DE755593C - Anpassungsnetzwerk fuer Hochfrequenzuebertragungsleitungen - Google Patents

Description

AUSGEGEBENAM 3. AUGUST 1953

159650 VIIIw/2ICUi

ist als Erfinder genannt worden

DieErfindung bezieht sich auf Anpassungsnetzwerke, und zwar insbesondere auf solche, die zur Verbindung von Hochfrequenzapparaten mit zweiadrigen Übertragungsleitungen Verwendung finden können.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe ge-. stellt, ein elektrisches Netzwerk zur Verbindung eines Hochfrequenzsenders mit einer zweiadrigen übertragungsleitung zu, schaffen, bei der immer sichergestellt -ist, daß die beiden Leiter der Übertragungsleitung gleiche Ströme mit um i8o⁰ⁱ gegeneinander verschobener Phase führen und gleich© Spannungen zwischen den beiden Adern des Stromkreises und Erde vorhanden sind.

Wenn zweiadrige Übertragungsleitungen dazu benutzt werden, Sendeantennen mit Energie zu versorgen, so muß sichergestellt werden, daß die beiden Leiter der Übertragungsleitung gleiche, um i8o° gegeneinander versetzte Ströme führen, so daß die Übertragungsleitung selbst nicht als Antenne wirkt und nach allen Richtungen strahlt. Verlaufen die Ströme auf den beiden Adern wie vorstehend angegeben, so wird die Leitung nur als Energiezuführungsleitung zur Antenne

wirken und unerwünschte Ausstrahlungen der Leitung werden vermieden.

Übertragungsleitungen können sehr gut im Gebiet der niedrigeren Hochfrequenzen mit den bekannten Mitteln abgeglichen werden, wenn jedoch die Frequenz steigt, vergrößern sich die Schwierigkeiten erheblich. Es ist z. B. möglich, bei Frequenzen in der Größenordnung von 5 MHz die Übertragungsleitung ίο ausreichend unter Verwendung entsprechender Anpässungstransformatoren abzugleichen. Bei Frequenzen in der Größenordnung von io MHz ergeben sich bereits Schwierigkeiten, da die üblichen Lufttransformatoren sowohl durch elektrostatische als auch durch elektromagnetische Kopplung Energie aufnehmen und daher in einer vorher nicht genau festzulegenden Weise arbeiten mit dem Ergebnis, daß die Spannungen an entgegengesetzten Enden der Ausgangswicklung weder gleich noch um i8o⁵ phasenverschoben sind. Bei 15 MHz werden die Verhältnisse noch ungünstiger, da die elektrostatische Kopplung noch wirksamer wird und größere Störungen _z5 mit sich bringt. Die Nachteile vergrößern sich mit steigender Frequenz.

Es war bisher üblich, zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtes, wie oben ausgeführt, die Mitte der Sekundärwicklung des Transformators zu erden, um damit sicherzustellen, daß die Mitte der Spule auf der Spannung Null liegt. Diese Bedingung ist jedoch verhältnismäßig schwierig zu erreichen, da die Erdverbindung nowendigerweise eine gewisse physikalische Länge haben muß und daher auch eine gewisse Induktivität besitzt, die hoch genug ist, um an der Erdleitung für höhere Frequenzen einen Spannungsabfall zu erzeugen, der an Stelle des festgelegten Erdpotentials eine veränderliche Spannung an die Mitte der Spule anlegt. Dadurch ergibt sich eine kapazitive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärseite des Transformators, die die obenerwähnten unerwünschten Wirkungen hervorbringt.

Erfindungsgemäß werden die Nachteile dadurch vermieden, daß ein elektrisches Netzwerk vorgesehen wird, das eine Reaktanz in Reihe mit der einen Leitungsader, eine gleich große Reaktanz parallel mit der Leitung und eine halb so große Reaktanz zwischen einer der beiden Leitungsadern und Erde, die entgegengesetztes Vorzeichen wie die parallel geschaltete Reaktanz hat, aufweist und die Serienimpedanz entweder das gleiche Vorzeichen hat wie die Parallelimpedanz: und in der geerdeten Leitungsader liegt oder das entgegengesetzte Vorzeichen hat und in der nicht geerdeten Leitungsader liegt. Wird die Leitung in Verbindung mit einem Hochfrequenzempfänger benutzt, so wird die Aufnahme unerwünschter Schwingungen durch die Verbindungsleitung unterdrückt. Einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung werden nachstehend an Hand der Abbildungen näher erläutert.

