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Kettenverstärker
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undguren dienen der D. ; n) onstration der Wirkungsweise des Kettenverstärkers, wobei das Verhalteu eines bei EL eingespeisten nach Betrag und Phasenlage in jedem der Anschlusspunkte betrachtet und mittels Zeigerdiagrammen dargestellt ist. Die an die vier Endpunkte EL, ER und AL, AR anschliessenden passiven Halbglieder der Kettenleiter haben nur halb so grosse Phasendrehungen des Signals zur Folge, wie sie z. B. zwischen El und E2 oder zwischen andern Anschlusspunkten auftreten, was die Betrachtung der wesentlichen Vorgänge zwischen den aktiven Kettengliedern mit den Verstärkerelementen VI-V4 unnötig erschwert. Es werden daher die Anschlusspunkte El und Al bzw.
E4 und A4 so gewertet, als ob dort die eigentlichen Eingangs- bzw. Ausgangsspannungen auftreten würden. Diese Vereinfachung ist zulässig, weil sie das Prinzip der zu erläutertenden Wirkungsweise des Kettenverstärkers nicht beruht.
Gemäss Fig. la treffe in El ein Signal SI einer bestimmten Frequenz mit der phasenlage ru = 00 ein. Dieses Signal pflanzt sich in zwei Richtungen fort, nämlich im Eingangskettenleiter nach E2 als Signal S2, dessen Phase nach dem Passieren des ersten Kettengliedes um den Winkel (, (, gedrehet wurde, und nach Al ohne Phasendrehung als verstärktes Signal SV1. Hiebei ist ebenso wie in der weiteren Folge bei der Fortpflanzung der Signale durch die Kettenglieder vorausgesetzt, dass jedes Kettenglied eine Drehung der Phasenlage des von ihm weitergeleiteten Signals jeweils um den gleichen Winkel rp unabhängig von der Richtung der Weiterleitung bewirkt. Ebenso ist vorausgesetzt, dass die Kettenglieder praktisch dämpfungsfrei sind, so dass die Amplitude des Signals nicht verändert wird.
Schliesslich ist angenommen, dass die Verstärkung eines jeden Verstärkerelementes VI-V4 ohne Phasendrehung stattfindet und etwas kleiner als eins ist, um zu zeigen, dass bei Kettenverstärkern trotzdem eine Gesamtverstärkung erfolgt, die wesentlich über dem Betrag"eins"liegen kann. Auch diese vereinfachenden Annahmen sind zur Klärung der Wirkungsweise eines Kettenverstärkeis zulässig, weil sie keine prinzipiellen Änderungen dieser Wirkungsweise zur Folge haben und weil sie. den tatsächlich im Verstärker ablaufenden Vorgängen sehr nahe kommen.
Unter diesen Voraussetzungen gelangt gemäss Fig. la das von VI phasengleich verstärkte Signal SV1 durch das erste Glied des oben befindlichen Ausgangskettenleiters von Al nach A2, wobei e ebenso wie das in E2 einlangende Signal S2 um den Phasenwinkel ''gedreht wird. Das Si- gnal S2 von E2 wird von V2 phasengleich verstärkt und addiert sich als Signal SV2 zu dem aus Al eingetroffenen Signal SV1. Da diese beiden Signale gegenüber den ursprünglichen Signalen SI bzw. SV1 um den gleichen Winkel cl gedreht sind, ergibt sich eine Resultierende SV1 + SV2, deren Betrag gleich ist der Summe der Einzelbeträge und deren Richtung ebenfalls unter dem Winkel ru zur ursprünglichen Phasenlage rp = 0 geneigt ist.
Diese Vorgänge wiederholen sich prinzipiell in den Anschlusspunkten E2 und A3, wobei das Signal S3 in E3 um 2c ? gedreht ist und mit diesem Winkelbetrag über V3 an A3 als Signal SV3 weitergegeben wird. Von A2 her gelangt SV1 + SV2 nach A3, wobei dieses Signal um den weiteren Winkel p gedreht wird, so dass es insgesamt ebenfalls die Phasenlage 2q einnimmt. Aus der Sum- mation dieser phasengleichen Signale ergibt sich die untr 2# geneigte Resultierende SV1 + SV2 + SV3 von absoluten Betrag der Teilbetragssumme. Schliesslich gelangt beim Weiterwandern das Eingangssignal in der Eingangskette von E3 nach E4 als S4 und nach der Verstärkung in V4 als SV4 nach A4, wo es mit dem von A3 kommenden Summensignal SV1 + SV2 + SV3 zusammentrifft.
