der
N-Eingangs/Ausgangsanschlüsse
mit zwei der N-Isolationsanschlüsse verbinden,
wobei jeder der Zweiwege-Leistungsteiler einen +90°-Phasenschieberausgang
und einen –90°-Phasenschieberausgang
aufweist, wobei der +90°-Phasenschieberausgang
jedes Teilers zusammen mit dem –90°-Phasenschieberausgang
eines anderen Teilers mit einem Isolationsanschluss verbunden ist.
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Vorteilhaft
ist jeder 90°-Phasenschieber
eine Phasenschieber-Übertragungsleitung
mit einer Länge,
die ¼ der
Wellenlänge
der Betriebsfrequenz des Kombinierers/Teilers beträgt.
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Vorteilhaft
ist jeder Leistungsteiler ein Symmetrieübertragertransformator.
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Bevorzugt
ist jeder Symmetrieübertragertransformator
ein Übertragungsleitungs-Symmetrieübertragertransformator.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Figuren beschrieben;
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1 ist
ein schematisches Blockschaltbild eines Kombinierers/Teilers entsprechend
dem Stand der Technik, der als ein Kombinierer arbeitet;
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2 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführung einer Übertragungsleitung
des Kombinierers/Teilers der 1, jedoch
als ein Teiler gezeigt;
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3 ist
ein schematisches Blockschaltbild einer Variation gemäß dem Stand
der Technik des Kombinierers/Teilers in 1;
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4 ist
ein Schaltbild einer Ausführungsform
der Übertragungsleitung
der Schaltung gemäß dem Stand
der Technik, die in 3 gezeigt ist;
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5 ist
ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung;
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6 ist
ein Schaltbild, das eine Ausführungsform
einer Übertragungsleitung
des Ausführungsbeispiels
der Erfindung, die in 5 dargestellt ist, zeigt;
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7 ist
ein schematisches Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
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8 ist
ein Schaltbild einer Ausführungsform
einer Übertragungsleitung
des Ausführungsbeispiels,
das in 7 gezeigt ist; und
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9 ist
ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform einer Übertragungsleitung
eines dritten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung.
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Bevor
die bevorzugten Ausführüngsbeispiele der 5 bis 9 beschrieben
werden, wird zuerst Bezug genommen auf eine Beschreibung des Standes
der Technik, der in den 1 bis 4 dargestellt
ist.
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1 zeigt
einen Kombinierer/Teiler 10 gemäß dem Stand der Technik, der
als ein Kombinierer dargestellt ist. Dies ist ein Hybridring, der
manchmal als ein Gysel-Kombinierer bezeichnet wird und in der Beschreibung
des US-Patents Nr. 4,163,955 beschrieben ist. 2 zeigt
den Kombinierer, der als ein Zweiwege-Kombinierer mit sechs 90°-Phasenschieberabschnitten,
die in einem Sechseck angeordnet sind, gezeigt ist. Der Kombinierer
umfaßt
zwei Eingangs/Ausgangsanschlüsse 12 und 14,
einen gemeinsamen Ausgangs/Eingangsanschluss 16 und ein
Paar von Isolationsanschlüssen 18 und 20.
Eine RF-Stromquelle 22 ist
mit dem Eingangs/Ausgangsanschluss 12 verbunden, der als
ein Eingangsanschluss für
eine Kombiniererausführungsform
dient. Auf ähnliche
Weise ist eine RF-Stromquelle 24 mit dem
Eingangs/Ausganganschluss 14 verbunden, der als ein Eingangsanschluss
dient. Der gemeinsame Anschluss 16 dient als ein Ausgangsanschluss,
und ist mit der Erde mittels eines gemeinsamen Lastwiderstandes 26 verbunden.
Isolationsanschlüsse 18 und 20 sind
mittels Isolationslasten 30 und 32 mit der Erde
verbunden. Die sechs Zweige des Kombinierers umfassen jeweils einen
+90°-Phasenschieber.
Diese Zweige umfassen die Phasenschieber 40, 42, 44, 46, 48 und 50,
wie dargestellt.
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Die
zwei RF-Stromsignale von den Quellen 22 und 24 sind
kohärente
RF-Stromquellen und stellen zwei Signale bereit, die den Eingangsanschlüssen 12 und 14 zugeführt werden.
Diese Signale wandern durch die Phasenschieber und werden an dem Ausgangsanschluss
kombiniert. Wie dargestellt, erreichen diese Signale den Ausgangsanschluss 16 mit
derselben Phasenverschiebung von +90°. Ferner zeigt der Leitungsweg
beider Signale von den Quellen 22 und 24 zu den
Isolationslasten 30 und 32, daß die Signale diese Anschlüsse phasenverschoben
erreichen. Sie reduzieren sich und löschen sich gegenseitig vollständig aus,
da sie anfangs eine gleiche Amplitude und Phase aufweisen.
