DE1111675B

DE1111675B - Anpassungsnetzwerk fuer induktiv belastete UEbertragungsleitungen

Info

Publication number: DE1111675B
Application number: DEW25640A
Authority: DE
Inventors: Robert William Demonte; Ruth Lois Huxtable
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1958-05-22
Filing date: 1959-05-16
Publication date: 1961-07-27
Also published as: NL113030C; ES249621A1; US2978542A; GB849883A; FR1224705A; CH376549A; BE578883A; US2957944A; NL239160A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 21a² 36/05

INTERNATIONALE KL.

H03h; H04m

W25640VIHa/21a²

ANMELDETAG: 16. MAI 1959

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 27. JULI 1961

Die Erfindung betrifft die Verbesserung der Anpassungsverhältnisse bei induktiv belasteten Übertragungsleitungen mit Hilfe eines Anpassungsnetzwerkes.

Es ist Ziel der Erfindung, den frequenzabhängigen Wellenwiderstandsverlauf einer induktiv belasteten Übertragungsleitung zu linearisieren, so daß eine bessere Anpassung an eine Signalquelle möglich ist und damit Reflexionen vermieden werden.

Es ist bekannt, daß insbesondere induktiv belastete Leitungen, die in einem nicht vollständigen Spulenfeld enden, einen sehr stark schwankenden Wellenwiderstandsverlauf, insbesondere bei niedrigen Frequenzen und in der Nähe der Grenzfrequenz, besitzen. Wenn derartige Leitungen an einen Verstärker angeschlossen werden, dessen Bandbreite sich über die Grenzfrequenz der Leitung hinaus erstreckt, muß die Ausgangsimpedanz des Verstärkers an die Impedanz der Leitung im wesentlichen für die gesamte Bandbreite des Verstärkers angepaßt werden.

Anpassungsnetzwerke, die den Scheinwiderstand einer induktiv belasteten Übertragungsleitung zur Anpassung an z. B. einen Verstärkerausgang in einem Frequenzbereich, der sich bis zur Grenzfrequenz erstreckt, in einen im wesentlichen rein Ohmschen und konstanten Widerstand umbilden, sind bereits bekannt. Es wurden zu diesem Zweck Reihenimpedanzen verwendet, die aus einer Parallelschaltung einer Spule und eines Kondensators bestehen. Wenn die Übertragungsleitung in einem unvollständigen Endspulenfeld endet, wird durch einen Querkondensator, der der Kapazität des fehlenden Leitungsstückes entspricht, die Leitung zu einem halben Spulenfeld ergänzt.

Die Erfindung strebt dagegen an, den Wellenwiderstand der Leitung auch noch oberhalb ihrer Grenzfrequenz in einen konstanten, rein Ohmschen Widerstand umzubilden, um damit auch die Anpassung eines Verstärkers, dessen Bandbreite sich über die Grenzfrequenz der Leitung hinaus erstreckt, richtig vornehmen zu können.

Dazu werden Reihenimpedanzen vorgeschlagen, die aus einer Spule und einer dazu parallel geschalteten Serienschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators bestehen. Ein unvollständiges Endspulenfeld wird im Gegensatz zu den bekannten Vorschlägen mit Hilfe eines Querkondensators zu einem vollständigen Spulenfeld ergänzt, wodurch sich die Anpassung in einem sehr großen Frequenzbereich wesentlich vereinfacht.

Durch Zuschaltung einer Parallelimpedanz, die aus der Reihenschaltung eines Ohmschen Widerstandes, Anpassungsnetzwerk für induktiv belastete Übertragungsleitungen

Anmelder:
Western Electric Company, Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 22. Mai 1958

Robert William DeMonte, Glen Ridge, N. J.,
und Ruth Lois Huxtable, Yonkers, N. Y. (V. St. A.), sind als Erfinder genannt worden

eines Kondensators und einer Spule besteht, wird eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Forderung erzielt, den Scheinwiderstand der Leitung bei sehr tiefen Frequenzen und auch oberhalb der Grenzfrequenz in einen im wesentlichen konstanten, rein Ohmschen Widerstand umzubilden.

