DE1082638B

DE1082638B - Gabelschaltung fuer kurze und sehr kurze elektromagnetische Wellen

Info

Publication number: DE1082638B
Application number: DES63053A
Authority: DE
Inventors: Dr Otto Gold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-05-20
Filing date: 1959-05-20
Publication date: 1960-06-02

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gabelschaltung für kurze und sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Koaxialleitungsresonator der elektrischen Länge η · λ/2 (λ = Betriebswellenlänge; η = 1, 2, 3 ...), dessen Innenleiter in einem Spannungsmaximum unterbrochen und dort mit einer Serieneinspeisung und einer Paralleleinspeisung versehen ist. In der Hochfrequenztechnik besteht häufig die Aufgabe, beispielsweise zwei Sender auf einen Verbraucher arbeiten zu lassen. Zu diesem Zweck werden Brückenschaltungen angewendet, von denen eine ganze Reihe von Ausführungsformen bekannt ist. Eine Ausführungsform ist beispielsweise die Ringgabelschaltung, eine andere Ausführung ist das »magische T«. Außerdem sind für derartige Zwecke noch Symmetriereinrichtungen bekannt, von denen eine bekannte in der Fig. 1 dargestellt ist. Innerhalb eines Koaxialleitungsresonators mit dem Außenleiter 1 und dem Innenleiter 2, 2', der eine elektrische Länge von einer halben Betriebswellenlänge hat, ist eine Unterbrechungsstelle des Innenleiters 2, 2' vorgesehen, die einerseits mit einer Serieneinspeisung über die Leiter 2', 3 und andererseits mit einer Paralleleinspeisung über die Leiter 4, 4' versehen ist. Durch Bildung eines λ/4-Stükkes5 in Verlängerung der Leiter 4, 4' und Zusammenführung der entsprechenden Leiter zu einer gemeinsamen Leitung läßt sich eine einzige Leitung 5' für die Parallelspeisung gewinnen. Die Abstimmung des Koaxialleitungsresonators 1, V, 2, 2' kann mittels der Kurzschlußschieber 6 bzw. 6' erfolgen. Derartige Anordnungen werden meist in der Weise betrieben, daß an die Serieneinspeisung und an die Paralleleinspeisung je einer von zwei Sendern S₁, S₂ angeschaltet wird, während der gemeinsame Verbraucher an die mit A₁, R₂ bezeichneten Ausgänge angeschaltet wird. Eine Kompensationsvorrichtung für störende Frequenzgänge ist meist noch in der Weise vorgesehen, daß der Leiter 3 über die Unterbrechungsstelle des Resonatorinnenleiters 2, 2' hinaus fortgeführt ist und zur Bildung einer als Kompensationsleitung dienenden Koaxialleitung im Zusammenwirken mit dem Resonatorinnenleiterteil 2 herangezogen ist.

Nachteilig an den bekannten Anordnungen ist, daß sie, wie z. B. die Ringgabelschaltung und das »magische T«, nur unzureichende Filtereigenschaften haben oder daß sie wie die in der Fig. 1 dargestellte Gabelschaltung eine unzureichende ausnutzbare Frequenzbandbreite zur Verfugung stellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, auf dem es in einfacher Weise möglich ist, diesen Schwierigkeiten zu begegnen.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Gabelschaltung für kurze und sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Koaxialleitungsresonator der elektrischen Länge η · λ/2 (λ = Betriebswellenlänge; η = 1, 2, 3 ...), dessen Innenleiter in einem Spannungsmaxi-

Gabelschaltung für kurze und sehr kurze elektromagnetische Wellen

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dr. Otto Gold, München,
ist als Erfinder genannt worden

mum unterbrochen und dort mit einer Serieneinspeisung und einer Paralleleinspeisung versehen ist, gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß parallel zum Innenleiter des Koaxialleitungsresonators im Resonatorraum ein weiterer Leiter geführt ist, der an den beiden Resonatorenden jeweils in den Innenleiter je einer weiteren Koaxialleitung übergeht, deren Außenleiter mit der Resonatorwandung verbunden sind, und daß der weitere Leiter im Bereich der Unterbrechungsstelle des Resonatorinnenleiters gegen den Resonatoraußenleiter kurzgeschlossen ist.