Wegen der Phasengleichheit beim Zusammentreffen ergibt sich sodann als verstärktes Ausgangssignal SV der aus SV1 + SV2 + SV3 + SV4 entstandene resultierende Vektor, der unter dem Phasenwinkel 3 zur Phasenlage des Eingangssignals mit rp = 0 geneigt ist und dessen Betrag wesentlich grösser ist als der Betrag des Eingangssignals.
Im Sinne der Erfindung wird auch dem andern in Fig. 1 oberhalb des Speisepunktes EL liegenden Ende AL der Ausgangskette Energie entnommen, die nicht wie bisher in dem zur Vermeidung von Reflexionen angepassten Abschlusswiderstand verbraucht, sondern einem ebenfalls angepassten Netzwerk zur Nutzbarmachung zugeführt wird.
Das bei AL entnehmbare Signal gehorcht jedoch bei seiner Entstehung nicht dem bisher dargelegten einfachen Prinzip, sondern wird in komplizierterer Weise gebildet, die unter anderem aus Fig. lb ersichtlich ist.
Gemäss der Erfindung wird die Entnahme von Energie aus einem bestimmten Teilfrequenzbereich an dieser Stelle der Ausgangsleitung dadurch ermöglicht, dass an das erste Glied des Ausgangskettenleiters an Stelle des üblichen, der Vermeidung von Reflexionen dienenden ohmschen Abschlusswiderstandes der dem Wellenwiderstand dieses Gliedes angepasste Eingang eines Verbrauchers, vorzugsweise der Eingangskettenleiter eines weiteren Kettenverstärkers, angeschlossen ist, so dass unabhängig von der Anordnung eines weiteren Verbrauchers, der in üblicher Weise an das letzte Glied des Ausgangskettenleiters ange-
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schlossen wird, ein zweiter Ausgang geschaffen ist, und dass Leistungsentnahme in einem Teilbereich des gesamten übertragenen Frequenzbereiches dadurch ermöglicht ist,
dass die Phasendiehungen des Eingangs- und des Ausgangskettenleiters so ausgelegt sind, dass an dem zweiten Ausgang für den gewünsche ten Teilbereich eine weitgehend phasenrichtige Überlagerung der von den einzelnen Verstärkerelementen ausgehenden Signale erreicht ist.
Gemäss Fig. 1 b verhalten sich die Eingangssignale S1-S4 bei den Anschlusspunkten El-E4 wie in Fig. la dargestellt und gelangen nach dem Passieren der Verstärker Vl-V4 wie bisher nach Al-A4.
Da die Bildung des aus der Summation der Einzelsignale resultierenden Ausgangssignals am Ort Al untersucht werden soll, muss nun trotz der in der Eingangskette beibehaltenen Laufrichtung des Signals von El nach E4 die Betrachtung in A4 begonnen werden. SV4 ist gegenüber Sl um den Phasenwinkel 3e gedreht. Bis SV4 von A4 nach Al zur Summenbildung gelangt, muss dieses Signal drei Kettengleider des Ausgangskettenleiters passieren. Dabei wird die Phasenlage dreimal um den Winkel cl weitergedreht, so dass das Signal SV4 in Al eine Phasenlage von 6so aufweist, somit den doppelten Winkel, den es in A4 hatte. Dieses Signal ist sowohl in A4 als auch in Al unter der Bezeichnung SV4'eingetragen.
Das aus E3 kommende Signal S3, welches dort die Phasenlage 2cp aufweist, wird als verstärktes Signal SV3 ebenfalls um den doppelten Winkel in die Lage SV3'mit der Phasenlage 4So weitergedreht, wenn es auf dem Wege von A3 bis Al zwei Kettenglieder passiert hat. Desgleichen wird das aus E2 stammende Eingangssignal S2, dessen verstärktes Signal SV2 um cp gedreht ist, unter Verdopplung des Phasenwinkels auf 2cp als Signal SV2'nach Al übertragen. Somit entsteht das Ausgangssignal SV bei Al durch Bildung der vektoriellen Summe von SV1'+ SV2'+ SV3'+ SV4', wobei SV1'=SV1 ist.
Da die Phasenlagen der Signale SV1'-SV4, jeweils um 2So weiterschreiten, ist der Betrag des resultierenden Ausgangssignals nicht mehr gleich der algebraischen Summe der einzelnen Vektoren, sondern nimmt normalerweise einen kleineren Wert an.
Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit bzw. Phasendrehung wirkt sich allerdings für verschiedene Frequenzen verschieden aus, indem sich bei steigender Frequenz der Betrag der Phasendrehung proportional erhöht, wodurch das relative Nacheilen des Ausgangssignals gegenüber dem Eingangssignal vergrössert wird. Dies spielt jedoch für die Amplitude des verstärkten Signals bei AR solange keine Rolle, als dabei der Gleichlauf der Phasen in beiden Kettenleitern erhalten bleibt.
Ein solcher Gleichlauf kann indes bei einer Betrachtung des Ausganges AL nicht vorausgesetzt werden. Es ist daher die Amplitude U des bei AL abgegriffenen verstärkten Signals auch im eigentlichen Arbeitsbereich des Verstärkers nach der Kurve AL von Fig. 2 frequenzabhängig und schwankt zwischen dem Höchstwert von AR einerseits und dem Betrag von 0 anderseits bzw. zwischen Maxima und Minima, deren Beträge wesentlich kleiner, aber grösser als Null sind. Aus Fig. 2 geht hervor, dass bei den gewählten Phasendrehungswerten praktisch nur ein schmaler Frequenzbereich im untersten Abschnitt der Frequenzskala für die Nutzbarmachung in Frage kommt.
Aus Fig. 3 (Teilausschnitt von Fig. 2) ist ersichtlich, dass dieser Bereich 11 MHz Bandbreite aufweist, sofern eine Verstärkungsschwankung von maximal 1 dB in diesem Arbeitsbereich zugelassen wird, wobei der Bereich beim gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen 11 und 22 MHz liegt, also etwa den mittleren Bereich des Kurzwellenbandes umfasst. Dieser Bereich kann auch gegen höhere oder tiefere Frequenzen hin erweitert werden, vor allem dadurch, dass die Phasendrehung der einzelnen Kettenglieder zwischen den Verstärkerelementen grösser oder kleiner gemacht wird. Da die Phasendrehung der einzelnen Kettenglieder für verschiedene Frequenzen jeweils unterschiedlich ist und sich mit zunehmender Frequenz erhöht, kann bei entsprechender Auswahl dieser Werte der ausgekoppelte Frequenzbereich in gewünschter Weise beeinflusst werden.
Zur Erläuterung, wie der Kurvenverlauf AL zustandekommt, dient Fig. 4, in der unter Teilsummenbildung eine vektorielle Summierung der zum Anschlusspunkt Al gelangenden Teilsignale durchgeführt ist. Um zu zeigen, dass dabei schon eine geringfügige Änderung des Phasenwinkels eine erhebliche Amplitudenänderung des resultierenden Vektors zur Folge hat. sind zwei Gruppen von Vektoren Al bis A4 und Al * -A4* angenommen. wobei bei der ersten Gruppe 9 etwas mehr als 460 beträgt und zwischen diesen Vektoren, z. B. zwischen Alunas, jeweils ein Winkel von 2cl = 920 liegt, wogegen bei der zweiten Gruppe Al* -A4* die Winkel 2cp* = 1000 betragen, so dass < c* bei zirka 500 liegt.
Der Betrag der Vektoren nimmt, ausgehend von AI, entsprechend der beim Durchlaufen der Kettenglieder auftretenden Dämpfung mit steigendem Vektorindex entsprechend dem Verlauf der Spirale Sp langsam ab.
DieSummierungderVektorendererstenGruppebeginntzwischenA4undA3undergibtzunächstals
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Reusltierende R (-1 + 3). Diese wird zu A2 vektoriell addiert, wobei R (3+2) entsteht. Bei neuer- licher Addition von R (3 + 2) und Al ergibt sich als Resultat R (2+ 1). Der Signalvektor R (3 + 2) liegt genau um 1800gegenüber Al gedreht, so dass R (2 + 1) dem Betrage nacheinMinimum, jedoch nicht u wird, weil infolge der nunmehr berücksichtigten Dämpfung in den Kettengliedern die dem Index nach auf das Signal Al folgenden Signale nur kleiner sein können als dieses, so dass auch deren Re- sultierende den Signalvektor Al nie ganz zum "Erlöschen" bringen können.
Mit steigender Phasendrehung werden vielmehr die folgenden Minima immer grösser (vgl. Fig. 2), weil sich dabei die Dämpfung noch stärker auswirkt.
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dem mit der Frequenz steigenden Phasengang und der Dämpfung, die bewirkt, dass R (3 + 2) immer kleiner wird, so dass bei gleichbleibendem Al die Endresultierende R (2 + 1) exponentiell wächst.
