Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wandler für eine SAW-Aπordnung nach dem Oberbegriff des Patentan¬ spruches 1.

SAW-Anordnungen (Surface Acoustic Waves), insbesondere SAW-Filter sind elektrische Bauelemente, die auf der Ausbreitung mechanischer bzw. akustischer Wellen in der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrat-Plättchens beruhen. Die Umwandlung elektrischer Signale in akusti¬ sche Oberflächenwellen und umgekehrt geschieht üblicher¬ weise durch "interdigitale Wandler". Solche Wandler be¬ stehen im einfachsten Falle aus einer Reihe auf die Substratoberfläche aufgedampfter dünner Metallstreifen, die als Fingerelektroden bezeichnet werden und die interdigital bzw. alternierend mit zwei Sammelschienen verbunden sind. Wird an die Sammelschienen eine elektrische Wechselspannung angelegt, entsteht aufgrund des piezo-elektrischen Effektes eine oberflächliche Verformung des Substrates, die sich als mechanische

Welle in zwei entgegengesetzte Richtungen quer zur Längst- ausdehung der Fingerelektroden ausbreitet. Durch einen weiteren interdigital Wandler wird aus der mechanischen Oberflächenwelle wieder ein elektrisches Signal gewon- nen. Die Übertragungsfunktion einer derart aufgebauten SAW-Anordnung kann weitgehend durch die Geometrie der beiden Wandler vorgegeben werden (d.h. durch die Anzahl der Fingerelektroden, deren Längen, Breiten, Abstände usw.). Häufig wird ein möglichst ausgeprägtes Bandpass- verhalten angestrebt.

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SAW-Anordnungen mit einfachen Wandlertypen (sog. bi¬ direktionalen Wandlern) weisen beachtliche Verluste auf, einesteils weil der Sendewandler die Oberflächenwellen ^" in zwei entgegengesetzte Richtungen abstrahlt und weil der Empfangswandler maximal die Hälfte der einfallenden "Energie an eine elektrische Last abgeben kann, andern- teils weil die Wandler nicht optimal an die Quelle oder Last angepasst werden dürfen, da sonst störende Re¬ flexionen innerhalb des Wandlers (sog. Triple Transit Echoes) auftreten würden.

Die beschriebenen Filterverluste lassen sich weitgehend reduzieren, wenn Richtwandler verwendet werden, welche die akustischen Wellen im Durchlassbereich praktisch nur in eine Richtung abstrahlen. Praktische Bedeutung haben der Mehrphasen- und der Gruppen-Richtwandler (group type unidirectional transducer) erlangt. Mehrphasige Wandler sind mehrschichtig aufgebaut und daher in der Herstel¬ lung wesentlich aufwendiger als ein einlagig aufgebauter Gruppen-Richtwandler.

Beim Gruppen-Richtwandler werden die Fingerelektroden, wie Fig. 2 zeigt, in mehreren Gruppen Ga, Gb, Gc... angeordnet. Jede einzelne Gruppe Ga, Gb... besteht aus zwei in der Regel identischen Halbgruppen Gal, Ga2; Gbl, Gb2;..., die um bekanntermaßen n. La bda _+ Lambda/4 ge¬ geneinander verschoben sind. Darin ist n: eine ganze Zahl und Lambda die Wellenlänge bei der Synchronfre¬ quenz. Dieser Wandler hat zwei Sammelschienen Phl und Ph2. Es ist eine weitere, und zwar gemeinsame, mäander- förmige Sammelschiene bzw. Erdleitung M vorgesehen, de¬ ren Verlauf im Wandler derart ist, daß diese weitere Sammelschiene benachbart liegende Halbgruppen vonein¬ ander trennt, wie dies Fig. 2 zeigt. Je nach Zugehörig- keit zur jeweils linken (Gal, Gbl...) oder zur rechten (Ga2, Gb2...) Halbgruppe sind die "heißen" Fingerelek-