Eine derartige Gabelschaltung kann auch vorteilhaft zur Bildung einer Doppelgabel in der Weise herangezogen werden, daß zwei Gabelschaltungen über ihre beiden weiteren Koaxialleitungen zn einem geschlossenen Ring zusammengeschaltet sind und daß die elektrische Länge der durch die weitere Koaxialleitung gebildeten beiden Verbindungsleitungen der beiden Gabelschaltungen jeweils wenigstens nahezu (2n — 1) A/4 beträgt.
Bei einer derartigen Doppelgabel empfiehlt sich weiter-

hin, daß an zwei diagonal gegenüberliegenden Übergängen von den beiden Koaxialleitungsresonatoren in die weiteren Koaxiaüeitungen je ein vorgegebene Frequenzen sperrender Zweipol angeschaltet ist.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Fig. 2 bis 5 näher erläutert.

In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung wiedergegeben. Die Anordnung stimmt dabei im Grundprinzip mit der nach Fig. 1 überein. Es sind jedoch zwei λ/4-Leitungen in das Innere des Symmetriertopfes 1, 2, 2' eingefügt. Eine der A/4-Leitungen besteht aus dem Leiter 7 und einem Teil des Außenmantels 1 des Symmetriertopfes, während die andere durch den Leiter 8 und einen Teil des Außenmantels 1 des Symmetriertopfes gebildet wird. Beide

009 52®/213

Leiter 7, 8 stoßen in einem Spannungsmaximum, beim Ausführungsbeispiel in der elektrischen Mitte des Symmetriertopfes, zusammen und sind dort mittels einer leitenden Brücke 9 gegen den Außenmantel 1 kurzgeschlossen. An ihren anderen Enden gehen die so gebildeten λ/4-Resonatoren 7,1 und 8,1 in zwei als Anschlußleitungen dienende Koaxialleitungen über.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung kann man sich wie folgt vorstellen. Zwei Sender S₁ und S₂ speisen zwei voneinander getrennte reelle Verbraucher R₁ und R₂. Der Sender S₁ liegt an A₁ und über eine λ/4-Transformationsleitung -4JB₁ mit dem Wellenwiderstand Z · j/T an den Punkten BJC₂. Das bei P₁ kurzgeschlossene Leitungsstück CJD₁ wirkt zwischen P₁ZD₃ induktiv und zusammen mit dem Längskondensator P₃/P₄ als Serienkreis. Als solcher kompensiert dieser im Punkt C₁ die induktiv wirkende Verbindung BJC₁. Die Spannung von S₁ erscheint daher unmittelbar an den Punkten B₂JC₂; die Teilspannungen liegen zwischen B₂ und 0 (Erde) sowie zwischen C₂ und 0; ihr Phasenunterschied beträgt 180°. Die resultierende Spannung von S₁ im Punkt I der Anschlußleitung des Senders S₂ ist daher Null. Der Sender S₂, bei / angeschlossen, liegt über zwei λ/4-Transformationsleitungen G\I, FjI mit dem Wellenwiderstand Z · ]/T gleichphasig an den Punkten G (== C₂), F (= S₂). Die resultierende Spannung von S₂ zwischen B₂ und C₂ ist daher Null. Die Auskopplung der Sendeenergie S₁ und S₂ erfolgt durch zwei Koppelleitungen K\M und N[P. Sie sind in der Mitte des Symmetriertopfes bei M und N mit dem Außenleiter kurzgeschlossen. Ihre Länge bei einer Mittenfrequenz f _m — \— (f ₀ + f+₂) beträgt 1 = —.

Der Abstand der Innenleiterachse entspricht dem gewünschten Kopplungsfaktor k. Die Transformation der Widerstände R₁, R₂ durch die Koppelgebilde erfolgt von K bzw. P nach £₂/0 bzw. C₂/0. Für den Sender S₁ erscheinen sie bei B₂)C₂ als Serienschaltung (Widerstandswert = JS₁ -f- R₂ — 2Z), für den Sender S₂ als Parallelschaltung (Widerstandswert = -j · Z). Die Transformationsleitungen AJB₁ sowie IfF, IjG übersetzen sie mit ~-Z. ■■■_■■

In den Fig. 3 und 4 sind als Teildarstellungen die elektrischen Verhältnisse in der Anordnung nach Fig. 2 wiedergegeben. Beide Koppelgebilde (Fig. 3 und 4) haben Bandpaßcharakter. Ihre tJbertragungseigenschaften lassen sich aus der zugehörigen Kettenmatrix bestimmen. Die Herleitung der Kettenmatrix ergibt:

halb von f_m postitiv (cos negativ). In Bandmitte bei f^ beträgt die Koppellänge I = —^. Damit ergibt sich mit dem Phasenmaß φ — ßl des Koppelabschnitts bei

= Y (fo

β = ; Xm —

Φ =

fv

2
Ω = 0

f ₀ = Betriebsfrequenz des Senders S₂ f_₂ oder f₊₂ = Betriebsfrequenz des Senders S₁.