Zusätzlich kann zur weiteren Verbesserung in an sich bekannter Weise auch noch der Ohmsche Widerstand des fehlenden Leitungsstückes bei einem unvollständigen Endspulenfeld durch Reihenwiderstände nachgebildet werden. Weiterhin schlägt die Erfindung vor, zur Anpassung einer Leitung an eine Signalquelle bzw. einem Verstärker mit hohem Ausgangswiderstand Reihenwiderstände auch auf der Verstärkerseite des Anpassungsnetzwerkes einzufügen. Im folgenden werden die erfindungsgemäßen Maßnahmen und die erzielten Ergebnisse an Hand von Zeichnungen im einzelnen beschrieben; es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Anpassungsnetzwerkes mit einer induktiv belasteten Übertragungsleitung,

Fig. 2 und 3 Schaltbilder von zwei erfindungsgemäßen Netzwerken,

Fig. 4 zum Vergleich den Impedanzverlauf einer Leitung allein und einer Leitung mit Anpassungsnetzwerk,

109 649/273

Fig. 5 den Impedanzverlauf eines erfindungsgemäßen Anpassungsnetzwerkes,

Fig. 6 typische Kennlinien der Betriebsdämpfung eines Netzwerks.

In Fig. 1 ist ein Anpassungsnetzwerk 8 zwischen eine Signalquelle 9 und eine Übertragungsleitung bzw. ein Kabel 10 geschaltet, die mit einer angepaßten Belastungsimpedanz 11 abgeschlossen ist. Die Leitung 10 ist im Abstand S periodisch mit Spulen L belastet. Jede Spule L besteht aus zwei gleichen Teilen, die symmetrisch in die Leitung eingeschaltet sind. Jedes SpulenfeldS besitzt eine verteilte Kapazität C. Die Signalquelle 9 kann z. B. ein Verstärker mit einer negativen Reaktanz sein..

Die Fig. 2 und 3 zeigen schematisch zwei Ausführungen des erfindungsgemäßen Netzwerks 8. Die Klemmen 13, 14, 15 und 16 entsprechen den in gleicher Weise bezeichneten Klemmen in Fig. 1. Jedes Netzwerk besteht aus zwei gleichen Reihenimpedanzzweigen 18 und 19, die symmetrisch angeordnet sind. Jeder dieser Zweige enthält eine Spule L₁H und parallel dazu eine Reihenschaltung eines Widerstands R₁H und eines Kondensators 2C₁. Bei unsymmetrischem Aufbau kann der Zweig 19 weggelassen werden, und die Impedanz der Schaltelemente im Zweig 18 muß verdoppelt werden.

Fig. 4 zeigt den typischen Wellenwiderstandsverlauf der Leitung 10 mit einem vollständigen Spulenfeld am Ende. In diesem Beispiel besteht die Leitung aus Kupferdrähten mit einem Durchmesser von 0,6438 mm, S beträgt 1,825 km, L 0,088 ^H und C 0,0936 LiF. Die ausgezogenen Kurven 20 und 21 zeigen den Ohmschen Widerstand und die Reaktanz der Leitung in Abhängigkeit von der Frequenz. Beide Werte sind bei niedrigen Frequenzen groß. Der Ohmsche Widerstand (Kurve 20) fällt schnell auf 1000 Ohm bei etwa 0,7 kHz ab, nimmt dann langsamer bis zur Grenzfrequenz f_c bei 3,5 kHz auf unter 100 Ohm ab und bleibt dann etwa konstant. Die Reaktanz (Kurve 21) fällt ebenfalls schnell auf etwa 400 Ohm bei 0,7 kHz ab, nimmt dann bis f_c auf etwa 900 Ohm zu und fällt dann langsam wieder ab. Wenn die Signalquelle 9 ein Verstärker ist, muß eine gute Anpassung an die Leitung 10 im gesamten Übertragungsbereich des Verstärkers, der sich über die Grenzfrequenz der Leitung bis 2 f_c oder höher erstrecken kann, erreicht werden, um Reflexionen, die ein Pfeifen verursachen können, zu verhindern.

