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Schaltungsanordnung zur wenigstens nahezu frequenzunabhängigen Transformation
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur wenigstens nahezu frequenzunabhängigen
Transformation einer niedrigen, vorzugsweise rein reellen Impedanz in eine hohe,
rein reelle Impedanz. Derartige Schaltungen werden beispielsweise in der Hochfrequenztechnik
zur Anpassung eines Verbrauchers an den Innenwiderstand einer Röhrenstufe benötigt.
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Eine derartige Schaltungsanordnung wird meist in der Weise ausgebildet,
daß mit der niedrigen Impedanz eine Reaktanz in Reihe geschaltet und die Blindkomponente
der Reihenschaltung mittels Ergänzung zu einem Parallelresonanzkreis kompensiert
wird. Der Verlustwiderstand des Parallelresonanzkreises ist im allgemeinen nennenswert
höher als die in den Parallelresonanzkreis transformierte Wirkkomponente der niedrigen
Impedanz. Obwohl diese Schaltungsanordnung sich durch große Einfachheit auszeichnet,
besitzt sie einen grundsätzlichen Nachteil, der darin besteht, daß bei einer Frequenzänderung
wegen der Frequenzabhängigkeit der Reihenreaktanz auch das Transformationsverhältnis
geändert wird. Das ist insbesondere bei Leistungsauskopplung in Hochfrequenzv erstärkerstufen
störend, die im Gebiet der Ultrakurzwellen und kürzeren Wellen arbeiten, d. h. in
einem Gebiet, in dem die Resonanzkreise die Form sogenannter Topfkreise besitzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und vorteilhafte
Lösung dieses Problems aufzuzeigen. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, eine
Schaltungsanordnung der vorstehend beschriebenen Art in der Weise auszubilden, daß
die niedrige Impedanz über eine Transformationsleitung mit der Reaktanz in Reihe
geschaltet ist und daß diese Transformationsleitung im Wellenwiderstand von der
niedrigen Impedanz derart verschieden und in der elektrischen Länge so groß bemessen
ist, daß die Wirkkomponente ihrer Eingangsimpedanz, die vorzugsweise eine gegenüber
der Reihenreaktanz vernachlässigbare Blindkomponente besitzt, bei kapazitiver Reihenreaktanz
mit zunehmender Frequenz wenigstens nahezu quadratisch abnimmt und bei induktiver
Reihenreaktanz wenigstens nahezu quadratisch zunimmt.
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Es ist an sich aus der Patentanmeldung E 2364 VIII a/ 21 a4 eine Anordnung
zur Ankopplung einer Hochtrequenzquelle mit frequenzabhängiger Innenreaktanz an
einen Verbraucher bekannt, die für breite Frequenzbänder bestimmt ist. Das wesentliche
Merkmal dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß die Ankopplung über eine Leitung
erfolgt, deren Wellenwiderstand und elektrische Länge derart gewählt sind, daß die
Impedanzänderung des Verbrauchers mit der Frequenz an der Hochfrequenzquelle als
Reaktanzänderung erscheint, die im entgegengesetzten Sinne liegt wie die Reaktanzänderung
der Quelle selbst, so daß sich über einen breiten Frequenzbereich die Änderungen
der Impedanz der Quelle und der Impedanz des Verbrauchers kompensieren. Diese bekannte
Anordnung unterscheidet sich schon deshalb grundlegend vom Erfindungsgegenstand,
weil bei diesem von einer praktisch vernachlässigbar geringen Reaktanz und einer
stark veränderlichen Wirkkomponente ausgegangen wird. Aus diesem Grund ist daher
diese bekannte Anordnung für die Lösung der dem Erfindungsgegenstand zugrunde liegenden
Aufgabe ungeeignet.
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Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt die bekannte Schaltung, die einleitend erläutert
wurde. Mit 1 ist die beispielsweise die Endstufe bildende Röhre bezeichnet. Der
Verbraucher R ist über eine Reaktanz X, beim Ausführungsbeispiel eine Kapazität,
an die Anode der Röhre 1 angeschaltet. Die Reaktanz X ist im Wert in an sich bekannter
Weise so groß bemessen, daß der transformierte Realteil Rp dieser Reihenschaltung
dem gewünschten Außenwiderstand entspricht, wobei die transformierte Blindkomponente
der Reihenschaltung mittels des Parallelresonanzkreises 2 für die Betriebsfrequenz
weggestimmt ist. Schon aus der Zeichnung ist erkennbar, daß bei Frequenzänderung
wegen der gleichzeitigen Änderung des Wertes von X eine Änderung des Transformationsverhältnisses
eintritt.
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Diesem Nachteil wird gemäß der Erfindung dadurch abgeholfen, daß,
so wie in Fig. 2 dargestellt, die Verbraucherimpedanz R nicht unmittelbar mit der
ReaktanzX in Reihe geschaltet wird, sondern daß zunächst die Verbraucherimpedanz
R in einen Impedanzwert jZS mit besonderen, frequenzabhängigen Eigenschaften transformiert
wird, die gerade so sind, daß der frequenzabhängige Charakter der Reaktanz X kompensiert
ist.
