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Anordnung zur Kopplung von Hochfrequenzapparaten an eine Übertragungsleitung.
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Die Einrichtungen der Erfindung sind insbesondere in Fällen anwendbar, wo es unmöglich oder nicht gut ist, die Hochfrequenzapparate mit dem Leitungskreis, über welchen die Hochfrequenzüber- tragung durchgefülhrt wird, direkt in Verbindung zu bringen, und wo daher irgend eine Art einer Kopplungsvorrichtung, wie eine Rahmen-oder Freiantenne angewendet werden muss. Solche Fälle ergeben sich sehr häufig im Zusammenhang mit Hochfrequenzsystemen über Starkstromleitungen, bei welchen vielfach eine Kopplungsantenne verwendet wird, um die Hochfrequenzapparate von der Hochspannung auf den Starkstromleitungen getrennt zu halten.
Als weiteres Anwendungsgebiet für die Einrichtungen dieser Erfindung können Hochfrequenzsysteme zur Verständigung mit in Fahrt befindlichen Fahrzeugen, wie Eisenbahnzüge, in Betracht kommen, wo es unmöglich ist, die Hoehfrequenzapparate direkt mit der Übertragungsleitung zu verbinden.
Es wurde gefunden, dass Kopplungsvorrichtungen, wie Rahmen-oder Freiantennen, die bei Einrichtungen der obgenannten Art in Benutzung genommen werden, gewöhnlich eine beträchtliche Kapazität gegen Erde haben, und dass beim Übertragen auf eine Erdrückleitung oder auf eine metallische Drahtleitung, welche eine ziemlich Kapazität zur Erde hat, bekanntlich die Impedanz solcher Kapazitäten gegen Wechselströme verhältnismässig niedrig ist und daher diese Kapazität der Kopplungsvorrichtung infolge Ableitung eine Verlustquelle bildet. Der Hauptzweck der Erfindung ist, zur Erhöhung der Impedanz der Kopplungsvorrichtung gegen Erde eine Belastung, z. B. durch Induktanzen, für die angewendeten Frequenzen zu benutzen.
Dadurch kann die unerwünschte Wirkung der oberwähnten Kapazizät gänzlich oder teilweise neutralisiert werden, so dass die Ableitungsverluste verringert und daher die Leistungsfähigkeit der Kopplungsvorrichtung ausserordentlich erhöht wird. Die übrigen Zwecke, Merkmale und Anwendungen der Erfindung werden aus der im nachstehenden gegebenen Beschreibung klar hervorgehen.
Die Erfindung erscheint in den Fig. 1, 2,3, 4 und 5 der beiliegenden Zeichnung veranschaulicht.
In Fig. 1 wird eine Starkstromleitung mit an dieselbe gekoppelten Hochfrequenzapparaten gezeigt.
Fig. 2 zeigt ein der Fig. l gleichwertiges Schema. In Fig. 3 wird eine Hochfrequenzapparatur gezeigt, die an eine Starkstromleitung mit den Einrichtungen dieser Erfindung gekoppelt ist. Fig. 4 und 5 veranschaulichen Abänderungsformen der Erfindung. Zur Bezeichnung gleicher Teile wurden in allen Figuren gleiche Bezugslettern verwendet.
In Fig. 1 wird eine allgemeine Methode der Kopplung der Hochfrequenzapparatur an eine Starkstromleitung schematisch gezeigt. Der Hochfrequenzapparat ist über einen geeigneten Transformator T mit einem Kopplungsdraht bzw. Antenne CC'verbunden, wodurch der Hochfrequenzstrom durch elektrostatische Induktion zur Starkstromleitung LL'übersandt wird. Zwecks Vereinfachung der Zeichnung und Beschreibung wurde die Sehwachstromleitung LL1, die gewöhnlich aus mehreren Drähten besteht, als Einzelleiter dargestellt. Der Starkstrom wird an die Leitung LLl am Sendende über einen Transformator geliefert, dessen Impedanz zur Erde mit Z bezeichnet ist. Für die Zwecke der Berechnung wurde die Impedanz zur Erde der Leitung LLl am anderen durch Zo bezeichneten Ende punktförmig verteilt.