In der schematischen Darstellung der Abb. 5 sei V die Spannung zwischen den Leitern 1-4 und 2,-y und U die Spannung zwischen dem Leiter 2-7 und dem Punkt 3. Der Leiter 2-7 ist derart mit Erde verbunden, daß er wirklich auf Erdpotential liegt oder auf einem anderen festgelegten Potential. Die Impedanz 8-5 ist A, die Impedanz 5-6 B, die Impedanz 3-5 ist C und die Impedanz 3-4, die die Übertragungsleitung darstellt, ist P. Der Strom, der durch die Impedanz A fließt, ist JV/, und der Strom in der Impedanz P ist N.

Die Energie zur Erzielung der vorerwähnten Ströme, die beispielsweise einer Vakuumröhre entnommen werden kann, wird an den Klemmen 1 und 2 zugeführt, während die durch die Impedanz P dargestellte Übertragungsleitung mit den Klemmen 3 und 4 verbunden ist.

Die gewünschten Beziehungen bestehen darin, daß die Spannung U zwischen dem Punkt 3 und Erde und die Spannung V zwischen dem Punkt 4 und Erde von gleicher Größe und entgegengesetzter Phase sein sollen, d. h.

V = -U.

Es bestehen dann folgende Gleichungen: Da

F = - U

sein soll und
wird

ferner ist
oder

₂F = N P;

N[P+ C) = AM

(2) _1Oo (3)

(4)

(5)

AM+(M-

NP

Eine Umwandlung der Gleichung (6) ergibt:

-^N=o, (7)

[B + A) M = (—— B\ N. (8)

755

Nach Einsetzen von (5) in (8) ergibt sich

(B + A){P + C)^ = (j-b}n (9)
oder

Unter der Annahme, daß A, B und C reine Reaktanzen sind oder wenigstens sehr angenähert als Reaktanzen anzusprechen sind und gleich sind ja, jb bzw. je, und daß sich P ausdrücken läßt durch die Gleichung r + js, ergibt sich dann für die Gleichung (10):

ja) (r + js + je) = /«( — + — — jb I ,

die aufgelöst werden kann in

jbr + jar — ¹l₂jar— bc — ad¹ — bs—as—ab + ¹J₂US = O .

(12)

oder
oder

Werden die imaginären und reellen Komponenten' getrennt gleich Null gesetzt, so ergeben sich zwei getrennte Gleichungen (13) zo und (14) wie folgt:

(b + a) c + (b + a) s = — ab + ¹I₂US, (13)

jbr + jar = ¹I₂J ar (14)

oder
b+ Ci = ¹I₂U.

Wird nun (¹I₂O) für (b + a) in Gleichung (13) eingesetzt, so ergibt sich

C = - zB.
Wird (16) in (14) eingesetzt, so ergibt sich

a = c (17)

oder

Jx. ⁼⁼⁼ O .

Durch Vergleich von (16) und (17) ergibt sich

« = — 2b (18)

oder

A=- 2B.

Die Bedingung, daß V = — U ist, unabhängig von dem Wert von P, wird durch die beiden in Abb. 1 und 2 gezeigten Stromkreise erfüllt, vorausgesetzt, daß die beiden gleichartigen Elemente, d. h. die beiden Induktivitäten in Abb. 1 bzw. die beiden Kapazitäten in Abb. 2 gleich sind und daß das dritte Element so ausgebildet ist, daß seine Impedanz der Größe nach gleich der halben Impe¹-danz eines der beiden gleichen Elemente, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen ist. Um. dieses Ergebnis zu erzielen, müssen die beiden Induktivitäten so angeordnet sein, daß die Gegeninduktivität vermieden oder zum mindesten sehr klein gehalten wird. Das dritte Element muß derart angeordnet werden, daß die Impedanz vom Verbindungspunkt der Induktanzen gemäß Abb. 1 nach Erde der Größe nach gleich der halben Impedanz einer der beiden Induktivitäten ist, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Diese Impedanz braucht nicht notwendigerweise in dem dritten Element selbst konzentriert zu sein, d. h. es ist bei der Anordnung nach Abb. 1 nicht notwendig, daß der Kondensator den genauen Impedanzwert hat, sondern es kann ein Teil der Impedanz in der Leitung enthalten sein, die zur Verbindung des Kondensators mit Erde notwendig ist. In Praxis wird die Reaktanz des Kondensators erheblich anders gewählt werden müssen, da ein Teil derselben durch die Reaktanz der den Kondensator mit Erde verbindenden Leitung ausgeglichen wird bzw. durch die Induktanz der Leitung, _s die die andere Seite des Kondensators mit dem Verbindungspunkt der Induktanzen verbindet.

