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Einrichtung zur wählweisen Verteilung der Energie zweier Hochfrequenzerzeuger
zwischen zwei Verbrauchern Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur wahlweisen
Verteilung der Energie zweier Hochfrequenzerzeuger zwischen zwei Verbrauchern, bei
der je zwei Hochfrequenzleitungen an die beiden gegenseitig entkoppelten Anschlüsse
zweier Gabelübertrager angeschlossen sind, die mit ihren beiden weiteren Anschlüssen
zu einer geschlossenen Schleife zusammengeschaltet sind und bei der Mittel zur Änderung,
insbesondere elektrischen Trennung, der Verkopplung zwischen den Gabelübertragern
vorgesehen sind. Einrichtungen dieser Art werden in der Hochfrequenztechnik, insbesondere
in der Richtfunktechnik unter anderem dazu benötigt, um einen Verbraucher, beispielsweise
eine Antenne, ohne Betriebsunterbrechung von einem Betriebssender auf einen Ersatzsender
aufzuschalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der einleitend
beschriebenen Art sowohl hinsichtlich ihrer räumlichen Anordnung wesentlich kompakter
auszubilden, als auch hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften zu verbessern.
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Für eine Einrichtung zur wahlweisen Verteilung der Energie zweier
Hochfrequenzerzeuger zwischen zwei Verbrauchern, bei der je zwei Hochfrequenzleitungen
an die beiden gegenseitig entkoppelten Anschlüsse zweier Gabelübertrager angeschlossen
sind, die mit ihren beiden weiteren Anschlüssen zu einer geschlossenen Schleife
zusammengeschaltet sind und bei der Mittel zur Änderung, insbesondere elektrischen
Trennung, der Verkopplung zwischen den Gabelübertragern vorgesehen sind, wird erfindungsgemäß
die Aufgabe dadurch gelöst, daß als Mittel zur Änderung der Verkopplung zwischen
den Gabelübertragern Blindleitwerte vorgesehen sind, deren Werte zwischen Null und
Unendlich veränderbar sind, sowie daß die der Verbindung zwischen den beiden Gabelübertragern
dienenden vier Anschlüsse paarweise direkt miteinander verbunden sind.
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Es sind Einrichtungen bekannt, bei denen die beiden weiteren Anschlüsse
der Gabelübertrager über zwei Verbindungsleitungen zu einer geschlossenen Schleife
zusammengeschaltet sind und bei der in eine der Verbindungsleitungen ein Phasenschieber
eingefügt ist. Der -Phasenschieber läßt sich im Bereich einer halben mittleren Betriebswellenlänge
.? g einstellen und dient als unmittelbares Umschalte- bzw. Regelorgan. Mit Rücksicht
auf den Phasenschieber können die Längen der Verbindungsleitungen im allgemeinen
eine mittlere Betriebswellenlänge A,g nicht unterschreiten, was entsprechende räumliche
Abmessungen dieser Einrichtungen zur Folge hat. Auch lassen sich an den trbergangsstellen
der Verbindungsleitung in den Phasenschieber Stoßstellen nicht vermeiden, die mitunter
zu Störungen Anlaß geben können. Bei dem Erfindungsgegenstand hingegen sind diese
Nachteile vermieden, da hier als unmittelbares Umschalte-bzw. Regelorgan an Stelle
des Phasenschiebers regelbare Blindleitwerte verwendet werden, die einerseits eine
Reduzierung der Längen der Verbindungsleitung bis auf den Wert Null herab ermöglichen
und andererseits hier gerade die an den Stellen der Blindleitwerte auftretenden
Reflexionen zur Umschaltung bzw. zur Leistungsverteilung ausgenutzt werden. Ferner
ist es bekannt, bei Radaranlagen Zur Umschaltung der Verbindung zwischen Antenne
und Sender einerseits und Antenne und Empfänger andererseits in die Verbindungsleitungen,
über die die beiden Gabelübertrager zu einer geschlossenen Schleife zusammengeschaltet
sind, elektronische Schalter einzufügen. Auch derartige Umschalter (Duplexers) können
dem Fachmann keinen Hinweis auf die erfindungsgemäße vorteilhafte Ausbildung einer
derartigen Einrichtung geben.
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Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsheispielen näher erläutert.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung sollen zunächst die wesentlichen
Eigenschaften der beim Erfindungsgegenstand Anwendung findenden Gabelübertrager
erläutert werden.
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Ein Gabelübertrager ist ein verlustarmer Achtpol, der durch zwei wesentliche
Eigenschaften ausgezeichnet ist: 1. Er kann allseitig reflexionsfrei abgeschlossen
werden; 2. er besitzt zwei Paar gegenseitig entkoppelter Anschlüsse.
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Besteht z. B. bei dem abgeschlossenen Achtpol in Fig. 1 keine Kopplung
zwischen den Anschlüssen 1 und 2 sowie zwischen den Anschlüssen 3 und 4, so fließt
bei -1 oder 2 eingespeiste Hochfrequenzenergie nur nach 3 und 4, eine bei 3 oder
4 eingespeiste
Hochfrequenzenergie nur nach 1 und 2. Das Verhältnis
der bei 4 abnehmbaren Hochfrequenzenergie zur Hochfrequenzenergie, die bei 1 zugeführt
wird, nennt man den Kopplungsfaktor, der für die nachfolgenden Betrachtungen mit
C14 bezeichnet ist. Der Kopplungsfaktor Cl. zwischen den Anschlüssen 1 und 3 ist
dann 1-C14. Für Gabelübertrager gibt es eine große Anzahl unterschiedlicher Realisierungen,
von denen die bekannteste in Fig. 2 gezeigt ist. Es handelt sich um eine N F-Übertragerschaltung,
bei der der Anschluß 1 als Serienverzweigung und der Anschluß 2 als Parallelverzweigung
ausgebildet ist. Es ist dies der sogenannte Gabelübertrager im klassischen Sinn.
Die Fig. 3 zeigt eine andere Realisierung, die vor allem im l@likrowellengebiet
Anwendung findet. Diese Ausführungsform besteht aus einer geschlossenen Leiterschleife
nach Art einer Koaxialleitung, an die die vier Anschlüsse des Achtpols, gegenseitig
um ein Viertel der mittleren Betriebswellenlänge :t versetzt, angeschlossen sind
unter Einschluß eines 32/4-Abschnittes zwischen den Anschlüssen 1 und 4. Eine Abart
der in Fig. 3 gezeigten Gabelanordnung ist in Fig. 4 wiedergegeben, die als sogenannte
4.1/4-Ringgallel oder auch Viereckgabel bezeichnet wird. Die einzelnen Seiten des
durch die Gabel gebildeten Quadrates sind elektrisch ein Viertel der mittleren Betriebswellenlänge
lang. Weitere Ausführungen von Gabelübertragern sind unter anderem noch das sogenannte
Magic-T und der Richtungskoppler.
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Wird beispielsweise ein Gabelübertrager nach Art einer Viereckgabel
über den Anschluß 1 gespeist, während die Anschlüsse bzw. Ausgänge 3 und 4 reflexionsfrei
abgeschlossen sind, so ist über den Anschluß 2 keine Hochfrequenzenergie entnehmbar.
Die Wellen -in den Ausgängen 3 und 4 sind gegenüber der in 1 eingespeisten Welle
phasenverschoben, und zwar die Welle am Anschluß 4 um 90° und die Welle am Anschluß
3 um 180°. Die Spannungsamplitude ist bei symmetrischer Ausbildung der Gabel
(bezüglich Leistungsverteilung) an den Anschlüssen 3 und 4 jeweils gleich dem 1/j2-fachen
der ursprünglichen Spannungsamplitude.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird für die nachstehenden Erläuterungen
eine Viereckgabel nach Fig. -1 zugrunde gelegt, jedoch in der zeichnerisch vereinfachten
Form, wie sie in der rechten Hälfte von Fig. 4 dargestellt ist.
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Schaltet man zwei derartige Gabelübertrager in Kette (vgl. Fig. 5).
speist bei 1 ein und schließt die Ausgänge 3' und 4' reflexionsfrei ab, so ergeben
sich besondere Verhältnisse. Die zum Anschluß 3' kommenden Wellen sind zueinander
gegenphasig und heben sich auf. Dagegen addieren sich die bei 4' auslaufenden Wellen,
da sie zueinander gleichphasig sind. Die am Anschluß 4' entnehmbare Welle besitzt
dabei gegenüber der über den Anschluß 1 zugeführten Welle eine Phasennacheilung
von 270°+g;, wobei T=Z,zl/2to ist. Darin bedeutet l die elektrische Länge jeder
der beiden als gleich lang angenommenen Verbindungsleitungen bei der Betriebswellenlänge
20.
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Die Verbindungsleitungen können sich elektrisch auch um 2/2 unterscheiden,
in welchem Fall dann lediglich 3' und 4' ihre Rollen vertauschen. Auch wenn an Stelle
der beiden Verbindungsleitungen zwischen 4 und 2' sowie 3 und 1' zwei beliebige,
vorzugsweise elektrisch zueinander gleichartige Vierpole eingeschaltet werden, gelten
diese Bedingungen noch. Es treten bestenfalls noch zusätzliche, gemeinsame Faktoren
in den entsprechenden Wellengleichungen auf.
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Betrachtet man einen Gabelübertrager nach Fig. 4 für sich, so wirkt
sich eine Reflexion an den Anschlüssen 3 und 4 dahingehend aus, daß die reflektierte
Energie am Anschluß 2 erscheint und dort durch Anschaltung einer Nachbildungsimpedanz
- die den Anschluß 2 für diese Wellen reflexionsfrei abschließt -vernichtet werden
kann. Auch in diesem Fall ist der an 1 angeschaltete Sender reflexionsfrei durch
die Gabelanordnung abgeschlossen.
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Von a11 diesen Eigenschaften von Gabelübertragern bzw. deren Kettenschaltung
wird auch beim Erfindungsgegenstand Gebrauch gemacht, indem folgende Erkenntnis
ausgenutzt wird. Denkt man sich an den Anschluß 3' einen weiteren Sender angeschaltet
-aus Vereinfachungsgründen gleich lange Verbindungsleitungen angenommen -, so erscheint
dessen Hochfrequenzenergie am Ausgang 2, während die Anschlüsse 1 und 4' vom Anschluß
3' entkoppelt sind. Werden jetzt Mittel vorgesehen, die die Verbindungsleitungen
der beiden Gabeln, also die Leitungen zwischen 4 und 2' sowie 3 und 1' .elektrisch
auftrennen, so wird die bei 1 eingespeiste Hochfrequenzenergie an 3 und 4 total
reflektiert und gelangt nach 2. Andererseits wird die über 3' zugeführte Hochfrequenzenergie
an 2' und 1' total reflektiert und gelangt nach 4'. Nimmt man wieder an, daß an
2 und 4' jeweils eine Nachbildungsimpedanz oder ein Verbraucher angeschaltet sind,
so wird durch diese elektrische Auftrennung der Verbindungsleitungen eine - Umschaltung
zwischen den Sendern und dem Verbraucher (V) bzw. der gegebenenfalls statt des zweiten
Verbrauchers vorgesehenen- Nachbildungsimpedanz (N) erreicht.
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Beim Erfindungsgegenstand sind als Mittel zur Änderung der Verkopplung
zwischen den Gabelübertragern Blindleitwerte vorgesehen, deren Werte zwischen Null
und Unendlich veränderbar sind. Dieses kann bei kurzen und sehr kurzen elektromagnetischen
Wellen am einfachsten durch in Parallelschaltung mit den Verbindungsleitungen verbundenen
Stichleitungen St erreicht werden, deren Eingangsleitwert zwischen Null und Unendlich
v ariierbar ist. Dabei wird die elektrische Länge der Verbindungsleitungen zwischen
4 und 2' bzw. 3 und 1' gleich Null gemacht, was, besonders bei der Verwendung von
Viereckgabeln, zu der relativ einfachen, in Fig. 6 schematisch angedeuteten Bauweise
führt. Da die Wellenwiderstände der Gabelabschnitte 3, 4 und 1', 2' auf diese Weise
parallel geschaltet werden, ist der Wellenwiderstand des durch diese Zusammenziehung
zwischen 5 und 6 gelegenen Schleifenabschnittes half> so groß zu wählen als der
Wellenwiderstand der Schleifenabschnitte zwischen den Abschnitten 1 und 2 sowie
3' und 4'. Der Wellenwiderstand zwischen den Anschlüssen 1 und 5, 2 und 6, 3' und
5 sowie 4' und 6 beträgt jeweils das 1/Y-2-fache des Wellenwiderstandes der Schleifenabschnitte
zwischen 1 und 2 sowie 3' und 4'. In diesem Falle besitzt jeder der Gabelübertrager
die eingangs erwähnte Eigenschaft, die in einen der Anschlüsse eingespeiste Hochfrequenzenergie
zu gleichen Teilen auf die hiermit gekoppelten beiden weiteren Anschlüsse des Gabelübertragers
zu verteilen. Die Anschlüsse 1, 2, 3' und 4' besitzen dabei gleiche Eingangswiderstände,
die dem Wellenwiderstand der zwischen 1 und 2 bzw. 3' und 4' gelegenen Schleifenabschnitte
entsprechen.
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In Fig. 6 sind zum besseren Verständnis der Umschaltverhältnisse die
beiden Sender S1 und S2 sowie die Nachbildung N und der Verbraucher V, beispielsweise
eine Antenne, mit eingezeichnet. Besitzen die bei 5, 6 angeschalteten Stichleitungen
St den Eingangsleitwert
Null, so speist der Sender S1 ausschließlich
den Verbraucher V und der Sender S2 ausschließlich den Verbraucher N, der gegebenenfalls
eine Nachbildungsimpedanz sein kann. Bei einem Eingangsleitwert Unendlich der bei
5 und 6 angeschalteten Stichleitungen sind die Verhältnisse vertauscht, d. h. der
Sender S1 speist den Verbraucher N und der Sender S2 den Verbraucher h. Bei von
Null bzw. Unendlich verschiedenem Eingangsleitwert der an 5 und 6 angeschalteten
Stichleitungen erscheinen an den beiden Ausgängen 2 und 4' jeweils Anteile der Hochfrequenzenergie
beider Sender. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß die beispielsweise bei
1 eingespeiste Energie an 5, 6 nur teilweise reflektiert wird und die dort reflektierten
Anteile in an sich bekannter Weise nach 2 gelangen. Die durchgelassenen Anteile
verhalten sich jedoch so wie im vorstehend geschilderten Durchgangsfall und kommen
daher zu 4'.
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Wird z. B. bei 4' eine Antenne angeschlossen, so kann durch Veränderung
des Eingangsleitwertes der Stichleitungen in stetigem Zuge von Null bis Unendlich
die Antenne bzw. der Verbraucher I% kontinuierlich und ohne Unterbrechung vom Sender
S1 auf den Sender S2 umgeschaltet werden. Dabei ist der große Vorteil gegeben, daß
trotz der Speisung auf einen gemeinsamen Verbraucher beide Sender gegenseitig entkoppelt
sind und im angepaßten Zustand arbeiten.
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Da bei der in den Ausführungsbeispielen zur Erläuterung verwendeten
Viereckgabel ebenso wie bei allen anderen Gabelübertragern eine gewisse Frequenzabhängigkeit
der übertragungseigenschaften unvermeidbar ist, erhebt sich auch die Frage nach
einer Kompensation der Frequenzabhängigkeit der Umschalteigenschaften. Eine besonders
einfache und zweckmäßige Lösung ergibt sich in der Weise, daß Kompensationsglieder
an den einzelnen Verzweigungspunkten der Gabelanordnung parallel geschaltet werden,
die vorzugsweise einen einstellbaren Blindleitwert besitzen. Als besonders zweckmäßig
hat sich hierbei die Verwendung von Stichleitungen erwiesen, die so, wie in Fig.
7 gezeigt, elektrisch anzuordnen sind. Diese Art der Kompensation, die über ein
weites Frequenzgebiet sehr wirksam ist, bietet zugleich einen weiteren Vorteil,
der darin besteht, daß sämtliche Stichleitungen, also sowohl die zur Umschaltung
als auch die zur Kompensation, nach einer Seite der durch die beiden Viereckgabeln
1, 2, 3', 4', 5 und 6 gebildeten Ebene gerichtet und über eine Gleichlaufvorrichtung
mechanisch miteinander gekuppelt werden können. Zur Dimensionierung der Kompensationsleitungen
ist im wesentlichen folgendes auszuführen.
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Zur Kompensation sind an den Verzweigungspunkten der Gabel Glieder
parallel zu schalten, die einen Leitwert
anbieten. Dabei bedeutet b=ac-Af/2 f, mit df=f-f. und fp als mittlere Frequenz des
Betriebsbereiches und f als wirkliche Betriebsfrequenz. Dies ist auch der Leitwert,
der durch die vorerwähnten Kompensationsstichleitungen °n den einzelnen Verzweigungsstellen
anzubieten ist, c'#e zwecks Sicherstellung der Kompensation in dem geforderten Durchstimmbereich
der Umschalteinrichtung für die jeweilige Betriebsfrequenz entsprechend abzustimmen
sind. Die Wellenwiderstände Z, bzw. 1/Y" der einzelnen Stichleitungen sind dabei
zweckmäßig derart zu wählen, daß sich bei Frequenzänderung für alle gleiche Durchstimmwege
ergeben und gegebenenfalls für alle Frequenzen gleicher Umschalthub, um vom Leitwert
Null auf den Leitwert Unendlich zu kommen. Die hierfür erforderlichen Wellenwiderstände
sind in Fig. 7 eingetragen. Die mechanische Ausführung der Einrichtung nach Fig.
6 und 7 kann in der Weise erfolgen, daß die Innenleiter der einzelnen Viereckgabeln
zu einem in sich starren Gebilde vereinigt werden, das zwischen zwei mit dem Außenleiter
entsprechenden Aussparungen versehenen Metallplatten eingeschlossen wird. Die erwähnten
Stichleitungen können dann an einer der Metallplatten starr befestigt werden.
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Die Einrichtung nach der Erfindung ist nicht nur als Umschalter verwendbar,
sondern auch, wie einleitend bereits erwähnt, für andere Zwecke, z. B. als Leistungsteiler
oder Verteiler. Auch hierbei muß der Grad der Auftrennung der Verkopplung beider
Gabelübertrager einstellbar sein.