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Induktiv belastete Übertragungsleitung
Die Erfindung bezieht sich auf Übertragungsleitungen und betrifft insbesondere ein impedanzanpas- sendes Netzwerk für die Nachbildung des Wellenwiderstandes einer induktiv belasteten Leitung (Pupin- leitung).
Ein Ziel der Erfindung liegt darin, den Wellenwiderstand einer induktiv belasteten Übertragungslei- tung auf einen günstigeren Wert zu transformieren und Reflexionserscheinl1ngen zwischen einer solchen
Leitung und einem damit verbundenen Gerät herabzusetzen. Speziell befasst sich die Erfindung mit der
Aufgabe, die Impedanz einer induktiv belasteten Leitung, die mit einem beliebigen Bruchteil eines vol- len Spulenfeldes endigt, auf einen ungefähr konstanten Widerstand innerhalb eines breiten Frequenzban- des, das sich sowohl oberhalb als auch unterhalb der Grenzfrequenz der Leitung erstreckt, nachzubil- den.
Es ist bekannt, dass der Frequenzgang des Wellenwiderstandes einer induktiv belasteten Übertragungs- leitung, die mit einem Bruchteil eines vollen Spulenfeldes endigt, besonders bei den tiefen Frequenzen und in der Nähe der Grenzfrequenz sehr ungleichmässig ist. Wenn eine solche Leitung an einen Verstär- ker angeschlossen ist, dessen Übertragungsband bis über die Grenzfrequenz der Leitung reicht, muss die
Ausgangsimpedanz des Verstärkers praktisch im gesamten Übertragungsband des Verstärkers an den Wel- lenwiderstand der Leitung angepasst sein, weil ansonsten Reflexionserscheinungen zu einer Pfeifneigung führen würden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird diese Anpassung dadurch erleichtert, dass zwischen dem
Verstärker und der Leitung ein impedanzanpassendes Netzwerk eingeschaltet wird. Die Ausgangsimpedanz des Verstärkers entspricht gewöhnlich einem Wirkwiderstand oder der Serienschaltung eines Wirkwider- standes und einer Kapazität. Das erfindungsgemässe Netzwerk ist geeignet, den. Wellenwiderstand der Leitung so nachzubilden, dass innerhalb des gesamten Übertragungsbandes des Verstärkers eine Impedanzan- passung erhalten wird.
Demnach betrifft die Erfindung eine induktiv belastete Übertragungsleitung, die auf einer Seite mit weniger als einem vollen Spulenfeld endigt und mit einem impedanzanpassenden Netzwerk verbunden ist, wobei die Leitung in gleichmässigen Abständen Belastungsinduktivitäten L enthält und je Spulenfeld eine verteilte Querkapazität C aufweist.
Erfindungsgemäss enthält das impedanzanpassende Netzwerk einenLängsimpedanzzweig und eine Querkapazität am Verbindungspunkt des Netzwerkes mit der Leitung, wobei der Längsimpedanzzweig aus einer Induktivität und einer dazu parallelgeschalteten Serienschaltung einer Kapazität und eines Wirkwiderstandes besteht und die Werte der einzelnen Schaltelemente des Längsimpedanzzweiges in bezug auf L und C so bemessen sind, dass diese Schaltelemente den Wellen widerstand der Leitung innerhalb eines breiten Frequenzbandes, das sich sowohl oberhalb als auch unterhalb der Grenzfrequenz der Leitung erstreckt, nachbilden und auf einen ungefähr konstanten Wirkwiderstand ergänzen.
In der einfachsten Form ist ein impedanzanpassendes Netzwerk gemäss der Erfindung geeignet, die Impedanz einer induktiv belasteten Leitung, die mit einem vollen Spulenfeld endigt, nachzubilden ; das Netzwerk besteht dann bloss aus einem Längsimpedanzzweig. Dieser Längszweig enthält eine Längsinduktivität, zu der parallel die Serienschaltung eines Widerstandes und einer Kapazität liegt. Die Werte dieser Schaltelemente müssen in einer bestimmten Beziehung zur Induktivität und zur Kapazität je Spulen-
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feld der Leitung stehen, um beste Konstanz des Wirkwiderstandes bei minimaler Dämpfung zu erzielen. Wenn die Leitung anders als mit einem vollen Spulenfeld endigt, wird eine Querkapazität in eine Ader der Leitung eingeschaltet.