Dieselben Überlegungen gelten auch für die Anordnung nach Abb. 2. Die als drittes Element verwendete Induktanz kann zu einem bestimmten Teil bereits in der Leitung enthalten sein, die die Spule mit Erde und dem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren verbindet. Bei einer derartigen Anordnung ist es nicht notwendig, im Sender einen Punkt zu finden, der direkt auf Erdpotential liegt. Es ist lediglich notwendig, daß die Impedanz zwischen dem Verbindungspunkt der gleichartigen Elemente und Erde den gewünschten Wert aufweist. Es hat sich bei Versuchen ergeben, daß die verteilte Kapazität der Spulen gemäß Abb. 1 gegenüber Erde praktisch keine merkbare Beeinflussung der Kreise mit sich bringt. Das gleiche gilt von den Streukapazitäten der in Abb. 2 benutzten Kondensatoren nach Erde. Dies ergibt sich aus der theoretischen Überlegung, daß die Gesamtwirkung der Streukapazitäten nach Erde lediglich in einer Änderung der Impedanz zwischen den Punkten 3 bzw. 4 und Erde besteht, d. h. daß lediglich die Impedanz der Übertragungsleitung von den Punkten 3

und 4 aus gesehen, geändert wird. Es wurde bereits oben gezeigt, daß, solange die Grundbedingungen des Stromkreises erfüllt sind, es gleichgültig ist, welche Impedanz die Leitung aufweist, da die von den drei Elementen zu erfüllenden Bedingungen unabhängig vom Wert dieser Impedanz sind.

Die Stromkreise der Abb. 3 und 4 sollen nun an Hand der Abb. 6 erläutert werden. Diese Abbildung weicht von der Abb. 5 nur darin ab, daß eine Impedanz zwischen die Punkte 8 und 4 statt zwischen die Punkte 5 und 3 gelegt ist. Die Überlegungen, die für diesen Stromkreis gelten, sind denen der Abb. 5 sehr ähnlich.

Es sei angenommen, daß V die Spannung zwischen den Leitern i-S und 2-7 darstellt; U sei die Spannung zwischen dem Punkt 3 und Erde, d.h. dem Leiter 2-7; X sei die Spannung zwischen dem Punkt 4 und dem Leiter 2-7. Für vollkommene Abgleichung muß

U-- X sein. Es bestehen dann die folgenden Glei

chungen:	U+ X	= ο,	(19)
V=DM+E	(M + N),	(20)
DM		(21)
F + P	'	(22)
U = (M -	hN)E,	(23)
A" = 2VP+ (M	+ N)E.

Durch Addition von (22) und (23) ergibt sich

X +U = NP+ 2 (M + N) E . (24)

Wird (19) in (24) eingesetzt, so folgt

oder

(25)

N (P + 2E) = — 2 ME . (26)

Wird (21) in (26) eingesetzt, so folgt

(P + 2E) D = —2£ (F + P); (27) aufgelöst ergibt sich

PD + zDE = —zEF — zEP. (28)

Es sei nun angenommen, daß D, E und F reine Reaktanzen sind, und zwar gleich jd, je bzw. jf, und daß P gleich r + js ist. Es ergibt sich dann

jclr + zjer—-ds-—zde —zef ■—zes = 0. (29)

Werden die imaginären und reellen Komponenten getrennt gleich Null gesetzt, so ergeben sich die folgenden beiden Gleichungen:

— ds — zde = zef + zes , (30)

jdr ——zier (31) ^6s

oder

d = —ze .

Setzt man nun in Gleichung (30) für 2e = — d, so ergibt sich

d = —f (33)

oder

D = — F .

Daraus folgt, daß die Reaktanzen F und D von gleicher Größe, jedoch entgegengesetztem Vorzeichen sein müssen und daß die Reaktanz E den halben Wert der Reaktanz D und das gleiche Vorzeichen wie die Reaktanz F besitzen muß. Die beiden Ausführungsbeispiele hierfür sind in den Abb. 3 und 4 dargestellt.