Um diese Anpassung zu erreichen, werden die Schaltelemente des Netzwerkes 8 so bemessen, daß die Impedanz der Leitung 10, die in einem vollständigen Spulenfeld endet, zusammen mit dem Netzwerk im Übertragungsbereich des Verstärkers 9 einen annähernd konstanten Ohmschen Widerstand darstellt.

Die Anpassung einer Leitung, die in einem vollständigen Spulenfeld endet, ist gezeigt, weil ein Netzwerk für eine solche Leitung leicht auch zur Anpassung einer Leitung mit einem unvollständigen Spulenfeld am Ende eingerichtet werden kann, indem ein Parallelkondensator hinzugefügt wird, wie weiter unten erklärt ist.

Aus der Kurve 20 ist ersichtlich, daß zur Erzielung eines konstanten Ohmschen Widerstandes im Bereich von z. B. 0,5 bis 7 kHz ein Ohmscher Widerstand hinzugefügt werden muß, der mit der Frequenz langsam von einem niedrigen Wert auf etwa 1000 Ohm bei Frequenzen etwas oberhalb von f_c zunimmt und dann diesen Wert beibehält. Aus der Kurve 21 ergibt sich ferner, daß eine positive Reaktanz mit einem breiten Maximum in der Nähe von f_c hinzugefügt werden muß, wenn die negative Reaktanz in diesem Bereich aufgehoben werden soll.
Die Reihenimpedanzzweige 18 und 19 eignen sich sehr gut zur Herstellung solcher Impedanzverläufe. Die Werte von L₁, C₁ und R₁ können unmittelbar aus den Leitungskonstanten L und C berechnet werden. Dabei ergeben sich jedoch zwei widersprechende ίο Forderungen. Einerseits soll die Betriebsdämpfung des Netzwerks 8 in der Nähe von f_c klein sein, andererseits soll der Ohmsche Widerstand so konstant wie möglich sein. Ein guter Kompromiß für die Werte der Schaltelemente ist:

L₁ == 0,37 L
C₁ = 0,58 C
A₁ = 0,68 ]/Tr

Somit haben bei dem vorstehenden Beispiel die Schaltelemente die Werte

L₁ = 0,37 · 0,088 H = 0,325 H (4)

C₁ = 0,58 · 0,0936 μΡ = 0,0542 iiF (5)

R₁ = 0,68 1/0088^0936TiFe = 645 Ohm (6)

Selbstverständlich können die Schaltelemente etwas von den angegebenen optimalen Werten abweichen, wobei trotzdem eine in den meisten Fällen ausreichende Anpassung erzielt wird. Diese Abweichungen dürfen im allgemeinen bis zu + 15% betragen. In Fig. 5 sind der Ohmsche Widerstand (Kurve 30) und die Reaktanz (Kurve 31) einer Reihenimpedanz, bei der L₁, C₁ und R₁ die in (4), (5) und (6) angegebenen Werte haben, in Abhängigkeit von der Frequenz aufgetragen. Die gestrichelten Kurven 23 und 24 in Fig. 4 zeigen den resultierenden Ohmschen Widerstand bzw. die resultierende Reaktanz der Reihenimpedanz zusammen mit der Leitung 10. Man sieht, daß zwischen 0,5 und 7 kHz der Ohmsche Widerstand weitgehend konstant und die Reaktanz sehr klein ist.

Die Betriebsdämpfung eines solchen Netzwerks zeigt die ausgezogene Kurve 25 in Fig. 6. Sie beträgt unterhalb 3 kHz weniger als 2 db. Zum Vergleich sei angegeben, daß die Dämpfung eines in dem Beispiel beschriebenen Spulenfeldes in diesem Frequenzbereich zwischen 0,5 und 1 db liegt.