In Fig. 5 ist das Schaltbild jenes Kettenverstärkers wiedergegeben, dessen Frequenzgang in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Dieser Verstärker ist bestückt mit sieben Pentoden vom Typ E 280 F, deren Kathoden und Schirmgitter mittels Durchfuhrungskondensatoren DC für Wechselströme abgeblockt sind.
In die Kathodenleitungen sind Kathodenwiderstände KW gelegt. Die Steuergitter werden jeweils von den Anschlusspunkten des Eingangskettenleiters her angespeist. Dieser Kettenleiter besitzt links einen Eingang EG für die Anspeisung des zu verstärkenden Signals mit einer Eingangsimpedanz von 600, die durch die Dimensionierung der Kettenglieder festgelegt ist. Der Wert der Induktivitäten Ll beträgt 41 nH, jener der durch Trimmer gebildeten Kapazitäten Cl beträgt 23 pF. Die Spulen besitzen mit Ausnahme derjenigen, welche die Kettenhalbglieur am Anfang und am Ende des Kettenleiters bilden, den doppelten Wert von L.
Rechts ist der Eingangskettenleiter durch einen Widerstand AW von 60 ss abgeschlossen, der zur Vermeidung von Reflexionen sowie der Zuführung der gemeinsamen Gittervorspannung für die Röhren dient.
Der Ausgangskettenleiter mit einer Impedanz von 240 Q ist gebildet aus L2 = 164 nH und
Cl = 5, 7 pF, wobei die Anoden der Röhren P-P mit den Anschlusspunkten verbunden sind. Die Zuführung des Anodenstromes erfolgt über den an das rechte Ende des Kettenleiters angeschlossenen Lei- tungsübertrager (Guanella-Übertrager) Gie der die Impedanz am Ausgang AG1 von 24uQ auf 60Qher- absetzt. Das linke Ende des Ausgangskettenleiters wäre bei einem üblichen Kettenverstärker mittels eines ohmschen Widerstandes von 240Q abgeschlossen, in dem ein Teil der durch Verstärkung erzielten Leistung nutzlos-d. h. nur zur Vermeidung von Reflexionen - verbraucht würde.
Im Sinne der Erfindung ist aber auch dort ein Guanella-Transformator G angeschlossen, so dass ein zweiter Ausgang AG mit einer Impedanz von 60Q entsteht, dem bedeutende Leistung entnehmbar ist, zwar nicht bis zur Grenzfre- quenz von 230 MHz wie beim ersten Ausgang AG, jedoch wenigstens im Kurzwellenbereichbzw. überhaupt im unteren Teil des von AGl gebotenen Übertragungsbereiches, der bei anderer Dimensio- nierung des Verstärkers den gesamten UKW-Bereich (obere Grenze 300 MHz) oder nochmehrumfassen kann.
Ein derartiges System entspricht einer aktiven Frequenzweiche. Das gesamte angespeiste Frequenzband verlässt den Verstärker in seiner Frequenzzusammensetzung praktisch unverändert, obwohl sein unterster Bereich ein zweites Mal an einer andern Stelle des Verstärkers mit etwa der gleichen Leistung entnommen werden kann, wie sie für diesen Bereich bzw. für das übrige Band am regulären Ausgang zur Verfügung steht. Bei einer richtigen, durch einen passiven Vierpol gebildeten Frequenzweiche würde hingegen das Frequenzband in mindestens zwei Teile geteilt, von denen in jedem Übertragungsweg nur mehr je ein Teil weitergeleitet würde. Ein derartiger passiver Vierpol ist in Fig. 6a schematisch dargestellt.
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zielen, müsste eine der beiden in den Fig. 6c und 6d dargelegten komplizierten Vorrichtungen benutzt werden.
Gemäss Fig. 6c müsste z. B. ein gewöhnlicher Kettenverstärker benutzt werden, um
Bl + B zu verstärken. An den Verstärkerausgang muss sodann eine passive Frequenzweiche nach Art von Fig. 6a angeschlossen sein, an die auf der einen Seite im Weg von B ein weiterer Verstärker ange-
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schlossen sein muss, der den Pegel von B soweit anhebt, dass im folgenden Glied nach zwei Seiten jeweils die Leistung abgegeben werden kann, die am Kettenverstärkerausgang zur Verfügung stand. Hievon kann die eine Hälfte beliebig verwendet werden, die zweite Hälfte der verdoppelten Leistung muss über ein weiteres Netzwerk wieder in den Übertragungsweg von B2 eingeschleust werden, so dass dort wieder B + B zur Verfügung steht.
