DE1176204B - Schaltungsanordnung zur Verhinderung der Nebenkopplung bei Verstaerkern fuer Zweidraht-UEbertragungsleitungen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HO3f;

H04m

Deutsche Kl.: 21 a2 - 41/01

Nummer: 1176 204

Aktenzeichen: W 28466 VIII a / 21 a2

Anmeldetag: 29. August 1960

Auslegetag: 20. August 1964

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verhinderung der Nebenkopplung der Signalströme über den Verstärkerteil überbrückende Streukapazitäten bei Verstärkern für Zweidraht-Übertragungsleitungen.

Bei gewissen Übertragungsleitungen, z. B. bei Unterwasser-Fernsprechkabeln, erfolgt die Stromversorgung der Leitungsverstärker von den Endstellen über die Leitung selbst. Zur Stromversorgung wird gewöhnlich ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom mit einer Frequenz benutzt, die wesentlich niedriger als die Signalfrequenzen ist. Zur Trennung der Signal- und Versorgungsströme in den Verstärkern werden Impedanzen benutzt, welche die Signal- und Versorgungsströme den richtigen Teilen des Verstärkers zuführen. Man hat jedoch gefunden, daß gewisse Frequenzen des Signalspektrums über Nebenwege in Form von Streukapazitäten zum Ausgang des Verstärkers fließen und sich dort den verstärkten Signalströmen überlagern, wobei eine Verzerrung der Durchlaßkennlinie des Verstärkers entsteht. In einem Falle lagen die Frequenzen, welche die meisten Störungen verursachten, in einem Band, das 120 kHz umfaßt.

Die Verzerrung kann in jedem Verstärker verhältnismäßig klein sein. In Systemen, die eine große Zahl von Verstärkern enthalten, z. B. einem transozeanischen Kabel, addieren sich jedoch die Verzerrungen, und ihre Beseitigung mit Hilfe herkömmlicher Entzerrungsverfahren ist schwierig, weil die benötigten Netzwerke kompliziert sind und eine große Anzahl von aufwendigen Schaltelementen erforderlich machen. Dies ist aber bei Unterwasserkabeln unerwünscht, da mit der Anzahl der Schaltelemente die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen steigt.

Es sind auch schon Impedanzausgleichsverfahren angewendet worden, um die Wirkung der Streukapazitäten herabzusetzen. Derartige Verfahren sind jedoch für Unterwasserkabel nicht sehr geeignet, da die Ausgleichsschaltelemente nach der Kabelverlegung nicht mehr zugänglich sind, um Änderungen zu kompensieren, welche während oder nach der Verlegung entstehen. Derartige Änderungen verschlechtern aber den Abgleichzustand und damit die Qualität der Verstärker.

Die Erfindung will die erläuterten Nachteile und Schwierigkeiten überwinden. Insbesondere soll die Nebenkopplung in derartigen Übertragungssystemen verhindert und damit die Verzerrung der Übertragungskennlinie der Verstärker verringert werden, ohne daß empfindliche Impedanzausgleichsverfahren und komplizierte Filteranordnungen zur Trennung Schaltungsanordnung zur Verhinderung der
Nebenkopplung bei Verstärkern für Zweidraht-Übertragungsleitungen

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated,

New York, N. Y. (V. StA.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Julius Joseph Kassig, South Plainfield, N. J.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 30. Oktober 1959

(849 861)

und Wiedervereinigung der Versorgungs- und Signalströme in den Verstärkern erforderlich sind. Außerdem soll gleichzeitig auch die nutzbare Bandbreite der Verstärker erweitert werden.

Die Erfindung geht dazu von Schaltungsanordnungen der genannten Art aus und schlägt vor, daß zwei auf einer Seite des Verstärkerteils im Längszweig der Leitung liegende Induktionsspulen so miteinander induktiv gekoppelt sind, daß sie für die beide Spulen durchfließenden Signalströme einen geringen Widerstand bieten, jedoch eine Spule dem den Verstärkerteil über Streukapazitäten umgehenden Anteil der Signalströme einen hohen Widerstand bietet und zusätzlich das zum Verstärker liegende Ende dieser Spule über einen Kurzschlußleiter im wesentlichen mit Chassis-Erde verbunden ist.