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Die
beiden RF-Stromquellen 22 und 24 sind voneinander
isoliert. Daher erscheint das RF-Signal von
der Quelle 22 nicht an dem Eingangsanschluss 14 für die Quelle 24 und
umgekehrt. Dies tritt ein, weil das RF-Eingangssignal von der Quelle 22 durch
zwei geteilt wird und zwei entgegengesetzte Wege nimmt, um den Eingangsanschluss 14 zu
erreichen. Ferner erreichen die beiden Zweige des Signals, die von
der Quelle 24 ausgehen, den Anschluss 12 phasenverschoben
und löschen
sich gegenseitig aus, was zu einer vollständigen Isolation führt. Dies
ist ein idealer Fall einer frequenzunabhängigen Kombiniererstruktur.
Die tatsächliche
Struktur nimmt die Form ein, die in 2 gezeigt
ist.
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2 zeigt
den Hybridring der 1 als einen Teiler und nicht
als einen Kombinierer. Ähnliche Komponenten
in den 1 und 2 sind mit ähnlichen Bezugszeichen versehen,
und es werden nur Unterschiede beschrieben. Der Teiler der 2 umfaßt Anschlüsse 12 und 14,
die als Ausgangsanschlüsse
anstelle von Eingangsanschlüssen
dienen, und einen gemeinsamen Anschluss 16, der in diesem Fall
als ein Eingangsanschluss dient. Isolationsanschlüsse 18 und 20 sind
durch Isolationswiderstände 30 und 32 mit
der Erde verbunden, wie in dem Fall der 1. Jedoch
sind die Eingangsquellen 22 und 24 der 1 in 2 durch
Lastwiderstände 23 und 25 ersetzt.
Der gemeinsame Anschluss 16 dient als ein Eingangsanschluss,
und ist mittels eines Widerstands 27 mit einer einzelnen
RF-Signalquelle 29 verbunden. Die Teiler- oder Splitterstruktur
in 2 ist eine Ausführungsform der Übertragungsleitung der
Hybridringstruktur, und umfaßt
als solche sechs Übertragungsleitungsabschnitte
an der Stelle von sechs Phasenschieberabschnitten der 1.
Diese sind die Übertragungsleitungsabschnitte 41, 43, 45, 47, 49 und 51.
Jeder kann eine Mikrostreifenstruktur mit einem Paar von Leitungsstreifen,
die voneinander durch einen dazwischen liegenden dielektrischen Isolator
getrennt sind, aufweisen. Die inneren Leitungsstreifen dieser Übertragungsleitungen
sind mit der elektrischen Erde verbunden.
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Jeder Übertragungsleitungsabschnitt
weist eine Länge
von ¼ der
Wellenlänge
auf, um eine Phasenverschiebung von +90° bereitzustellen. Diese Phasenverschiebung
tritt jedoch nur bei einer Frequenz auf und der Frequenzbereich
einer solchen Hybridstruktur beträgt 10%, wenn das Eingangs-VSWR
kleiner als oder gleich 1,1 bis 1,0 ist.
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3 zeigt
einen modifizierten Hybridringkombinierer gemäß dem Stand der Technik, der
ein größeres Frequenzband
als der Zweiwege-Kombinierer, der in 1 gezeigt
ist, aufweist. Als ein Zweiwege-Kombinierer umfaßt der Kombinierer 100 der 3 zwei
Eingangsanschlüsse 112 und 114 und
einen gemeinsamen Ausgangsanschluss 116 und einen einzigen
Isolationsanschluss 118. Der gemeinsame Anschluss ist mittels
eines Lastwiderstandes 126 mit der Erde verbunden, und
der Isolationsanschluss 118 ist mittels einer einzigen
Isolationslast 130 mit der Erde verbunden. Die vier Phasenschieberabschnitte
umfassen Phasenschieber 140, 142, 146 und 148.
Somit werden nur vier Phasenschieber anstelle von sechs, wie in 1,
eingesetzt. Der entscheidende Unterschied ist, daß einer
der Phasenschieber eine –90°-Phasenverschiebung
anstelle einer +90°-Phasenverschiebung
bereitstellt. Dieser arbeitet auf dieselbe Weise wie die in 1 gezeigte Version,
erfordert jedoch eine einfachere Struktur in der Form eines Quadrates
anstelle eines Sechseckes, und verwendet nur vier Phasenschieber.
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4 zeigt
eine Übertragungsleitungausführungsform
der 3 als einen Kombinierer. Dieser Kombinierer 110 umfaßt Übertragungsleitungen
anstelle der Phasenschieber der 3.
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Dies
umfaßt Übertragungsleitungen 141, 143, 147 und 149 anstelle
von Phasenschiebern 140, 142, 146 und 148 der 3.