Falls erforderlich, kann zur Korrektur bei den tiefen Frequenzen noch ein Querimpedanzzweig auf einer Seite des Längsimpedanzzweiges zugeschaltet werden. Gegebenenfalls kann ferner auf der leitungsfernen Seite auch ein Widerstand zugeschaltet werden, um die Nachbildungsimpedanz zu erhöhen ; auch kann ein solcher Widerstand auf der leitungsnahen Seite zur Verbesserung des Fre- quenzganges angewendet werden.
Die Erfindung und weitere Ziele und Merkmale derselben sollen nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Ausftlhrungsbeispielen genauer erläutert werden. Fig. 1 zeigt im Schaltschema, wie das impedanzanpassende Netzwerk mit der induktiv belasteten Leitung verbunden wird. Die Fig. 2 und 3 sind Schaltbilder verschiedener Netzwerke gemäss der Erfindung. Fig. 4 zeigt vergleichsweise die Frequenzgänge des Wellenwiderstandes einer Leitung allein und der Eingangsimpedanz einer mit dem erfindungsgemässenNetzwerk kombinierten Leitung. Fig. 5 zeigt die Wirk- und Blindanteile der Impedanz bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 6 stellt schliesslich die Einfügungsdämpfung der erfindungsgemä- ssen Netzwerke dar.
Gemäss Fig. 1 ist ein impedanzanpassendes Netzwerk (Vierpol) zwischen einer Signalquelle 9 und einer Übertragungsleitung, insbesondere einem Kabel 10 eingeschaltet, das mit einer Verbraucherimpedanz 11 angepasst abgeschlossen ist. Die Übertragungsleitung 10 ist in Abständen S mit Induktivitäten L belastet. Jede Induktivität L ist auf zwei gleiche Längsspulen aufgeteilt, die je in einer Ader der symmetrierten Leitung liegen. Jedes Spulenfeld der Leitung von der Länge S hat eine verteilte Querkapazität C.
Die Signalquelle 9 kann beispielsweise ein Verstärker der mit negativem Widerstand arbeitenden Type sein.
Die Fig. 2 und 3 zeigen schematisch zwei Ausführungsformen des Netzwerkes 8 gemäss der Erfindung.
Die Klemmen 13, 14, 15 und 16 entsprechen den gleich bezeichneten Klemmen in Fig. 1. Jedes Netzwerk enthält zwei gleiche Längsimpedanzzweige 18 und 19 in jeder Ader. Jeder dieser Längsimpedanzzweige besteht aus einer Induktivität vom Werte L/2, zu der parallel die Serienschaltung eines Widerstandes vom Werte R./2 und einer Kapazität vom Werte 2C1 liegt. Falls die Leitung unsymmetrischseindarf, kann der Zweig 19 entfallen, wobei die Impedanz jedes der Schaltelemente im Zweig 18 zu verdoppeln ist.
Fig. 4 stellt den typischen Frequenzgang des Wellenwiderstandes der Leitung 10 für den Fall dar, dass die Leitung mit einem vollen Spulenfeld endigt. In diesem Beispiel bestehen die Leitungsadern aus Kupferdrähten mit einem Durchmesser von zirka 0,8 mm, S beträgt 1830 m, L beträgt 0,088 Henry und C
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zirka 400 Ohm. steigt dann aber bis etwa zur Grenzfrequenz fc auf zirka 900 Ohm an, um sodann langsam wieder abzusinken. Wenn die Quellenimpedanz 9 durch einen Verstärker gebildet wird, dann muss eine gute Impedanzanpassung an die Leitung 10 innerhalb des gesamten Übertragungsbandes des Verstärkers gesichert werden, da-
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Um diesen Anpassungsvorgang zu erleichtern, sind die Schaltelemente des Netzwerkes 8 in bezug auf L und C so bemessen, dass sie den Wellenwiderstand der Leitung 10, wenn diese mit einem vollen Spulenfeld endigt, innerhalb des Übertragungsbandes des Verstärkers 9 besser einem konstanten Wirkwiderstand angleichen. Die Beendigung der Leitung mit einem vollen Spulenfeld wird unterstellt, weil ein Netzwerk, das zur Nachbildung einer solchen Leitung geeignet ist, in einfacher Weise auch für Leitungen modifiziert werden kann, die mit einem Bruchteil eines vollen Spulenfeldes endigen, indem als Spulenfeldergänzung, wie nachfolgend noch erläutert wird, eine Querkapazität hinzugefügt wird.
