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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf optische Reinigungsfilter, welche optische
Wellenlängenfilter sind,
die eine gewünschte
spektrale Antwort ausbilden. Um eine derartige gewünschte Spektralantwort bzw.
spektrale Antwort zu erzielen bzw. zu erreichen, verwendet die Erfindung
eine Mehrzahl von geneigten bzw. verjüngten Faserfiltern in Serie,
die mit vorbestimmten Spektraleigenschaften übereinstimmen. Die Erfindung
beinhaltet auch ein Verfahren zum Verknüpfen der geneigten bzw. verjüngten Faserfilter, um
die gewünschte
spektrale Antwort nach Zerlegen der letzteren in individuelle Sinuswellen
zu erhalten.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Verjüngte optische
Faserfilter sind in der Technik gut bekannt. Sie werden durch Verjüngen einer
optischen Einzelmoden- bzw. Einmodenfaser in einer derartigen Weise
hergestellt, um eine Interferenz zwischen Verkleidungsmoden bzw.
-arten zu produzieren, wodurch eine Übertragung ausgebildet wird,
welche wellenlängenabhängig ist.
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Ein
derartiges verjüngtes
Faserfilter ist in dem kanadischen Patent Nr. 1,284,282, ausgegeben bzw.
erteilt am 21. Mai 1991, beschrieben. Es stellt ein Paßbandfilter
zur Verfügung,
umfassend eine Mehrzahl von sukzessiven bzw. aufeinanderfolgenden,
bikonischen, verjüngten
Abschnitten auf einer Einzelmodenfaser, wobei derartige verjüngte Abschnitte
unterschiedliche Profile aufweisen, um die gewünschte Filtercharakteristik
zu erzeugen.
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Auch
U.S. Patent Nr. 4,946,250 vom 7. August 1990 von Gonthier et al.
offenbart einen Paßband/Stopbandfilter
geoffenbart, welcher aus zwei bikonischen Verjüngungen gebildet ist, die jeweils
ein gegebenes Profil besitzen und voneinander um einen kleinen Abstand
beabstandet sind. Dies ermöglicht eine Übertragung
von einem Signal vorbestimmter Wellenlänge, während ein zweites Signal einer
unterschiedlichen Wellenlänge
gestoppt wird.
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Darüber hinaus
ist in der kanadischen Patentanmeldung Nr. 2,258,140 vom 6. Jänner 1999
der Anmelderin ein Verfahren zum Herstellen von Wellenlängenfiltern
mit einer sinusartigen Antwort oder einer modulierten Sinusantwort
geoffenbart, die jede gewünschte
Filteramplitude und Oszillationsperiode besitzt. Die dadurch hergestellten
optischen Faserfilter haben zwei koppelnde bzw. Kopplungsbereiche an
den Enden einer länglichen
zentralen Überlagerungs-
bzw. Einschnürungszone.
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Jedoch
offenbaren die obige Zitate bzw. Literaturstellen nicht, wie eine
spektrale Antwort zu analysieren ist und die grundsätzlichen
bzw. Basis-Sinuswellen davon zu extrahieren sind und dann eine Mehrzahl
von Filtern in der Form von geeigneten Faserverjüngungen herzustellen und diese
hintereinander bzw. in Linie anzuordnen sind, um die gewünschte Antwort
in dem resultierenden Reinigungsfilter zu erhalten.
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ZIELE UND ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Ziel bzw. Gegenstand der vorliegenden Erfindung, Clean-up-
bzw. Reinigungsfilter herzustellen, d.h. Filter, welche auf ein
Korrigieren der Wellenlängenantwort
von optischen Systemen durch Zerlegen der gewünschten Antwort in eine Mehrzahl
von individuellen Antworten und dann durch Ausbilden bzw. Herstellen
von geneigten bzw. verjüngten
Faserfiltern gerichtet sind, die spezifisch ausgebildet sind, um
mit den individuellen Antworten so übereinzustimmen, um eine Gesamtantwort
zu erhalten, die eng mit der gewünschten
Gesamtantwort übereinstimmt.