- 3 - troden dieser Halbgruppen mit jeweils einer der beiden Sammelschienen Phl bzw. Ph2 verbunden. Dementsprechend wird an die eine Sammelschiene Phl die eine Phase des einzuspeisenden elektrischen Signals angelegt. An die andere Sammelschiene Ph2 wird die andere Phase dieses ^' Signals angelegt, wobei diese beiden Phasen bei der Synchronfrequenz einen Phasenuπterschied von 90° zuein¬ ander haben. An die weitere Sammelschiene M wird eine dritte Phase bzw. wird ein Bezugspotential, z. B. Masse angelegt. Man kann sich dementsprechend den Wandler aus zwei ineinander verschachtelten Teilwa.ndlern zusammen¬ gesetzt denken, wobei der eine Teilwandler die Halbgrup¬ pen Gal, Gbl, Gel,... der andere Teilwandler die Halb¬ gruppen Ga2, Gb2, Gc2,... umfaßt.

Die Richtwirkung dieses Richtwandlers kommt nun dadurch zustande, daß sich die Wellen der beiden Teilwandler in Vorwärts-riεhtung addieren, während sie sich in der anderen Richtung auslöschen. In Vorwärtsriehtung kompen- sieren sich die örtlichen und zeitlichen Phasendifferen¬ zen, in Rückwärtsrichtung addieren sie sich zu 180°. Ein solcher Richtwandler kann sowohl als Sendewandler als auch als Empfaπgswandler verwendet werden und arbeitet in beiden Anwendungen fast verlustlos.

Der oben beschriebene bekannte Gruppen-Richtwandler (Fig. 2) ist mit zwei Mängeln behaftet:

1. Der ohm'sche Widerstand der weiteren Sammelschiene bzw. Erdleitung M verursacht Verluste und eine Ver¬ zerrung der Frequenzcharakteristik.

2. Ausgeprägte Neben axima liegen im bzw. durchbrechen den Sperrbereich.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht

- 4 - darin, einen verlustarmen Wandler des Typs eines Richt¬ wandlers anzugeben, der planar (einschichtig) aufgebaut werden kann und ein ausgeprägtes Bandpassverhalten, näm- ^" lich ohne die für den bekannten Gruppen-Richtwandler typischen Nebenmaxima, aufweist. Diese Aufgabe wird mit ^" dem Merkmal des Patentanspruches 1 gelöst und vorteil¬ hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren An¬ sprüchen angegeben.

Der neue Richtwandler ist mit dem Gruppen-Richtwandler verwandt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß innerhalb der Ausbreituπgsrichtung für die akustische Welle, d.h. quer zur Anordnung der Fingerelektroden, der eine Teilwandler ein- oder mehrmals von dem andersphasig betriebenen anderen Teilwandler unterbrochen wird. Eine wichtige Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Teilwandler der beiden Phasen möglichst vollständig und lückenlos vorliegen zu haben. Bei der Erfindung ist dazu vorgesehen, diese Teil-wandler, bzw. deren Halbgrup- pen, auf vorgesehene zwei oder drei (oder noch mehr) Kanäle zu verteilen. Jeweils dort, wo ein Teilwandler, z.B. mit den Halbgruppeπ Gal, Gbl,... in dem einen Kanal unterbrochen ist, um jeweils einer Halbgruppe (Ga2, Gb2, ...) des aπdersphasigen Teilwandlers Platz zu machen, wird dieser jeweils eine Teilwandler in einem anderen

Kanal fortgesetzt und umgekehrt. Die Übertragungsfunktio¬ nen der einzelnen (bei der Erfindung mehreren) Kanäle haben zwar weiterhin die für Gruppen-Richtwandler ty¬ pischen Nebenmaxima im Sperrbereich, aber bei der Summa- tion der Wellen über alle Kanäle des erfindungsgemäßeπ Wandlers heben sich diese Maxi a weitgehend bis voll¬ ständig auf. Der neue effindungsgemäße Richtwandler funktioniert dann vollständig korrekt, wenn die ausge- saπdten akustischen Wellen über dessen ganze Apertur, d.h. über alle Kanäle des Wandlers, aufsummiert werden. Dies kann bekannterweise z.B. durch einen sog. Multi-

- 5 - strip-Koppler oder durch einen nicht-überlappungsge- wichteten konventionellen Wandler geschehen. Eine weitere Möglichkeit ist, zu einem erfindungsgemäßen ^' Wandler mit der Anzahl k Kanälen (als z.B. Eingangswand- 1er der Anordnung) eine Anzahl k Wandler (als z.B. Aus¬ gangswandler) zu verwenden, die jedoch bekannte Wandler nach z.B. Fig. 2 (oder sogar bidirektionale Wandler) mit identischen Übertragungsfunktionen (und parallelgeschal¬ tet) sind.