Es hat sich in der Praxis als zweckmäßig herausgestellt, Stromkreise der Abb. 1 bis 4 mit dem Schwingungskreis der letzten Verstärkerstufe "eines Senders in der in den Abb. 7 bis 10 gezeigten Weise zu verbinden, nach denen die Kopplung der Leitungen über einen abgestimmten Schwingungskreis erfolgt, der an die eine Leitung und an Erde geschaltet ist. Auf diese Weise läßt sich eine Anpassung der Leitung an den Ausgangskreis des Senders erzielen. Die Anordnung nach Abb. 7 besitzt unter Verwendung der Anordnung gemäß Abb. 1 den Vorteil, daß beide Leiter der Übertragungsleitung während des Betriebes galvanisch mit Erde verbunden sind, so daß statische Aufladungen, die sich auf der Antenne, beispielsweise bei Regen oder Schnee ausbilden, nach Erde abgeleitet werden und hohe statische Spannungen ohne die Verwendung besonderer zusätzlicher Widerstände oder anderer Mittel zur Erdung der Übertragungsleitung vermieden werden. Es hat sich weiter herausgestellt, daß ein Stromkreis gemäß Abb. 8 in Verbindung mit einem Kreis gemäß Abb. 2 zweckmäßig arbeitet, da in diesem Fall die Impedanz, die normalerweise zwischen den Klemmen 1 und 2 auftritt, kapazitiv ist, so daß ein Teil der Spule 10 bereits ausgeglichen ist und der Kondensator 11 verhältnismäßig groß gemacht werden kann.

Auch die Anordnungen nach Abb. 3 und 4 können in Verbindung mit den Schaltungen nach Abb. 7 und S benutzt werden. Die Abb. 9 zeigt die Anschaltung einer Anordnung nach Abb. 4, während bei der Schaltung nach Abb. 10 ein Zusatzkreis nach Abb. 3 verwendet wird. Die Xetzwerkteile, die zur Herstellung des Gleichgewichtes dienen, sind bei

den Schaltungen nach Abb. 7 bis 10 von den hohen Gleichspannungen an der Anode der letzten Röhre durch einen Transformator getrennt, der normalerweise untersetzt, so daß die Kondensatoren in ihrem Aufbau verhältnismäßig billig gehalten werden können. Die Verwendung einer Transformatorenkopplung mit geerdeter Sekundärspule verringert die Gefahr des Überganges der Anodenspannung auf die Leitung.

Um die Verluste in den Spulen in diesen Schaltungsanordnungen niedrig zu halten, ist es notwendig, das richtige Verhältnis zwischen Induktivitäten und Kapazitäten zu wählen.

Nachstehend wird angegeben, wie die Induktivitäten und Kapazitäten zu wählen sind, um eine möglichst gute Wirkung zu erreichen. Die folgenden Ausführungen sind unter Zugrundelegung der Abb. 1 und 2 gemacht, da die Überlegungen auch mit geringfügiger Abweichung für die anderen Ausführungsformen Gültigkeit haben.

Es ist bekannt, daß bei höheren Frequenzen die Verluste vorwiegend an den Induktivitäten, d. h. Spulen auftreten, während die Verluste in den Kondensatoren verhältnismäßig klein sind. Es ist ebenfalls bekannt, daß die Verluste in den Spulen im wesentlichen durch den Fairtor Q bestimmt sind, der sich aus der folgenden Gleichung ergibt:

Q = ^L%- (34)

Hierbei bedeutet L die Induktivität der Spule und R den Verlustwiderstand, während ω die Kreisfrequenz, ist.

Unter der Annahme, daß der Faktor Q und

damit auch der Verlustwiderstand der beiden in Abb. 1 gezeigten Spulen gleicher Induktivität der gleiche ist, kann der totale Ver-

WLw

Qr

Wird nun gesetzt

\ L

(41)

so kann die Gleichung (40) geschrieben werden:

^H = -Q^K- (40A)

Der Verlust H in den beiden Spulen hängt also ab von der Nutzenergie, die in jedem einzelnen Fall festliegt, dem Faktor Q der Spulen, der so groß wie möglich gemacht wird, und dem Koeffizienten K, der, wie aus

Gleichung (41) ersichtlich, von dem Wert ■

abhängt.

lust H in beiden Spulen mit den Strömen M und N durch folgende Formel ausgedrückt werden:

+ |W|«)22. (35)

Andererseits ist die der Leitung zugeführte Energie W₁ wenn r der Widerstand der Leitung ist,

PF= \N\*r

(36)

oder

Wenn man nun annimmt, daß, wie dies im allgemeinen zutrifft, die Impedanz P der Übertragungsleitung ein reiner Widerstand ist, d. h. es sei angenommen, daß js = ο ist, d. h. P = r ist, und wenn, wie aus Gleichung (17) sich ergibt, A = C ist, so kann die Gleichung (5) folgendermaßen geschrieben werden:

(37)