Aus der Kurve 20 ist erkennbar, dass zur Erzielung eines konstanten Wirkwiderstandes von etwa 0, 5 bis 7 kHz ein Wirkwiderstand zugeschaltet werden muss, der von einem niedrigen Wert bei den tiefen Frequenzen allmählich auf etwa 1000 Ohm etwas oberhalb von fc ansteigt, um sodann diesen Wert bei den höheren Frequenzen beizubehalten. Ferner erkennt man aus der Kurve 21, dass zur Beseitigung des negativen Blindwiderstandes in diesem Bereich ein positiver Blindwiderstand mit einer breiten Kuppe in der Nähe von fc hinzugeschaltet werden muss.
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Die dargestellten Längsimpedanzzweige 18 und 19. eignen sich optimal für die Erzeugung dieser Frequenzgänge von Wirk-und Blindwiderständen. Die Werte von LI, Cl und Rllassen sich dabei direkt aus den Leitungskonstanten L und C errechnen. Hiebei ergeben sich aber zwei einander widerstreitende Forderungen. Die eine besteht darin, dass die Einfügungsdämpfung des Netzwerkes 8 in der Nähe von fc niedrig gehalten werden soll ; die andere besteht darin, dass der Wirkwiderstand der Leitungsnachbildung so konstant wie möglich sein soll.
Der beste Kompromiss ergibt sich, wenn diese Schaltelemente ungefähr die folgenden Werte haben :
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Im vorstehend angegebenen Beispiel ergeben sich dann für diese Schaltelemente die Werte
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Es versteht sich, dass einige oder alle dieser Werte von den angegebenen Optimalwerten etwas ab-
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In Fig. 5 gibt die Kurve 30 den frequenzabhängigen Wirkwiderstand und die Kurve 31 den frequenzabhängigen Blindwiderstand eines Längsimpedanzzweiges an, in dem die Werte LI'Cl und R den Formeln (4), (5) und (6) entsprechen. Die gestrichelten Kurven 23 und 24 in Fig. 4 geben denFrequenzgang des Wirkwiderstandes bzw. desBlindwiderstandes an, der erhalten wird, wenn ein Netzwerk 8 nur durch solche Längsimpedanzzweige gebildet und in Kettenschaltung mit der Leitung 10 verbunden ist. Man erkennt, dass der Wirkwiderstand zwischen 0,5 und 7 kHz ziemlich konstant und der Blindwiderstand stark vermindert ist.
Die Einfügungsdämpfung des auf diese Weise gebildeten Netzwerkes, welche durch die voll ausgezogene Kurve 25 in Fig. 6 angegeben wird, ist unter 3 kHz wesentlich geringer als 2 Dezibel. Zum Vergleich sei erwähnt, dass ein volles Spulenfeld der beispielsweise angegebenen Leitung in diesem Frequenzbereich eine Dämpfung bewirkt, die zwischen 1/2 und 1 Dezibel liegt.
Wenn das Netzwerk 8 in Verbindung mit einer Leitung benutzt werden soll, die mit einem Bruchteil X eines vollen Spulenfeldes endigt, so muss eine Querkapazität C, am Leitungsende zugeschaltet werden. Diese Querkapazität ergänzt das unvollständige Spulenfeld und hat den Wert C = C (l-X). (7)
Wenn X klein ist, d. h. etwa 0,2 oder weniger beträgt, so kann die Nachbildungsimpedanz durch Einschaltung eines Serienwiderstandes R, in jede Leitungsader verbessert werden. Die Aufgabe dieser Serienwiderstände liegt darin, den Wirkwiderstand zu ergänzen, der in dem fehlenden Leitungsabschnitt
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ge S ist. Im Falle eines unsymmetrischen Netzwerkes kann einer der Widerstände R entfallen und der Wert des verbleibenden Widerstandes verdoppelt werden.
Aus Zweckmässigkeitsgründen können C. und R. veränderbar gemacht werden,.. ras in den Fig. 2 und 3 durch Pfeile angedeutet ist.
Der Wirkwiderstandsgang 23 kann bei Frequenzen unterhalb 1 kHz durch den Zusatz einer Tieffrequenzkorrektur weiterhin abgeflacht werden. In Fig. 2 hat dieses Korrekturglied die Form eines Querimpedanzzzweiges 27, der sich am leitungsfernen Ende der Längsimpedanzzweige 18 und 19 befindet. Wenn die Quelle 9 eine Blindwiderstandskomponente hat, so kann dieser Zweig auch dazu verwendet werden, den Blindwiderstandsgang 21 so zu verbessern, dass eine bessere Anpassung erhalten wird. Der Querzweig 27 enthält einen Widerstand lez eine Kapazität C und eine Induktivität L2, die in Serie geschaltet sind.
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Die Schaltelemente L2 und C kommen bei einer niedrigen Frequenz fr, die im allgemeinen unter 0, 3 kHz liegt, in Resonanz. Der Wert von Ruz wired so gewählt, dass die erforderliche Dämpfung zustandekommt. Im vorliegenden Beispiel ist angenommen, dass die Quelle 9 ein Relaisverstärker der mit negativem Widerstand arbeitenden Type ist, dessen Ausgangsimpedanz durch einen Wirkwiderstand von 900 Ohm in Serie mit einer Kapazität von 2 Mikrofarad dargestellt werden kann. Die Frequenz fr wird sodann mit 0,203 kHz gewählt. Die einzelnen Schaltelemente haben die folgenden Werte : L2 = 1, 08 Henry (9) C2 = 0, 5 Mikrofarad (10) R = 3400 Ohm (11) Nach Zuschaltung des Querzweiges 27 haben die Wirk- und Blindkomponenten der Anpassungsimpedanz den in Fig. 4 durch die punktiert gezeichneten Kurven 32 bzw. 33 dargestellten Frequenzgang.
Etwas oberhalb 1 kHz treffen diese Kurven mit den Kurven 23 bzw. 24 zusammen. Wie durch die gestrichelte Linie 34 in Fig. 6 angegeben wird, wächst die Dämpfung des Netzwerkes 8 besonders bei Frequenzen unter 1 kHz durch die Zuschaltung des Querzweiges 27 etwas an.
Wenn die Impedanz der Quelle 9 ein reiner Wirkwiderstand von 900 Ohm ist, kann L auf etwa 0,84 Henry und R, auf etwa 1800 Ohm vermindert werden.
Die Zuschaltung der Kapazität C2 hat den Zweck, die Impedanz des Querzweiges so hoch zu machen, dass eine gute Übertragung der sehr niederfrequenten Wählimpulse und der Überwachungssignale über das Netzwerk 8 gewährleistet wird. Wenn diese Art der Signalgebung an der Leitung 10 nicht angewendet wird, kann C, auch entfallen, wodurch die Nachbildungsimpedanz bis zu Frequenzen von 0,01 kHz und tiefer herab besser konstant wird und die Eigenschaft eines reinen Wirkwiderstandes annimmt.
Praktisch die gleiche Korrektur im Tieffrequenzbereich kann gemäss Fig. 3 mit Hilfe eines ähnlichen Querzweiges 28 auf der leitungsnahen Seite der Längszweige 18 und 19 erzielt werden. Für beste Ergebnisse sollen hiebei die Werte des Widerstandes, der Kapazität und der Induktivität im Querzweig etwas gegenüber den vorstehend für R , C und L2 angegebenen Werten geändert werden.
Die Schaltelemente R, C und L sind zweckmässig veränderbar, wie dies in üblicher Weise in der Zeichnung angedeutet worden ist.
Falls eine Nachbildungsimpedanz mit einem Wirkwiderstand gewünscht wird, der grösser als der durch die Kurve 23 angedeutete ist, so können gemäss den Fig. 2 und 3 gleiche Längswiderstände R in beide Adern der Leitung eingefügt werden.
Es versteht sich, dass die beschriebenen Ausführungsbeispiele nur die Anwendung der erfindungsgemässen Prinzipien erläutern sollen und im Rahmen der Erfindung noch verschiedene Abwandlungen zulassen.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Induktiv belastete Übertragungsleitung, die auf einer Seite mit weniger als einem vollen Spulenfeld endigt und mit einem impedanzanpassenden Netzwerk verbunden ist, wobei die Leitung in gleichmässigen Abständen Belastungsinduktivitäten L enthält und verteilte Querkapazitäten C je Spulenfeld aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das impedanzanpassende Netzwerk (8) einen Längsimpedanzzweig (18 ; bzw. 18, 19) und eine Querkapazität (C) am Verbindungspunkt des Netzwerkes (8) mit der Leitung (10) enthält, wobei der Längsimpedanzzweig auf einer Induktivität (L, bzw. L/2) und einer dazu parallelgeschalteten Serienschaltung einer Kapazität (C bzw. 2Cl) und eines Wirkwiderstandes (R bzw.
R,,/2) besteht und die Werte der einzelnen Schaltelemente des Längsimpedanzzweiges in bezug auf L und C so bemessen sind, dass diese Schaltelemente den Wellenwiderstand der Leitung innerhalb eines breiten Frequenzbandes, das sich sowohl oberhalb als auch unterhalb der Grenzfrequenz (fc) der Leitung erstreckt, nachbilden und auf einen ungefähr konstanten Wirkwiderstand ergänzen.