Wenn das Netzwerk 8 zur Anpassung eines bei X endenden, unvollständigen Spulenfeldes einer Leitung benutzt werden soll, muß der Parallelkondensator C₄ am Leitungsende hinzugefügt werden. Er ergänzt die Leitungskapazität eines unvollständigen Spulenfeldes auf den Wert eines vollständigen Spulenfeldes und hat daher den Wert:

C₄ = C(I-Z)

Wenn X klein ist, z. B. kleiner als 0,2, kann die Anpassung verbessert werden, indem zwei Reihenwiderstände i?₄ in an sich bekannter Weise auf der Leitungsseite hinzugefügt werden. Sie ergänzen den Leitungswiderstand auf den Wert eines vollständigen Spulenfeldes. Ihr Wert beträgt:

= R(X-X)Il,

wobei R der Gleichstromwiderstand eines vollständigen Spulenfeldes S ist. Bei einem unsymmetrischen

Netzwerk kann einer der Widerstände i?₄ weggelassen werden, und der Wert des anderen muß verdoppelt werden. C₄ und i?₄ können einstellbar ausgeführt werden, wie durch die Pfeile angedeutet ist.

Der Verlauf des Wirkwiderstands (Kurve 23) kann bei Frequenzen unterhalb 1 kHz abgeflacht werden, indem ein Korrekturglied für niedrige Frequenzen hinzugefügt wird. In Fig. 2 hat dieses die Form einer Parallelimpedanz 27 auf der Eingangsseite der Reihenimpedanzen 18 und 19. Wenn der Ausgang der Signalquelle 9 eine Blindkomponente aufweist, kann die Parallelimpedanz ferner dazu benutzt werden, den Reaktanzverlauf (Kurve 21) zu verbessern, so daß sich eine bessere Anpassung ergibt. Die Parallelimpedanz 27 besteht aus einem Ohmschen Widerstand R₂. einem Kondensator C₂ und einer Spule L₂, die in Reihe geschaltet sind. L₂ und C₂ sind bei einer niedrigen Frequenz f_r in Resonanz, im allgemeinen unterhalb 0,3 kHz. R₂ ist so gewählt, daß sich die erforderliche Dämpfung ergibt. Bei dem vorliegenden Beispiel wird angenommen, daß die Signalquelle 9 ein Verstärker mit einer Ausgangsimpedanz von 900 Ohm in Reihe mit 2 μΡ ist. Die Frequenz f_r ist mit 0,203 kHz gewählt. Die Schaltelemente haben dann die folgenden Werte:

L₂ —	1,08 H	(9)
C₀ =	0,50 μΡ	(10)
*K =*	3400 Ohm	(H)

Den Widerstands- und Reaktanzverlauf der Reihenimpedanzen 18 und 19 mit zusätzlicher Parallelimpedanz 27 zeigen die punktierten Kurven 32 bzw. 33 in Fig. 4. Bei etwa 1 kHz gehen diese Kurven in die Kurven 23 bzw. 24 über. Wie durch die gestrichelte Kurve 34 in Fig. 6 dargestellt ist, wird die Dämpfung des Netzwerks 8 durch die Hinzufügung der Parallelimpedanz 27 etwa erhöht, insbesondere unterhalb 1 kHz.

Wenn die Ausgangsimpedanz der Quelle 9 ein reiner Ohmscher Widerstand von 900 Ohm ist, kann L₂ auf etwa 0,84 H und R₂ auf etwa 1800 Ohm herabgesetzt werden.

Der Kondensator C₂ ist vorgesehen, um die Impedanz des Parallelzweigs 27 für niederfrequente Wählimpulse oder Uberwachungssignale hoch zu machen, um damit ihre Übertragung über das Netzwerk zu ermöglichen. Wenn derartige Signale auf der Leitung 10 nicht vorhanden sind, kann C₂ weggelassen werden. Dann ergibt sich mit größerer Annäherung ein konstanter, rein Ohmscher Widerstand bis zu Frequenzen von 10 kHz und darunter.

