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Schaltungsanordnung für hohe Frequenzen mit vorgeschriebener Frequenzabhängigkeit
der Laufzeit Die Erfindung. befaßt sich mit einer Schaltungsanordnung für hohe Frequenzen
mit Vierpölcharakter und vorgeschriebener Frequenzabhängigkeit der Laufzeit, wobei
die Anordnung nicht als Kreuzgliedfilter aufgebaut ist.
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In den Übertragungsmedien, den Filter- und Verstärkerschaltungen von
Breitbandsystemen ist die Laufzeit im allgemeinen eine Funktion der Frequenz. Werden
über solche Systeme Nachrichtensignale übertragen, so muß man die Laufzeitunterschiede
ausgleichen, bevor die Signale nichtlinearen Operationen (z. B. Demodulation) unterworfen
werden, damit man keine unerwünschten Verzerrungen erhält. Für die erforderliche
Laufzeitentzerrung benötigt man einen Vierpol, der in dem zu entzerrenden Frequenzbereich
Allpaßcharakter besitzt und eine möglichst kleine Grunddämpfung hat. Der Wellenwiderstand
des Vierpols soll hierbei außerdem möglichst unabhängig von der Frequenz sein. Diese
Forderungen werden bekanntlich durch eine symmetrische Kreuzschaltung erfüllt, wie
sie in der F i g. 1 schematisch dargestellt ist. Bei diesem Vierpol sind zwischen
den Eingangsklemmen 1 und 2 und den Ausgangsklemmen 1', 2' Blindwiderstände angeordnet.
Hierbei sind die in den Längszweigen vorhandenen Widerstände, welche in der Figur
mit 1R1 bezeichnet sind, gleich. Die beiden anderen Blindwiderstände 92, welche
kreuzweise zwischen den Ein- bzw. Ausgangsklemmen eingefügt sind, sind unter sich
ebenfalls gleich. Ein solcher Vierpol zeigt Allpaßcharakter, wenn die Blindwiderstände
?R1 und 57Z2 so gewählt sind, daß ihr geometrisches Mittel reell und frequenzunabhängig
ist.
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Der Leerlaufwiderstand dieses Vierpoles ist
der Kurzschlußwiderstand
und der Wellenwiderstand
Die beiden Widerstände 5R1 und N2 können hierbei so gewählt werden, daß sich geeignete
Frequenzgänge zum Laufzeitausgleich ergeben. Ist z. B. X1 ein Parallelresonanzkreis
und 9Z2 ein Serienresonanzkreis gleicher Resonanzfrequenz, dann sind alle Forderungen
erfüllt, um einen geeigneten Frequenzgang der Laufzeit zu erhalten, wobei man über
drei freie Parameter verfügt, um die gewünschte Laufzeitcharakteristik einzustellen.
Die erwähnten Parameter sind gegeben durch die Wahl der Wellenwiderstände bzw. die
elektrisch wirksame Länge der Leitungen, wenn man im Mikrowellenbereich die Blindwiderstände
durch den Eingangswiderstand einer am Ende offenen bzw. kurzgeschlossenen Leitung
darstellt.
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In der F i g. 2 ist solch eine symmetrische Kreuzschaltung dargestellt,
bei welcher die zwischen den Eingangsklemmen 1 und 2 und den Ausgangsklemmen 1',
2' eingefügten Blindwiderstände durch entsprechende Leitungsabschnitte einer Paralleldrahtleitung
gebildet werden. Entsprechend der F i g. 1 sind die Blindwiderstände hierbei mit
gleichen Bezugszeichen versehen.
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Je nach der Frequenz, bei welcher solch ein Allpaß Verwendung finden
soll, können die Blindwiderstände durch entsprechende Abschnitte von Lecherleitungen,
koaxialen Leitungen oder Hohlleitungen verwirklicht werden. Wenn koaxiale Leitungsabschnitte
zur Bildung des gewünschten Allpasses Verwendung finden, können diese z. B. in der
Art angewendet werden, wie dies in der F i g. 3 schematisch dargestellt ist. Die
Ein- und Ausgangsklemmen des Vierpols sind entsprechend den vorhergehenden Figuren
wieder mit 1 und 2 bzw. 1', 2' bezeichnet. Die am Ende offenen bzw. kurzgeschlossenen
Koaxialleitungsstücke sind bei dem dargestellten Beispiel ineinandergeschachtelt,
wobei man im Gegensatz zu dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten Vierpol eine unsymmetrische
Anordnung erhält.
