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Ubertragungsleitung für die Anpassung oder Abstimmung elektrischer
Kreise für hochfrequente elektrische Wellen Die Erfindung betrifft eine Übertragungsleitung
für die Anpassung oder Abstimmung elektrischer Kreise für hochfrequente elektrische
Wellen für die Lösung solcher Aufgaben, wie sie insbesondere bei Übertragungsnetzwerken
auftreten.
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Bei hochfrequenten Übertragungsleitungen ist es bekannt, zwischen
einem Belastungskreis veränderlicher Impedanz und einem Eingangskreis aufgeteilte
Parameter-Übertragungsleitungen zu verwenden. Falls die Impedanz des Belastungskreises
sich in abschätzbarem Umfang ändert, wird die Länge der Übertragungsleitung einstellbar
gemacht, um die richtigen Betriebsbedingungen zu erreichen. Die Impedanzänderung
des Belastungskreises kann abhängig sein von Änderungen der Betriebsfrequenz oder
von einer äußeren Steuereinrichtung. Es ist einzusehen, daß bei Impedanzänderungen
des Belastungskreises, die in einem großen Bereich mit dem Impedanzverlauf der Übertragungsleitung
übereinstimmen, es notwendig ist, die Länge der aufgeteilten Parameter-Übertragungsleitung
innerhalb eines großen Bereiches zu ändern, damit am Eingangskreis konstante Belastungsbedingungen
wirksam sind. Eine konstante Belastung an einem Eingangskreis ist gewöhnlich die
Voraussetzung für den günstigsten Wirkungsgrad einer elektrischen Einrichtung. Im
allgemeinen sollte die Länge der aufgeteilten Übertragungsleitung innerhalb des
Bereiches von V2 verändert werden können, wobei .1 der Wellenlänge der niedrigsten
Betriebsfrequenz entspricht. Bei niedrigen Betriebsfrequenzen wird diese Einrichtung
zu groß und zu aufwendig. Wenn die wirksame Leitungslänge in Verbindung mit großen
Ausgangsleistungen schnell verändert werden soll, ist es offensichtlich, daß es
schwierig wird, diese Betriebsbedingungen bei niedrigen Frequenzen auf Grund der
Längenausdehnung des zugehörigen Leitungsstückes aufrechtzuerhalten.
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Gegenstand der Erfindung ist daher ein verbesserter Impedanzwandler.
Dieser wird gebildet aus einer Übertragungsleitung für die Anpassung oder Abstimmung
elektrischer Kreise für hochfrequente elektrische Wellen, bestehend aus einer Leitung,
die eine Anzahl von in Reihe angeordneten LC-Netzwerken und Mittel enthält, uni
den Wert der Induktivitäten gleichzeitig zu ändern, wobei erfindungsgemäß jedes
Netzwerk so bemessen ist, daß es bei der Betriebsfrequenz maximal einen Phasenwinkel
von 17° aufweist.
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In den Zeichnungen sind erfindungsgemäß Ausführungsbeispiele dargestellt.
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Fig. 1 zeigt das der Erfindung zugrunde liegende Blockschaltbild;
Fig. 2 zeigt einen Abschnitt der bei der vorliegenden Erfindung benutzten Übertragungsleitung;
Fig.3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 4
zeigt eine praktische Anwendung der vorliegenden Erfindung; Fig. 5 zeigt in graphischer
Darstellung, wie die Parameter- oder Kreiselemente nach Fig. 4 bemessen sind, um
die gewünschten Ergebnisse zu erzielen; Fig. 6 zeigt eine Anwendung der vorliegenden
Erfindung für Zwecke der Abstimmung elektrischer Stromkreise.