Bereits bei der erfindungsgemaßen Ausgestaltung mit zwei Kanälen ergeben sich - verglichen mit bekannten Gruppeπ- Richtwandlern, schon ganz wesentlich schwächere und schmalere Nebenmaxima. Sollen diese Nebenmaxima bei Ver- wendung von nur zwei Kanälen ganz unterdrückt werden, bieten sich zur Ausführung drei weitere Ausgestaltungen bzw. Möglichkeiten an:

a) eine aperiodische Struktur der weiteren Sammel- schiene bzw. Erdleitung M (Fig. 3c) und /oder b) eine unterschiedliche Größe der Halbgruppen beim Sendewandler gegenüber dem Empfangswander (z.B. ein Wandler nach Fig. 3a und ein Wandler nach Fig. 3b), so daß sich die Nebenmaxima der beiden Wandler bei keiner Frequenz oder vergleichsweise erheblich sel¬ tener überlappen.

Diese beiden Maßnahmen a b werden auch bei konventio¬ nellen Gruppen-Richtwandlern angewandt. Diese Maßnahmen sind jedoch im Falle der Verwendung bei einem erfin¬ dungsgemaßen Wandler bedeutet effizienter, da die zu verhindernden Rest-Nebenmaxima nur klein sind.

Eine dritte Maßnahme ist

c) einen erfindungsgemaßen Wandler mit dementsprechend

- 6 - mehreren Kanälen nach dem an sich bekannnten Split- finger-Prinzip auszugestalten, d.h. lediglich die oben erwähnten einzelnen Fingerelektroden als Split- fingerelektroden auszuführen, wobei anstelle jeweils einer Fingerelektrode (mit der Breite und mit dem

Zwischenraum je Lambda/4) zwei gleichgepolte (paral¬ lele) Fingerelektroden vorgesehen sind (mit Breite und Fiπgerzwischenraum Lambda/8). Eine Splitfinger- Ausführung der Erfindung liefert im übrigen schon bei nur zwei Kanälen fast optimales Ergebnis und kann ins¬ besondere bereits mit lückenloser Plazierung der Fingerelektroden ausgeführt werden.

Bei nach der Erfindung drei oder mehr Kanälen verschwin- den die für bekannte Gruppen-Richtwandler typischen Nebenmaxima ohne die Maßnahmen nach a und b, da bei einer solchen Anzahl von Kanälen die Fingerelektroden beider Teilwandler völlig lückenlos plaziert werden können. Für jede Phase Phl und Ph2 ist pro Wellenlängen- abmessung Lambda mindestens ein "heißer" Finger (mit einer der Sammelschienen Phl bzw. Ph2 verbunden) und ein mit der weiteren Sammelschiene M verbundener "kalter" Finger vorhanden. Dabei können bei drei Kanälen trotz lückenloser Plazierung der Fingerelektroden die den Fingerelektroden parallellaufenden Anteile der weiteren Sammelschiene M verbreitert werden, wie dies die Fig. 4 zeigt.

Nebst der Unterdrückung der Nebenmaxima hat der neue Wandler den Vorteil, daß der störende oh 'sche Wider¬ stand der weiteren Sammelschiene bzw. Erdleitung M aus folgenden Gründen stark vermindert werden kann:

1. Die weiteren Sammelschieπen (Erdleitungen) M der einzelnen Kanäle könnnen (wie die Figuren zeigen) parallelgeschaltet werden. Demzufolge reduziert sich

- 7 - der resultierende Widerstand. Ferner kann man (aus

Impedanz- und Platzgründen und ohne Nachteil) die

Apertur (Breite) der einzelnen Kanäle kleiner wählen als beim herkömmlichen Entwurf mit nur einem Kanal, so daß sich der ohm'sche Widerstand weiter reduzieren läßt.

