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Breitband-Symmetrierungs -Transformator mit einer symmetrischen Stufenleitung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Breitband-Symmetrierungs-Transformator mit
einer symmetrischen Stufenleitung zur Widerstandsanpassung zwischen einem Generatorkreis
und einem Verbraucherkreis, von denen der eine erdsymmetrisch, der andere erdunsymmetrisch
ausgebildet ist. Es ist bereits bekannt, für die Widerstandstransformation die Eigenschaften
von Leitungen mit ortsabhängigem Wellenwiderstand. zu benutzen: Die Änderung des
Wellenwiderstandes längs der Leitung kann eine stufenweise oder eine stetige sein.
Die Breite des Frequenzbereiches, in welchem das Transformationsverhältnis erhalten
bleiben soll, bedingt eine bestimmte notwendige Leitungslänge;, diese ist aber auch
abhängig von dem Änderungsgesetz des Wellenwiderstandes. Für die technische Verwendung
ist es erwünscht, mit Rücksicht auf die erforderliche Frequenzbandbreite der Transformation
den Leitungstyp so . auszuwählen und das Änderungsgesetz §o zu bestimmen, daß sich
die geringste Baulänge ergibt. Auf eine eingehende Darstellung. der Zusammenhänge
kann hier verzichtet werden, da sich eine solche in Zeitschrift »Funk und Ton«,
1949, auf den. S. 151 bis 167 und 2o2 bis 213 in dem Aufsatz »Widerstandstransformation
mit Leitungen« befindet. Es genügt, hier als Ergebnis dieser Veröffentlichung festzustellen,
daB bei der Lösung technischer Transformationsaufgaben innerhalb - definierter Frequenzbereiche
mit endlichen Grenzfrequenzen zweckmäßig, bemessene
Stufenleitungen
vor Leitungen mit stetig veränderlichem Wellenwiderstand den Vorzug verdienen, weil
sie in vielen Fällen geringere Baulängen ergeben und außerdem unter einem geringeren
Kostenaufwand hergestellt werden können.
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Der gleichen Veröffentlichung ist auch zu entnehmen, daß die Baulänge
unter Aufrechterhaltung der Breite des Arbeitsfrequenzbereiches herabgesetzt werden
kann, wenn man am Anfang und Ende der Leitung noch zusätzliche Schaltelemente als
Kompensationsglieder vorsieht. Beispielsweise kann in einer solchen Anordnung auf
der niederohmigen Seite der Stufenleitung ein am Ende kurzgeschlossenes Leitungsstück
parallel geschaltet sein, während auf'der höchohmigenSeite von der Leitung aus gerechnet
zuerst ein am Ende kurzgeschlossenes Leitungsstück parallel geschaltet ist. Aus
der genannten Veröffentlichung sind die Regeln für. die zweckentsprechende Bemessung
der Wellenwiderstände der kompensierenden Leitungsstücke zu entnehmen, so daß darauf
ebenfalls nicht näher eingegangen zu werden braucht.
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In der Praxis tritt das Problem der Widerstandsanpassung zwischen
Generator und Verbraucher häufig vereint mit der Aufgabe der Verbindung eines erdsymmetrisch
ausgebildeten Kreises mit einem erdunsymmetrischen Kreise auf. Mit der Lösung dieser
beiden miteinander verknüpften Aufgaben befaßt sich die Erfindung. Als Beispiel
einer solchen Aufgabenstellung wird auf die Verbindung der Hochfrequenzausgangsstufe
eines Senders über ein erdsymmetrisches Kabel von beispielsweise 6o S2 Wellenwiderstand
mit einem erdsymmetrischen Strahler von einigen hundert Ohm Wellenwiderstand hingewiesen.
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Zur Lösung dieser und ähnlicher Aufgaben ist auch bereits bekannt,
aus mehreren Ao/4 langen Leitungsstücken aufgebaute symmetrische Stufen-Leitung
an ihrem nilederohmigen Endre mit einer Symmetrierungsschleife von der Länge .1/4
zu verbinden (Proceeding of the I. R. E., Oktober 1947, Bd, 35, Heft 10,
S. 1153, I154). Durch die Erfindung ergibt sich die Möglichkeit, die angegebene
Aufgabe der Transformation und Symmetrierung unter Aufrechterhaltung eines gewünschten
Transformationsverhältnisses für ein besonders breites Frequenzband zu lösen.