Betrachtet man die Transformationsgleichung für die Impedanz
R in die Impedanz R7, für eine Schaltungsanordnung nach Fig. 1, so lautet diese
in bekannter Weise
da die transformierte Blindkomponente der Reihenschaltung als durch den Parallelresonanzkreis
2 weggestimmt angenommen ist.
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Da im vorliegenden Fall fernerhin Rp bedeutend größer als R ist, vereinfacht
sich diese Gleichung zu
Damit Rp frequenzunabhängig wird -gleichbedeutend einem frequenzunabhängigen Transformationsverhältnis
-, muß die Impedanz R zunächst in eine Impedanz J#,s transformiert werden, die die
quadratische Frequenzabhängigkeit von X2 kompensiert.
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Nimmt man beispielsweise die Reaktanz X als Kapazität mit dem Blindwiderstand
1ICUC an, so muß die Wirkkomponente RS der Impedanz k s der Gleichung R,s = const/o)2
folgen, wenn die vorstehende Bedingung erfüllt sein soll. Dabei ist vorausgesetzt,
daß die Blindkomponente von : R s, gegenüber X vernachlässigbar gering ist bzw.
bei der Wahl von X und gegebenenfalls gewisser Abweichung von der Bedingung RS =
const/oj2 berücksichtigt ist. Ist diese Reaktanz X induktiv, so muß RS = const -
oi2 sein.
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Dieses Verhalten läßt sich durch sinngemäße Wahl des Wellenwiderstandes
Z und der elektrischen Länge l der Transformationsleitung 3 erzielen. Soll Rs mit
zunehmender Frequenz quadratisch abnehmen, so ist die elektrische Länge der Transformationsleitung
zwischen einer Viertel- und einer halben Betriebswellenlänge zu wählen. Soll RS
mit der Frequenz quadratisch zunehmen, so ist die elektrische Länge der Transformationsleitung
zwischen Null und einer Viertelbetriebswellenlänge zu wählen.
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Um in einem gleich weiten Frequenzbereich oberhalb und unterhalb der
mittleren Betriebsfrequenz diese Bedingungen zu erfüllen, empfiehlt es sich, für
eine mittlere Betriebsfrequenz die elektrische Länge der Transformationsleitung
bei kapazitiver Reaktanz X zu drei Achteln und bei induktiver Reaktanz X zu einem
Achtel der entsprechenden Betriebswellenlänge zu wählen. Die Bemessung des Wellenwiderstandes
Z der Transformationsleitung im Vergleich zur niedrigen Impedanz R ist der für die
möglichst genaue Anpassung des RS-Wertes an den gewünschten Verlauf zur Verfügung
stehende Parameter.
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Die Leitungslängen können auch um ein ganzzahliges Vielfaches einer
halben mittleren Betriebswellenlänge größer gewählt werden. An Hand eines Zahlenbeispiels
sollen die Zusammenhänge noch näher erläutert werden.
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Es sei z. B. für einen Frequenzbereich von etwa 230 bis etwa 350 MHz
angenommen: R = 60 Ohm und rein reell; die Reaktanz X ist eine Kapazität C = 1,1
pF; Z = 100 Ohm; A,/4 < l = 36 cm <A/2. Unter Berücksichtigung dieser Daten
ergibt sich für R, ein Wert von etwa 4000 Ohm, der über den erwähnten Frequenzbereich
eine größte Abweichung von etwa ± 5 °o besitzt. Würde die Schaltung so, wie in Fig.
1 dargestellt, ausgebildet, so weicht Rp an den Grenzen des Frequenzbereiches bereits
um etwa ± 50 °/o von dem Sollwert 4000 Ohm ab. Die Kompensation tritt in dem gesamten
Bereich von A/4 bis A/2, also zwischen etwa 210 und 420 MHz, ein.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Verbraucherimpedanz R im
wesentlichen frequenzunabhängig zu gestalten. Für den in der Praxis meist vorliegenden
Fall, daß die Verbraucherimpedanz R in der Größenordnung der Wellenwid,=rstrde üblicher
Hochfrequenzleitungen liegt, also z. B. in der Größenordnung von 60 Ohm, ist dies
praktisch hinreichend gut erfüllt. In abweichenden Fällen wird es genügen, wenn
die Verbraucherimpedanz durch eine zusätzliche Reaktanz bezüglich ihrer Blindkomponente
wenigstens nahezu kompensiert wird.
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Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung besitzt die Eigenschaft,
über einen weiten Frequenzbereich ein wenigstens nahezu konstantes Transformationsv
erhältnis sicherzustellen, wenn der Parallelresonanzkreis - dem unter anderem auch
die transformierte Blindkomponente der Reihenschaltung zugehört - auf die jeweilige
Betriebsfrequenz abgestimmt wird. Die Bandbreite - das ist der Frequenzbereich der
für die Übertragung, z. B. einer Nachricht, ausgenutzt werden kann - bei der jeweiligen
Parallelresonanzkreisabstimmung hängt in an sich bekannter Weise von der elektrischen
Bemessung des Parallelresonanzkreises unter Berücksichtigung der übrigen Schaltungsparameter
ab.