Als zweckmäßige Maßnahme zur Trennung der Versorgungs- und Signalströme empfiehlt die Erfindung außerdem, daß in Reihe mit jeder der beiden Induktionsspulen ein getrennter Kondensator geschaltet ist, und daß im Stromversorgungsweg eine Drosselspule mit hoher Impedanz für die Signalfrequenzen parallel zu der einen Spule und dem mit ihr verbundenen Kondensator geschaltet ist.

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In ihrer weiteren Ausbildung empfiehlt die Erfindung, daß den Induktionsspulen und dem Kurzschlußleiter auf der einen Seite des Verstärkerteils entsprechende Induktionsspulen und ein Kurzschlußleiter auf der anderen Seite des Verstärkerteils angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Nebenkopplung noch weiter verringert werden.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der Erläuterung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnungen, es zeigt

F i g. 1 das vereinfachte Schaltbild eines bekannten Verstärkers in einem Übertragungssystem,

F i g. 2 ein vereinfachtes Schaltbild eines Verstärkers entsprechend der Erfindung,

F i g. 3 einen Teil des Schaltbildes der F i g. 2, der eine abgeänderte Form der Erfindung darstellt.

In Fig. 1 ist ein vereinfachter Verstärker dargestellt, um die Wirkungen einiger Streukapazitäten zu erläutern, welche in einem Kabelsystem mit Verstärkern auftreten. Die Eingangsklemmen 10 und 11 stellen die beiden Leiter eines Kabels dar, die einen Verstärker versorgen, der allgemein mit 12 bezeichnet ist. Der Ausgang des Verstärkers 12 führt zu zwei Leitern eines weiteren Kabelabschnitts, die durch die Ausgangsklemmen 13 und 16 dargestellt sind.

Eine den Klemmen 10 und 11 des Verstärkers 12 zugeführte elektrische Energie enthält Signalströme, deren Frequenz bis etwa 1 MHz reicht. Ferner ist Gleichstromversorgungsenergie als Komponente in der Eingangsenergie enthalten. Eine Spule 17 und ein Kondensator 18 liegen in Reihe zwischen den Klemmen 10 und 11, um ein Energietrennfilter oder Spannungsteiler zu bilden, das die Signalenergie und die Stromversorgungsenergie in bekannter Weise trennt. Eine ähnliche Spule 19 und ein Kondensator 20 liegen in Reihe zwischen den Ausgangsklemmen 13 und 16. Um die Darstellung zu vereinfachen, sind nur Schaltelemente für eine Übertragungsrichtung, d. h. von Westen nach Osten, dargestellt. Der vielstufige Verstärkerteil des Verstärkers wird schematisch durch die Verstärkertriode 21 dargestellt.

Es sei zunächst der signalfrequente Weg im Verstärker 12 betrachtet. An der Spule 17 entstehen signalfrequente Spannungen, die durch einen Sperrkondensator 22 zur Primärwicklung 23 eines Eingangstransformators 26 gekoppelt werden. Eine Klemme 27 der Wicklung 23 ist unmittelbar mit einer Klemme 28 verbunden, die der Spule 17 und dem Kondensator 18 gemeinsam ist. Eine Sekundärwicklung 29 des Transformators 26 ist mit dem Eingangssteuergitter und über einen piezoelektrischen Kristall 30 mit der Kathode der Triode 21 verbunden. Resonanzeinrichtungen, wie der Kristall 30, werden oftmals in unzugänglichen Verstärkern vorgesehen, um eine Unregelmäßigkeit in der Verstärkungsfrequenz-Kennlinie des Verstärkers bei einer sogenannten Signaturfrequenz hervorzubringen, die außerhalb des regulären Signalfrequenzbandes liegt. Diese Unregelmäßigkeit bei der Signaturfrequenz wird benutzt, um den Betriebszustand des Verstärkers zu prüfen.