Ferner ist es durch die britische Patentschrift
732273 bekannt, ein Kreuzgliedfilter für hohe Frequenzen so aufzubauen, daß in einem
äußeren Zylinder eine Doppelleitung liegt, die am einen Ende kurzgeschlossen ist
und dann als Einfachleitung im Zylinder weiterführt, während am anderen Ende ein
Ast der Doppelleitung mit einem weiteren innerhalb des äußeren Zylinders verlaufenden
kleineren Zylinder verbunden ist, der den anderen Ast der Doppelleitung als Innenleiter
führt. Der kleinere Zylinder und der als Innenleiter wirkende zweite Ast der Doppelleitung
sind mit je einer Ankoppelleitung versehen, die senkrecht durch eine Öffnung in
der Wand des großen Zylinders führen. Dieser nicht als Kreuzgliedfilter ausgebildeten
Anordnung werden dann noch zusätzlich zwei Reaktanzen angeschlossen.
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Die obenerwähnten Anordnungen zum Laufzeitausgleich sind jedoch bezüglich
ihres mechanischen Aufbaues äußerst unhandlich. Die Aufgabe der Erfindung besteht
nun darin, einen neuen Allpaß zum Laufzeitausgleich aufzuzeigen, welcher bei gleichen
elektrischen Eigenschaften einfach herstellbar ist.
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Bei der eingangs erwähnten Schaltungsanordnung wird deshalb erfindungsgemäß
vorgeschlagen, daß sie aus einer symmetrischen Dreifachleitung besteht, die aus
einer am Ende kurzgeschlossenen Doppel-Leitung gebildet wird, welche mindestens
zum Teil von einem äußeren und hiervon isolierten Leiter umgeben ist.
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An Hand von Ausführungsbeispielen soll im folgenden die Erfindung
noch näher erläutert werden.
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In der F i g. 4 ist ein gemäß der Erfindung aufgebauter Vierpol zum
Laufzeitausgleich bei hohen Frequenzen dargestellt. Er besteht aus einer symmetrischen
Dreifachleitung. Diese wird aus einer Doppelleitung DZ gebildet, welche mindestens
teilweise von einem äußeren und hiervon isolierten weiteren Leiter Di umgeben wird.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der äußere Leiter Dl die Form
eines Topfes mit zylindrischem .Querschnitt, in welchem die Doppelleitung Dz 'zentral
angeordnet ist. Die Eingangsklemmen dieses Vierpols sind mit 1 und 2; die Ausgangsklemmen
mit 1', 2' bezeichnet. Zur Erklärung der Wirkungsweise sind, in der F i g: 4 die
Ströme bzw. Spannungen miteingezeichnet. Zwischen den Klemmen 1 und 2 liegt die
Spannung U1. Der von der Klemme I in den Vierpol fließende Strom ist mit Il bezeichnet.
An den Ausgangsklemmen 1', 2' des Vierpols liegt die Spannung Uz an. Der entsprechende
Strom auf dieser Seite des Vierpols ist mit 12 bezeichnet.
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Für Spannungen und Ströme auf einer verlustlosen symmetrischen Dreifachleitung
gelten allgemein die Beziehungen: U1 (Z) = Uli, e'(1--) + U"
e- v@r-rr U2 (z) = Uz he e Y@r Z) + Uz,. e- Y@r-Z) Al
Il (z) + Ziz12 (z) = Y U11, eY@r Z) _ y Ui, e_ r@r_Z) Ziz11(z) + Zil1z
(z) = Y Uan e Y(r `) - Y Uzr e- Y(r-Z).
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Ströme und Spannungen entlang der Leitung setzen sich nämlich aus
einer hinlaufenden und einer reflektierten Welle zusammen. Uli, und U2,,
sind die Spannungen der hinlaufenden Wellen am Ende der Leitung und U1 r und U2,.
die Spannungen der rücklaufenden Welle. Hierbei ist y = j (3. die Ausbreitungskonstante
und
die Matrix der Widerstandsbeläge; die. für die symmetrische Dreifachleitung symmetrisch
bezüglich beider Diagonalen ist: Die Länge der Leitung ist mit 1 bezeichnet.