Die Leitungsimpedanz ändert sich natütlieh mit der Impedanz. Z und Zo stellen die Impedanzen
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zur Erde bei der verwendeten Trägerfrequenz dar. Für praktische Zwecke wird diese Charakteristik Zo bei Trägerfrequenzen ein reiner Widerstand.
In Fig. 2 wird eine der Fig. 1 ungefähr gleichwertige Einrichtung gezeigt. Die Impedanz, die zurück in den Transformator T gerichtet ist, ist als aus der Induktanz Lj. und Widerstand R bestehend,
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die Kapazität zwischem dem Kopplungsdraht und Erde ist mit 01 bezeichnet und die Impedanz Z des Starkstromtransformators gegen Erde ist als Kapazität Cg bezeichnet, mit einem durch l'bezeichneten, gewöhnlich kleinen Verlust.
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Es ist leicht zu ersehen, dass in Fig. 2 die Leitung von Li nach O2 die Antenne 00'der Fig. 1 darstellt. Die Starkstromleitung LV ist durch den senkrechten Teil von O2 zur Schleife C"i-, Zo dargestellt. Weiters stellt die Linie von dieser Schleife nach R die gemeinsame Erdrückleitung dar.
Für den Stromkreis der Fig. 2 ist die Wirksamkeit durch das Verhältnis des in Zo verwendeten Starkstromes zum gesamten in den Kreis gesandten Starkstrom gegeben. Wenn jetzt die Kapazität und der Verlust des Starkstromtransformators vernachlässigt wird, kann nachgewiesen werden, dass zur Erzielung der Höchstleistung die folgenden drei Bedingungen zu erfüllen sind : Erstens
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wobei R die Widerstandskomponente ist, die in den Transformator T gerichtet ist, und Z die Charakteristik des Starkstromleitungsdrahtes zur Erde ist. Mit anderen Worten, die Widerstandskomponenten der Erzeugerimpedanz und der Verbraucherimpedanz sind gleichzubringen.
Zweitens
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wobei ru gleich ist 2 m mal der Frequenz, bei der die Höchstleistung gewünscht wird. Dies würde der Vernichtung der Reaktanzen, oder, anders ausgedrückt, der richtigen Abstimmung der Schaltunganordnung auf die Betriebsträgerfrequenz gleichkommen. Es kann bemerkt werden, dass die in den obgenannten zwei Bedingungen zum Ausdruck gebrachten Prinzipe in bezug auf Schaltungen im allgemeinen bekannt sind. Demnach ist es allgemein festgestellt, dass die Maximalstromstärke von den Anschlüssen eines Erzeugers, der eine gegebene erzeugte Spannung und einen festgesetzten inneren Widerstand und Reaktanz besitzt, geliefert wird, wenn der äussere Widerstand gleich dem inneren Widerstand ist und die äussere Reaktanz gleich der inneren Reaktanz, jedoch von entgegengesetztem Vorzeichen ist.
Doch wurde die besondere Anwendung dieser Prinzipien zwecks materieller Erhöhung der Wirksamkeit der Kopplung in einem Stromkreis, wie der in Fig. 2, früher nicht beschrieben.
Die dritte Bedingung für die maximale Wirksamkeit besteht darin, dass eine zusätzliche Induktanz L2 (in punktierten Linien dargestellt) parallel mit 01 zu verbinden ist und dass L2 so zu wählen ist, dass
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Die Erfüllung der dritten Bedingung, welche die Anwendung von Mitteln (in Fig. 1 nicht dargestellt) zur Erreichung eines der Resonanz entgegenwirkenden Stromkreises zwischen dem Kopplungdraht und Erde beinhaltet, ist ein Zweck dieser Erfindung.
Die Kapazität des Starkstromtransformators, die vernachlässigt wurde, kann einigen geringen Einfluss auf den Wert der ersten zwei Bedingungen haben, kann aber keinen auf die dritte haben : Vom physikalischen Standpunkt aus genommen, folgt aus der dritten Bedingung, dass dem Kopplungsdraht eine sehr hohe Impedanz gegen Erde gegeben wird, so dass der grösste Teil der Energie den Weg mit niederer Impedanz zur Starkstromleitung nehmen wird.
Diese hohe Impedanz gegen Erde wird dadurch erreicht, dass der Kopplungsdraht mit einem oder mehreren Induktanzelementen z. B. wie L2 und L2'in Fig. 3 belastet wird. Der Abstand zwischen den Belastungspunkten kann je nach der verwendeten Frequenz in der üblichen Weise festgesetzt werden.
Bei dem gewöhnlichen Kopplungsdraht, der elektrisch kurz ist, dürften eine oder zwei Belastungsspulen oder Kunstleitungsgebilde genügen. Die Idee ist, dass die Frequenz, bei welcher die Impedanz der kombinierten Belastung und Kapazität gegen Erde ihren Höchstwert hat, mit der Betriebsfrequenz der Hoch- frequenzapparatur gleichgemacht wird. Dort, wo mehr als ein Kopplungsdraht verwendet wird, ist jeder einzelne zu belasten.
Im Falle es verlangt wird, dass zwei Garnituren Hochfrequenzapparaturen, die mit verschiedenen Frequenzen arbeiten, an den Kopplungsdraht angeschlossen werden sollen, mag es gut sein, die in Fig. 4 gezeigten Belastungsanordnungen zu benutzen. Eswürden in diesem Falle zwei Belastungs- Kunst-
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leitungsgebilde, z. B. wie Kund Kl an den Kopplungsdraht angeschlossen werden. Die Konstanten dieser Kunstleitungsgebilde wären derart zu wählen, dass sie zwei verschiedene, der Rosonanz entgegenwirkende Punkte mit der Kapazität des Drahtes ergeben.
Eine weitere Kopplungsmethode, wobei der Kopplungsdraht CC'am entfernten Ende geerdet ist, ist in Fig. 5 veranschaulicht. Es ist dies natürlich eine Art elektromagnetische Induktion im Gegensatze zu der vorher geschilderten elektrostatischen Methode. Es wird hiebei die Kapazität des Kopplungsdrahtes gegen Erde bewirken, dass der Strom abgezweigt wird und wird die Leitungsfähigkeit der Anordnung durch Erhöhung der Impedanz gegen Erde verbessert, so dass der ganze Strom bei C' zur Erde übertritt. Wie vorhin erwähnt, wird dies durch die Belastungsvorriehtungen L2 und L2'durch- geführt. Kopplungsvorrichtungen, bei welchen eine Kombination von elektrostatischer und elektromagnetischer Kopplung benutzt wird, können in ähnlicher Weise geladen werden.
Das gleiche allgemeine Belastungsschema kann auch auf andere, von den hier beschriebenen abweichende Anordnungen angewendet werden. Wenn z. B. eine metallische Sehleifenantenne anstatt einer solchen mit Erdungsleitung verwendet wird, wird die Kapazität der Antenne noch immer Verluste
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der Kapazität der Kopplungsvorrichtung gegen Erde auszuschalten. Auf jeden Fall ist die Belastung von andern Mitteln wie Abstimmung der Kopplungsvorrichtung, Abgleichung der Impedanzen usw., die ebenfalls zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Systems für eine besondere Frequenz bzw. Frequenzen verwendet werden, gänzlich unabhängig.
Wenn auch beschrieben wurde, dass die Erfindung in gewissen speziellen gut befundenen Einrichtungen zum Ausdruck kommt, ist zu beachten, dass sie in vielen und andern weit abweichenden Formen zum Ausdruck kommen kann, ohne von dem Erfindungsgedanken abzugehen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Kopplung einer Hochfrequenzapparatur an eine Übertragungsleitung mittels einer Kopplungsleitung oder Antenne, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Antenne oder Kopplungsleitung und der Erde eine zusätzliche Impedanz, vorzugsweise Belastungsnaehbildung, eingeschaltet und so bemessen ist, dass ein Zustand einer den genannten Hochfrequenzströmen ungefähr entgegenwirkenden Resonanz geschaffen wird.