Trotz dieses grossen Aufwandes kann, wie leicht einzusehen sein dürfte, wohl kaum mehr mit einem vertretbaren Aufwand insbesondere im Bereich der Frequenzen, welche den einander benachbarten oder sich überschneidenden Grenzen von B und B entsprechen, der gleichmässige Frequenzgang hergestellt werden, wie er vorher im Anfang des Übertragungsweges durch den dortigen Kettenverstärker erzielbar war.
1m Sinne der Fig. 6d könnte ein ähnlicher Effekt erzielt werden, wenn ein besonderer Verstärker mit einem Frequenzgang verwendet wird, der im Bereich von B und nur in diesem die doppelte Leistungentnahme wie im Bereich von B2 zu erzielen gestattet. An diesen Verstärker wäre sodann eine passive Frequenzweiche nach Art von Fig. 6a anzuschliessen.
Auch diese Lösung, die allerdings wegen des erforderlichen stufenförmigen Frequenzganges im Verstärker wenig Aussicht auf praktische Verwirklichung hätte, ist aufwendiger als die erfindungsgemässe Lösung. Überdies träte bei dieser Lösung die gleiche Schwierigkeit bei der Beherrschung des Frequenzganges für das abgeleitete verstärkte Gesamtband B + B auf wie bei der Anlage nach Fig. 6c, wogegen beim Erfindungsgegenstand der erste Ausgang von Anfang an völlig unbeeinflusst von der Leistungsabnahme am zweiten Ausgang bleibt, soferne dort nur der zweite Übertragungsweg der Impedanz des Ausgangskettenleiters angepasst ist.
Es erweist sich somit dieser überraschende Effekt bzw. Vorteil des Erfindungsgegenstandes für geeig net, um z. B. im Sinne der Fig. 7a bei Kettenverstärkern, welche als Kabelverstärker für die Übertragung des Bandes B + B2 eingerichtet sind, wobei jeder Verstärker den in seinem Kabelabschnitt abgefallenen Signalpegel immer wieder auf die gleiche ursprüngliche Höhe anhebt, bei jedem dieser Verstär-
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fn zugeordnet. Um dies zu erreichen, wird z. B. die Phasendrehung der Eingangs- und Ausgangsfilterkette des ersten Kettenverstärkers so ausgelegt, dass an seinem zusätzlich geschaffenen zweiten Ausgang die Frequenzen f, f und fn ausgekoppelt werden. Liegen diese drei Frequenzen sehr nähe beisammen, z.
B. innerhalb des in Fig. 2 durch das linke Maximum der Kurve AL umfassten, zwischen 10 und 20 MHz liegenden Frequenzbereiches, so ist es durch geeignete Auslegung der Phasenbeziehungen zwischen Eingangs- und Ausgangsfilterkette möglich, dass sich die Signalanteile dieser Frequenzen f,, f und fn an dem zusätzlichen Ausgang weitgehend phasenrichtig überlagern. Es kann jedoch auch bei weiter auseinanderliegenden Frequenzen f, f und fn eine Auskopplung erreicht werden, wenn z. B. die Frequenzen f1 undo in Bereich des die Frequenzen von etwa 10-20 MHz umfassenden linken Maxiniumsvon AL liegen, während die Frequenz fn durch das etwa bei 230 MHz liegende weitere Maximum der Kurve AL in Fig. 2 ausgekoppelt wird.
Auf diesem Wege können jedem Verstärker getrennt oder allen gemeinsam ein oder mehrere Steuerbefehle, z. B. zur Steuerung von Fernsehkameras oder für diverse Zwecke entlang der gesamten Kabelstrecke, übermittels werden. Diese Befehle können unverschlüsselt oder verschlüsselt erteilt werden. Die Steuerbefehle können so kurzzeitig ausgelegt sein, dass sie die Nachrichteninhalte der allenfalls mittels der gleichen Frequenzen gleichzeitig übertragenen Signale nicht stören.
An Stelle von bestimmten Frequenzen, welche durch Bandfilter in den Steuerempfänger ausgewählt werden, können jedoch auch verschlüsselte Signale, welche nach bestimmten zeitlichen Rhythmen ausgelegt sind, gesendet und von dem vorbestimmten, als Verzweigungselement wirkenden Empfänger im Bandbereich Bl empfangen und ausgewählt werden.
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