Der Ausgangskreis der Triode 21 liegt zwischen der Anode und der Kathode und enthält eine Primärwicklung 31 eines Kopplungstransformators 32, eine durch den Widerstand 33 dargestellte Rückkopplungsregelimpedanz sowie den Gesamtwiderstand der in Reihe geschalteten Heizer 36 der verschiedenen Eletronenröhren des Verstärkers 12. Parallel zu den Heizern 36 liegt ein Überbrückungskondensator 37, der bei den Signalfrequenzen im wesentlichen die Impedanz Null hat. Wie nachfolgend eingehender geschildert wird, liegen die Heizer 36 in Reihe in einem Leiter des Energieübertragungswegs, wobei der an der Reihenschaltung dieser Heizer auftretende Spannungsabfall das Anoden-Kathoden-Potential liefert, das zum Betrieb der

ίο Triode 21 erforderlich ist. Ein Kondensator 38 liegt zwischen einer Klemme 34 der Primärwicklung 31 und einer Klemme 25 der Sekundärwicklung 29, so daß eine verstärkungsregelnde negative Rückkopplung vom Ausgangskreis zum Eingangskreis der Triode 21 entsteht. Eine Sekundärwicklung 39 des . Ausgangstransformators 32 liegt über einen Gleichstrom-Sperrkondensator 40 zwischen den Klemmen der Spule 19.

Es sei nun der Stromversorgungsweg für den Ver-

ao stärker 12 betrachtet. Ein Gleichstrom fließt zwischen den Klemmen 10 und 13 über die Spule 17, eine erste Drosselspule 41 mit hoher Impedanz, die Heizer 36, eine zweite Drosselspule 42 und die Spule 19. Der Gleichstromkreis für die Versorgungsenergie führt in ähnlicher Weise über die nachfolgenden Abschnitte des Kabels und über die nachfolgenden Verstärker. Die Rückführung des Gleichstroms geschieht durch einen Leiter 43, der zwischen den Klemmen 11 und 16 liegt. Der Leiter 43 kann bei einem Unterwasserkabelsystem mit der See in Verbindung stehen und ist daher einer See-Erde gleichwertig. Die Kathode der Triode 21 wird mit Chassis-Erde für den Verstärkerteil des Verstärkers 12 bezeichnet. Ein zusätzlicher Kondensator 46 liegt zwisehen der Kathode der Triode 21 und dem Leiter 43. Aus F i g. 1 ergibt sich, daß die Spulen 17, 41, 42 und 19 zusammen mit den Kondensatoren 18, 46 und 20 ein Tiefpaßfilter bilden, welches die Gleichstromversorgungsenergie durchzulassen und die Übertragung von Signalenergie zu unterdrücken sucht. Die Spule 17 und der Kondensator 18 trennen die Signalfrequenzen und die Versorgungsfrequenzen in zwei Kanäle, welche im wesentlichen voneinander getrennt sind. Diese beiden Kanäle haben eine gemeinsame Verbindung an den Energietrennfiltern am Eingang und Ausgang des Verstärkers. Sie enthalten ferner gemeinsam die Chassis-Erde an der Kathode der Triode 21 und der Heizer 36.
Die Streukapazitäten in der Schaltung der F i g. 1 liefern die Nebenübertragungswege für das Signal. Die Streukapazitäten C_st entstehen zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung der Kopplungstransformatoren 26 bzw. 32. Zusätzlich entstehen Streukapazitäten C_sc zwischen der Primärwicklung 23 und der Chassis-Erde und zwischen der Sekundärwicklung 39 und Chassis-Erde. Die Signalfrequenzen erzeugen eine Potentialdifferenz an den Streukapazitäten C_sc und erreichen damit den Ausgang des Verstärkers 12 über verschiedene Wege, um sich mit dem Ausgang zu vereinigen, der vom Transformator 32 in die Spule 19 gelangt.

