Hinterrund der Erfindung
1. Anwendungsgebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein nichtreziprokes Schaltungselement (z. B.
einen Isolator oder einen Zirkulator), welches in einer
Nachrichtenübertragungseinrichtung, z. B. einem zellularen Telefon oder einem Mobiltelefon
angewendet wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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Im allgemeinen arbeiten nichtreziproke Schaltungselemente, z. B. Isolatoren und
Zirkulatoren in der Weise, daß sie Signale nur in der Übertragungsrichtung
passieren lassen und eine Ausbreitung in der entgegengesetzten Richtung
blockieren. Diese nichtreziproken Schaltungselemente werden in Teilen von
Sendeschaltungen von mobilen Nachrichtenübertragungseinrichtungen, z. B. in
zellularen Telefonen angewendet. Weil diese mobilen
Übertragungseinrichtungen kleiner geworden sind, besteht ein wachsender Bedarf an
kleineren und dünneren nichtreziproken Schaltungselementen.
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Ein Isolator dieses Typs besitzt die Struktur, die in den Fig. 4 und 5
dargestellt ist. Die gesamte Struktur des Isolators wird in der perspektivischen
Explosionsdarstellung nach Fig. 4 gezeigt. Fig. 5 ist eine perspektivische
Explosionsdarstellung eines dielektrischen mehrschichtigen Substrates, welches
einen Teil des Isolators bildet. In den folgenden Figuren weist die Fläche, auf
welchen die Elemente angeordnet sind, nach oben. Jene Bereiche, auf welchen
verschiedene Elektroden durch Schablonierverfahren gebildet werden, sind
schattiert dargestellt.
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Wie Fig. 4 zeigt, umfaßt dieser Isolator ein unteres Joch 11, welches eine
Bodenwand aufweist, auf welcher ein Ferritstück 12 angeordnet ist. Das
dielektrische mehrschichtige Substrat, welches mit 13 bezeichnet ist, wird in der
Mitte mit einer Ausnehmung versehen, in welcher das Ferritstück 12 so befestigt
ist, daß das Substrat das Ferritstück 12 abdeckt. Der Isolator umfaßt weiterhin
ein oberes Joch 15, welches einen Permanentmagneten 14 aufweist, der an
dessen Innenwandfläche befestigt ist. Das obere Joch 15 ist mit dem unteren
Joch 11 verbunden, um einen geschlossenen magnetischen Kreis zu bilden. Der
Permanentmagnet 14 erzeugt in dem Ferritteil 12 ein magnetisches Gleichfeld.
Das untere Joch 11 und das obere Joch 15 sind aus einem magnetischen Metall
hergestellt, und deren Oberflächen sind mit Ag oder dergleichen beschichtet.
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Das mehrschichtige Substrat 13 wird in der im folgenden beschriebenen Weise
hergestellt. Wie Fig. 5 zeigt, werden eine Anzahl von dielektrischen
keramischen Rohplatten, welche eine Dicke in der Größenordnung von mehreren zehn
Mikrometern aufweisen, vorbereitet. Verschiedene Elektroden werden auf den
Flächen der Platten durch Schablonierung oder andere Verfahren aufgedruckt.
Diese Platten werden laminiert, gegeneinander gepreßt und zusammengesintert
und bilden in dieser Weise das mehrschichtige Substrat 13. Die in den Platten
gebildeten verschiedenen Elektroden sind an den gewünschten Stellen mittels
Durchgangsbohrungen oder über Öffnungen miteinander verbunden.
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Genauer betrachtet werden die Masseelektroden 1, die Anschlußelektroden 2a,
2b, 2c und die Verbindungselektroden in Schichten 21 bis 26 gebildet. In dieser
Weise werden die Eingangs-/Ausgangsbereiche des mehrschichtigen Substrates
13 gebildet.
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Kapazitive Elektroden 3a, 3b und 3c werden auf einer Platte 32 gebildet. Die
Masseelektroden 1 werden jeweils auf den Platten 31 und 33 gebildet.
Abgestimmte Kapazitäten, die mit ihren jeweiligen einen Enden der mittleren
Elektroden 4a, 4b und 4c verbunden sind, werden durch Kapazitäten gebildet, die
zwischen den kapazitiven Elektroden 3a bis 3c und den Masseelektroden 1
gebildet sind.
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Die mittleren Elektroden 4a, 4b und 4c werden jeweils auf den Platten 41, 42 und
43 in der Weise gebildet, daß eine mittlere Elektrode auf einer Platte gebildet
wird. Die Platten werden übereinander in der Weise angeordnet, daß die
mittleren Elektroden 4a, 4b und 4c einen Winkel von 120 Grad zueinander
bilden. Ein Ende von jeder dieser mittleren Elektroden wird mit einer der
entsprechenden Anschlußelektroden 2a, 2b und 2c verbunden. Die anderen Enden
werden durch Öffnungen mit den Masseelektroden 1 verbunden.
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Ein Abschlußwiderstand R wird gedruckt oder in anderer Weise zwischen der
Anschlußelektrode 2c und der Masseelektrode 1 gebildet, wobei beide auf die
Rückseite einer Platte 51 aufgebracht werden. Der Abschlußwiderstand R ist mit
einer Schicht aus Epoxidharz oder einem anderen Kunststoff überzogen.
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Im Stand der Technik haben der Isolator und die mittleren Elektroden 4a, 4b
und 4c um die Öffnungen die gleiche Streifenbreite und denselben
Streifenabstand.
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In der vorgenannten Struktur ist der Abstand zwischen der mittleren Elektrode
und dem unteren Joch (oder einer Grundfläche) oder dem oberen Joch von
Anschluß zu Anschluß unterschiedlich. Deshalb unterscheidet sich in dem Fall,
daß die mittleren Elektroden um die Anschlüsse so gestaltet sind, daß sie
dieselbe Streifenbreite und denselben Streifenabstand besitzen wie im Stand der
Technik, die Impedanz der mittleren Elektrode von Anschluß zu Anschluß. Das
heißt, daß die Induktivität von Anschluß zu Anschluß unterschiedlich ist. Das
bedeutet, daß solche Anschlüsse eine schlechte Symmetrie zeigen. Deshalb
verschlechtert sich die Funktion des Isolators. Weiterhin unterscheiden sich die
Kapazitäten zwischen den benachbarten mittleren Elektroden voreinander. Dies
verschlechtert die Symmetrie der Anschlüsse weiter.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hochleistungsfähiges
nichtreziprokes Schaltungselement mit kleinen Abmessungen zu schaffen,
welches frei von den vorstehenden Problemen des Standes der Technik ist. Diese
Aufgabe wird durch das Festsetzen der Streifenbreiten oder der Streifenabstände
in den mittleren Elektroden um die Anschlüsse auf unterschiedliche Werte in
einer solchen Weise gelöst, daß die Reaktanzen der mittleren Elektroden für
jeden Anschluß gleich sind. Infolgedessen wird die Einfügungsdämpfung
vermindert. Außerdem werden die Isolationseigenschaften verbessert. Ein
nichtreziprokes Schaltungselement nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und
2 ist aus DE-Al-4312453 bekannt.
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Die vorstehende Aufgabe wird durch ein nichtreziprokes Schaltungselement nach
den Kennzeichen der Patentansprüche 1 und 2 gelöst.
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In der vorstehend beschriebenen Struktur werden die Streifenbreiten oder die
Streifenabstände in den mittleren Elektroden um die Anschlüsse, welche ein
nichtreziprokes Schaltungselement bilden, für die einzelnen Anschlüsse getrennt
bestimmt. In dieser Weise können die Reaktanzen der mittleren Elektroden für
jeden Anschluß gleichförmig gestaltet werden. Weil die mittleren Elektrode, die
Anpassungsschaltungen usw. aus einem mehrschichtigen Substrat hergestellt
sind, kann eine weitere Verminderung der Größe erreicht werden.
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Andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung sollen durch deren nachfolgende
Beschreibung verdeutlicht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der Hauptbestandteile
eines Isolators, welcher ein ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung bildet;
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Fig. 2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Isolators, welcher
ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet und die gesamte Struktur
des Isolators zeigt;
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Fig. 3 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der Hauptbestandteile
des in Fig. 2 dargestellten Isolators;
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Fig. 4 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, welche die gesamte
Struktur eines Isolators des Standes der Technik zeigt; und
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Fig. 5 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines mehrschichtigen
Substrates, welches für einen Isolator des Standes der Technik verwendet wurde.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die Art und Weise, in welcher die Streifenbreiten und die Streifenabstände in
den mittleren Elektroden so festgesetzt werden, daß sie erfindungsgemäß
einheitliche Reaktanzen der mittleren Elektroden für jeden Anschluß ergeben,
werden im weiteren unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen
erläutert. In den Zeichnungen werden gleiche Bauteile in den verschiedenen
Figuren durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
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Die Struktur der Hauptbestandteile eines Isolators bildet ein erstes
Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in Fig. 1 dargestellt ist, und in
welchem eine perspektivische Explosionsdarstellung die Beziehungen in der
Anordnung der mittleren Elektroden zeigt, welche in ein mehrschichtiges
Substrat um ein Ferritteil eingeschlossen sind. Der Isolator und der gesamte
Aufbau der mehrschichtigen Struktur dieses Ausführungsbeispieles sind den in
den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen ähnlich, so daß sie hier
nicht näher beschrieben werden.
