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Schaltung zur übertragung der Grundwelle einer hochfrequenten Schwingung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Übertragung der Grundwelle einer
hochfrequenten Schwingung veränderbarer Frequenz mit einem als I -Glied ausgebildeten
Tiefpaßfilter, das einerseits zwei Längsspulen mit jeweils dem Wellenwiderstand
des Tiefpaßfilters gleichem Blindwiderstand bei der Grundwellenfrequenz und andererseits
als Querzweig einen auf die zweite Harmonische der Grundwellenfrequenz abgestimmten
Serienresonanzkreis aufweist und dessen elektrische Länge gleich einer viertel Grundwellenlänge
ist.
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Eine Schaltung dieser Art wird in der Hochfrequenztechnik häufig als
Kopplungsnetz zwischen dem Ausgang eines Hochfrequenzgenerators und dessen Verbraucherwiderstand
benutzt, um eine möglichst verlustlose Übertragung der Grundschwingung mit einem
für die Widerstandsanpassung geeigneten Transformationsverhältnis bei gleichzeitiger
optimaler Dämpfung einer oder mehrerer Harmonischen der Grundschwingung zu bewirken.
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Als derartige Kopplungsnetze sind auch verschiedene andere bekannte
Formen der Tiefpaßfilter mit 1T- oder j -Gliedern gebräuchlich, welche aus Längsinduktivitäten
und Querkapazitäten aufgebaut sind.
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Es ist auch bekannt, in Kopplungsnetzen zur Aussiebung von Oberschwingungen
auf diese abgestimmte Serienresonanzkreise als Querglieder oder Sperrkreise als
Längsglieder zu benutzen (deutsche Patentschrift 304361).
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Auch eine Einschaltung mehrerer auf verschiedene Harmonische abgestimmter
Serienresonanzkreise als Querglieder ist bekannt (USA.-Patentschrift 2048723).
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Ferner ist es bekannt, zwischen den beiden Längsspulen eines Tiefpaß-
I -Gliedes eine eine Gegeninduktivität erzeugende Kopplung vorzusehen, so daß effektiv
im Querzweig in Reihe mit dem Kondensator eine der Gegeninduktivität entsprechende
Induktivität auftritt (Bell System Technical Journal, Bd. 4, 1925, Nr. 1, S. 96,
F i g. 37 und 38).
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Bei einem Kopplungsnetz aus zwei in Reihe geschalteten Tiefpaß-71
-Gliedern verschiedenen Wellenwiderstandes ist es weiterhin bekannt, die Längsinduktivität
eines der beiden Tiefpaß- I -Glieder durch eine Kapazität zu einem auf die zweite
Harmonische abgestimmten Sperrkreis zu ergänzen und die Ergänzungskapazität gleich
einem Drittel der Größe jeder der Querkapazitäten des I -Gliedes zu wählen und mit
diesem zusammen unter Aufrechterhaltung des genannten Größenverhältnisses in einer
Grobstufe zu verändern, wobei die Längsinduktivität bei der Grundfrequenz für eine
durch die Feinabstimmung einzustellende Größe von drei Vierteln des Wellenwiderstandes
des TI-Gliedes bemessen ist (deutsche Patentschrift 1196 721). Das letzterwähnte
Kopplungsnetz hat den Vorteil, daß bei allen durch Induktivitäts-oder Kapazitätsveränderungen
erfolgenden Abstimmvorgängen des I j -Gliedes, die den Abgleich seiner elektrischen
Länge - bezogen auf die Grundwelle -auf eine Viertelwellenlänge (bzw. einen Phasenwinkel
von 90°) herbeiführen, die Abstimmung des Sperrkreises für die zweite Harmonische
von selbst erhalten bleibt.