Im wesentlichen die gleiche Korrektur bei niedrigen Frequenzen erhält man, wenn eine Parallelimpedanz 28 auf der Leitungsseite der Reihenimpedanzen 18 und 19 hinzugefügt wird, wie in Fig. 3 dargestellt ist.

Um gute Ergebnisse zu erzielen, können die Werte der Schaltelemente etwas von den oben angegebenen Werten für R₂, C₂ und L₂ abweichen. R₂, C₂ und L₂ können daher, wie angegeben, einstellbar ausgeführt sein.

Wenn eine Eingangsimpedanz mit einem Ohmschen Widerstand oberhalb des durch die Kurve 23 dargestellten gewünscht wird, können auf der Eingangsseite ebenfalls zwei Reihenwiderstände R₅ hinzugefügt werden, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Anpassungsnetzwerk für eine induktiv belastete Übertragungsleitung, die Belastungsspulen mit der Induktivität L in gleichmäßigen Abständen und eine verteilte Parallelkapazität C je Spulenfeld aufweist und die an einem Ende in ein nicht vollständiges Spulenfeld endet, an welches das Netzwerk aus einer Reihenimpedanz und einem Parallelkondensator mit der Kapazität C₄

ίο an den Verbindungspunkten des Netzwerks mit der Übertragungsleitung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenimpedanz aus einer Spule (L₁) parallel zu der Reihenschaltung eines Kondensators (C₁) und eines Ohmschen Widerstandes (R₁) besteht und daß die Schaltelemente der Reihenimpedanz in bezug auf die Induktivität L und die Kapazität C so bemessen sind, daß der Wellenwiderstand des durch das Netzwerk zu einem vollständigen Spulenfeld ergänzten Endspulenfeldes der Leitung in einem breiten Frequenzbereich, der sich sowohl nach oben als auch nach unten beiderseits der Grenzfrequenz der Leitung erstreckt, zu einem annähernd frequenzunabhängigen Ohmschen Widerstand wird, während die Kapazität C₄ annähernd gleich der Differenz zwischen der verteilten Parallelkapazität C eines vollständigen Spulenfeldes und der des nicht vollständigen Endspulenfeldes der Übertragungsleitung an diesem Ende ist.
2. Anpassungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Anpassung an den höheren Innenwiderstand einer Signalquelle (9) ein weiterer Ohmscher Widerstand (RS) in Reihe mit dem Reihenzweig des Netzwerkes geschaltet ist.
3. Anpassungsnetzwerk nach Anspruch 1, dessen zugehörige Übertragungsleitung die Grenzfrequenz f_c hat, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk außerdem einen Parallelzweig aus der Reihenschaltung eines Ohmschen Widerstandes (R.,), eines Kondensators (C₂) und einer Spule (L.,) enthält, durch die in Verbindung mit den Schaltelementen (L₁, C₁, R₁) der Reihenimpedanz der Wellenwiderstand des zu einem vollständigen Spulenfeld ergänzten Endspulenfeldes zu einem annähernd frequenzunabhängigen Ohmschen Widerstand in einem Frequenzbereich wird, der sich von unterhalb j JI bis oberhalb 2/_c erstreckt.
4. Anpassungsnetzwerk nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk zwischen einen Verstärker mit einem Ubertragungsbereich, der sich bis oberhalb der Grenzfrequenz der Übertragungsleitung erstreckt, und die Leitung geschaltet ist und die Schaltelemente des Netzwerkes so bemessen sind, daß der verstärkerseitige Wellenwiderstand des Netzwerkes im wesentlichen im ganzen Ubertragungsbereich des Verstärkers ein rein Ohmscher Widerstand ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: J. Wallot: »Einführung in die Theorie der Schwachstromtechnik«, 4. Auflage, Berlin, 1944, S. 318, 319;

E. Haak: »Einführung in die Leitungstechnik«, 3. Auflage, Goslar, 1952, S. 76 bis 78.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen