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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Verzweigungsschaltung
in maschenfreien Hochfrequenz-Kabelnetzen, in denen alle Kabel zweipolig und mit
gleicher Impedanz Z ausgeführt sind.
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Zur gegenseitigen Verbindung mehrerer Teilnehmer eines drahtgebundenenDatenübertragungssystems
benutzt man normalerweise eine Vermittlungszentrale, der ein Teilnehmer die gewünschte
Zieladresse mitteilt, worauf elektromechanische oder elektronische Schalter die
entsprechenden Leitungen miteinander verbinden.
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Aus Gründen der Kabeleinsparung und der Flexibilität kann es aber
insbesondere bei der Übertragung von Meßdaten in räumlich ausgedehnten Großforschungszentren
günstiger sein, ein einziges zentrales zweipoliges Kabel an Stelle der Vermittlungszentrale
vorzusehen (Bericht CERN 64-2l), an das alle Teilnehmer dauernd angeschlossen sind.
Die allen gemeinsame Leitung ist nach Bedarf beliebig verzweigt, um alle Teilnehmer
auf dem günstigsten Wege erreichen zu können, wobei im Prinzip nicht zwsichen Haupt-
und Nebenleitungen unterschieden wird.
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Will ein Teilnehmer irgendeinem anderen etwas mitteilen, dann sendet
er die Nachricht in das Kabel und fügt gleichzeitig eine Zieladresse bei. Jeder
Teilnehmer des Systems empfängt die Zieladresse und prüft, ob er damit gemeint ist.
Nur im positiven Fall läßt das Teilnehmergerät die Nachricht seinem eigenen Registrierorgan
zugehen.
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Ist die Teilnehmerzahl des Systems gering und der Nachrichtenfrequenzbereich
schmal, dann genügt ein Zweidraht-Niederfrequenzkabel mit angelöteten Verzweigungen.
Bei wachsender Grenzfrequenz und dem Übergang z. B. auf Koaxialkabel stellt sich
die Aufgabe der reflexionsfreien Verzweigung, damit nicht unkontrollierte Reflexionsimpulse
im System umherirren und die Nachrichten verfälschen. Ein Einbau von Kabelverstärkern
verbietet sich, da Nachrichten in allen möglichen Richtungen gesendet werden sollen.
So bleibt nach dem bekannten Stand der Technik nur der Einbau von Serienwiderständen
in jeden Kabelinnenleiter und an jedem Verzweigungspunkt, wobei der Widerstandswert
vom Wellenwiderstand der Kabel und der Anzahl der in den Verzweigungspunkt mündenden
Kabel bestimmt wird. Dadurch werden die an sich schon wegen der vielen Verzweigungen
hohen Energieverluste zwischen zwei Teilnehmern noch vergrößert und beschränken
wiederum wesentlich die maximal zulässige Teilnehmerzahl.
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Es ist weiter bekannt, die Energieverluste des Verzweigungspunkts
durch aktive Vierpole auszugleichen, die zwischen den Verzweigungspunkt und jedes
der anzuschließenden Kabel einzufügen sind. Diese Vierpole bestehen im allgemeinen
aus je einem T-Glied mit drei negativen Widerständen, von denen günstigstenfalls
einer mit dem Anpassungswiderstand des Verzweigungspunktes zu einem echten Widerstand
zusammengefaßt werden kann. Wenn man berücksichtigt, daß jeder negative Widerstand
als eine sehr empfindliche, insbesondere schwingungsempfindliche, elektronische
Schaltung mit z. B. Transistoren realisiert werden muß, dann scheidet diese Lösung
für umfangreiche Netzwerke mit großer Anzahl von Anschlüssen an den einzelnen Verzweigungspunkten
aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und insbesondere der Betriebssicherheit aus.
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Der Erfmdung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile und Beschränkungen
der bekannten Netzwerke zu vermeiden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß an
den Verzweigungsstellen je ein negativer ohmscher Widerstand zwischen den Knotenpunkten
der beiden Pole eingefügt ist, dessen absolute Größe R nach der Formel
gewählt ist, wobei n die Anzahl der in den betrachteten Verzweigungspunkt mündenden
Kabel und RS den Wert eines in jedes der Kabel in Serie eingeschalteten Widerstands
bedeutet (Rs > 0).
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Der Grundgedanke der Erfindung liegt also darin, die Energieverluste
in den Verzweigungspunkten durch einen geeigneten negativen Widerstand zu verringern
oder gar zu kompensieren, der wegen seiner Anordnung zwischen den Verbindungpunkten
der Innen- und Außenleiter (im speziellen Fall des Koaxialkabels) in allen Richtungen
und für alle Kabelanschlüsse gleichartig wirkt. Bei geeigneter Wahl der Größe dieses
Widerstandes läßt sich die Anpassungsbedingung sogar ganz ohne Serienwiderstände
in den auf einen Verbindungspunkt zulaufenden Innenleitern erfüllen.
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Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von vier Figuren näher erläutert.
Es zeigt F i g. 1 das Schema eines Nachrichtenübertragungsnetzes, in dem die Erfindung
anwendbar ist, F i g. 2 das Blockschaltbild eines Verzweigungspunktes mit Koaxialkabeln,
F i g. 3 und 4 je eine Detailschaltung eines negativen Widerstands, wie er erfindungsgemäß
in einem Verzweigungspunkt gemäß F i g. 2 Verwendung findet.
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Das in F i g. 1 schematisch dargestellte Nachrichtenübertragungsnetz
verbindet eine Vielzahl von verstreut angeordneten Teilnehmerendstellen 1 über ein
einziges Hauptkabel 2 und mehrere von diesem abzweigende Stichkabel 3 miteinander.
Ein einzelner Verzweigungspunkt 4 besitzt im Prinzip mindestens drei von ihm ausgehende
Kabelenden.
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Aufgabe der Erfindung ist eine dämpfungsarme oder dämpfungsfreie Verzweigungsschaltung,
die gewährleistet, daß keine Stoßstellen und damit Reflexionen entstehen.
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In F i g. 2 ist das Blockschaltbild eines solchen Verzweigungspunkts
unter Verwendung von Koaxialkabeln für die Nachrichtenübertragung dargestellt, jedoch
ist die Erfindung auch bei symmetrisch zweipoligen Kabeln oder bei Koaxialkabeln
ohne Erdung des Mantels anwendbar. Das Hauptkabel und die Stichkabel haben elektrisch
gleiche Eigenschaften, so daß eine Unterscheidung in diesem Sinne in F i g. 2 nicht
nötig ist.
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Der Innenleiter jedes Kabelendes 5 ist über einen Serienwiderstand
RS mit den anderen Kabelenden zu einem zentralen Verbindungspunkt 6 verbunden. Dieser
Serienwiderstand kann beispielsweise zum Ausgleich der Kabeleigenschaften dienen,
soll aber möglichst klein gehalten werden wegen der damit verbundenen Energieverluste.
Vorzugsweise entfällt dieser Widerstand völlig.
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Denkt man sich jedes Kabel mit dem Leitungswiderstand Z des Kabels
abgeschlossen und berechnet den Gesamtwiderstand des Netzes aus dem Blickpunkt
eines
Kabelendes 5, dann ergibt sich, daß ein negativer Widerstand zwischen dem zentralen
Verbindungspunkt 6 und Erde angeordnet sein muß, dessen Absolutgröße R nach
der folgenden Vorschrift dimensioniert werden muß:
wobei n die Anzahl der in einen Verzweigungspunkt mündenden Kabelenden angibt. Im
Beispiel der F i g. 2 wäre demnach n = 4.
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Das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung von einem
Kabelende zu irgendeinem beliebigen anderen ergibt sich aus der folgenden Beziehung:
d. h., es hängt nur von der Größe des Serienwiderstands RS ab, wenn der negative
Widerstand entsprechend den Anpassungsbedingungen gewählt ist. Ist der Serienwiderstand
RS nicht vorhanden, dann verschwindet die Dämpfung am Verzweigungspunkt.
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Zur praktischen Realisierung des negativen Widerstands R seien abschließend
noch zwei Vorschläge an Hand von F i g. 3 und 4 erläutert. F i g. 3 zeigt einen
Gleichstromoperationsverstärker 7 hohen Verstärkungsgrads, wie er beispielsweise
in Analogrechenanlagen verwendet wird. Der Ausgang 8 dieses Verstärkers ist
über einen einstellbaren Widerstand 9 auf einen Eingang rückgekoppelt, an
den über einen Serienwiderstand 10 auch die mit dem zentralen Verbindungspunkt
6 (F i g. 2) zu verbindende Klemme 11
führt. Die zweite Klemme
12 dieser Schaltung ist vereinbarungsgemäß mit Erdpotential verbunden, das
auch an allen Kabelhüllen herrscht. Zur Stabilisierung des Verstärkungsgrads ist
eine weitere Rückkoppelungsschleife, die einen Widerstand 13 enthält und
auf einen zweiten Eingang des Verstärkers führt, vorgesehen. Zu dieser Schleife
gehört auch ein Parallelwiderstand 14 nach Erde. Schließlich ist noch ein
kapazitiver Rückkopplungszweig mit einem Kondensator 15 vorhanden und einem
Parallelwiderstand 16
zur eventuell nötigen Kompensation des nichtlinearen
Frequenzgangs des Verstärkers.
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Mit dieser Schaltung läßt sich zwischen den Klemmen 11 und 12 ein
negativer Widerstand von etwa 50 Ohm erzeugen, wie er für eine Verzweigung mit insgesamt
drei Kabeln (n = 3) von Z = 50 Ohm benötigt wird. Die Schaltung ist z. B. mit einem
handelsüblichen Operationsverstärker in integrierter Schaltkreistechnik von Gleichstrom
bis zu 10 MHz funktionsfähig. Bedingt durch die kleine Verstärkerlaufzeit kann schon
10 nsec nach der Anstiegsflanke eines eintreffenden Impulses die volle Funktionsfähigkeit
erreicht werden.
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Die abschließend an Hand von F i g. 4 zu erläuternde Schaltung zum
Erzeugen eines negativen Widerstands zwischen Klemmen 11 und 12 ist
in Halbleitertechnik ausgeführt und besitzt einen Transistor 17, in dessen
Emitterkreis eine Tunneldiode 18 liegt. Der Arbeitspunkt des Transistors
wird mit Hilfe einer Batterie 19 und zweier Widerstände 20 und
21 im Basiskreis eingestellt und auf die Kennlinie der Tunneldiode abgestimmt.
Sinn dieser Anordnung ist es, den an sich schon mit einer Tunneldiode allein innerhalb
eines kleinen Spannungsbereichs darstellbaren negativen Widerstand mittels des Transistors
auch für größere Signalspannungen wirksam bleiben zu lassen.
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Die Erfindung gewährleistet also völlig gleichmäßige Verhältnisse
für alle übertragungsrichtungen, da der erfindungsgemäße negative Widerstand symmetrisch
zu allen Kabeln angeordnet ist. Der negative Widerstand kann im Rahmen der Erfindung
beliebig ausgeführt sein und beispielsweise auch mit einer Elektronenröhre als aktivem
Element arbeiten. Der Serienwiderstand kann auch aufgeteilt in beiden Sternpunktzuleitungen
zugleich angeordnet sein. Dabei muß die Summe der beiden Widerstandswerte stets
Rs ergeben.
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Unter »Kabel« wird vorstehend stets eine zweipolige Leiteranordnung
verstanden, von denen eventuell ein Pol geerdet ist. Selbstverständlich kann dieses
»Kabel« mit weiteren Leitungen, die anderen Zwecken dienen, konstruktiv zusammengefaßt
sein. Beispielsweise kann die Energieversorgung der Endstellen über getrennte Leitungen
geführt werden, wenngleich auch das »Kabel« für die Gleichstromübertragung geeignet
ist.
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Schließlich ist es durch analoge Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre
auch möglich, komplexe Kabelwiderstände zu kompensieren. Zu der angegebenen Bemessungsformel
kommt in diesem Fall noch ein imaginärer Teil, der beispielsweise durch Spulen und
Kondensatoren im Rückkopplungskreis des Operationsverstärkers realisiert werden
kann. Freilich tritt dieses Problem erst bei Frequenzen oberhalb von 10 MHz gravierend
in Erscheinung.