2. Beim konventionellen Gruppen-Richtwandler muß die An¬ zahl der Fingerelektrodeπ pro Halbgruppe klein sein, damit die (Frequenz-) Abstände der Nebenmaxima möglichst groß werden. Beim neuen erfindungsgemäßen Richtwandler besteht diese Einschränkung nicht. Es sind größere Gruppen zulässig, so daß die weitere Sammelschieπe bzw. Erdleitung M weniger häufig mäan- driert, daher kürzer wird und dementsprechend nieder- ohmiger ist.

3. Beim neuen Wandler besteht (zumindest bei drei oder mehr Kanälen) zwischen den Halbgruppen genügend Platz für eine starke Verbreiterung (der jeweils parallel den Fingern verlaufenden Anteile) der weiteren Sammelschienen bzw. Erdleitungen M, so daß der elek¬ trische Widerstand weiter verkleinert werden kann.

Die vorstehenden Ausführungen werden nun anhand einiger Figuren näher erläutert. Die dargestellten Wandlerstruk¬ turen wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit schemati¬ siert, insbesondere sind die Maßstäbe in x- und y-Rich- tuπg verschieden.

Fig. 1 zeigt eine isometrische Darstellung einer Ober- flächeπanordnung mit zwei Iπterdigital-Wandlern,

Fig. 2 zeigt einen bekannten Gruppeπ-Richtwandler.

Die Figuren 3a bis c zeigen Ausführungsformen eines er-

fingsgemäßen Wandlers mit zwei Kanälen.

Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Wandler mit drei Kanälen.

Fig. 5 zeigt einen erfindgsge äßen Wandler in der Aus¬ führung mit an sich bekannter Finger-Überlap- pungswichtung.

Fig. 6 zeigt ein SAW-Filter mit zwei erfindungsgemäßen Wandlern (mit Fingerwichtung) , zwischen denen ein Multistrip-Koppler angeordnet ist.

Fig. 7 zeigt einen der Fig. 3b entsprechenden Wandler mit Fingerlücke und

Fig. 8 zeigt einen erfindungsgemäßen Wandler in Splitfin- gerausführung.

Fig. 1 zeigt ein SAW-Filter mit einem piezoelektrischen Kristall bzw. Substrat Sb und bidirektionalen Sende- und Empfangswandlern.

In Fig. 2 ist die Struktur eines bekannten Gruppen- richtwandlers mit drei Gruppen Ga, Gb und Gc darge¬ stellt. Die Gruppe Ga besteht aus den Halbgruppen Gal und Ga2.Die Gruppe Gb besteht aus den Halbgruppen Gbl und Gb2 usw. Der eine Teilwandler mit der Sammεlschieπe Phl umfaßt somit die Halbgruppen Gal, Gbl und Gel. Der andersphasig gespeiste Teilwandler mit der Sammelschiene Ph2 umfaßt die Halbgruppen Ga2, Gb2 und Gc2. Die weitere Sammelschiene bzw. Erdleitung M ist schraffiert hervor¬ gehoben dargestellt.

Fig. 3a zeigt das Schema eines erfindungsgemaßen Richt¬ wandlers mit zwei Kanälen Kl und K2. In jedem Kanal sind

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- 9 - 6 Halbgruppen vorgesehen und zwar Gal,, Ga2,, Gbl,, Gb2,, Gel,, Gc2 ₁ im Kanal Kl und Ga2 ₂ , Gal ₂ , G 2 ₂ , Gbl ₂ , Gc2 ₂ , Gcl ₂ im Kanal K2. In jedem Kanal sind die jeweils 6 Halbgruppeπ mit je 2 "heißen" Fingerelektroden anein- andergereiht, die je nach Phasenlage 1 od. 2 entweder ^' mit der mittleren Sa melschieπe Phl oder mit einer der beiden äußeren (parallelgeschalteten) Sammelschienen Ph2,, h2 ₂ verbunden sind. Die "heißen" Fingerelektroden müssen für die jeweilige Phase 1, 2 auf einem Raster mit dem Linienabstand w liegen, wobei w die akustischen Wel¬ lenlänge Lambda bei der Synchron- oder Mittenfrequenz ist. Kleine Abweichungen von diesem Raster bis zu +w/10 sind möglich. Falls Doppel- bzw. Splitfingerelektroden verwendet werden, muß sinngemäß die Mitte der jeweils beiden (auf jeweils gleichem Potential liegenden) Finger- elektrodeπ auf dem jeweiligen Raster liegen.