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Schließlich ist es zum Vermeiden von Interferenzstörungen in Fundverbindungseinrichtungen,
die Flugzeug-Bordgeräte einschließen, bekannt, als Filter zur Unterdrückung der
unerwünschten Harmonischen nichtgekoppelte, hochselektive Saugkreise aus Induktivitäten
und Kapazitäten zu verwenden, derart, daß sich die individuellen Saugkreis-Dämpfungen
im wesentlichen linear addieren, wobei unter Ausnutzung der einzelnen Oberwellendämpfungen
zusätzlich Schwingungen mit unerwünschten Summen- und Differenzfrequenzen unterdrückt
werden (USA.-Patentschrift 2892928).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung anzugeben,
welche ein gewünschtes transformatorisches Übersetzungsverhältnis und eine geringe
Dämpfung für die Grundwelle gewährleistet und bei welcher bei Änderungen der Größen
der Blindwiderstandselemente der Schaltung zum Zwecke der Abstimmung auf die Grundwelle
selbsttätig die Einstellung auf optimale Dämpfung der zweiten Harmonischen erhalten
bleibt.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer Schaltung der eingangs
genannten Art der induktive Widerstand des Querzweiges bei der Grundwellenfrequenz
gleich einem Drittel des Wellenwiderstandes und der kapazitive Blindwiderstand des
Querzweiges
bei der Grundwellenfrequenz gleich vier Dritteln des
Wellenwiderstandes gewählt ist.
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Damit wird der Vorteil erzielt, daß im Vergleich zur Dämpfung der
zweiten Harmonischen bei den bekannten Kopplungsnetzen die zweite Harmonische stärker
gedämpft wird, sofern die Oberwellenanregung in Form einer Spannung an dem Schaltungseingang
zur Wirkung kommt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden an Stelle eines Kondensators
im Querzweig eine Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren vorgesehen,
welche durch Schalter wahlweise einzeln oder in Gruppen vereinigt einschaltbar sind
und die in Längsrichtung wirksamen Induktivitäten der beiden Längsspulen und die
im Querzweig liegende Induktivität durch ein vorzugsweise gemeinsames Einstellmittel
derart in Verbindung mit der Einschaltung der Kondensatoren veränderbar gemacht,
daß bei der Grundwellehfrequenz die Widerstandsverhältnisse für den induktiven Widerstand
des Querzweiges und des käpazitiven Blindwiderstand des Querzweiges jeweils zum
Wellenwiderstand des Tiefpaßfilters erhalten bleiben.
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Damit wird erreicht, daß die Einstellung der Schaltung nach der Erfindung
bei Frequenzänderung besonders einfach durchführbar ist.
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Gemäß -einer weiteren- Weiterbildung der Erfindung wird die im Querzweig
wirksame Induktivität gebildet durch die Gegeninduktivität der mit dem Kopplungsfaktor
k = 0,25 in solchem Sinn miteinander gekoppelten Längsspulen, daß die resultierende
Längsinduktivität bei einem beide Spulen durchfließenden Strom verringert erscheint.
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Damit wird erreicht, daß man im Querzweig auf eine konkrete, baulich
vorzusehende Induktivität bei richtiger Bemessung. .der Längsinduktivitäten vollkommen
verzichten kann, was mit einem erheblichen wirtschaftlichen Vorteil verknüpft ist.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert.
Es zeigt ' F i g.1 eine Ausführungsform der Erfindung im Prinzipschaltbild und F
i g. 2 bis 5 Weiterbildungen der Erfindung, wobei die F i g. 4 der Erläuterung der
Wirkungsweise der F i g. 3 dient.
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Zwischen Eingangsklemmen 1, 2 und Ausgangsklemmen 3, 4 liegt
ein die Erfindung verkörperndes Tiefpaß-Filterglied mit dem Phasenwinkel 90° bzw.
.,/4 für die Grundwelle, worin 1, die Wellenlänge der Grundschwingung ist. An die
Eingangsklemmen 1, 2 ist ein Hochfrequenzgenerator 5 angeschlossen, dessen innerer
Widerstand durch einen eingezeichneten ohmschen Widerstand 6 angedeutet ist. Wenn
dieser Widerstand 6, wie hier angenommen wird, verhältnismäßig groß ist, haben ersichtlicherweise
Sperrkreise in der Längsrichtung des Übertragungssystems eine um so geringere Wirkung
für die Unterdrückung der Oberwellen, je größer das Verhältnis desWiderstandes
6 zum Resonanzwiderstand eines im Längszweig eingeschalteten Oberwellen-Sperrkreises
ist. An die Ausgangsklemme 3, 4 ist ein Verbraucherwiderstand 7 angeschlossen. Es
sei angenommen, daß der Wellenwiderstand Yo des zwischen den Eingangsklemmen und
den Ausgangsklemmen liegenden Tiefpaß-Filterglieder gleich dem geometrischen Mittelwert
aus dem Verbraucherwiderstand 7 und dem für den Generators geforderten Anpassungswiderstand
zwischen den Klemmen 1, 2, bezogen auf die Grundwelle, ist. Man erkennt aus F i
g. 1, daß der Querzweig des Filtergliedes zu einem Serienresonanzkreis für die zweite
Harmonische gestaltet ist. Die Besonderheit liegt jedoch in der Bemessung der Blindwiderstandselemente
dieses Kreises in bezug auf die Blindwiderstände der Längsspulen S und 9, die beiden
gleich X, gewählt sind und dem Wellenwiderstand des T-Gliedes entsprechen. Es sei
zunächst der Blindwiderstand der Ergänzungsspule 10 des Querzweiges mit X1 bezeichnet.
Dann ergeben sich folgende Beziehungen: Aus der Resonanzbedingung für die Grundwelle
ergibt sich X, + XC = -X0# (1)
Aus der Resonanzbedingung des
Querzweiges für die zweite Harmonische folgt
Aus (1) und (3 a) ergibt sich
Aus (3) und (5) ergibt sich
Es können also mit der Schaltung nach F i g.1 alle Abstimmvorgänge für die Grundwelle
durchgeführt werden, solange nur die beiden Bedingungen für Ya und X, erhalten bleiben.
Eine solche Abstimmung auf die jeweilige Arbeitsfrequenz kann beispielsweise durch
Änderung der Kapazität des Kondensators 11 im Querzweig des Filtergliedes bewirkt
werden. An Stelle eines einzigen Kondensators 11 im Querzweig, der als veränderbarer
Kondensator ausgebildet ist, kann auch eine Zusammenschaltung (Reihen- und/oder
Parallelschaltung), vorzugsweise Parallelschaltung, mehrerer Kondensatoren dienen,
welche durch Schalter wahlweise einzeln oder in Gruppen vereinigt einschaltbar sind.
Dabei können die in Längsrichtung wirksamen Induktivitäten der beiden Längsspulen
und die im Querzweig liegende Induktivität durch ein vorzugsweise gemeinsames Einstellmittel
so veränderbar ausgebildet sein, daß das Verhältnis 3 : 1 der Blindwiderstände bzw.
Induktivitäten erhalten bleibt. Eine Ausführungsform einer Schaltung nach der Erfindung
mit den letzterwähnten Merkmalen zeigt F i g. 2 der Zeichnung. Darin ist der Kondensator
11 der F i g.1 durch die Anordnung der wahlweise einschaltbaren Kondensatoren 12,
13 und 14 ersetzt. Diese können durch die darunter dargestellten Schalter wahlweise
einzeln oder in beliebiger Kombination eingeschaltet werden. Dabei ist die im Querzweig
liegende zusätzliche Induktivität 10' so
ausgebildet, daß sie stets
einem Drittel der Größe der Längsinduktivitäten 8' und 9' gleich ist. Dies wird
durch die gemeinsame Verstellvorrichtung 22 bewirkt. Da eine Induktivität die Dimension
einer Länge besitzt, ist es nur erforderlich, den Maßstab des im Querzweig liegenden
Variometers auf ein Drittel zu reduzieren.
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Eine wesentliche Vereinfachung einer Schaltung nach der Erfindung
ergibt sich, wenn man von dem erwähnten bekannten Prinzip Gebrauch macht, eine Kopplung
zwischen den beiden Längsinduktivitäten 8 und 9 der F i g. 1 anzuwenden. Bei geeigneter
Bemessung dann dadurch das Bauelement für die im Querzweig erforderliche Ergänzungsinduktivität
10 ganz wegfallen. Diese Weiterbildung der Erfindung sei unter Bezugnahme auf F
i g. 3 und 4 erläutert. In diesen sind T-Filterglieder nach der Erfindung dargestellt,
deren Eingangsklemmen 1, 2 und Ausgangsklemmen 3, 4 den gleichgenannten Klemmen
der F i g. 1 entsprechen. In F i g. 3 ist angedeutet, daß die Längsspulen
15 und 16, welche beide den Blindwiderstand X2 besitzen, mit dem Kopplungsfaktor
k mit einander gekoppelt sind. Der Blindwiderstand des im Querzweig liegenden Kondensators
11 sei wieder mit Xc bezeichnet. Es läßt sich zeigen, daß bei richtiger Bemessung
des Kopplungsfaktors k die Anordnung nach F i g. 3 identisch wird mit der Anordnung
nach F i g. 4, in welcher die Blindwiderstände der Längsspulen 15 und
16 den Wert X, besitzen, wie in der Anordnung nach F i g.1. Außerdem erscheint
im Querzweig nach dem bekannten Ersatzschaltbild eines Transformators die Gegeninduktivität
17 der Längsspulen 15 und 16 in der Größe k - X2.
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Wenn die Anordnung nach F i g. 3 in die der F i g. 4 übergehen und
in ihrer Bemessung nach F i g.1 entsprechen soll, ergeben sich unmittelbar folgende
Beziehungen: Xo = X2 (1 - k), (6) In der Praxis hat sich eine Ausführungsform bewährt,
bei welcher die Längsspulen 15 und 16 je einzeln mit einer Induktivität
gleich vier Dritteln der erforderlichen Induktivität nicht miteinander gekoppelter
Längsspulen auf einen gemeinsamen Wickelzylinder nebeneinander und aneinander anstoßend
in gegenläufigem Sinn mit einem Längen-Durchmesser-Verhältnis
gewickelt sind.
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Wenn man in dieser Weise miteinander gekoppelte Längsspulen verwendet,
läßt sich die Änderung ihrer Induktivitäten zwecks Abstimmung des T-Gliedes auf
die Arbeitsfrequenz nicht mehr mit Variometeranordnungen durchführen, da bei diesen
nicht jeweils der gewünschten Kopplungsfaktor erhalten bleiben könnte. Trotzdem
ist eine Abstimmung durch Induktivitätsänderung möglich, wenn in einer besonderen
Ausführungsform gemäß F i g. 5 zur stufenweisen Änderung der wirksamen Längsinduktivitäten
und der im Querzweig wirksamen Gegeninduktivität eine Anordnung wenigstens zweier
untereinander verschiedener Paare miteinander gekoppelter Spulen 15, 16 bzw. 18,
19 bzw. 20, 21 vorgesehen sind, welche mittels Schalter einzeln oder zusammen einschaltbar
sind. Bei dieser Art der Änderung der Längsinduktivitäten bleibt jeweils das erforderliche
Größenverhältnis zu der gemeinsamen Induktivität erhalten, wenn zwischen den Spulen
eines jeden Paares der gleiche Kopplungsfaktor k von der Größe 0,25 besteht.
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Eine Schaltung nach der Erfindung kann im Anpassungsnetz zwischen
dem Ausgang eines Hochfrequenzgenerators und dem zugehörigen Verbraucherwiderstand,
beispielsweise dem Eingangswiderstand einer Antenne, in Kombination, besonders in
Reihenschaltung, mit anderen Filtergliedern benutzt werden, welche sowohl weitere
T -Glieder als auch TI'-Glieder sein können.
Aus der Gleichung (3 + 5) folgt
Und daraus ergibt sich unmittelbar durch Rechnung 3k =1-k, (8)
k = 0,25, (8
a)
Durch die Einhaltung eines Kopplungsfaktors k von der Größe 0,25 und bei einer Bemessung
des Blindwiderstandes jeder der beiden Längsspulen ohne Berücksichtigung der Kopplung
mit der anderen Längsspule in der Größe X2 gleich vier Dritteln des Blindwiderstandes
X, läßt sich also die der Erfindung zugrunde liegende Bemessungsaufgabe lösen, ohne
daß eine besondere Ergänzungsspule im Querzweig angebracht werden muß. Wie sich
dabei aus der der Rechnung zugrunde gelegten Annahme ergibt, müssen die miteinander
gekoppelten Längsspulen 15 und 16
so in den Stromkreis eingeschaltet
bzw. in derartigem Sinne gewickelt sein, daß die resultierende Längsinduktivität
der Reihenschaltung bei einem beide Spulen durchfließenden Strom verringert erscheint.