An den Grenzfrequenzen Ω — ^f 1 gilt

cos Φ__χ = k
— cos Φ_χ = Ä.

In die Kettenmatrix übergeführt, ergibt sich A₁₁ = Ω

= - ]■■

A_n = Ω

_ob ]/i-

mit dem Normierungswellenwiderstand

7 7 . 7

■^ηδ — ^l ' *Ί

ist der Wellenwiderstand der beteiligten Leitungen. Hieraus errechnet sich nach den Regem der Vierpoltheorie die Wellenwiderstandsfunktion (WWF) der Schaltung zu

Si, Ii =

1 -k*

k =

MIi =

■11

₂₂

(1)

mit Α_Λ, = —

A₁₂ =

cos Φ

. sin Φ

A₂₁ —	1 A² —	-cos² Φ
A₂₂ =	Z₁ (l—k	²) k · sin Φ
Hierin hat	cos Φ
	k
sich die einfache Substitution

cos Φ

(2) [Lk, Koppelinduktivität, L₁ Leitungsinduktivität).

Man sieht, die Wellenwiderstandsfunktion Z& verläuft parabolisch im Durchlaßbereich (— 1 < Ω < 1) mit einem Minimum Z& = Z₀₆ in der Bandmitte bei f_m (P = 0). An den Bandgrenzen hat sie Pole für

ß = Tl. (8)

Im Sperrbereich liegt je eine Nullstelle bei 1

(3) Ω = Τ~ (cos Φ = F₁). k

Bei Normierung nach

Λ 7,2

*ό1> = ^i :
ft

ergibt sich für die charakteristische Funktion | ψ \

M = I^₁F₁

als zweckmäßig herausgestellt. Ώ ist als normierte Frequenz unterhalb von f_m negativ (cos positiv), ober-

mit F₁ =

1 -.

(10) (11)

5 6

Zur Realisierung wählt man beispielsweise die An- Der gleichzeitige Betrieb zweier Sender mit nur einer

passung der WWF bei Ω = 0. Es ist dann Gabelschaltung hat den Nachteil der Forderung nach

zwei reellen Verbrauchern und zwei Verbindungskabeln.

Z& = Z₀S Durch Zusammenschalten von zwei Gabelschaltungen

Zj₁Z=ZR₁=R= R. S sowie unter Verwendung von zwei zusätzlichen Sperrkreisen und Verbindungsleitungen zwischen den Gabel-Zweckmäßig wählt man ferner schaltungen ist der Anschluß zweier Sender an einen

. reellen Verbraucher mit einem Verbindungskabel möglich.

ι ⁼ ■ ' ' Die Gabelschaltungen bestehen aus der an Hand der Fig. 2

dann ist nach Gleichung (7), (12) io beschriebenen Ausführungsform, die Sperrkreise aus zwei

über einen Λ,/4-Längsschlitz gekoppelten Λ/4-Topfkreisen £i ~ H in einer mit der jeweiligen Gabelschaltung unmittelbar

k = 0 618. vereinigten neuartigen Konstruktion.

Die in der Fig. 5 gezeigte Gesamtschaltung besteht aus

Der Reflexionsfaktorverlauf ergibt sich aus φ. Mit 15 zwei Gabelschaltungen A und B, zwei Sperrkreisen C und

I φ I ph r ist D, zwei A/4-Verbindungsleitungen K[P' und P[K'. Der

1 Sender S₁, der z. B. auf der Frequenz /L₂ oder f₊₂

^r ⁼ ~2 ®* '^Fl arbeitet, ist bei A₁, der Sender S₂, der z. B. auf der

Frequenz f_B arbeitet, bei /', angeschlossen, der Ab-

• ^π ι _ -η ²⁰ Sorptionswiderstand R liegt bei I, der reelle Verbraucher

^Sin ~2 (16) (^Z- ^^{- eme} Antemre) bei A₁. Am Ausgang P der Gabel-

£? = -— schaltung A und P' der Gabelschaltung B befindet sich,

" unmittelbar mit diesen zu einem gemeinsamen Gebilde

1 _ k^% vereinigt, je eine Sperrkreisanordnung aus zwei A°/4-Topf-

^^{1 =} ~i T₂ Q₂ · ^i ^Z5 kreisen mit Kopplung über einen /l°/4 langen Schlitz. Die

Topfkreise der beiden Sperrkreisanordnungen sind hierbei

Aus Gleichung (14) bis (17) errechnet man z. B. im auf die Frequenz f ₀ des Senders S₂ abgestimmt. Die