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Das Blockschaltbild Fig. 1 zeigt eine Einrichtung, bei der es erwünscht
ist, daß der Eingangskreis 1 durch eine wenigstens annähernd konstante Widerstandsbelastung
abgeschlossen ist, auch wenn sich die Impedanz des Belastungskreises 2 innerhalb
eines großen Bereiches ändert, auf Grund der Änderung seiner wirksamen Impedanz
oder der Betriebsfrequenz. Der Eingangskreis kann entweder aus einer Sende- oder
Empfangsstufe bestehen. Ebenso kann der Belastungskreis eine Sende- oder eine Empfangsstufe
enthalten. Eine besondere Anwendung der vorliegenden Erfindung besteht in einer
Einrichtung, bei der der Belastungskreis durch eine Antenne gebildet wird, die beispielsweise
von einem Generator im Eingangskreis 1 gespeist und über einen großen Frequenzbereich
betrieben wird- Um die Hochfrequenzenergie
vom Kreis 1 zu- dem
Belastungskreis 2 zu übertragen, ist es bekannt, aufgeteilte Parameter-Übertragungsleitungen,
beispielsweise des koaxialen Paralleltyps, zu verwenden.-- Da sich die Impedanz
des Belastungskreises 2 ändert, ist es für das richtige Betriebsverhalten notwendig,
die Länge der aufgeteilten Parameter-Übertragungsleitung ebenfalls zu ändern, damit
die Belastungswiderstände am Eingangskreis 1 mit dem gewünschten Wert wirksam werden.
In vielen Fällen muß die- Belastung am Kreis 1 in sehr engen Toleranzen gehalten
werden, damit der Eingangskreis richtig arbeitet. Es ist offensichtlich, daß bei
großer Impedanzänderung des Belastungskreises 2 die erforderliche Längenänderung
der aufgeteilten Parameter-Übertragungsleitung zu groß w i d. Wenn beispielsweise
das System nach Fig. 1 in einem Frequenzbereich von 15 bis 60 MHz betrieben wird,
muß, um die gewünschte Impedanztransfortnation bei der niedrigsten Betriebsfrequenz
zu erhalten, die aufgeteilte Parameter-Übertragungsleitung in einer Länge von annähernd
15 m geändert werden Diese unerwünschte Erscheinung wird bei der vorliegenden Erfindung
vermieden.
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Die Fig.2 betrifft einen einzelnen Abschnitt einer zusammengesetzten
Parameter-Übertragungsleitung mit einem LC-Netzwerk. In seiner einfachsten Form
enthält dieses Netzwerk einen induktiven Widerstand 5 in Reihenschaltung zwischen
dem Eingangskreis und dem Belastungskreis und einen kapazitiven Widerstand 6, der
parallel zu den Kreisen angeordnet ist. Die Werte des induktiven Widerstandes und
des kapazitiven Widerstandes sind veränderbar, wie dies durch die Pfeile 7 und 8-
"angedeutet wurde. Diese Steuerungen werden zusammengefaßt betrieben, um die richtige
Impedanzwandlung zu erzielen. Das Verhältnis zwischen der induktiven und kapazitiven
Widerstandsänderung ist so gehalten, daß sich in Fig. 1 in Richtung des Pfeiles
11'än den Klemmen 9 und 10 der gewünschte Impedanzverlauf ergibt.
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Die Größe der Elemente ist in einem einzelnen LC-Netzwerk beschränkt,
was anschließend kurz dargelegt wird. Unter gewissen Bedingungen ist eine Vielzahl
von hintereinandergeschalteten Netzwerken erforderlich, wie dies in Fig.3 dargestellt
ist.
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Es kann gezeigt werden, daß jeder einzelne, in Fig.3 dargestellte
LC-Absclmitt für die richtige Nachbildung einer aufgeteilten ' Parameter-Übertragungsleitung
nicht mehr als X-Grad zur elektrischen Phasenänderung beitragen-'.kann. Wenn die
Längenänderung von NX Graden -gewünscht wird, müssen daher in einer elektrischen.
Netzleitung N Abschnitte von L und C in Reihenschaltung aufgewendet werden.
Es ist y = wobei (,)o die Winkelgeschwindigkeit bedeutet, bei welcher o-)"
wird und (o die Betriebs-Winkelgeschwindigkeit ist. Sobald sich der Ausdruck 1 -
y2 dem Wert 1 nähert, nähert sich die zusammengesetzte Leitung `4 immer mehr der
Charakteristik einer aufgeteilten Parameter-Übertragungsleitung. An Hand des Ausdrucks
1 - 3,2 ist zu erkennen, daß er für praktische Zwecke keinen größeren Wert als 3
annehmen soll, wenn das zusammengesetzte Parametersystemdenselben Eingangs-Impedanzverlauf
aufweisen muß wie die aufgeteilte Para--meterleitung. Es kann ferner gezeigt werden,
daß in dieserWeise die gleichwertige elektrischeLänge eines jeden LC-Abschnittes
auf .ungefähr 17 elektrische Grade begrenzt wird. , .