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Bei einem Breitband-Symmetrierungs-Transformator mit einer symmetrischen
Stufenleitung, der an ihrem niederohmigen Ende ein kurzgeschlossenes Leitungsstück
als Kompensationselement parallel und mit deren Leitern am hochohmigen Ende ein
beiderseits offenes Leitungsstück in Reihe geschaltet und der an den freien Enden
der genannten Leitungsstücke ein kurzgeschlossenes Leitungsstück als Kompensationselement
parallel geschaltet ist, soll erfindungsgemäß das am niederohmigen Ende befindliche
kurzgeschlossene Leitungsstück in an sich bekannter Weise als Symmetrierungsschleife
ausgebildet sein, durch deren einen Schenkel der Innenleiber einer unsymmetrischen
Leitung geführt ist; ferner soll zwischen den symmetrischen AnschluBpunxlen an der
Symmetrierungsschleife und den Leitern der Stufenleitung je ein beiderseits offienes
Leitungsstück als zusätzliches Kompensationselement eingeschaltet sein, und die
elektrische Länge sämtlicher erwähnter Kompensationselemente soll derartig - vorzugsweise
gleich lo/4 - bemessen sein, daß ihre wirksamen Reaktanzen bei der mittleren Wellenlänge
,1o mit Vorzeichenwechsel durch Null gehen.
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Bei dem Breitband-Symmetrierungs-Transformator nach der Erfindung
wird nicht nur das am niederohmigen Ende vorhandene kurzgeschlossene Leitungsstück
zugleich als Symmetrierungsschleife verwendet, sondern es ist auch in das Zusammenwirken
mit drei weiteren Kompensationselementen einbezogen. Durch Messungen an einer Anzahl
von nach der Erfindung ausgeführten Transformatoren wurde festgestellt, daß sich
durch die Erfindung eine ganz wesentliche, in ihrem Ausmaß überraschende Ausdehnung
der Bandbreite ergeben hat. Bei den Transformatoren nach der Erfindung sind insgesamt
vier in einander spiegelbildlich entsprechenden Anordnungen auf Eingang und Ausgang
der Stufenleitung verteilt. Als wesentlich für die erzielte Verbesserung hin-' sichtlich
der Bandbreite kann angesehen werden, daß die Reaktanzen aller Kompensationselemente
bei AD mit Vorzeichenwechsel durch Null gehen, so daß bei dieser mittleren Arbeitswellenlänge
durch die Kompensationselemente keine zusätzlichen Blindwiderstände eingeführt werden.
Beiderseits dieser mittleren Wellenlänge ändern sich an beiden Enden der Leitung
die Blindwiderstände der vorgesehenen Kompensationselemente in entgegen= gesetztem
Sinne, so daß sich ein breiter Bereich ergibt, in welchem der Transformationskoeffizient
praktisch unverändert bleibt.
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Die Ausnutzung des Frequenzbereiches beider- i seits der Resonanzstellen
der Kompensationsleitungsstücke, deren Blindwiderstandskomponente an diesen Stellen
mit entgegengesetztem Richtungssinn durch Null gehen, kann bei den Transformatoren
nach der Erfindung zu einer Verbreiterung des ausnutzbaren Transformationsbereiches
gegenüber bekannten Anordnungen bei Einhaltung 'des gleichen Grenzwertes der Fehlanpassung
-und bei gleichen Baulängen oder zur Herabsetzung der notwendigen Baulänge bei sonst
gleichen Leistungen benutzt werden. Die Frequenz f(" welche der Wellenlänge A, entspricht,
ist im allgemeinen gleich dem arithmetischen Mittelwert aus den Grenzfrequenzen
des geforderten Arbeitsfrequenzbereiches zu wählen, jedoch sind Abweichungen von
:dieser Regel möglich, ohne daß dadurch der Bereich des Erfindungsgedankens verlassen
wird. Wesentlich #ist jedoch, daB f o eine mittlere Frequenz des Arbeitsfrequenzbereiches
bildet und der erwähnte Vorzeichenwechsel der Blindwiderstandskomponente der kompensierenden
Leitungsstücke mithin innerhalb dieses Arbeitsfrequenzbereiches stattfindet.
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Es ist besonders bemerkenswert, daß die nach der Theorie zu fordernden
Kompensationselemente für eine Stufenleitung in der Form von kurzgeschlossenen
bzw.
offenen Leitungsstücken bestimmter Länge technisch exakt verwirklicht werden können
und daher die praktisch ausgeführten Leitungstransformatoren mit sehr großer Genauigkeit
die vorausberechneten Eigenschaften aufweisen. Dies steht im Gegensatz zu den Verhältnissen
bei der Anwendung von Exponentialleitungen, welche als Kompensationselemente bekanntlich
konzentrierte Blindwiderstancaselemente rein induktiver bzw. kapazitiver Natur erfordern.
Solche reinen Induktivitäten und Kapazitäten können jedoch technisch nicht verwirklicht
werden; bei genügend hoher Frequenz verursachen die unvermeidliche Kapazität einer
Spule und die Induktivität eines Kondensators eine so weitgehende Abweichung von
dem geforderten Verhalten, daß allein dadurch der mit einer Exponentialieitung als
Transformator zu übertragende Frequenzbereich wesentlich eingeschränkt wird.
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Bei der Anordnung nach der Erfindung tritt, wie schon .erwähnt, seine
solche Abweichung von den vorausbestimmten Eigenschaften nicht ein. Das kompensierende
Leitungsstück am niederohmigen. Ende ermöglicht dabei gleichzeitig die Verbindung
mit dem erdunsymmetrischen Kabel, so daß es eine doppelte Aufgabe als Kompensationselement
und als Symmetrieranordnung erfüllt.
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In Abb. i ist ein einfaches Ausführungsbeispiel eines Breitband-Symmetrierungs-Transformators
nach der Erfindung dargestellt. Mit i und 2 sind die beiden Leitereiner erdsymmetrischen
Stufenleitung bezeichnet, welche beispielsweise aus Blechstreifen mit einander parallel
gegenüberliegenden Flächen gebildet sein können. Die stufenweise Änderung des Wellenwiderstandes
kann durch Änderung der Breite oder dies gegenseitigen Abstandes der bandförmigen
Leiter von einem Abschnitt zum anderen bewirkt werden oder auch durch Änderung beider
genannten Größen. In der Zeichnung ist der einfachen Darstellungsmöglichkeit wegen
eine Änderung des Abstandes angedeutet. Man erkennt, daß das linke Leitungsende
das niederohmige, das rechte das hochohmige ist: Die Leitung kann mehrere, beispielsweise
fünf Abschnitte von untereinander verschiedenen Wellenwiderständen aufweisen. Sie
ist in der Mitte unterbrochen gezeichnet, und von allen Abschnitten sind lediglich
Teile der Endabschnitte dargestellt, welche an die Symmetrierungs- bzw. Kompensationsmittel
angeschlossen sind, da die mittleren Abschnitte in an sich bekannter Weise ausgebildet
und für eine vorbestimmte Abstufung der Wellenwiderstände bemessen sein können.
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Am niederohmigen Leitungsende sind die beiden Leiter i und 2 der Stufenleitung
mit je einem A./4 langen, an beiden Seiten offenen Leitungsstück verbunden, welches
als .1o4 langes Stück einer Koaxialleiturig mit den Mantelleitern 13 bzw. 14 dargestellt
ist. Die Mantelleiter sind mit den Leitern i und 2 des Endabschnittes der Stufenleitung
unmittelbar verbunden und zweckmäßigerweise an ihre Außenfläche angelegt. Die Innenleiter
der Koaxiallaitungsstücke 13 und 14 sind mit dem Mantel 3 und dem Innenleiter 4
des erdunsymmetrischen Kabels verbunden. In an sich bekannter Weise ist der Innenleiter
4 auch mit einem parallel zum Mantelleiter 3 geführten Hilfsleiter 5 verbunden,
der mit dem Mantelleiter 3 über einen Kurzschlußschieber 9 in Verbindung steht.
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Am hochohmigen Leitungsende sind die Leiter i und 2 der Stufenleitung
mit den Außenleitern der Ao/4 langen Koaxialleitungsstücke r' und 2' verbunden,
deren Innenleiter 6 und 7 zu dem Verbraucherwiderstand 8 führen. Die Innenleiter
6 und 7 werden außerdem durch ein am Ende kurzgeschlossenes Q10/4 langes Leitungsstück
15 überbrückt, welches als Stück einer offenen Paralleldrahtleitung dargestellt
ist.
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Abb. 2 zeigt nur das hochohmige Ende der Leitung. An Stelle der in
Abb. i gezeigten offenen Leitungsschleife 15, welche als Querglied zwischen
den Leitern 6 und 7 eingeschaltet ist, verwendet die Anordnung nach Abb. 2 an jedem
der Leiter 6 und 7 je ein 1./4 langes, am Ende kurzgeschlossenes Koaxiälleitungsstück
15' bzw. i5"; der@Kurzschluß ist durch die Schraffur der Endflächen angedeutet.
Der Innenleiter jedes Koaxialleitungsstückes ist mit dem Leiter 6 bzw. '7 unmittelbar
verbunden, während der Mantel 15' bzw. 15" mit dem Mantel des auf der gleichen Seite
liegenden 'offenen go/4 langen Rohrleitungsstückes verbunden ist. Zu bevorzugen
ist eine Anordnung, in welcher die Mantelteile 15" und i5" nicht, wie - in Abli.
2, zu der Leitungsrichtung senkrecht stehen, sondern eine solche, in der diese Mantelteile
an den Außenflächen der den Endabschnitt der Stufenleitung bildenden Bandleiter
oder an den Mantelteilen der offenen lo/4 langen Rohrleitungsstücke anliegen.