Der in Fig. 3a dargestellte erfindungsgemäße Wandler hat bezüglich der Phase 2 (mit den Sammelschienen Ph2, oder Ph2 ₂ verbunden) insgesamt 12 "heiße" Fingerelektro- deπ und dabei nur zwei Lücken (2.w) von nur je einer Fiπgerelektrode, d.h. es fehlt dort nur eine Fingerelek¬ trode. Bei einem Richtwandler mit nur einem Kanal (siehe Fig. 2) wären es Lücken von je 3 Fingerelektroden. Die beiden Raster (für jeden Teilwandler bzw. jede Phase ^" ! und 2 jeweils einen Raster) sind um eine Viertel Wellen¬ länge, d.h. um w/4 wie angegeben, gegeneinander ver¬ schoben anzuordnen.

Fig. 3b zeigt einen Wandler mit je 3 "heißen" Fiπger- elektroden je Halbgruppe Gal,, Ga2 ₂ , Ga2,, Gal ₂ ,...,

Gbl-

Die Anzahl der Gruppen Ga, Gb, Gc,... wie auch die An- zahl der Fingerelektroden pro Halbgruppe Gal,, Ga2,,.. kann je nach gewünschter Wandlercharakteristik stark

von den in Figuren 3 bis 8 dargestellten Beispielen abweichen. Insbesondere kann die Anzahl der Finger¬ elektroden pro Halbgruppe innerhalb eines Wandlers variieren, z.B. um bei einer 2-Kanal-Ausführung eines erfindungsgemäßen Wandlers die Rest-Neben axima zu unterdrücken. Ein solcher Wandler ist in Fig. 3c darge¬ stellt. Die Sequenz bzw. die Fingeranzahl der "heißen" Fingerelektroden ist in beiden Kanälen die folgende: 2, 3, 4, 4, 3, 2. Um eine gute Richtwirkung auch dann zu erzielen, wenn Halbgruppen mit relativ großer Finger¬ elektrodenanzahl verwendet werden (dies vermindert den ohm'chen Widerstand der weiteren Sammelschiene M) ist es günstig, die Größe der Gruppen zu den Enden des Wandlers hin etwas zu verkleinern, nämlich wie beim Zahlenbei- spiel der Fig. 3c. Besonders geringen wirksamen ohm 'sehen Widerstand erhält man jedoch bei größerer Fingeranzahl der Halbgruppen an den Enden, nämlich bei dort weniger häufigem Meandrieren der weiteren Sammelschiene M. Es empfielt sich ein Abwägen der jeweiligen Vorteile gegen- einander.

Fig. 4 zeigt einen (ebenfalls) ungewichteten, erfindungs¬ gemäßen Richtwandler mit drei Kanälen. Hier besitzen die beiden Phasen 1 und 2 über alle drei Kanäle Kl - K3 be- trachtet - eine mit Abständen Lambda bzw. w lückenlose Reihe "heißer" Fingerelektroden. Falls wie in Fig. 4 je drei "heiße" Fingerelektroden pro Halbgruppe gewählt wurden, besteht zwischen den Halbgruppen Platz für die jeweilige weitere Sammelschiene M mit einer Breite des l bzw. 1,5-fachen der Wellenlänge Lambda bzw. der Abmes¬ sung w. Bei einem Wandler mit nur zwei Kanälen (Fig. 3a bis 3c) ergeben sich, sofern eine solche Breite der Sammelschiene M vorgegeben wird, zusätzliche Lücken. Dies kann im Einzelfall jedoch sogar von Vorteil sein, nämlich weil sich damit im Wandler eine Periodizität mit verdoppelter Frequenz ergibt, die die relativen Abstände

der Nebenmaxima vergrößert.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines Überlappungsgewichteten neuen Richtwandlers mit wiederum zwei Kanälen. Die (an sich bekannte) Uberlappungswichtung wird - wie bei kon¬ ventionellen Wandlern - dazu verwendet, die generelle Sperrselektion eines Filters zu erhöhen. Üblicherweise wird die Wichtung ungefähr symmetrisch bezüglich der Wandermitte ausgeführt. Die in Fig. 5 gezeigte Wichtung, bei der die kleinsten Überlappungen (innerhalb eines

Kanals) an diametral gegenüberliegenden Ecken vorkommen, hat folgende Vorteile:

1. Eine gleichmäßige Verteilung der akustischen Energie über die gesamte Apertur des Kanals.

2. Bei Verwendung einer geeigneten (vorgegebenen) Wich¬ tungsfunktion sind über die ganze Wandlεrapertur die Teilwellen jeder Phase gleich stark (d.h. es sind von beiden Phasen stets gleich viele Fingerelektroden an der Erzeugung bzw. Detektion der akustischen ^' Wel¬ len beteiligt.) Dies verbessert die Richtwirkung des Wandlers.

Fig. 6 zeigt ein SAW-Filter mit zwei überlappungsge- wichteten erfindungsgemäßen Wandlern und einem Multi- strip-Koppler MSC. Der Multistrip-Koppler besteht aus einer Anzahl paralleler Streifen und hat (in dieser An¬ wendung) die Aufgabe, die vom Sendewandler Wl auf den Kanälen Kl und K2 einfallenden Wellen aufzusummieren und auf den Kanälen Kll und K12 an den Empfangswandler zu schicken. Durch die Anwendung des Multistrip-Kopplers können Sende- und Empfangswandler nach dem neuen Prin¬ zip aufgebaut werden. Ein Versatz für den Eingangswaπd- 1er gegenüber den Ausgangswandler ist für einen Multi- strip Koppler an sich üblich. In Fig. 6 ist jedoch ein

für die Erfindung besonderer Versatz vorgesehen mit wie dargestellter Verschachtelung der Kanäle Kl, K2 einer¬ seits und mit den Kanälen Kll und K12 andererseits.

Fig. 7 zeigt eine noch weitere Ausgestaltung eines der Fig. 3b entsprechenden Wandlers. Es sind dort in den Halbgruppen des einen Teilwandlers in periodischer An¬ ordnung bzw. Folge jeweils eine Fingerelektrode (pro Halbgruppe) als aktive Fingerelektrode weggelassen, vor- zugsweise ist diese Fingerelektrode als (nicht aktiver) Blindfinger ausgebildet. In der Halbgruppe Gal, ist, da¬ mit das Weglassen einer aktiven Fiπgerelektrode eben¬ falls dargestellt ist, ein solcher Finger weggelassen. Das gleiche ist für die Halbgruppen des anderen dieser beiden Teilwandler vorgesehen und zwar wieder periodisch für diesen Teilwandler. Die Periode des einen Teilwand¬ lers ist gegenüber der Periode des anderen Teilwanders um Lambda/4 versetzt, wie dies dem gegenseitigen Versatz ^' der Teilwandler entspricht. Eine solche Fiπgerwegϊassuπg bzw. Ausbildung eines solchen Fingers als nicht aktiven Blindfiπger dient dazu, dem Wandler eine weitere bzw. andere Periodizität aufzuprägen.

Die Fig. 8 zeigt eine Splitfinger-Ausführung, der Eiπ- fachheit halber wiederum für lediglich zwei Kanäle, wobei allerdings die Anwendung von Splitfingern bereits bei zwei Kanälen schon fast optimales Ergebnis erzielen läßt. Die einzelnen Splitfinger-Elektroden sind mit Sp bezeichnet.

Schon bei 2-Kaπal-Ausführung erreicht man lückenlose Verteilung der Fingerelektroden, wenn man - wie Fig. 8 zeigt - an einzelnen Stellen jeweils denjenigen Anteil der weiteren Sammelschiene M, der parallel den übrigen Fingerelektroden verläuft, so ausführt, das dieser An¬ teil die Form bzw. Breite eines einzelnen Fingers ml

eines Splitfingerpaares hat oder aus drei nebeneinander liegenden solchen einzelnen Fingern m2 besteht. Die beiden zwischen solchen drei nebeneinander liegenden "Fingern" vorhandenen Zwischenräume können auch ausge- füllt sein. Dies würde jedoch eine kleine Unregelmäßig¬ keit für die Wellenfortpflanzung im Wandler ergeben.