Es sollte jedoch festgestellt werden, daß die Übertragungsleitung 147 ihre Enden
umgekehrt hat, wodurch die Quelle 124 mit der Erde und
nicht mit dem Isolationsanschluss 118 verbunden ist. Dadurch
arbeitet die Übertragungsleitung 147 als
ein 180°-Phasenschieber zusätzlich zu der
90°-Phasenverschiebung,
die durch ihre ¼ Wellenlänge bereitgestellt
ist (jede Übertragungsleitung weist
eine Länge
von ¼ der
Wellenlänge
auf). Daher beträgt
die Gesamtphasenverschiebung, die durch die Übertragungsleitung 147 bereitgestellt
ist, 270° (oder –90°). Der Unterschied
zu der Sechseckstruktur der 1 und 2,
die in dieser Schrift zuvor beschrieben ist, ist, daß die 180°-Phasenverschiebung
für alle
Frequenzen gleich ist. Sie ist nicht frequenzabhängig. Daher ist die Bandbreite
dieses Kombinierers größer als
die der Versionen in den 1 und 2. Ein Nachteil
des Kombinierers der 3 und 4 ist, daß seine
Struktur nicht symmetrisch ist. Aufgrund der frequenzabhängigen Amplitudenreaktion
einer derartigen umgekehrten Übertragungsleitung
müssen
die Stromquellen verschiedene Leistungen für ein optimales Verhalten bereitstellen.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, das als ein Kombinierer eingerichtet
ist. Dies ist ein spezieller Fall, der als ein Zweiwege-Kombinierer
dargestellt ist (ein allgemeinerer Fall eines N-Wege-Kombinierers
ist in dieser Schrift in den 7 und 8 gezeigt).
Der Zweiwege-Kombinerer der 5 umfaßt ein Paar
von Eingangsanschlüssen 212 und 214,
einen gemeinsamen Ausgangsanschluss 216 und ein Paar von
Isolationsanschlüssen 218 und 220.
Eingangsanschlüsse 212 und 214 empfangen
RF-Stromsignale von den RF-Quellen 222 und 224.
Der gemeinsame Anschluss 216 ist mit der Erde mittels eines
Lastwiderstandes 226 verbunden. Isolationsanschlüsse 218 und 220 sind
mittels Isolationslasten 230 und 232 mit der Erde
verbunden. Der Eingangsanschluss 212 ist über einen
+90°-Phasenschieber 240 mit
dem gemeinsamen Anschluss 216 verbunden. Ferner ist der Eingangsanschluss 214 mittels
eines +90°-Phasenschiebers 242 mit
dem gemeinsamen Anschluss 216 verbunden.
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Der
Einganganschluss 212 ist mittels eines Zweiwege-Stromsplitters 248 mit
den Isolationsanschlüssen 218 und 220 verbunden.
Der Stromsplitter 248 weist einen +90°-Phasenschieberausgang auf, der mit dem
Isolationsanschluss 218 verbunden ist, und einen –90°-Phasenschieberausgang
auf, der mit dem Isolationsanschluss 220 verbunden ist.
Auf ähnliche
Weise ist der Eingangsanschluss 214 mittels eines Zweiwege-Stromsplitters 246 mit
den Isolationsanschlüssen 218 und 220 verbunden.
Dieser Stromsplitter weist einen –90°- Ausgang, der mit dem Isolationsanschluss 218 verbunden
ist, und einen +90°-Ausgang,
der mit dem Isolationsanschluss 220 verbunden ist, auf.
Diese Zweiwege-Stromsplitter 246 und 248 können als
Symmetrieübertragertransformatoren
bezeichnet werden, die die Eingangssignale zwischen den beiden Isolationslasten
gleichmäßig verteilen.
Dies macht die Struktur des Kombinierers symmnetrisch und erhöht den Arbeitsfrequenzbereich.
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6 ist
ein Schaltbild, das eine Übertragungsleitungsausführungsform
des Ausführungsbeispiels,
das in 5 dargestellt ist, zeigt. In dieser Ausführungsform
sind die +90°-Phasenschieber 240 und 242 ersetzt
durch ¼-Länge-Übertragungsleitungen 241 und 243.
Ferner sind die Zweiwege-Stromsplitter 246 und 248 der 5 ersetzt
durch Symmetrieübertragertransformatoren 247 und 249.
Es ist festzustellen, daß die
Enden der Symmetrieübertragertransformatoren
verbunden sind, um die Phasenbeziehungen, wie in 5 dargestellt,
bereitzustellen.
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7 und 8 zeigen
eine allgemeine Version der Erfindung als ein N-Wege-Stromkombinierer.