Da die ImpedanzA = R + jcoL ist und annähernd einen reinen Blindwiderstand darstellt, so kann in Gleichung (37) der Wert A durch den Wert jtaL ersetzt werden. Es ergibt sich dann

M = N

jwL

(38)

Setzt man diesen Wert in die Formel (35) ein, so ergibt sich

H=R |iV|²

(39)

Werden die Gleichungen (36) und (34) in Gleichung (39) eingesetzt, so folgt

+ 3 =4r Lw_\

(40)

Abb. 11 zeigt, wie der Verlust H in den beiden Spulen sich mit den Abmessungen der beiden Spulen oder vielmehr mit dem

Wert ändert. Aus dieser Abbildung ist

zu ersehen, daß der kleinste Wert von K, d. h. die geringsten Verluste bed gegebener Ausgangsleistung und einem bestimmten

Faktor Q erzielt werden, wenn —— = 0,707 ist. Der Wert von K, der diesem Wert

von entspricht, ist 2,828. Es ergibt sich

daher in diesem Fall ein Wert von

„ 2,828 -w

H. = yz .

Die Kurve in Abb. 11 zeigt kein scharfes Minimum, sondern einen breiteren Bereich, in dem die Verluste relativ klein sind. Es ist daher notwendig, die Induktivität so zu bemessen, daß in diesem Minimumbereich gearbeitet wird, und nicht, wie zur Erzielung kleiner Verluste üblich ist, die Induktivität möglichst klein zu bemessen.

Entsprechende Überlegungen in Verbindung mit dem in Abb. 2 gezeigten Kreis ergeben folgendes:

^{1 =}

W UL ω

(42)

Ist nun

UL ω

4L ω)' ⁽⁴³⁾

so kann Gleichung (42) geschrieben werden

H₁ = ^K₁. (42 A)

Die entsprechenden Beziehungen sind durch die Kurve in Abb. 12 dargestellt. Auch aus dieser Kurve ist zu ersehen, daß die Minimalverluste innerhalb eines bestimmten Bereiches auftreten, so daß es keine Schwierigkeiten bereitet, die günstigsten Werte der Kondensatoren und Selbstinduktionen zu wählen.

Der kleinste Wert von K₁ entsprechend den geringsten Verlusten bei einer gegebenen Ausgangsleistung W und einem gegebenen

Spulenfaktor Q tritt auf, wenn —— = 0,25

ist und ergibt einen -Wert von K₁ = 2,0. Es zeigt sich, daß dieser minimale Wert von K₁ etwa 29% niedriger liegt als der minimale Wert von K entsprechend der Anordnung nach Abb. 1.

Die zwei Kondensatoren und eine Spule enthaltende Anordnung ist vom Standpunkt der Verluste aus gesehen unter L^mständen günstiger als die Anordnung mit zwei Spulen und nur einem Kondensator. Dieselben Überlegungen gelten auch für die Anordnungen nach den Abb. 3 und 4.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß unter der Annahme, daß die Impedanzen reine Blindwiderstände sind, der Leitungsabgleich nicht durch eine Änderung der Belastung beeinflußt wird. Selbst wenn man jedoch die Wirkwiderstände der Spulen mit in Rechnung stellt, so zeigt sich, daß der Energieverlust durch mittlere Belastungsschwankungen nicht wesentlich beeinflußt wird.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   i. Elektrisches Netzwerk zur Verbindung von Hochfrequenzapparaten über eine zweiadrige Übertragungsleitung mit einer Antenne oder einem Belastungskreis unter Vermeidung schädlicher Ausstrahlungen durch die Verbindungsleitung, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk eine Reaktanz in Reihe mit der einen Leitungsader, eine gleich große Reaktanz parallel mit der Leitung und eine halb so große Reaktanz zwischen einer der beiden Leitungsadern und Erde, die entgegengesetztes Vorzeichen wie die parallel geschaltete Reaktanz hat, aufweist und die Serienimpedanz entweder das gleiche Vorzeichen hat wie die Parallelimpedanz und in der geerdeten Leitungsader liegt oder das entgegengesetzte Vorzeichen hat und in der nicht geerdeten Leitungsader liegt.
2. 2. Netzwerk nach Anspruch 1 zur Verbindung des Ausgangskreises eines Röhrenverstärkers mit einer zweiadrigen Verbindungsleitung, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu zwei der Reaktanzen des Netzwerkes ein abgestimmter Kreis liegt, der mit dem Ausgangskreis der Verstärkerröhre gekoppelt ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   5300 1.53