Frequenzabstand df ζ. B. von einer Mittenfrequenz Leitwerte der Sperrkreise im Punkt P bzw. P' gehen

f_m = 1000 MHz an den Punkten B₂[O bzw. C₂/O fol- oberhalb und unterhalb der Serienresonanzfrequenz f₀

gende Reflexionsfaktoren: 30 bei den Frequenzen/L₂ und f₊₂ durch Null. Eine Aus-

O — 01 02 03 04 05 breitung der Wellen von S₁, soweit diese im Anpassungs-

' ' ' ' ' bereich der Sperrkreise bei /L₂ und /L₂ liegen, ist

df = 40 MHz 79 MHz 117 MHz 155 MHz 191 MHz näherungsweise ohne Reflexion möglich. In der Nähe von

f __ 1000 MHz fo ^sowi^{e Dß}i f 0 werden Wellen vom Sender S₁, im Punkt P

_n,_0/ . ~._{0/ 9Q0/} --_0/ ο_ή0/ 35 bzw. P' dagegen teilweise bzw. total reflektiert. Sie

γ = ü,i^u/₀ I₁Zb -I₀ Z,y»l₀ 5,0"J₀ 8,6 % gelangen, da die Sperrkreise auf den Verbindungs-

Der Einfluß der Transformationsleitungen IjF, I[G, leitungen PJK' und K[P' gegeneinander um A°/4 versetzt

AJB₁ und der Leitung D₁ZS₁ kann beim Vergleich mit angebracht sind, zum Absorptionswiderstand R. Der

dem üblichen Symmetriertopf unberücksichtigt bleiben. Sender S₁ erscheint daher auch in der Nähe von f₀ sowie Hier interessiert vor allem der Frequenzgang der Koppel- 40 bei f₀ angepaßt. Die Energie des Senders S₂ mit der

gebildet und B (Fig. 3, 4). Frequenz f₀ wird an den Sperrkreisen total reflektiert.

Beim bekannten Symmetriertopf nach der Fig. 1 sind Die Wellen des Senders S₂ addieren sich daher zwischen

die Abschlüsse R₁, R₂ an S₂, C₂ galvanisch angeschlossen. B₂IC₂ der Gabelschaltung B zu einer Gegentaktwelle Die Blindwiderstände der Topfkreise liegen parallel zu und speisen den reellen Verbraucher (z. B. eine Antenne) R₁ bzw. R₂. Der Bündleitwert y_T der Topfkreise (E[F, 45 im Punkt A₁.

HJG) an den Punkten BJC₂ in nach Z₁ = R normierter Bei der Resonanzfrequenz f₀ der Sperrkreisanordnungen

Schreibweise lautet: zeigt die Gesamtanordnung folgendes Verhalten.

Der Sperrkreis C ist bei P, der Sperrkreis D bei P'

y_T = j tg — . (η — 1) «a j — (η — 1). (18) angeschlossen. Ihre Eingangswiderstände gehen bei der

2 2 50 Resonanzfrequenz f₀ in PjP' durch Null. Der durch den

Sperrkreis D verursachte Kurzschluß in P' wird durch die

Hieraus ergibt sich der Reflexionsfaktor γ an B₂ bzw. λ/4-Transformationsleitung P'[K nach K in einen Leer-C₂ zu lauf transformiert. Folglich arbeitet die Gabelschaltung A

bei P im Kurzschluß, bei K im Leerlauf. Die Gabel-( ' 55 schaltung S verhält sich analog; sie hat bei f₀ im PunktiT

einen Leerlauf, im Punkt P' einen Kurzschluß.
Im Abstand df von f _m hat r folgende Werte: Das Gabelverhalten bei f_Q läßt sich aus der zugehörigen

~ _m „^„„™- ^„,,_TT ^-,,_TT .,„, -.r-r-r Ketteiiniatrix Gleichung (2), TeilI der beiden Koppel- df = 40 MHz 79 MHz 117 MHz 155 MHz 191 MHz _{s&hMe A} _und _{B {Fig} f ^_{d 4) ableiten>
wobei im}^_or.

f₀ = 1000 MHz 60 liegenden Falle nur die Kurzschluß- bzw. Leerlaufwider-

ο-ι 01 λ 9 ο/ Οζο/ 198 0/ ifk'ioi stände interessieren.

'/0 >/o >/o >/o >/o Schließt man den Ausgang des Koppelgebildes A bei P

Der Reflexionsfaktor γ der Koppelgebilde wächst somit kurz, so ergibt Gleichung (2) den Eingangswiderstand näherungsweise mit dem Quadrat der Verstimmung W₁Jc

Δη = η — 1, der des Symmetriertopfes etwa linear mit 65 -.r. ^—pjif

Δη. Die Bandbreiten gleichen Reflexionsfaktors r (^; 5 %) W₁j_c = — j Z₁ · — · -*- — - . (20)

verhalten sich im angenommenen Zahlenbeispiel somit k Ω

wie etwa 2,3 : 1.

Mit der Gabelschaltung nach Fig. 2 läßt sich auch eine Gemessen wird W₁Jc zwischen den Punkten C₂ des

Doppelschaltung in der bereits erwähnten Weise aufbauen. 70 Innenleiters und O des Außenleiters. In Durchlaßmitte

(Ω = 0) der Gabelschaltung, also bei der Mittenfrequenz

= — if a + f-ü) bzw. fm = — (fo + f+a)

ist somit

= oo.

(21)

Betreibt man den Ausgang des Koppelgebildes B bei K im Leerlauf, so ergibt sich aus Gleichung (2) der Eingangswiderstand W₁Z

W_1L = -JZ₁

1 -

Ω. (22)

In der Mitte des Durchlaßbereiches {Ω = 0) der Gabelschaltung ist somit

= 0.

(23)

Der Kurzschluß bei P bzw. Leerlauf bei K bewirken, daß der Sender S₁ unmittelbar auf den Absorptionswiderstand R wie folgt arbeitet. Der Eingangswiderstand W_lL = 0 zwischen B₂ und 0 (Außenleiter) wird durch die vorgeschaltete Transformationsleitung FI nach I in einen Leerlauf transformiert. Der Absorptionswiderstand R=Z, bei I angeschlossen und über die λ/4-Transformationsleitung I G mit dem Wellenwiderstand Z · T/T transformiert, erscheint zwischen den Punkten C₁JC₂ und 0. Er wird über die zweite 2/4-Transformationsleitung A₁[B₁ mit dem Wellenwiderstand Z ■ ]/T nochmals übersetzt und an den Sender S₁ angeschaltet.

Analog verhält sich die Gabelschaltung B. der Innenleiterpunkt B₂ erscheint elektrisch bei f₀ mit dem Außenleiter kurzgeschlossen. S₂ ist hierbei über zwei A/4-Transformationsleitungen mit dem Wellenwiderstand Z · ]/T — und zwar 1'/C₂' und B₁ ¹JA₁ — mit dem reellen Verbraucherwiderstand R (z. B. einer Antenne) verbunden.

Die in der Fig. 5 gezeigte Sperrkreisanordnung aus zwei über einen λ/4-Längsschlitz gekoppelten A/4-Topfkreisen mit einem eingangsseitig parallel geschalteten reellen Verbraucher Z₀ sowie einer vorgeschalteten A/4-Transformationsleitung hat folgende Eigenschaften: Die Ortskurve des Eingangsleitwertes y_g2 hat kreisförmigen Verlauf, die zugehörigen Frequenzparameter sind symmetrisch verteilt, das Dämpfungsverhalten wird durch zwei Durchlaßbereiche bei den Frequenzen /L₂ und f₂ sowie einen von beiden eingeschlossenen Sperrbereich mit der Polfrequenz f₀ charakterisiert.

Claims

Patentansprüche:

1. Gabelschaltung für kurze und sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Koaxialleitungsresonator der elektrischen Länge w/1/2 (A = Betriebswellenlänge; n — i, 2, 3...), dessen Innenleiter in einem Spannungsmaximum unterbrochen und dort mit einer Serieneinspeisung und einer Paralleleinspeisung versehen ist, dadurch ge kennzeichnet, daß parallel [zum Innenleiter des Koaxialleitungsresonators im Resonatorraum ein weiterer Leiter geführt ist, der an den beiden Resonatorenden jeweils in den Innenleiter je einer weiteren Koaxialleitung übergeht, deren Außenleiter mit der Resonatorwandung verbunden sind, und daß der weitere Leiter im Bereich der Unterbrechungsstelle des Resonatorinnenleiters gegen den Resonatoraußenleiter kurzgeschlossen ist.

2. Gabelschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Bildung einer Doppelgabel in der Weise, daß zwei Gabelschaltungen über ihre beiden weiteren Koaxialleitungen zu einem geschlossenen Ring zusammengeschaltet sind und daß die Länge der durch die weiteren Koaxialleitungen gebildeten beiden Verbindungsleitungen der beiden Gäbelschaltungen jeweils wenigstens nahezu (2 η — V) 2/4 beträgt.

3. Gabelschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei diagonal gegenüberliegenden Übergängen von den beiden Koaxialleitungsresonatoren in die weiteren Koaxialleitungen je ein vorgegebene Frequenzen sperrender Zweipol angeschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen