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Verstärker.
Die Erfindung betrifft Verstärker, bei denen Energie vom Ausgang zum Eingang eines Verstärkers in entgegengesetzter Phase zurückgeführt wird, und insbesondere solche Verstärker, bei denen durch eine derartige Rückkopplung ein Ausgleich der Dämpfung einer Übertragungsleitung erreicht wird.
Gemäss der Erfindung wird bei einer Sendeanlage bei einem Verstärker Energie vom entfernten Ende der Leitung zum Verstärkereingang phasenverkehrt zurückgeführt und dadurch die Dämpfung, herrührend von einem Teile des Übertragungsweges, durch einen gleichen Leitungsweg im Rückkopplungskreis ausgeglichen.
Die dem Eingang des Verstärkers aufgedruckte Spannung V kann als aus zwei Teilen bestehend angesehen werden : Vu, dise zu verstärkende Spannung, und V2, die vom Ausgang zurüekgeleitete. Die Spannung V wird beim Ausgang pY, und die zurückgeleitet Spannung ist jiss7, was als Definition von jj, und ss dient, die beide komplexe Grössen, enthaltend Grösse und Phase, sind.
Es lässt sich zeigen, dass die Spannung am Ausgang des Verstärkers mit Rückkopplung gleich ist
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gangsspannung ist im wesentlichen unabhängig von jj. und hängt hauptsächlich vom Grad der Rückkopplung zwischen Ausgangs-und Eingangskreis ab.
Es ist bekannt, die Dämpfung einer Leitung dadurch auszugleichen, dass man in die Leitung ein Netzwerk mit einer Übertragungscharakteristik schaltet, die komplementär zu jener der Leitung ist. Es wurde schon vorgeschlagen, diesen Ausgleich mit Hilfe von Verstärkerkreisen der Art, auf die sich die Erfindung bezieht, vorzunehmen, bei denen ein Netzwerk mit einer Übertragungscharakte- ristik gleich jener der Leitung in den Rückkopplungsweg geschaltet wird. Aus obiger Gleichung ist zu ersehen, dass die Verstärkung des Verstärkers gleich ist dem negativen reziproken Wert der durch ein solches Netzwerk verursachten Amplituden-und Phasenänderung.
Bei der Erfindung wird die Schwierigkeit, ein solches Netzwerk (Ersatzleitung, Nachbildung) herzustellen, das die Übertragungscharakteristik der Leitung genau wiedergibt, vermieden, und die Amplituden-und Phasenänderung, die durch einen Teil der Ubertragungsleitung entsteht, wird durchgleiche, in einem andern gleichartigen Teil der Leitung hervorgerufene Änderungen ausgeglichen.
Die Erfindung und ihre Verwirklichung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert, die schematisch Leitungskreise darstellen, auf die die Erfindung Anwendung finden kann./ Fig. 1 und 3 stellen mit Verstärkern versehene Kabelleitungen dar, bei denen die Rückkopplung für ein Kabeladernpaar durch ein benachbartes Adernpaar erfolgt. Fig. 2 stellt eine andere Ausführungsform dar, bei der der Rückkopplungsweg für die in entgegengesetzter Richtung arbeitenden Verstärker gemeinsam ist. Fig. 4 zeigt eine Leitung, bei der die Rückkopplung auf einem Teil des Übertragungsweges stattfindet. Die Fig. 4 a, 4 b und 4 c zeigen, wie Leitungsreflexionen für die später beschriebenen Zwecke erhalten werden. Fig. 5 ist eine Erweiterung der Schaltung der Fig. 4 zur Erläuterung. Fig. 5 a und 5 b sind Teile der Schaltung in Fig. 5.
Fig. 6 stellt eine kombinierte aus Fig. 5 abgeleitete Schaltung dar. Fig. 7 ist eine weitere Schaltung zur Erläuterung und Fig. 8 aus ihr ab-
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geleitet. Fig. 9 ist eine andere Form von Fig. 8. und Fig. 9 b zeigt eine Teilanordnung zur Schaltung der Fig. 9. Fig. 10 zeigt die Erfindung auf eine sehr lange Übertragungsleitung angewendet, wobei gewöhnlich übermässige Eehowirkung auftreten würde, und die Fig. 6 a, 8 a und 9 a sind schematische Darstellungen der Fig. 6,8 und 9.
Fig. 1 zeigt eine Übertragungsleitung, die zu einem Kabel- Trägerstrom- Telephonie-System gehören kann, bei dem das Kabel eine grosse Anzahl von Adernpaaren enthält. Es sind drei Ver-
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verstärker angesehen werden und 2 als Hilfsverstärker, der gegebenenfalls weggelassen werden kann.
Die Ausgangsenergie des Verstärkers 1 wird über ein Adernpaar zur Station B gesandt. Beim Eingang dieser Station ist eine abgeglichen Brücke W4 mit diesem Adernpaar verbunden, wodurch ein Teil der Energie abgenommen und über ein anderes Adernpaar zum Eingang des Verstärkers 1, u. zw. über die andere abgeglichen Brücke W1, zurÜckgeleitet wird. Die geschlossene Rückkopplung- schleife des Verstärkers 1 enthält daher in dem in der Richtung der Übertragung, d. i. A-D, sendenden Teil die Verstärkerelemente des Verstärkers und den Teil eines die Stationen i und B verbindenden Adernpaares und enthält in ihrem Rückleitungsweg den Teil eines andern Adernpaares, das dieselben Stationen verbindet.
Die Station B liegt in der Mitte zwischen den Stationen A und C, so dass der Rückleitungsweg den ganzen Weg, d. h. die Entfernung zwischen den Stationen A und C, umfasst. Es wird daher, wenn
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winkel von 180 .
Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit den beiden in entgegengesetzter Richtung übertragenden Verstärkern 1 und 2. Die in den beiden Senderichtungen einlangenden Wellen sind zu beiden Seiten des Verstärkers durch die üblichen Differentialtransformatoren 75 und 76, im folgenden kurz Gabelspulen"genannt, voneinander getrennt. Die geschlossene Rückleitungsschleife für den Verstärker 1 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 1 durch die Gabelspule 76 verbunden und setzt sieh durch ein Adernpaar 5 zum Punkt B fort, der auf halbem Weg zwischen der dargestellten und der nächsten Verstärkerstation liegt. In B ist das Adernpaar 5 aufgetrennt und mit einem andern Adernpaar 5 a verbunden, über das die geschlossene Rüekleitungssehleife zur Gabelspule 75 fortgesetzt wird, die zum Eingang des Verstärkers 1 führt.
Die gleiche geschlossene Rüekleitungsschleife dient auch für den Verstärker 2, da sie durch die Gabelspule 75 mit seinem Ausgang und durch die Gabelspule 76 mit seinem Eingang verbunden ist. Dieser Rüeldeitungsweg für die Verstärker 1 und 2 dient auch als
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Fig. 3 zeigt eine abweichende Ausführung der Fig. 1, bei der eine Rückleitungssehleife b bei der Station B mit dem Ausgang des Verstärkers 2 verbunden ist. Offenbar ist dies bloss ein Äquivalent zu der Anordnung, die Verstärker 1 und Verstärker 2 enthält, und der Stromverlauf wird der gleiche sein, wenn die beiden Teile 1 und 2 des Verstärkers beide in A oder beide in B liegen oder, wie in der Darstellung, räumlich getrennt sind.
Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal kann ein besonderes Leiterpaar zur Herstellung der Rückleitungsschleife dadurch erspart werden, dass man dasselbe Leiterpaar zur Durchführung der Funktionen der beiden Paare a und b in Fig. 3 verwendet. Dies erreicht man, wie Fig. 4 zeigt, indem man mit diesem einen Paar über paarweise verbundene Zweige für die beiden getrennten Funktionen zusätzliche Wheatstone-Brüeken W2 und W3 an jedem Ende des Paares verbindet. Diese Brücken 1r2
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gehörigen Brückenarme der Wheatstone-Brücke an den gewünschten Stellen eine Trennung der direkten Sendung von der Rückkopplungsleitung gestatten.
Die Einführung der beiden zusätzlichen Brücken W2 und W3, die erste nach dem Verstärker 1 und die zweite vor dem Verstärker 2, hat einen weiteren Verlust im Rückkopplungskreis herbeigeführt, so dass die resultierende Verstärkung grosser geworden ist. Deswegen müssen zusätzliche Verluste herbeigeführt werden, um die Leitungen auf demselben Energiepegel zu halten wie vorher, und dies geschieht durch die zusätzlichen Brücken. 14 und 15, die nur für Dämpfungszwecke dienen. Es können an Stelle dieser Brücken auch andere Dämpfungsmittel verwendet werden, wie z.
B. der Widerstand r der Fig. 4 a, es ist jedoch erwünscht, dass das Dämpfungsmittel die Konstanten des Stromkreises, mit dem es verbunden ist, so genau als möglich wiedergibt, und dies erreicht man am besten durch die Brückenanordnungen 14 und 15.
In diesem Zustand ist die Leitung von A bis C im wesentlichen ausgeglichen, denn wenn irgend-
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Abschnittes der Leitung sowohl zur Sendung als auch zur Rückleitung, wobei gleichzeitig das Zugehörigkeitsverhältnis zwischen diesen Wegen aufrechterhalten wird, wie Fig. 5 zeigt. Die Kombination kann so aufgefasst werden, dass die Ausgangsklemmen des Verstärkers in A mit den Eingangsklemmen der Brücke verbunden werden, aber an zwei Stellen, die bezüglich der Eingangsklemmen konjugiert sind. Bei dieser Vereinigung werden auch einige Widerstände überflüssig.
Die Schaltung in Fig. 6 wirkt ebenso wie Fig. 5, soweit es die Verstärkung und Verluste in den verschiedenen Teilen der Schal-
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Abschnitt in Fig. 6 kann in vereinfachter Form durch Fig. 6 a dargestellt werden, und daraus lassen sich die Beziehungen zwischen den einzelnen Brückenzweigen leichter erkennen.
Verschiedene andere Formen der beschriebenen Schaltungen sind möglich und bieten verschiedene Vorteile. Es wurde z. B. oben angenommen, dass die Impedanzelemente der Brücken und die Eingangs-und Ausgangsimpedanzen der Verstärker je der charakteristischen Impedanz der Leitung gleich sind, zumindest in dem benutzten Teil des Frequenzbereiches. In der Praxis wird angestrebt, dass so weit als möglich diese Impedanzen reine Widerstände sein sollten, die gleich einem geeigneten Werte, wie z. B. dem asymtotischen Wert der Kabelimpedanz, sind. Aus Fig. 6 a ist jedoch aus den Impedanzen L'und L" ersichtlich, dass die Brückenimpedanzen nicht als reine Widerstände ausgeführt werden können und trotzdem die Brücke abgleichen.
Wenn die Verhältnisse genau abgestimmte Kreise zwischen den einzelnen Teilen nicht erfordern, d. h., wenn man die Brücken jener Funktionen entheben kann, die von den Brücken t und und in Fig. 1, 3 und 4 versehen werden, dann ist nur ein Impedanzzweig in jeder Brücke erforderlich, der kein reiner Widerstand ist. Auf dieser Grundlage kann die Schaltung der Fig. 5 in die Anordnung der Fig. 7 übergeführt werden und Fig. 6 in die der Fig. 8. Fig. 7, in der die Brücke keinen Zweck hat, bildet die Übergangsform zu Fig. 8.
Diese erhält man wieder durch Vereinigung der Brücken in einem Punkt, z. B. i, zu einer einzigen Brücke, wobei die Ausgangsklemmen des Verstärkers herausgeführt und mit den zwei Stellen der Eingangsbrüeke verbunden werden, die mit den Eingangsklemmen in Verbindung stehen. In Fig. 8 braucht die Station D keine Brücke. Es genügt, statt dessen eine vollständige Reflexion der Wellen vorzusehen, es kann dann das Empfangselement keine wesentliche Energiemenge aufnehmen. Ob man diese Reflexion durch Unter- brechung des Stromkreises oder durch Kurzschluss erhält, hängt davon ab, ob eine Phasenverschiebung von 1800 zusammen mit der Reflexion an dieser Stelle erwünscht ist oder nicht.
Eine Unterbrechung ergibt keine Phasenverschiebung bei der Reflexion, soweit die Spannungswelle in Betracht kommt, während ein Kurzschluss eine Phasenverschiebung von 1800 ergibt. Ob diese Phasenverschiebung erwünscht ist oder nicht, hängt vom Bau des Verstärkers in der Station C ab und von seiner Verbindung mit der Brücke an dieser Stelle. Es sollte eine reine Phasenverschiebung von 1800 im Rückleitungs- weg stattfinden.
Zufolge Fig. 8 sind die beiden Leitungsabschnitte an jeder Seite des Verstärkerteiles parallel geschaltet, so dass sie einen Impedanzzweig in der Wheatston-Brücke bilden ; eine schematische Darstellung des Stromkreises für einen einzelnen Abschnitt mit seinem Verstärkerstromkreis gibt Fig. 8 a, die das Verhältnis zwischen den Brückenelementen klar darstellt. Da die beiden Abschnitte L'und L" parallel liegen, würde der Widerstand oder die Impedanz der andern dargestellten Elemente durch zwei zu dividieren sein, um den Wert zu erhalten, den sie in Fig. 6 oder 6 a haben.
Statt die beiden Leitungsabschnitte auf jeder Seite des Verstärkers parallel zu verbinden, ist es möglich, sie in Reihe zu schalten ; dies zeigt Fig. 9. Das entsprechend vereinfachte Schema zeigt Fig. 9 a, und offenbar müssen die Widerstandselemente den doppelten Wert haben wie in Fig. 6 a.
Während bisweilen die Anordnung der Fig. 9 gewisse Vorteile hat, ist, wie man sieht, die Leitung hier unausgeglichen und daher Störungen mehr unterworfen. Dies kann jedoch durch Transformatorverbindungen Tr, Tr zwischen dem Verstärker und der Leitung selbst nach Fig. 9 b behoben werden.
Bezüglich der Abstände zwischen den Verstärkern wurde nichts ausgesagt, und es soll auch im Rahmen der Erfindung diesbezüglich keine Beschränkung auferlegt werden. Im allgemeinen wird der Abstand durch die Phasenverschiebung, die bei solchen Leitungen auftritt, beschränkt sein, und diese Phasenverschiebungen können weitgehend mit Hilfe von zusätzlichen Netzwerken verschiedener Art geregelt werden, die an geeigneten Stellen, z. B. wie bei Z im Rückleitungskreis der Fig. 4, angeschlossen sind. Es kann auch angezeigt sein, gewisse zusätzliche Rückkopplungen zu verwenden, wie sie im Zusammenhang mit solchen Schaltungen bekannt sind.
Ein wesentliches Merkmal aller vorgeschlagenen Schaltungen ist, dass ein bestimmter Abschnitt
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im Rückkopplungsstromkreis ausgeglichen wird. Dies bringt mit sich, dass die Längen der Abschnitte gleichmässig und die Leitungscharakteristiken im wesentlichen die gleichen sein sollen. Anderseits werden für die Fig. 1, 3 und 4 die Verstärkungseinstellungen und der Ausgleich der Verstärker nicht vollkommen selbsttätig sein. Bei den Einrichtungen nach Fig. 6,8 und 9 wird jedoch die Gesamtverstärkung und der Ausgleich noch selbsttätig eingestellt werden, obwohl dies für die Ausgangspegel längs der Leitung nicht genau zutrifft.
Ferner würde, wenn benachbarte Abschnitte nicht gleichmässig den Witterungseinflüssen ausgesetzt sind, d. h. im extremen Fall, dass ein Abschnitt ein Erdkabel
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und der andere eine Freileitung ist, die resultierende Verstärkung und der Ausgleich sieh noch immer selbsttätig einstellen, aber die Ausgangspegel könnten nur unvollkommen eingestellt werden.
In dieser Beschreibung wurde angenommen, dass die Gesamtverstärkung eines Rückkopplungsverstärkers gleich ist dem Verlust im Rüekkopplungskreis. Dies stimmt jedoch nur für den Fall, dass u, ss sehr gross ist gegen 1. Sonst wird die Verstärkung durch folgende Formel ausgedrückt :
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In den Schaltungen der Fig. 6, 8 und 9 wird diese Abweichung von dem einfachen Verhältnis in aufeinanderfolgenden Abschnitten der Leitung im wesentlichen ausgeglichen. So wird z.
B. in Fig. 5 a die Verstärkung zwischen den Punkten I und II etwas geringer sein als der Verlust in der Schleife C-D-C. Daher wird in Fig. Ï b der reine Verlust in der Schleife B-C-B entsprechend grösser sein als der Verlust eines einzigen Abschnittes B-C. Die Verstärkung ohne diesen Einfluss zwischen den Punkten IV und V wäre daher grösser als der Verlust im Abschnitt B-C. Der Einfluss bringt jedoch die Verstärkung auf den Verlust zurück. Ein ähnlicher Ausgleich findet in allen andern Abschnitten der Leitung statt.
Offenbar werden in den Anordnungen nach Fig. 6,8 und 9 Unregelmässigkeiten im Kabelstromkreis oder an anderer Stelle Reflexionen und daher Eehowege verursachen, die anders sind als jene, für die das System entworfen wurde, und diese Eehowege können, infolge des Umstandes, dass die Leitung als solche für einen Verlust oder eine Verstärkung von annähernd Null eingestellt ist, beträchtlich werden. Um solche Echowege zu sperren, kann die ganze Leitung in mässig lange Abschnitte durch die Anbringung von Vierdrahtverstärkern unterteilt werden, wie Fig. 10 zeigt.
Darin erscheinen die üblichen Vierdrahtendapparate in den Punkten T verwendet, und jeder der Abschnitte H der
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leitung nur in einer Richtung gestatten, dabei wäre aber in einem dieser grösseren Abschnitte Gegensprechen zwischen Stellen, die zwischen je zwei Vierdrahtverstärkern liegen, möglich.
Hinsichtlich der Rückkopplung wird darauf hingewiesen, dass für die Phasenverschiebung entlang dem jjLss-Weg die Stabilitätsbedingungen erfüllt sein sollen, d. h. die Phasenverschiebung der Wellen über diesen Weg sollte nicht Null sein für irgendeine Frequenz, für die grösser ist als 1. Diese Bedingung kann dadurch erfüllt werden, dass der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Verstärkern genügend klein gehalten wird, oder durch die Verwendung verschiedener Arten von Netzwerken in der Leitung.
In der Beschreibung wurde stellenweise auf Ausgleichsbrücken Bezug genommen. Diese Art von Brücken eignet sieh am besten für die Erläuterung der Wirkungsweise und wird gewöhnlich in der Praxis verwendet. Offenbar wirken auch Brücken mit andern als Ausgleiehsverhältnissen zufriedenstellend und wären bisweilen vorzuziehen.
Es sind ausser den beschriebenen zahlreiche andere Ausführungsformen der Erfindung möglich, die innerhalb des Schutzbereiches der Ansprüche fallen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Verstärkung elektrischer Wellen, bei der Wellen vom Ausgang zum Eingang des Verstärkers phasenverkehrt zurückgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Rückleitungsweg einen Stromkreis umfasst, der in einer Richtung zu einem Punkt (B) führt, der in be-
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tung zum Verstärkereingang zurückführt, wobei die Verstärkung durch die Rückkopplung so beeinflusst wird, dass sie die Wirkung der Übertragungseharakteristik eines Leitungsabschnittes, der gleich ist der doppelten Entfernung zwischen dem Punkt (I) am Verstärkereingang und dem davon entfernten Punkt (B), ausgleicht.