Die Streukapazität C_st erlaubt, daß signalfrequente Spannungen, welche an der Drosselspule 41 und der Kapazität C_sc entstehen können, dem Kristall 30 zugeführt werden und damit die zwischen dem Steuergitter und der Kathode der Triode 21 liegende Eingangssignalspannung beeinflussen. Ferner erlaubt die Streukapazität C_st zwischen den Wicklungen 31

und 39, daß eine zusätzliche Nebenspannung über den Rückkopplungskondensator 38 zum Eingang der Triode 21 rückgekoppelt wird. Es können im Verstärker auch andere Streukapazitäten wirksam werden. Jedoch sind die Kapazitäten C_st und C_sc typisch für die Hauptstreukapazitäten, welche eine merkbare Verzerrung im Verstärkerausgang verursachen und daher unterdrückt werden sollten. Wie vorher erwähnt, ist die Wirkung jeder dieser Streukapazitäten verhältnismäßig klein im Vergleich zur Signalausgangsamplitude des Verstärkers; jedoch muß für eine genaue Übertragung der Signale über eine Vielzahl derartiger Verstärker die Wirkung der Streukapazitäten wesentlich herabgesetzt werden.

In F i g, 2 ist der vereinfachte Verstärker entsprechend der Erfindung abgeändert, um die Wirkungen der Streukapazitäten herabzusetzen, wobei Schaltelemente der F i g. 2, welche den bereits in F i g. 1 dargestellten Elementen entsprechen, durch die gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. In F i g. 2 sind zusätzliche Lichtfilternetzwerke vorgesehen, um die Anwendung der Erfindung auf einen äquivalenten Vierdraht-Verstärker zu erläutern. Jedoch kann die Schaltung unter Verwendung der Erfindung auf einen Einwegverstärker reduziert werden, indem einfach die Richtfilteranordnung herausgenommen wird. Die Richtfilter sind schematisch durch die Kondensatoren 47 und 48 angedeutet, welche Hochpaßfilter darstellen, ferner durch die Spulen 49 und 50, welche Tiefpaßfilter darstellen. Die Transformatoren 51 und 52 werden benutzt, um die Wirkung einer Art von Nebenrückkopplung zu unterdrücken, die durch die Verwendung der Richtfilter entsteht, um die einzige Triode 21 zur Verstärkung von in West-Ost-Richtung übertragenen Signalen und von in Ost-West-Richtung übertragenen Signalen in bekannter Weise zu benutzen, indem hohe und tiefe Signalfrequenzbänder für die beiden Übertragungsrichtungen benutzt werden. Von den beiden Transformatoren 51 und 52 führt nur der Transformator 52 eine Phasenumkehr durch, um die erwähnte Nebenrückkopplungsunterdrückung zu erreichen. In West-Ost-Richtung übertragene Signale werden in dem hohen Frequenzband moduliert und von den Klemmen 10 und 11 über den Richtfilterkondensator 47, den Transformator 26, die Triode 21, den Transformator 32 und den Kondensator 48 an die Ausgangsklemmen 13 und 16 angelegt. In gleicher Weise werden die Signale mit niedriger Frequenz in Ost-West-Richtung von den Klemmen 13 und 16 über die So Spule 49, den Transformator 51, den Transformator 26, die Triode 21, die Transformatoren 32 und 52 und die Spule 50 zu den Kabelklemmen 10 und 11 übertragen. Eine mit den Transformatoren 51 und 52 verbundene zusätzliche Streukapazität C_st ist zwisehen den Primärwicklungen dargestellt. Es wurde festgestellt, daß die Verwendung eines äquivalenten Vierdraht-Verstärkers mit seinen Richtfiltern weitere Neben-Rückkopplungswege ergibt, die noch störender als die an Hand der F i g. 1 beschriebenen Nebenwege sein können.

Entsprechend der Erfindung werden jedoch die Wirkungen einiger der Hauptstreukapazitäten einschließlich der Wirkungen der zuletzt erwähnten Neben-Rückkopplungswege dadurch beseitigt, daß in den Signalübertragungsweg des Verstärkers 12 eine Eingangsdrossel 53 und eine Ausgangsdrossel 56 eingesetzt werden. Jede dieser Drosseln enthält zwei Wicklungen 53 α und 53 b sowie 56 a und 56 b auf demselben Kern. Die Drosseln werden daher auch koaxiale Drosseln genannt. Jede der Wicklungen liegt in Reihe mit einem anderen Leiter im Signalweg.

Die Wicklungen jeder Drossel sind zueinander so gepolt, daß die Selbstinduktivität jeder Wicklung die Gegeninduktivität infolge der Kopplung mit der anderen Wicklung aufzuheben sucht, mit dem Ergebnis, daß jede Drossel im wesentlichen im Signalweg eine Induktivität Null darstellt.

Um die Wirkungen der Streukapazitäten erfindungsgemäß weiter herabzusetzen, liegt eine Leiter 57 zwischen einer Klemme 58 der Wicklung 53 b und einer Klemme 59, die sich im Leiter des Energieübertragungswegs befindet, der auf der Chassis-Erde liegt. Ein ähnlicher Leiter 60 liegt zwischen einer Klemme 61 der Wicklung 56 b und einer Klemme 62, die sich ebenfalls im Energieübertragungsweg befindet. Die Klemmen 58 und 61 liegen auf der Verstärkerseite ihrer Wicklungen. Die Klemme 62 befindet sich in der Zeichnung zwischen den Heizern 36 und der Drosselspule 42. Sie kann aber auch auf der anderen Seite der Heizer 36, wie die Klemme 59, auf Chassis-Erde liegen. Die Kondensatoren 22 a und 22 b liegen in Reihe mit den Wicklungen 53 α und 53 b, um zu verhindern, daß ein Gleichstrom in diesen fließt. Die Kondensatoren 40 a und 40 & liegen aus dem gleichen Grund in Reihe mit den Wicklungen 56 a und 56 b.

Signalfrequenzströme, welche zwischen dem Signalweg und dem Energieweg des Verstärkers über den Leiter 57 oder den Leiter 60 zu fließen versuchen, müssen in Kreisen fließen, welche nur eine Spule der Drosseln 53 und 56 enthalten. Somit suchen die Induktivitäten der Wicklungen 53 b und

56 b das Füeßen von Signalfrequenzströmen in den Energieübertragungsweg zu unterdrücken. Diese Drosseln 53 und 56 stören jedoch nicht die Übertragung im Signalweg, und zwar wegen der Art und Weise wie ihre Wicklungen geschaltet sind. Das Vorhandensein der verschiedenen Transformatoren und Sperrkondensatoren im Verstärker verhindert die Übertragung von Gleichstrom vom Energieweg über den Leiter 57 und den Leiter 60 zu anderen Teilen des Verstärkers.

Der Leiter 57 schließt nunmehr die Streukapazität C_sc auf der Eingangsseite des Verstärkers kurz, während der Leiter 60 zusammen mit dem Überbrückungskondensator 37 die Streukapazität C_sc auf der Ausgangsseite des Verstärkers kurzschließt, so daß die Nebenkopplung durch den Verstärker beseitigt wird. In gleicher Weise macht der Leiter 57 die Potentialdifferenz an der Kombination der Streukapazität C_st mit dem Kristall 30 zu Null, so daß keine Nebenspannungen am Kristall 30 entstehen können. Ebenso verhindert der Leiter 60 die Kopplung von Nebenspannungen über die Streukapazität C_si, die mit dem Transformator 32 verbunden ist. In gleicher Weise schließt die Kombination der Leiter

57 und 60 zusammen mit dem Überbrückungskondensator 37 die Streukapazität C_st kurz, die mit den Kopplungstransformatoren 51 und 52 verbunden ist. Man sieht, daß jeder der Leiter 57 und 60 einen Kurzschluß zwischen den Signalwegen und Energiewegen des Verstärkers 12 bildet, daß aber keiner der Leiter wegen der Verbindung mit den Drosseln 53 und 56 und den Kondensatoren 22 & und 40 & einen bedeutenden Strom führt.