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Mit Summe und Differenz bildet man nun- die Leitungsgleichungen für
die Gleich- und Gegentaktwelle, so erhält man: e_ Y@r_Z) U1 + Uz =
(U111 + Uzr,) e"' -Z' + (Ulr + U2.,)
U1
- U2 = (Uli, - Uzh)) eYCr =) +»(U" - Uz,) e_ Y@r_Z)
(Zil + Ziz) (11 + 12) = Y (Ulh + Uz h) e Y(r@Z) - Y
(U1 r + Uzr) e @@-Z) ' Y (U, U2,) e Z "' - Z"2) (Il
- 2) = Y (Ul 11 - U2 h) e Y(l - Z) - Y(I-z)
Am Ende der 'Leitung-für z = 1 gilt: U1 - UZ = 0 U1 11 + Ui
r = U21, + U2,-, daraus folgt
also. U1 + UZ= 2 (Ulr, + U2,,) cos h y (1- z)
U1
- Uz ..= 2 (Ulr, - U211) sin h y (1 _-z)
(Zil + Ziz)
(11 + 12) = 2 Y (Uli, + Uz 11) .sin h y-(1 - z)
(Zil - Z12)
(11 -1z) = 2 Y (Uli, - U21,) cos h y (1- z). Für die Gleichtaktwelle am Leitungsanfang
gilt darum:
und für die Gegentaktwelle
und
-sind : die @ Wellenwiderstände der beiden -Wellen. Sie
sind reell
und frequenzunabhängig. Der Leerlaufwiderstand (12 = 0) des Leitungsvierpols ist
und der Kurzschlußwiderstand (U2 = 0)
Der Leitungsvierpol ist also bezüglich seines elektrischen Verhaltens überraschenderweise
einer symmetrischen Kreuzschaltung äquivalent, obwohl er physikalisch gar nicht
als Kreuzgliedfilter aufgebaut ist.
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Abweichend von der in der F i g. 4 dargestellten Ausführungsform der
Erfindung kann der äußere Leiter Dl kastenförmig ausgebildet sein mit ebenen Begrenzungsflächen,
die so angeordnet sind, daß sie mindestens zum Teil eine Abschirmung für die Doppelleitung
DZ darstellen. Durch entsprechende Wahl der Längen der einzelnen Leitungen und deren
Wellenwiderstand läßt sich die Laufzeitcharakteristik des Vierpols in gewünschter
Weise beeinflussen.
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Zur Erzielung beliebiger Laufzeitkurven können mehrere Vierpole hintereinandergeschaltet
werden. Die Gesamtanordnung besitzt dann eine periodische Struktur, was bezüglich
der mechanischen Herstellung Vorteile bietet. Zur besonders guten Angleichung der
Laufzeitkurve an die vorgeschriebenen Werte können in Weiterführung des Erfindungsgedankens
ferner die einzelnen Vierpole etwas verschieden dimensioniert werden.
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In der F i g. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt,. bei welchem vier Vierpole hintereinandergeschaltet sind. Die einzelnen
Doppelleitungen D2 werden hierbei wieder jeweils von einem am Ende kurzgeschlossenen
Abschnitt einer Doppel-bzw. Lecherleitung dargestellt, entsprechend dem in der F
i g. 4 dargestellten Allpaß. - Der äußere Leiter D, der F i g. 4 wird von einer
Grundplatte B gebildet, auf welche fünf Platten P so aufgelötet sind, daß sie die
einzelnen an ihren Enden miteinander verbundenen Doppelleitungsabschnitte D2 gegenseitig
abschirmen. In Weiterführung des Erfindungsgedankens können die Doppelleitungsabschnitte
D2 durch Anbringen weiterer Metallplatten allseitig abgeschirmt werden. Die Eingangsklemmen
der in der F i g. 5 dargestellten Anordnung tragen die Bezeichnung 1 und 2, während
die Ausgangsklemmen mit 1' und 2' bezeichnet sind.
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Um die Ausgleichswirkung bezüglich der Laufzeit noch zu erhöhen, können
die hintereinandergeschalteten Vierpole insbesondere so ausgebildet werden, daß
eine ungefähr periodische Struktur der Gesamtanordnung entsteht. Dies bedeutet,
daß man den Aufbau der einzelnen Vierpole verschieden vornimmt.
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Durch eine gemäß der Erfindung aufgebaute Schaltungsanordnung ergibt
sich somit ein Vierpol zur Laufzeitentzerrung, welcher gegenüber bisher bekannten
Anordnungen mechanisch sehr einfach herstellbar ist, wobei gleichzeitig die gewünschte
Laufzeitcharakteristik allen Bedingungen angepaßt werden kann.