In 7 umfaßt
der Kombinierer Eingangsanschlüsse
I1, I2, I3,... IN, die mit RF-Eingangsquellen S1, S2, S3... SN verbunden
sind. Der Kombinierer umfaßt
einen gemeinsamen Ausgangsanschluss OP. Der gemeinsame Lastwiderstand
R ist von dem Anschluss OP mit der Erde verbunden. +90°-Phasenschieber-Übertragungsleitungen
TL1 bis TLN sind sowohl mit dem gemeinsamen Ausgangsanschluss OP
wie auch mit den Eingangsanschlüssen
I1 bis IN verbunden. Zweiwege-Stromsplitter PS1 bis PSN sind bereitgestellt,
von denen ein Ende eines jeden mit einem der Eingangsanschlüsse I1 bis
IN verbunden ist. Jeder Zweiwege-Stromsplitter weist einen +90°-Phasenschieberausgang
und einen –90°-Phasenschieberausgang
auf. Diese Ausgänge
sind mit den Isolationsanschlüssen
IS1 bis ISN auf die gezeigte Weise verbunden. Diese Anschlüsse sind
wiederum mittels Isolationslasten R1 bis R(N) mit der Erde verbunden.
Es ist festzustellen, daß die
Ausgänge
der Stromsplitter PS 1 bis PSN mit den Ausgängen von benachbarten ähnlichen
Zweiwege-Stromsplittern auf eine Weise verbunden sind, die die Summe
ihrer Eingangsphasen auf Null ausgleicht.
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8 zeigt
eine Übertragungsleitungsausführungsform
des Schaltkreises, der in 7 gezeigt ist.
Zu der Ausführungsform
der 8 ist festzustellen, daß die Übertragungsleitungen TLl bis
TLN als ¼-Länge-Übertragungsleitungen
dargestellt sind und nicht lediglich als +90°-Phasenschieber. Die Stromsplitter PS1
bis PSN der 7 sind in 8 ferner als Übertragungsleistungs-Symmetrieübertragertransformtoren
BL1, BL2, BL3... BLN darge stellt. Beachte, daß dies eine vollständig symmetrische
Struktur ist, die es jeglicher Anzahl von RF abgestimmten Quellen
ermöglicht,
kombiniert zu werden und auf eine einzige gemeinsame Last gelegt
zu werden. Diese Struktur weist eine verkürzte Länge verglichen mit den Hybridringstrukturen
der 1 und 2 auf. Die Symmetrie der Struktur
ermöglicht
es dem Kombinierer, in einem größeren Frequenzbereich
zu arbeiten.
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9 zeigt
einen Sechswege-RF-Kombinierer, der aus drei Zweiwege-Kombinierern
und einem Dreiwege-Kombinierer besteht, die alle so aufgebaut sind,
wie in den 5 bis 8 gezeigt.
Daher weist diese Kombiniererstruktur drei Zweiwege-Kombinierer
Cl, C2 und C3 auf. Jeder Kombinierer weist zwei Eingangsanschlüsse und
einen Ausgangsanschluss auf. Die sechs Eingangsanschlüsse I1' bis I6' können mit
sechs RF-Stromquellen verbunden sein. Die drei Ausgangsanschlüsse der
Kombinierer C1, C2 und C3 sind mit drei Einganganschlüssen eines
vierten Kombinierers C4 verbunden, der als ein Dreiwege-Kombinierer
dient und einen einzigen Ausgangsanschluss OP' aufweist.
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Dieser
Sechswege-Kombinierer kann als ein einstufiger aufgebaut sein, im
Gegensatz zu den zwei Stufen (drei Zweiwege-Kombinierer und ein
Dreiwege-Kombinierer), wie dargestellt. Die zwei Stufen ermöglichen
einen größeren Frequenzbereich.
Ein Dreiwege-Stromkombinierer,
wie der Kombinierer C4, wurde optimiert und kann beispielsweise
einen Frequenzbereich der Größenordnung
470 bis 650 MHz abdecken. Die Kombinierer können dadurch hergestellt sein,
daß Mikrostreifentechniken
für die ¼-Wellenlänge-Übertragungsleitungen und eine Face-to-Face-Streifenleitung
für die
Symmetrieübertragertransformatoren
verwendet werden.
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Ein
Kombinierer/Teiler ist bereitgestellt, der einen gemeinsamen Ausgangs/Eingangsanschluss und
eine Vielzahl von N-Eingangs/Ausgangsanschlüssen und eine Vielzahl von
N-Isolationsanschlüssen
aufweist. Ein 90°-Phasenschieber
verbindet jeden der N-Eingangs/Ausgangsanschlüsse mit dem gemeinsamen Anschluss.
N-Überagungsleitungs-Symmnetrieübertragertransformatoren
sind bereitgestellt, die jeweils einen Eingangs/Ausgangsanschluss
mit einem der N-Isolationsanschlüssen verbinden.
Jeder Symmetrieübertragertransformator dient
als ein Zweiwege-Stromsplitter.