Da der Kondensator 37 für signalfrequente Ströme im wesentlichen eine Impedanz Null darstellt, verursacht das Vorhandensein der Heizer 36 zwischen dem Leiter 60 und der Chassis-Erde nur einen vernachlässigbaren Unterschied der Funktion dieses Leiters im Vergleich zur Funktion des Leiters 57, der unmittelbar mit der Chassis-Erde verbunden ist. Wenn es jedoch gewünscht wird, kann der Leiter 60 unmittelbar mit der Chassis-Erde anstatt mit der Klemme 62 verbunden werden. Beide Anordnungen ergeben eine zufriedenstellende Arbeitsweise.

Die Schaltung der F i g. 2 kann etwas vereinfacht werden, indem die Drosseln 41 und 42 entfernt, d. h. nicht angeschlossen und die Kondensatoren 22 b und 40 b kurzgeschlossen werden. Diese Art der Anordnung ist für den Eingang des Verstärkers 12 in F i g. 3 dargestellt. Die Änderung des Ausgangs ist ähnlich. Bei dieser Anordnung ist die Wicklung 53 b dem Signalweg und dem Energieweg gemeinsam und führt sowohl signalfrequente Ströme als auch den Gleichstrom für die Energieversorgung. Die Arbeitsweise der Schaltung ist im wesentlichen die gleiche wie die bereits beschriebene Arbeitsweise, da die Wicklung 53 b eine hohe Impedanz für signalfrequente Ströme darstellt, die im Energieweg zu fließen suchen, jedoch für signalfrequente Ströme im Signalweg eine Impedanz, die im wesentlichen Null ist. Die Wicklung 53 α befindet sich nur im Signalweg. Eine derartige Anordnung kann jedoch eine Komplikation für das Problem der Bemessung der Drosseln 53 und 56 ergeben, da der Gleichstrom, welcher in einer Wicklung jeder Drosseln liegt, die Tendenz hat, den Kern der Drossel zu sättigen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Verhinderung der Nebenkopplung der Signalströme über den Verstärkerteil überbrückende Streukapazitäten bei Verstärkern für Zweidraht-Übertragungsleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei auf einer Seite des Verstärkerteils im Längszweig der Leitung liegende Induktionsspulen (53 a, 53 b) so miteinander induktiv gekoppelt sind, daß sie für die beide Spulen durchfließenden Signalströme einen geringen Widerstand bieten, jedoch eine Spule (53 b) dem den Verstärkerteil über Streukapazitäten umgehenden Anteil der Signalströme einen hohen Widerstand bietet, und zusätzlich das zum Verstärker liegende Ende dieser Spule (53 b) über einen Kurzschlußleiter (57) im wesentlichen mit Chassis-Erde verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit jeder der beiden Induktionsspulen (53 a, 53 b) ein getrennter Kondensator (22a, 22b) geschaltet ist, und daß im Stromversorgungsweg eine Drosselspule (41) mit hoher Impedanz für die Signalfrequenzen parallel zu der einen Spule (53 b) und dem mit ihr verbundenen Kondensator (22b) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Induktionsspulen (53 a, 53 b) und dem Kurzschlußleiter (57) auf der einen Seite des Verstärkerteils entsprechende Induktionsspulen (56 a, 56 b) und ein Kurzschlußleiter (60) auf der anderen Seite des Verstärkerteils angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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