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Andere
Ziele und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung
offensichtlich werden.
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Optische
Systeme erfordern oft eine spezifische vorbestimmte spektrale Antwort,
um eine gewünschte
Funktion oder Tätigkeit
zu erreichen. Optische Filter werden verwendet, um beim Erreichen
einer gewünschten
Antwort zu helfen, jedoch haben derartige Filter oft vorbestimmte
Charakteristika bzw. Eigenschaften und sind nicht fähig, eine
komplexere spektrale Antwort zu produzieren, wenn dies erwünscht ist.
Die vorliegende Erfindung stellt derartige Reinigungsfilter zur
Verfügung,
welche fähig
sind, jede gewünschte
oder vorbestimmte Antwort zu produzieren. Um dies zu erreichen,
wird die gewünschte Filterantwort
zuerst mit einem Computerprogramm oder Algorithmus analysiert, welcher
automatisch oder händisch
unabhängige
Sinuswellen simulieren kann, in welche die gewünschte Antwort zerlegt kann und
welche die Form der folgenden Gleichung annehmen: T
= β[1 – αsin2 (λ – λ0) π/Λ]wobei:
T
die optische Transmission bzw. Durchlässigkeit des Filters ist,
a
die Amplitude des Filters ist,
β die maximale Transmission ist,
λ die Wellenlänge ist,
λ0 die
Referenzwellenlänge
oder Zentrumswellenlänge
des Filters ist, und
Λ die
Wellenlängenperiode
ist.
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Das
Computerprogramm berechnet auch das Produkt der Funktion: F = T1 × T2 ............ × TN,wobei:
F
die resultierende Filterfunktion der Verknüpfung der Verjüngungen,
welche die unabhängigen
Transmissionen T1 bis TN aufweist,
ist.
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Eine
derartige numerische Formel simuliert die Verknüpfung einer Mehrzahl von geneigten
bzw. verjüngten
individuellen Faserfiltern, die erforderlich sind, um die Gesamtantwort
F zu erhalten.
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Das
Modell setzt voraus, daß die
Verkleidungs- bzw. Deckmoden zwischen jeder Verjüngung unterdrückt sind
bzw. werden, was physikalisch in mehreren bekannten Wegen erreicht
werden kann, beispielsweise indem genug Filterlänge mit der Schutzumhüllung zwischen
aufeinanderfolgenden Verjüngungen
beibehalten wird, indem der Filter gebogen wird oder indem Verjüngungen
derart gemacht werden, daß sie
Einzelmoden sind, und dgl. Die Parameter der Simulation sind die
Parameter oder jede Sinusfunktion, nämlich α1, β1, λ1, Λ1,........... αN, βN, λN, ΛN.
Diese Parameter können
händisch
oder mit der Hilfe eines Computerprogramms eingestellt werden, um
eine Antwort mit der kleinsten Abweichung von der gewünschten
Antwort zu simulieren. Das verwendete, mathematische Verfahren kann
auf einer Minimierung des Quadrats des Unterschieds zwischen dem
Modell und der gewünschten
Filterantwort basieren, jedoch können
andere Algorithmen verwendet oder entwickelt werden.
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Nachdem
derart die Parameter der individuellen Verjüngungen bestimmt wurden, kann
man jede individuelle Filterkomponente in der Praxis realisieren.
Die Anzahl und Art von Verjüngungen,
die erforderlich sind, wird mit der gewünschten Form der Gesamtantwort
variieren. Aus diesem Grund muß man fähig sein,
die oben erwähnten
Parameter während dem
Verjüngungsherstellungsverfahren
zu steuern bzw. zu regeln, um die gewünschte Gesamtantwort zu erhalten.
Wenn eine Ein- bzw.
Einzelmodenfaser verjüngt
wird, können
die Parameter durch Herstellen einer spezifischen Verjüngungssteigung
bzw. -neigung gesteuert bzw. geregelt werden, welche selbst durch
die Größe der Wärmequelle,
die verwendet wird, um die Faser aufzuheizen, und durch die Zuggeschwindigkeit
gesteuert bzw. geregelt wird, die verwendet wird, um die gewünschte Abschrägung zu produzieren.
Ein Verwenden einer kleinen Flamme wird bewirken, daß eine abrupte
Steigung ausgebildet wird, welche üblicherweise in der Kopplung
von mehr als zwei Moden resultieren wird, was eine modulierte Sinusantwort
erzeugt, wie dies im kanadischen Patent Nr. 1,284,282 gezeigt ist.
Eine derartige modulierte Sinusantwort ist problematisch in dem Modell,
da sie die Steuerung bzw. Regelung von zusätzlichen Parametern involviert,
wie der Amplitude von jeder Mode und der entsprechenden Phasen der Moden.
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Um
dieses Problem zu vermeiden, können Verjüngungen
oder Filter hergestellt werden, die eine sinusartige Antwort mit nur
zwei Moden besitzen und wobei die Amplitudenperiode und Phase geeignet durch
Bereitstellen von zwei koppelnden bzw. Kopplungsbereichen an den
Enden einer verlängerten
geneigten bzw. verjüngten
Zone gesteuert bzw. geregelt sind. Derartige Filter und das Verfahren
zur Herstellung sind in der kanadischen Patentanmeldung Nr. 2,258,140
vom 6. Jänner
1999 der Anmelderin geoffenbart. Mit derartigen sich verjüngenden
bzw. verjüngten
Profilen kann im wesentlichen jede Sinusantwort erhalten werden.
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Jedoch
kann, wenn die Amplitude der Sinusfunktion weniger als 50 % beträgt, ein
einfacheres Profil verwendet werden, nämlich ein Profil, wie es im kanadischen
Patent Nr. 1,284,282 geoffenbart ist, jedoch mit einer längeren Verjüngung bzw.
Abschrägung,
die mit einem breiteren bzw. weiteren Überstreichen der Flamme produziert
wird. Die Wellenlänge
wird dann durch die Länge
der Verjüngung
gesteuert bzw. geregelt, d.h. die Anzahl von Oszillationen in der
Dehnung bzw. Längsrichtung.
Da die unerwünschten
Moden dritter oder höherer
Ordnung durch eine Verjüngungssteigung
bewirkt werden, welche zu steil ist, kann man diesen Effekt durch
ein Reduzieren der Steigung reduzieren. So können unterschiedliche Antworten
durch Verändern
der Überstreichungsbreite
der Flamme von 0 bis zu einigen mm erhalten werden. Wenn Verjüngungen
mit größeren und
größeren Überstreichungsbreiten
gebildet werden, wird die Modulationsamplitude α abnehmen. Die geeignete Überstreichungsbreite,
die verwendet wird, um eine gegebene spektrale bzw. Spektralamplitude α zu erhalten,
kann so durch aufeinanderfolgende Versuche bestimmt werden. Die
zwei anderen Parameter der Sinusantwort, d.h. die Periode Λ und die
Spitzenwellenlänge λ, werden
durch Steuern bzw. Regeln der Elongation bzw. Länge der Verjüngung gesteuert
bzw. geregelt. Während einer
Längung
bzw. Dehnung werden Oszillationen in der optischen Übertragung
beobachtet; sie entsprechen dem Anstieg von Einschnürungslängen zwischen
den LP01- und LP02-Moden. Wie dies im kanadischen Patent Nr. 1,284,282
erklärt
ist, ist die Anzahl von Einschnürungen
bzw. Interferenzen umgekehrt proportional der Wellenlängenperiode;
so sinkt die Periode bzw. Dauer ab, wenn die Verjüngung verlängert bzw.
gedehnt ist. Es können
derart Perioden von 400 nm bis weniger als 1 nm ausgebildet werden.
Während
der Herstellung wird, nachdem die Amplitude durch die geeignete
Flammenüberstreichungsbreite festgelegt
ist, der Längungsprozeß gestoppt
werden, wenn die vorbestimmte Periode und Wellenlängeneigenschaften
erreicht sind.
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Sobald
eine Verjüngung
durch irgendein oben beschriebenes Verfahren hergestellt ist und
die gewünschte
Form realisiert ist, wird die Verjüngung an ein Substrat gebondet
und geeignet für
einen Schutz, beispielsweise in einem Stahlrohr, verpackt. Jede
Verjüngung
kann individuell hergestellt und mit anderen derartigen Verjüngungen
oder Komponenten gespleißt
werden, oder sie können
in Aufeinanderfolge auf derselben Einmodenfaser hergestellt werden.
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Zusammenfassend
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines
optischen Filters mit einer gewünschten
spektralen Antwort zur Verfügung,
welches umfaßt:
- (a) anfängliches
Zerlegen der gewünschten
spektralen Antwort in einzelne simulierte Antworten unter Verwendung
von einem geeigneten Computerprogramm oder Algorithmus;
- (b) dann Herstellen von verjüngten
Faserfiltern bzw. Filtern mit verjüngter Faser mit Parametern, welche
eng mit den einzelnen simulierten Antworten übereinstimmen; und
- (c) Verknüpfen
der verjüngten
Faserfilter auf einer Einmodenfaser, um den optischen Filter mit
einer Gesamtantwort, welche eng mit der gewünschten Gesamtantwort übereinstimmt,
zu erzeugen.
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Die
Erfindung resultiert in einem optischen Filter mit einer gewünschten
spektralen Antwort, wenn es durch das obige Verfahren hergestellt
wird.
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Wenn
die verjüngten
Faserfilter des optischen Filters hergestellt werden, um mit simulierten Antworten
mit Amplituden von weniger als 3 dB übereinzustimmen, haben sie
vorzugsweise ein verjüngtes
Profil mit einem zentralen Einschnürungsbereich und einer Verjüngungssteigung,
die adaptiert ist, um eine Modulation höherer Ordnung in den resultierenden
Antworten zu minimieren.
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Andererseits
haben, wenn die verjüngten
Faserfilter des optischen Filters hergestellt werden, um mit simulierten
Antworten mit Amplituden von größer als
3 dB übereinzustimmen,
sie vorzugsweise ein verjüngtes
Profil mit einem zentralen Einschnürungsbereich und einem Kopplungsbereich
an jedem Ende des Interferenz- bzw. Einschnürungsbereichs mit einer nicht-adiabatischen
Verjüngung,
wodurch ein verjüngter
Filter ausgebildet ist, der adaptiert ist, um eine Modulation in
den resultierenden Antworten zu minimieren.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Eine
bevorzugte Ausbildung der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 ein
Graph ist, der eine gewünschte spektrale
Antwort eines Filters zeigt;
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2 diagrammartig
bzw. schematisch die Verknüpfung
von verjüngten
Filtern zeigt, um die numerische Formel zu simulieren, welche die
gewünschte
spektrale Antwort von 1 darstellt bzw. repräsentiert;
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3 ein
Graph ist, der vier Parameter von individuellen Filtern zeigt, welche
eingestellt werden können,
um eine Filtersimulation mit der kleinsten möglichen Abweichung von der
gewünschten
Antwort zur Verfügung
zu stellen;
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4 eine
Art einer Verjüngung
zeigt, welche für
die Zwecke dieser Erfindung realisiert werden kann;
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5 eine
andere Art einer Verjüngung zeigt,
welche für
die Zwecke dieser Erfindung realisiert werden kann; und
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6 ein
Graph von realisierten Verjüngungsantworten
ist, die mit dem Modell verglichen sind.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSBILDUNG
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Indem
auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, zeigt 1 eine
graphische Darstellung einer gewünschten
spektralen Antwort in einem optischen Filter. Eine derartige spezifische
Antwort kann erforderlich sein, um eine gewünschte Funktion in einer optischen
Vorrichtung auszubilden.
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2 illustriert
die Verknüpfung
von vier Filtern F1, F2, F3 und F4, die auf einer Standard-Einzelmodenfaser
bzw. -Einmodenfaser 10 ausgebildet sind, welche eine Umhüllung aufweist,
die als ein Überdeckungsmodenfilter
wirkt. Die Faser 10 kann beispielsweise die standardmäßige, abgestimmte Abdeckungsfaser
SMF-28 sein, die durch Corning geliefert bzw. zur Verfügung gestellt
wird. In der in 2 gezeigten Anordnung tritt
das Licht bei 12 ein und tritt bei 14 aus.
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In 3 ist
eine Simulation eines Filters illustriert, der eine Gesamtantwort
so nahe wie möglich zu
der gewünschten
Filterantwort von 1 aufweist, indem eine Simulation
von vier Parametern, welche jeweils eine Sinusfunktion besitzen, α1, β1, λ1, Λ1,
........... α4, β4, λ4, Λ4, zur Verfügung gestellt wird, und diese
Parameter so eingestellt werden, um die kleinstmögliche Abweichung zu erhalten.
In dieser Ausbildung werden vier Verjüngungen F1, F2, F3 und F4 verwendet,
um das gewünschte
Profil innerhalb einer Abweichung von 0,25 dB zu modellieren, obwohl
verstanden werden sollte, daß die
Anzahl von Verjüngungen
in Abhängigkeit
von der gewünschten Form
bzw. Gestalt der Antwort des Gesamtfilters F variieren kann. Nach
Bestimmen durch Simulation der Parameter von jeder Verjüngung wird
eine derartige Verjüngung
unter Verwendung eines Herstellungsverfahrens realisiert, welches
eine Steuerung bzw. Regelung dieser Parameter ermöglicht.
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Eine
derartige Verjüngung
und ein Verfahren zur Ausbildung derselben sind in 4 illustriert. Wenn
eine Einmodenfaser 10 verjüngt wird, wird die Verjüngungssteigung
bzw. -neigung 16 durch die Größe der Wärmequelle oder Flamme 18 und
durch die Zuggeschwindigkeit gesteuert bzw. geregelt, die in 4 durch
Pfeile 19 und 19A dargestellt bzw. repräsentiert
ist. Da unerwünschte
Moden dritter und höherer
Ordnung durch eine zu steile Verjüngungssteigung bewirkt werden,
kann dieser Modulationseffekt reduziert werden, indem die Steigung 16 stufenweise
bzw. allmählich
zunehmend gemacht wird, indem die Überstreichungsbreite 22 der
Flamme 18 von 0 bis einige mm gemacht wird. Auf diese Weise wird die
Gesamtamplitude und die Amplitude der Modulationen absinken. Wenn
die Gesamtamplitude auf 50 % begrenzt ist, ist die Modulation auf
einige wenige Prozent reduziert, was eine Antwort nahezu vollständig sinusförmig macht.
Wenn die Überstreichungsbreite 22 weiter
erhöht
wird, verschwindet die Modulation vollständig. Somit wird bei 20 % Gesamtamplitude
keine gesonderte Modulation beobachtet. Die Wellenlängendauer
bzw. -periode wird dann durch die Länge der Abschrägung bzw.
Verjüngung 20 gesteuert
bzw. geregelt, d.h. die Anzahl von Oszillationen in der Längung. Die
Steuerung bzw. Regelung der Länge 20 ermöglicht die
Realisierung von spektralen Antworten mit Perioden von 400 nm bis
einigen nm.
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Verjüngungen,
wie sie in 4 gezeigt sind, sind insbesondere
für Filter
geeignet mit Amplituden von 1 bis 3 dB, da höhere Amplituden, z.B. 20 – 30 dB,
3 oder mehr Moden erregen werden. Um die Antwort mit derartigen
höheren
Amplituden zu steuern bzw. zu regeln, kann man Verjüngungen
verwenden, wie sie in 5 gezeigt sind, welche für ein Erreichen
einer Antwort geeignet sind, die jede gewünschte Filteramplitude und
Oszillationsdauer in einem Filter besitzt, der durch Verjüngen einer
Einmodenfaser 10 hergestellt ist. Diese Struktur hat einen
zentralen Einschnürungsbereich 24 und
zwei Kopplungsbereiche bzw. -regionen an seinen Enden, die durch nicht-adiabatische
Verjüngungen 26, 28 ausgebildet sind.
Beim Herstellen dieser Struktur wird das Verhältnis zwischen LP01 und LP02
leicht gesteuert bzw. geregelt. Die Periode, wie in dem Fall der
Verjüngung
von 4, wird durch die Länge des Einschnürungsbereichs 24 gesteuert
bzw. geregelt. Die Realisierung eines derartigen Filters ist in
der Kanadischen Patentanmeldung Nr. 2,258,140 vom 6. Jänner 1999
der Anmelderin mit dem Titel "OPTICAL
FIBER FILTERS AND METHOD OF MAKING THE SAME" ("Optische
Faserfilter und Verfahren zu ihrer Herstellung") geoffenbart.
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6 illustriert
die realisierten Verjüngungsantworten
bzw. Antworten von realisierten Verjüngungen, die experimentell
erreicht werden. In diesem Design wurden vier Verjüngungen
hergestellt, F1 exp., F2 exp., F3 exp. und F4 exp., von welchen
drei Verjüngungen
mit kleiner Amplitude waren F1 exp., F2 exp. und F3 exp., die, wie
in 4 gezeigt, hergestellt wurden, und die letzte
Verjüngung
F4 exp. mit 4 dB Amplitude hatte das in 5 gezeigte
Profil. Da dieses letztere Profil ein großes Maß an Flexibilität verleiht,
wurden die Parameter davon eingestellt, um die Fehler der ersten
drei Verjüngungen
zu kompensieren. Die vierte Verjüngung
F4 exp. wurde direkt in Linie mit den drei ersten Verjüngungen
F1 exp., F2 exp. und F3 exp. gemacht und ihre Antwort wurde eingestellt,
um am besten mit der Gesamtantwort F exp. übereinzustimmen, die für die gewünschte Filterantwort
insgesamt ist. In diesem Fall war der Fehler zwischen der gesamten
experimentellen Antwort und der gewünschten Filterantwort 0,4 dB
und mit größerer Steuerung
bzw. Regelung der Verjüngungsleistung
würde es
möglich
sein bzw. werden, eine noch engere Übereinstimmung zu erreichen.
Dies würde
auch die Realisierung von komplexeren Verjüngungsantworten ermöglichen,
wie eine modulierte Sinusantwort, welche als ein neues Werkzeug
in der Zerlegung der gewünschten
Filterantwort verwendet werden kann, was zu einer Reduktion der
Anzahl von Verjüngungsstrukturen
führt,
die für
ein Erreichen eines zufriedenstellenden Übereinstimmens der Antwort
erforderlich sind.
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Es
sollte festgehalten werden, daß die
Erfindung nicht auf die oben beschriebene spezifische Ausbildung
beschränkt
ist, sondern daß verschiedene
Modifikationen, die dem Fachmann in der Technik offensichtlich sind,
gemacht können,
ohne die Erfindung und den Rahmen der folgenden Ansprüche zu verlassen.