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Welleiifllter fiir elektrische tbertragtmgsstromkreise.
Die Erfindung betrifft ein Wellenfilter für elektrische Leitungen und Stromkreise, auf welchen Wechselströme bestimmter Frequenzen übertrafen und Ströme anderer Frequenzen ganz oder teilweise unterdrückt werden sollen. Im besonderen betrifft die Erfindung die Weiterausbildung eines Filters, wie es in allgemeiner Form in dem österr. Patent Nr. 99332 beschrieben ist. Der Wellenfilter nach der Er- findung soll in schärferer Weise als wie dies bei dem vorstehend genannten Filter der Fall ist, zwischen den zu übersendenden bzw. zu unterdrÜckenden Frequenzen unterscheiden.
Die Erfindung sieht Filter vor. welche nachstehend mit Ultrafilter bzw. mit Infrafilter bezeichnet seien. Mit dem ersteren Ausdrucke soll ein Filter bezeichnet werden, welches Frequenzen oberhalb einer bestimmten Grenze unterdrückt während durch letztgenanntes Filter die Frequenzen unterhalb dieser
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telegraphie, der Radiotelephonie, der Vielfach-Hochfrequenz-Telephonie längs Leitungen, ferner dort, wo es sieh um kombinierte telegraphische und telephonische Leitungen handelt. Weiterhin ist die Er- bindung anwendbar bei Verstärkerstromkreisen für Telephonie und sonstige Schaltungen.
In der Zeichnung zeigt : Fig. 1 ein Schaltungsschema des Filters in seiner allgemeinen Form und Fig. la eine besondere Ausführungsweise des Filters, wie es in Fig. 1 des vorgenannten Patentes Nr. 99332 beschrieben wurde. Fig. 2 eine Schaltung eines Filters gemäss vorliegender Erfindung. Fig. 3 in schematischer Weise bei Anwendung eines Filters gemäss der Erfindung die Verteilung der unterdrücken bzw. übertragenden Bänder von Frequenzen, Fig. 4 ist eine schematische Darstellung ähnlich wie Fig. 3 für Vergleiehszwecke und zeigt die Verteilung der Bänder für eine Ausführungsform des Filters, wie es in dem obengenannten Patent beschrieben ist.
Fig. 5 und 6 sind graphische Darstellungen, welche die Beziehungen zwischen der Frequenz des übertragenen Stromes und der Abschwächung des Stromes, hervorgerufen beim Durchgang durch das Wellenfilter, erkennen lassen. Besondere Kurven zeigen einerseits die Arbeitsweise des Wellenfilters gemäss dem genannten Patent, anderseits die gemäss vorliegender Erfindung. Die Fig. 7 und 8 zeigen Schaltungen, wenn Infrafilter nach der Erfindung angewendet werden.
Die Fig. 9 und 10 beziehen sich auf Ultrafilter.
Der Vergleich des Filters vorliegender Erfindung mit dem Filter nach dem Patente Nr. 99332 dient dazu, die charakteristischen Merkmale des neuen Filters hervorzuheben. Ganz allgemein gesprochen, besteht das Wellenfilter aus einem oder mehreren Impedanzelementen in einem Stromkreis, die so angeordnet sind, dass mit im wesentlichen gleichförmiger geringer Dämpfung Ströme aller Frequenzen übertragen werden, die innerhalb gewisser vorher bestimmter Grenzen liegen, während benachbarte Frequenzen ausserhalb dieser Grenzen gedämpft bzw. ausgelöscht werden.
Ein jedes dieser Impedanzelemente besteht aus je ei ner zusammengefassten Impedanz in Serie mit der Leitung und einer zusammengefassten Impedanz im Nebenschluss zur Leitung, wie dies in schematischer Weise in Fig. 1 zum Ausdruck gebracht ist wo 1, 1 die Leitung, Zi die Serienimpedanz und Z2 die Nebenschlussimpedanz darstellt.
Die Fig. 1 a zeigt diejenige Ausführungsform des Wellenfilters, bei welchem die Impedanz der Fig. 1 durch einen Kondensator Cl und eine Induktionsspule LI in Serie zueinander gebildet wird und bei welcher die Impedanz Z2 aus einem Kondensator C2 und aus einer parallel hiezu geschalteten Induktanzspule L2 besteht. Dies ist einer der speziellen Fälle, wie sie in dem obengenannten Patent Nr. 99332 beschrieben wurden. Wie dort zum Ausdruck kommt, kann einer oder mehrere der Kondensatoren und
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Spulen weggelassen werden. Für jeden Filterabschnitt liegt zum mindesten ein Induktanzelement in Serie in der Leitung und eine Kapazität im Nebenschluss zur Leitung oder umgekehrt.
In dem genannten Patent wurden Formeln entwickelt, um die Werte der Kapazität und Induktanz zu bestimmen, welche den gewünschten Bereich der übersandten oder unterdrücken Frequenzen in jedem Falle ergeben. Aus dem Spezialfalle der Fig. 1 a ergibt sich, dass mit den dort verwendeten Impedanzelementen zwei Frequenzbänder übersandt und alle anderen Frequenzen unterdrückt werden. Dies ist in Fig. 4 zur Darstellung gebracht, wo die unterteilte Linie den ganzen Bereich von Null bis Unendlich umfasst. Die Frequenzbänder, welche übersandt werden, sind durch T, T dargestellt, und die unterdrücken durch S. S, S.
Die Grenzfrequenzen für die Bänder T, T sind für das eine Band dargestellt durch Po und P2 und für das
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 zur Darstellung gebracht, welche ähnlich der Fig. la ist, sich jedoch insoferne unterscheidet, als in Fig. 2 die Gruppe von Impedanzelementen, welche zueinander im Nebenschlusse sich befinden, in Serie in der Leitung liegen und die Elemente, welche in Serie zueinander liegen, im Nebenschluss zur Leitung geschaltet sind. Es liegt also in Fig. 2 die Umkehrung der Schaltung der Fig. la vor.
Es hat sich herausgestellt, dass die Charakteristiken der zwei Typen sich wesentlich unterscheiden und dass die der Erfindung zugrunde liegende Type in herrvoragender Weise als Infra-bzw. Ultrafilter sich eignet, u. zw. infolge ihrer Eigentümlichkeit, ein Band übermittelter Frequenzen bei einer bestimmten Frequenz scharf und plötzlich endigen zu lassen. Diese Eigentümlichkeit kommt in den Fig. 5 und 6 zur Darstellung, wo die Ordinaten die Dämpfung des Stromes pro Abschnitt des Wellenfilters darstellen. während als Abscissen die Frequenz f dient.
In der nachfolgenden Beschreibung sind die Kreisfrequenzen p zur Grundlage der Betrachtung genommen, wobei p den Wert 2 1 hat. Die punktierten Kurven zeigen die Charakteristiken des Infrafilters nach obengenanntem Patent, während durch die ausgezogenen Kurven die Charakteristiken des Infrafilters gemäss der Erfindung zum Ausdruck kommen. Die zwei Kurven fallen in demjenigen Teil einer jeden Kurve zusammen, welcher auf der Abseissenaehse rechts vom Punkt la liegt. Die ausgezogenen Kurven der Fig. 5 und 6 entsprechen dem Infrafilter der Fig. 7. Es sei bemerkt, dass es sich hiebei um Kurven handelt, die typisch sind für Infrafilter nach vorliegender Erfindung. Diese Kurven sind nur beispielsweise gezeigt.
Das Band übermittelter Frequenzen erstreckt sich also von Punkt 13 nach rechts, wobei die übermittelten Frequenzen mit dem Teil der Kurve zusammenfallen, welcher in die Abseissenachse fällt. Wie in Fig. 6 zum Ausdruck kommt, kann das Filter so angeordnet werden, dass es das Band mehr oder weniger plötzlich endigt. Es sind hiefür vier verschiedene Beispiele dargestellt.
Das wesentliche Merkmal der charakteristischen Kurve besteht darin, dass sie bei einer endliehen Frequenz unendlich wird (nicht bei Null). In der Praxis wird zufolge des Widerstandes der Filterelemente, welcher im Obigen nicht beachtet wurde, die Dämpfung, diesen unendlichen Wert nicht erreichen, aber der wirkliche Wert wird so gross, dass er für alle praktischen Zwecke als unendlich betrachtet werden kann.
Es sei weiterhin bemerkt, dass der untere Teil des absteigenden Armes der ausgezogenen Kurven der Fig. 5 und 6 unterhalb der punktierten Kurve liegt. Dies bedeutet, dass zwischen den Frequenzen lu und F die Dämpfung des Filters gemäss der Erfindung grösser ist als diejenige des Filters nach dem genannten Patente während zwischen den Frequenzen Null und F die Abschwächung geringer ist, wobeiF die Frequenz bedeutet, bei welcher die Dämpfung für die beiden Filter die gleiche ist.
Die entsprechenden Kurven der Ultrafilter sind nicht dargestellt, da sie sieh von denjenigen der Infrafilter nur dadurch unterscheiden, dass sie umgekehrt verlaufen.
Wendet man die allgemeinen in dem obgenannten Patent entwickelten Gleichungen auf den Spezialfall vorliegender Erfindung an, so erhält man eine Reihe, von Gleichungen, welche die begrenzenden Frequenzen der Übertragungsbänder bezeichnen (Fig. 3). Ein Vergleich der Bänder der Fig. 3 mit den Bändern der Fig. 4 zeigt die Änderung bezüglich Zahl und Verteilung, wie ie durch Umkehrung der Impedanzelemente der Fig. la hervorgerufen werden. Es besteht ein zweiter Unterschied zwischen dem Filter der Erfindung und demjenigen der des vorhergenannten Patentes, wie es in Fig. 1 a dargestellt ist. Mit den vier Impedanzelementen der letztgenannten'Ausführungsform ergeben sich, wie oben erläutert wurde, im allgemeinen fünf Frequenzbänder zwischen der Frequenz Null und der Frequenz Unendlich.
Bei Anwendung eines Filters gemäss der Erfindung ergeben sich mit allen vier Elementen nur drei Bänder, nämlich ein übermitteltes Band von 0 bis P2'ein unterdrücktes Band von P. bis. pg und ein übermitteltes Band von pg bis unendlich. Wie in dem genannten Patente auseinandergesetzt wurde, können die zwei
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gleich unendlich macht.
Die oben erwähnten Gleichungen, aus denen die begrenzenden Werte der übertragenen und unterdrückten Bänder gefunden werden, werden unten mit (5) und (6) bezeichnet und werden dadurch gewonnen, dass. man die allgemeinen Gleichungen des obgenannten Patentes auf den Spezialfall der vorliegenden Erfindung anwendet.
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übertragenen und unterdrückten Frequenzbändern erzielt werden wie nachstehend erklärt wird.
Vermittels der Gleichungen (5), (6), (8) und (9) ist es möglich, im Voraus die Induktauz- und Kapazitätswerte zu berechnen, welche benutzt werden müssen, wenn das Filter ein gewünschtes Frequenzband unterdrücken soll. Dieses Band wird sieh zwischen den Frequenzen P2 und P3 erstrecken, wobei eine der
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dingungen auferlegt und eine steht frei zur Wahl oder kann so gewählt werden, dass eine vierte vorher festgelegte Bedingung erfüllt wird. In der Praxis ist es häufig erwünscht, diese vierte Bedingung, die sogenannte"Endimpedanz", für niedrige oder hohe Frequenzen aufzustellen.
Bezüglich der #Endimpedanz" sei bemerkt. dass in der obigen Diskussion angenommen wurde. dass die Schaltung bzw. Kette, welche das Filter bildet, unendliche Länge hat. Da Filter eine endliehe Länge haben müssen ist es notwendig, die Impedanz zu bestimmen, mit welcher ein gegebenes Filter endigen soll. damit es soweit wie möglich als unendliche Kette betrachtet werden kann. Es ist klar, dass diese Endimpedanz dieselbe sein muss, wie die Impedanz desjenigen Teiles, des entsprechenden unendlichen Filters, welcher vernachlässigt wurde. Diese Impedanz ist also jene des Endgliedes oder Anfangsgliedes der Kette.
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notwendig ist, diese beiden Werte der Impedanz in Betracht zu ziehen.
Es hat sich auch herausgestellt, dass wenn p entweder sehr klein oder sehr gross ist, die Endimpedanz dieselbe ist ohne Rücksicht auf den Endpunkt des Abschnittes, so dass nur diese zwei Werte betrachtet zu werden brauchen. Bezeichnen wir
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Die Gleichung 11 ist bei dem Entwerfen von Ultrafilte. rn zu verwenden, wo das Übertragungsband kleine Werte von p aufweist, während die Gleichung 12 beim Entwerfen von Infrafiltern verwendet wird, wo das Ubertragungsband grosse Werte von p aufweist.
Da beide Gleichungen 11 und 12 mit den Gleichungen 5 und 6 und mit einer der Gleichungen 8 und 9 im Einklang stehen können, so folgt hieraus, dass diese vier Bedingungen von vorneherein erfüllt und als die vier Bedingungen angesehen werden können, welche die Werte L, Cl, L2, C2 bestimmen.
Die Werte von p2, p3 hängen wie oben gezeigt wurde, von LI, Cl, L2, C2 ab. Macht man L2 oder Cl gleich Null, so wird P3 unendlich, und macht man LI oder C2 unendlich, so wird P2 gleich 0. wie man aus den Gleichungen 5 und 6 ersehen kann. Um den Wert eines Indnktanzelementes unendlich zu machen. in bezug auf den Stromkreis, in welchem das Element untergebracht ist, ist es für alle praktisch vorkommenden Zwecke nur notwendig, das Element aus diesem Stromkreise zu entfernen, und den Stromkreis an dieser Stelle offen zu lassen. Um ein solches gleich Null zu machen, kann das Element entfernt und an dieser Stelle der Stromkreis geschlossen zu werden.
In gleicher Weise kann der Wert einer Ka- pazität dadurch gleich unendlich gemacht werden, dass man sie entfernt und an dieser Stelle den Kreis schliesst, oder sie kann gleich Null gemacht werden, indem man sie entfernt und den Stromkreis an dieser Stelle offen lässt. Auf diese Weise werden Infra-und Ultrafilter gebildet. Diese Art von Filter ist in den Fig. 7 -10 bezeichnet. Die charakteristischen Kurven von Infrafiltern sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Die Fig. 7 und 8 zeigen Infrafilter, wobei die Induktanz ll der Fig. 2 gleich unendlich gemacht ist, indem man sie weglässt und den Stromkreis offen lässt (Fig. 7). In Fig. 8 ist C2 unendlich gemacht, indem man C2 ausschaltet und den Stromkreis an dieser Stelle schliesst. Die Fig. 9 und 10 zeigen Ultrafilter.
Die Kapazität Ci der Fig. 2 ist in Fig. 9 gleich Null gemacht, indem man die Kapazität weglässt und den Stromkreis an dieser Stelle offen lässt, während in Fig. 10 die Induktanz L2 gleich Null gemacht ist. indem man unter Ausschaltung der Induktanz den Kreis en dieser Stelle schliesst.
Wie oben erläutert wurde, kann eine der Frequenzen pu, pus bei welchen die Dämpfung für ein gegebenes Band unendlich, wird, durch richtige Festlegung der Werte von L1, C1, L2, C2 gewählt werden.
Wählt man den Wert p4 sehr nahe der Grenzfrequenz P2 für ein Ultrafilter bzw. wählt man den Vert pie
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sehr nahe dem Wert p3 für ein Infrafilter, so gibt ein solches Filter eine sehr scharfe Abgrenzung. Dies ist in Fig. 6 durch die rechts gezeichnete Kurve zur Darstellung gebracht. Diese Charakteristik des Filters gemäss der Erfindung ist von grosser Bedeutung, da es gewöhnlich höchst wünschenswert ist, eine scharfe Grenze zwischen den übersandten und unterdruckten Frequenzen zu treffen.
Um zu zeigen, wie man beim Entwurf eines Wellenfilters, welches bestimmten Anforderungen genügen soll, vorzugehen hat, sei angenommen, dass ein Infrafilter, des in Fig. 7 schematisch dargestellt ist, eingerichtet werden soll, d. h. also. ein Filter. bei welchem der Wert L unendHch ist. Aus den Gleichungen (6), (9) und (12) ergeben sich die verbleibenden Konstanten L2, Cl, C2. Setzt man in der
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den Gleichungen, welche andere Bedingungen ausdrücken, welche z. B. den Gleichungen 8 und 9 aufgelegt werden sollen.
Es sei bemerkt, dass die obigen Schaltungen Ausführungsbeispiele darstellen und das weitere Schaltungen möglich sind, die sich im Rahmen der Erfindung bewegen. Beispielsweise kann das Wellenfilter mit einem Ubertragungsstromkreis kombiniert sein, wobei in die Kombination ein Impedanzelement so eingeschaltet ist, dass die durch den Nebenschluss und dieses Element einem von diesem Filter
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Abschnitten dieses Filters.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Welleufilter für elektrische Übertragungsstromkreise mit wiederkehrenden Abschnitten, von denen jeder Abschnitt einen im Zuge der Linie und einen im Nebenschluss dazu geschalteten Teil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Abschnitt entweder aus der Kombination einer Induktanz und einer dazu parallelen Kapazität besteht, im Zuge der Leitung mit einer Induktanz (Fig. 8) oder einer Kapazität (Fig. 10) oder mit einer Induktanz und einer Kapazität in Serie (Fig. 2) im Nebenschluss zur Leitung, oder aus der Kombination einer Induktanz und Kapazität in Reihe gelegt im Nebenschluss zur Leitung mit einer Induktanz (Fig. 9) oder einer Kapazität (Fig. 7) im Zuge der Leitung.