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Es ist ferner erwünscht@Aaß die stehenden Wellen in dem Verbindungskreis
`zwischen dem Belastungs-und dem Eingangskreis den geringsten Wert annehmen sollten.
Daraus ergibt sich im allgemeinen die Bedingung, daß der Impedanzverlauf der zusammengesetzten
Parameterleitung dem Impedanzverlauf der aufgeteilten Übertragungsleitung entspricht
oder daß R" der Quadratwurzel von
entspricht, wobei R" die Widerstandskomponente der Impedanzcharakte ristik der aufgeteilten
Leitung bedeutet. Aus dieser Gleichung und der Einschränkung, daß y den Wert 3 oder
einen geringeren Wert aufweisen soll, ergeben sich für die einzelnen L- und C-Elemente
folgende Bestimmungsgleichungen
Für den Fall, daß die wirksame Länge der aufgeteilten Parameter-Übertragungsleitung
über eine größere Länge verändert werden soll, als dies mit einem einzelnen LC-N
etzwerk möglich ist, kann man bei Berücksichtigung der obenerwähnten Forderungen
mehrere Netzwerke in Reihenschaltung anordnen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.
Die induktiven und kapazitiven Widerstände werden so zusammengefügt, wie dies durch
die Ziffer 12 dargestellt ist, um ihre gleichzeitige Steuerung zu ermöglichen, so
daß die Impedanzänderungen des Belastungskreises 2 ausgeglichen werden können. Das
Verhältnis von L zu C bestimmt in jedem Netzwerk den Impedanzverlauf des einzelnen
Netzwerkes. Durch die Fig. 4 wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt, bei welchem jeder induktive Widerstand der zusammengesetzten Parameter-Übertragungsleitung
tatsächlich einen Abschnitt der aufgeteilten Übertragungsleitung enthält, wobei
ihre elektrische Länge weniger als ein Viertel der Wellenlänge irgendeiner Betriebsfrequenz
beträgt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Länge eines jeden Leitungsabschnittes
13 durch Kurzschlußbügel 14 verändert, welche durch Glieder 15 zusammengehalten
werden. Die kapazitiven Widerstände 16 bilden den zusammengesetzten Typ der Leitung.
In bevorzugter Ausführung bestehen die Kapazitäten 16 aus parallel angeordneten
Platten, und sie sind dazu geeignet, durch die Winkelbewegung einer Welle 17 gleichzeitig
gedreht zu werden. Die induktiven Widerstände werden gleichzeitig durch die Winkeldrehung
einer einzelnen Welle eingestellt, die mit der Drehbewegung des kapazitiven Widerstandes
16 gekoppelt ist. Die Fig. 5 zeigt die Aufzeichnung des induktiven Widerstandes
NL eines jeden Leitungsabschnittes nach Fig.4 abhängig von der Längenänderung der
Leitung bei Drehung des Kurzschlußbügels. Es geht daraus hervor, daß die Länge eines
jeden Leitungsabschnittes hinsichtlich der Betriebswellenlänge klein gehalten wird.
Im Grunde genommen wird bei der Winkeldrehung der Kurzschlußbügel durch den linearen
Kurvenverlauf nach Fig.5 in der Nähe des Nullpunktes eine lineare Änderung des induktiven
Widerstandes erzielt. Dies bedeutet eine beträchtliche Vereinfachung des Vorganges,
durch den die kapazitiven Widerstände 16 verändert werden sollen, damit das
-Verhältnis der Netzwerke konstant und entsprechend dem Quadrat der Impedanzcharakteristik
der aufgeteilten Parameter-Über tragungsleitung gehalten wird.
Bei
der Einstellung, die einer Betriebsfrequenz von 15 MHz entsprach, war es möglich,
eine Länge von ungefähr 20 cm der Übertragungsleitungen für den induktiven Widerstand
13 der Fig. 4 zu verwenden, was dem Betrag von ungefähr 5 m entspricht, entsprechend
dem vierten Teil der Wellenlänge bei 15 MHz.
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Während es sich bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der
Erfindung um Impedanztransformationen handelte, kann die Erfindung auch für Zwecke
der Abstimmung angewendet werden. Zum Beispiel zeigt Fig. 6 einen abgestimmten Trioden-Oszillator
oder Verstärker, der eine Röhre 18 enthält, deren Anode 19 mit einem Pluspotential
B -I- verbunden ist und deren Kathode mit einem Minuspotential B- verbunden ist.
Der Ausgangskreis der Röhre enthält in Reihe angeordnete LC-Netzwerke. Diese Netzwerke
werden zur Nachbildung einer aufgeteilten Parameter-Übertragungsleitung betrieben,
deren Länge auf Resonanz eingestellt ist, um die Betriebsfrequenz des Kreises festzulegen.
Zur Vereinfachung der Bezugszeichen wurden diese bei dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. 6 an den der Fig. 4 entsprechenden Stellen beibehalten, wo dies zweckmäßig
erschien. Um die Betriebsfrequenz des Systems zu ändern, werden die induktiven Widerstandselemente
13 und die kapazitiven Widerstandselemente 16 gleichzeitig durch ein Kontrollglied
17 so verändert, daß das -Verhältnis über den ganzen Kontrollbereich durch Abstimmglieder
15 konstant gehalten wird. Die Netzwerke, die eine aufgeteilte Parameter-Übertragungsleitung
nachbilden, sind über den Kopplungskondensator 21 und die Anode 19 zwischen
B- und B-!- angeordnet, Der abgestimmte Eingangskreis enthält Netzwerke mit
zusammengefaßter Steuerung der einzelnen induktiven und kapazitiven Widerstände
mit dem Steuerglied 17, so wie sie im Ausgangskreis vorhanden sind. Ebenso wie beim
Ausgangskreis sind die Netzwerke des Eingangskreises so. bemessen, daß eine aufgeteilte
Resonanz-Parameter-Übertragungsleitung nachgebildet wird. Die in Reihe geschalteten
Netzwerke des Eingangskreises sind über den Koppelkondensator 23 und den Ableitwiderstand
24 zwischen dein Steuergitter 22 und B- angeordnet.
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Wenn die Einrichtung nach Fig. 6 als ein abgestimmter Verstärker betrieben
werden soll, werden die Schalter 25 durch das einzelne Steuerglied 26 über die Kontakte
33 geschlossen. Durch die Schalter 25 werden in dieser Stellung die Eingangssignale
von der Spannungsquelle 27 über den Leiter 28 zu dem Eingangskreis der Röhre 18
geführt, von deren Ausgangskreis die Signale über den Leiter 29 zu dem Belastungskreis
30 geführt werden. Bei einer derartigen Anwendung als Verstärker werden die Eingangs-
und Ausgangskreise normalerweise für dieselbe Betriebsfrequenz ausgelegt. Um die
Einrichtung nach Fig.6 als einen Oszillator zu verwenden, werden die Schalter 25
zur Schließung der Kontakte 31 betätigt, so daß ein Rückkopplungskreis 32 zwischen
den Eingangs- und Ausgangskreisen der Röhre 18 gebildet wird. Der Rückkopplungskreis
kann nach irgendeiner der zahlreichen bekannten Ausführungsarten beschaffen sein,
und ein einfaches Ausführungsbeispiel würde eine Kapazität enthalten. Bei dieser
Anwendung der Einrichtung nach Fig. 6 als Oszillator werden die Eingangs- und Ausgangskreise
so abgestimmt, um die Schwingungen der gewünschten Betriebsfrequenz aufrechtzuerhalten.
Durch die Benutzung der in Fig.6 dargestellten Einrichtung erhält man ein System
für den Betrieb innerhalb des Frequenzbereiches von 15 bis 60 MHz mit geringstem
Raumbedarf. Dieses System vermeidet die unpraktische große Ausdehnung der Übertragungsleitung,
die bei den Abstimmelementen des aufgeteilten Parametertyps notwendig wäre.
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Während ein besonderes Ausführungsbeispiel dargestellt und beschrieben
wurde, besteht natürlich die Möglichkeit, daß verschiedene Abwandlungen vorgenommen
werden können, die auf dem Grundgedanken der Erfindung beruhen.