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In Fig. 1 ist erkennbar, daß die Platten 41, 42 und 43, welche Bereiche für die
mittlere Elektrode des mehrschichtigen Substrates dieses Ausführungsbeispieles
bilden, jeweils mit mittleren Elektroden 4a, 4b und 4c in der Weise versehen
sind, daß eine mittlere Elektrode auf einer Platte vorhanden ist. Die Platten
werden übereinander in der Weise angeordnet, daß die mittleren Elektroden 4a,
4b und 4c in einem Winkel von 120 Grad zueinander versetzt sind. Das einzelne
Ferritteil 12, welches auf der Bodenwand des unteren Joches angeordnet ist, wird
über der Platte 41 positioniert. Das bedeutet, daß die Elektroden 4a, 4b und 4c
unterschiedliche Abstände vom unteren Joch, welches eine Massefläche bildet,
besitzen. Jeder mittlere Bereich der mittleren Elektroden 4a bis 4c ist aus zwei
Streifen zusammengesetzt. Wie zuvor beschrieben, ist ein Ende jedes Streifens
mit der zugehörigen Anschlußelektrode verbunden, während das andere Ende
mit einer Masseelektrode verbunden ist.
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Es wird angenommen, daß die Streifenabstände D1, D2 und D3 in den mittleren
Elektroden 4a, 4b und 4c dieser Struktur jeweils gleich sind. Unter dieser
Bedingung soll zunächst die Art und Weise, in welcher die Streifenbreiten W1, W2
und W3 festgelegt sind, erläutert werden.
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Die Reaktanz jeder mittleren Elektrode umfaßt die Induktivität der Streifen der
mittleren Elektrode zusammen mit der Kapazität zwischen den Streifen der
benachbarten mittleren Elektroden. Gewöhnlich ist die Reaktanz infolge der
Induktivität größer als die Reaktanz, welche auf die Kapazität zwischen den
Streifen zurückzuführen ist, und deshalb wird die Induktivität der Streifen
zuerst erörtert.
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Im allgemeinen steht die Induktivität eines Streifens im Verhältnis zur
charakteristischen Impedanz des Streifens. Die charakteristische Impedanz des
Streifens nimmt ab, wenn sie näher zur Masse hin angeordnet ist. Die
charakteristische Impedanz nimmt auch ab, wenn die Streifenbreite ansteigt.
Dementsprechend werden die mittleren Elektroden, welche näher zur Masse hin
angeordnet sind, mit schmaleren Streifen hergestellt. In dieser Weise können die
charakteristischen Impedanzen der Anschlüsse einheitlich gestaltet werden.
Infolgedessen können die Induktivitäten der Anschlüsse vereinheitlicht werden.
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Das heißt, die Streifenbreiten W1, W2 und W3 der mittleren Elektroden 4a, 4b
und 4c sind so festgesetzt, daß die Bedingung W1 ≤ W2 ≤ W3 gilt. Infolgedessen
können die Induktivitäten der mittleren Elektroden um die Anschlüsse
einheitlich gehalten werden.
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Nun soll die Kapazität zwischen benachbarten Streifen erörtert werden. Weil die
zuvor beschriebene Modifikation der Streifenbreite der mittleren Elektroden nur
geringfügig ist, werden die Kapazitäten zwischen den benachbarten Streifen nur
wenig beeinflußt. Die Kapazität zwischen den Streifen der mittleren Elektrode 4a
ist im wesentlichen der Kapazität zwischen den Streifen der mittleren Elektrode
4c gleich. Die Kapazität zwischen den Streifen der mittleren Elektrode 4b beträgt
etwa das 2fache der Kapazität zwischen den Streifen der mittleren Elektroden 4a
oder 4c. Deshalb ist die Reaktanz infolge der Kapazität zwischen den Streifen der
mittleren Elektrode 4b größer als die Reaktanz infolge der Kapazität zwischen
den Streifen der mittleren Elektroden 4a oder 4c. Um die Reaktanzen der
mittleren Elektroden 4a, 4b und 4c gleichzuhalten, ist es notwendig, daß die
Induktivität der mittleren Elektrode 4b geringer ist als die Induktivitäten der
mittleren Elektroden 4a oder 4c. Dies erfordert, daß die Streifenbreite W2 der
mittleren Elektrode 4b vergrößert wird, um die charakteristische Impedanz der
mittleren Elektrode 4b zu vermindern. Dementsprechend sollte bei dem Entwurf
der Einrichtung, bei welchem auch die Kapazitäten zwischen den Streifen
berücksichtigt werden, die Streifenbreiten W1, W2 und W3 der mittleren
Elektroden 4a, 4b und 4c jeweils so festgesetzt werden, daß die Beziehung W1
W3 < W2 eingehalten wird.
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Wenn die Streifenbreiten unter Berücksichtigung sowohl der Induktivitäten der
mittleren Elektroden und der Kapazitäten zwischen den Streifen entworfen
werden, sind die Streifenbreiten W1, W2 und W3 der mittleren Elektroden 4w 4b
und 4c jeweils so festzusetzen, daß entweder die Beziehung W1 ≤ W2 ≤ W3 oder
die Beziehung W1 ≤ W3 ≤ W2 erfüllt wird.
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In der in Fig. 1 dargestellten Konfiguration wird angenommen, daß die
Streifenbreiten W1, W2 und W3 der mittleren Elektroden 4a, 4b und 4c jeweils
dieselben sind. Die Art und Weise, in welcher die Streifenabstände D1, D2 und
D3 unter dieser Bedingung festgesetzt werden, soll nunmehr erörtert werden.
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Im allgemeinen vermindert sich die charakteristische Impedanz einer mittleren
Elektrode, wenn der Abstand zwischen den Streifen der mittleren Elektrode
erhöht wird. Die charakteristische Impedanz nimmt ebenfalls ab, wenn, wie
bereits erwähnt, die mittlere Elektrode näher zur Masse hin angeordnet wird.
Deshalb können die charakteristischen Merkmale der Anschlüsse einheitlich
gestaltet werden, indem die mittleren Elektroden in solcher Weise konstruiert
werden, daß die mittleren Elektroden, welche näher zur Masse hin angeordnet
sind, engere Streifenabstände aufweisen. Dies verursacht seinerseits, daß die
Induktivitäten der Anschlüsse vereinheitlicht werden. Das heißt, die
Streifenabstände D1, D2 und D3 in den mittleren Elektroden 4a, 4b und 4c werden
jeweils so festgesetzt, daß die Beziehung D1 ≤ D2 ≤ D3 erfüllt wird. In dieser
Weise können die Induktivitäten der mittleren Elektroden um die Anschlüsse
vereinheitlicht werden.
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Bei dem Entwurf der Einrichtung, bei welchem die Kapazitäten zwischen den
Streifen in Betracht gezogen werden, können die Streifenabstände D1, D2 und
D3 auch in der Weise festgesetzt werden, daß D1 ≤ D3 ≤ D2 ist. In dieser Weise
werden die Streifenabstände in den mittleren Elektroden so festgesetzt, daß
entweder D1 ≤ D2 ≤ D3 oder D1 ≤ D3 ≤ D2 ist.
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Die Struktur eines Isolators, welcher ein zweites Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung bildet, ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Fig. 2 ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung, welche die gesamte Struktur des
Isolators zeigt. Fig. 3 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, welche die
Lagebeziehung der mittleren Elektroden des mehrschichtigen Substrates zu
einem Ferritteil zeigt. Der gesamte Aufbau der mehrschichtigen Struktur des
Isolators nach diesem Beispiel ist der Struktur ähnlich, welche im
Zusammen
hang mit Fig. 5 beschrieben wurde, und deshalb soll sie hier nicht weiter
ausgeführt werden.
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Wie Fig. 2 zeigt, ist der Isolator dieses Beispieles dem Isolator gleich, welcher in
Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben wurde, mit der Ausnahme, daß die
Ferritteile, welche mit 12 bezeichnet sind, sowie die Masseplatte 16 zwischen
einem mehrschichtigen Substrat 13 und einem Permanentmagneten 14
angeordnet sind. Insbesondere sind, wie Fig. 3 zeigt, die beiden Ferritteile 12 jeweils
oberhalb und unterhalb der mittleren Elektroden des Isolators angeordnet. In
dieser Struktur sind die Masseflächen, welche zu den mittleren Elektroden 4a, 4b
und 4c gehören, die untere Jochplatte 11 und die Masseplatte 16. Der Abstand
zwischen der oberen Massefläche und der Platte 42, auf welcher die mittlere
Elektrode 4b gebildet ist, gleicht im wesentlichen dem Abstand zwischen der
anderen Massefläche und der Platte 42.
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In dieser Struktur, in welcher die Streifenabstände D1, D2 und D3 einheitlich
gehalten sind, um die Induktivitäten der mittleren Induktanzen für jeden
Anschluß gleich zu halten, sollten die Streifenbreiten W1, W2 und W3 in der
Weise festgesetzt werden, daß W1 = W3 ≤ W2 ist. Auch wenn die Kapazitäten
zwischen den Streifen in Betracht gezogen werden, sollte die Induktivität der
mittleren Elektrode 4b geringer sein als die Induktivitäten der mittleren
Elektroden 4a und 4c. Um die Reaktanzen der mittleren Elektroden für jeden
Anschluß gleich zu halten, sollten die Streifenbreiten W1, W2 und W3 in der
Weise festgesetzt werden, daß ,W1 = W3 ≤ W2 ist.
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Wenn die Streifenbreiten W1, W2 und W3 einheitlich gehalten werden, um die
Reaktanzen der mittleren Elektroden für jeden Anschluß gleich zu halten,
können die Streifenabstände D1, D2 und D3 in der Weise festgesetzt werden, daß
D1 = D3 ≤ D2 ist.
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Wie bereits bei den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen beschrieben
wurde, werden die Streifenbreiten und Streifenabstände bei mehreren mittleren
Elektroden für die einzelnen Anschlüsse getrennt festgesetzt, um die Reaktanzen
der mittleren Elektrode um die Anschlüsse zu vereinheitlichen. In dieser Weise
wird die Symmetrie der Anschlüsse verbessert. Auch die Einfügungsdämpfung
kann vermindert werden. Weiterhin können die Isolationseigenschaften
verbessert werden.
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Bei der vorstehenden Erörterung wurden entweder die Streifenbreiten oder die
Streifenabstände vereinheitlicht, und die anderen Dimensionen wurden
festgesetzt. Die Erfindung ist nicht auf dieses Schema begrenzt. So können z. B.
sowohl die Streifenbreiten als auch die Streifenabstände in den mittleren
Elektroden für die einzelnen Anschlüsse getrennt festgesetzt werden. In diesem
Fall ist die Freiheit beim Entwurf der Einrichtung größer. Deshalb kann die
Einrichtung so gestaltet werden, daß eine höhere Leistung erreicht wird.
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In dem vorstehenden Beispiel ist jede mittlere Elektrode aus zwei Streifen
zusammengesetzt. Die Erfindung ist nicht auf diese Struktur beschränkt. Jede
mittlere Elektrode kann auch aus einem Streifen oder aus drei oder mehr
Streifen bestehen. Selbstverständlich kann, wenn jede mittlere Elektrode nur
einen Streifen umfaßt, nur die Streifenbreite festgesetzt werden.
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Weiterhin ist in den vorgenannten Beispielen der Isolator so konstruiert, daß ein
Endwiderstand mit einem Anschluß verbunden wird. Die in Fig. 5 dargestellte
Platte 51 kann weggelassen werden. Alternativ kann ein Zirkulator hergestellt
werden, ohne daß ein Endwiderstand R mit der Platte 51 verbunden wird.
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Weiterhin werden in den vorstehenden Beispielen die mittleren Elektroden, die
Anpassungsschaltungen usw. aus einem mehrschichtigen Substrat hergestellt,
um die Größe weiter zu reduzieren. Die Erfindung ist nicht auf diese Struktur
beschränkt. Die Erfindung ist auch auf eine Struktur anwendbar, in welcher jede
mittlere Elektrode aus einem metallischen Leiter hergestellt ist.
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Wie bisher beschrieben wurde, werden in dem neuartigen nichtreziproken
Schaltungselement die Streifenbreiten oder die Streifenabstände in den mittleren
Elektroden um die Anschlüsse in dem Schaltelement für die einzelnen
Anschlüsse getrennt so festgelegt, daß die Reaktanzen der mittleren Elektroden für
jeden Anschluß vereinheitlicht werden. Deshalb wird die Symmetrie der
Anschlüsse verbessert. Auch die Einführungsdämpfung kann vermindert werden.
Weiterhin werden die Isolationseigenschaften verbessert.
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Darüber hinaus kann die Größe weiter vermindert werden, indem die mittleren
Elektroden, Anpassungsschaltungen usw. aus dem mehrschichtigen Substrat
hergestellt werden.
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Die Erfindung führt dementsprechend zu einem kleinen, hochleistungsfähigen
nichtreziproken Schaltungselement, welches eine geringere
Einfügungsdämpfung sowie verbesserte Isolationseigenschaften aufweist.