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Hochfrequenz-Brückenanordnung zur Zusammenführung oder Verteilung
untereinander frequenzgleicher Hochfrequenzenergieanteile Die Erfindung bezieht
sich auf eine Hochfrequenz-Brückenanordnung mit vier Anschlüssen zur Zusammenführung
untereinander frequenzgleicher Hochfrequenzenergieanteile oder zur Verteilung eines
Hochfrequenzenergiebetrages auf zwei Anschlüsse. Im Falle der Anwendung einer solchen
Anordnung zur ZusammenführungzweierHochfrequenzenergieanteile können zwei Hochfrequenzgeneratoren
gleicher Frequenz, deren Ausgangsleistungen einem gemeinsamen Ausgangswiderstand
zufließen, gegeneinander entkoppelt werden. Solche Anordnungen werden Parallelschaltungsbrücken
genannt. Im gebräuchlichsten Fall kann der gemeinsame Belastungswiderstand durch
eine Antenne gebildet sein.
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Die Wirkungsrichtung derartiger Anordnungen kann im allgemeinen umgekehrt
werden; dies bedeutet, daß mit einer solchen Anordnung auch die Ausgangsleistung
eines Hochfrequenzgenerators auf zwei Anschlüsse der Brückenanordnung verteilt werden
kann. Derartige Anwendungen sind besonders bei den bekannten Doppelbrückenweichen
von Bedeutung, in denen durch eine erste Brücke die Ausgangsenergie eines Hochfrequenzsenders
auf zwei Ausgänge, im allgemeinen zu gleichen Teilen, verteilt wird, um sie sodann
mittels einer zweiten Brückenanordnung wieder an einer Ausgangsklemme dieser zweiten
Brücke zu vereinigen, -an der zugleich die Ausgangsenergie eines zweiten Hochfrequenzsenders
auftritt, dessen Frequenz sich von der des ersten Senders unterscheidet. Dieser
Fall hat beispielsweise für die Speisung einer gemeinsamen Antenne mit den Ausgangsenergien
des Bildsenders und des Tonsenders beim Fernsehen Bedeutung.
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Für die genannten Zwecke, und zwar besonders für die Zusammenfassung
der Ausgangsenergien zweier frequenzgleicher Sender in einer gemeinsamen Antenne,
sind bereits verschiedene Brückenanordnungen bekannt, die unter Ausnutzung der Umkehrbarkeit
ihrer Wirkungsrichtung auch zur Verteilung der an einem ihrer Anschlüsse zugeführten
Energie auf zwei Anschlüsse benutzt werden können. Die einfachste davon besteht
aus einer Ringschaltung von vier je d/4-langen Leitungsstücken oder deren quasistationären
Ersatzschaltungen. Bekannt ist auch die Zusammenschaltung zweier solcher Ringschaltungen
in der Weise, daß sie eines der R/4-langen Leitungsstücke gemeinsam haben (deutsche
Auslegeschrift 1069 234).
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Außerdem ist unter der Bezeichnung »Posthumusbrücke« eine Brückenanordnung
bekannt, welche in jedem Arm einen impedanzumkehrenden Vierpol besitzt. An zwei
einander gegenüberliegenden Ecken sind die Hochfrequenzgeneratoren angeschlossen,
während der gemeinsame Belastungswiderstand und eine diesen Belastungswiderstand
nachbildende Impedanz mit den anderen beiden Eckpunkten verbunden sind. Drei der
in den Brückenarmen liegenden Vierpole weisen die elektrische Länge 2./4 auf, während
einer dieser Vierpole die elektrische Länge 3 .1/4 besitzt. Diese Brückenanordnung
ist sowohl mit aus quasistationären Bauelementen bestehenden Vierpolen (deutsche
Patentschrift 861865) als auch mit aus Leitungsstücken entsprechender elektrischer
Länge (deutsche Patentschrift 930 216) bestehenden Vierpolen bekanntgeworden.
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Die bekannten Brückenanordnungen müssen bei Verwendung innerhalb größerer
Frequenzbereiche nachgestimmt werden, weil die gewünschten Eigenschaften exakt nur
bei der Bauwellenlänge der Anordnung' vorhanden sind, für welche die in den Brückenarmen
liegenden Leistungsstücke oder quasistationären Ersatzglieder die elektrische Länge
1/4 bzw. 3 .1/4 aufweisen.
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In älteren Vorschlägen wurden bereits breitbandige Modifikationen
der Parallelschaltungsbrücke nach Posthumus sowie auch der 4-.?/4-Brücke angegeben.
Sie ergaben im Falle der letzteren Bandbreiten von
einem bis zu
einigen Prozent, während die Breitbandvariation der Posthumusbrücke eine Bandbreite
von 10% ergab. Innerhalb dieser Bandbreiten blieben die gewünschten Eigenschaften
innerhalb zugelassener Fehlergrenzen erhalten, so daß eine Nachstimmung der in den
Brückenarmen liegenden Glieder vermieden werden konnte. Jedoch waren die damit erzielten
Bandbreiten immer noch viel zu klein, um mit einer einzigen Anordnung wesentliche
Teile eines ganzen Verkehrsfrequenzbandes zu überdecken.
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Es ist zu erwähnen, daß aus miteinander gekoppelten Leitungsstücken
bestehende, als »Richtkoppler« bezeichnete Kopplungseinrichtungen bekannt sind,
mit deren Hilfe von einer durchgehenden Hauptleitung ein Energiebetrag in eine Nebenleitung
übertragen wird, wenn die Welle auf der Hauptleitung in einer vorbestimmten Richtung
fortschreitet, bei denen aber auf die Nebenleitung im wesentlichen keine Energie
übertragen wird, wenn die Welle auf der Hauptleitung in der entgegengesetzten Richtung
fortschreitet. Diese Wirkung beruht auf der vektoriellen Addition der über die induktive
und die kapazitive Kopplung von der Hauptleitung auf die Nebenleitung übertragenen
Spannungen.
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Die Anwendung solcher Richtkoppler tür die Messung der vorwärts und
rückwärts laufenden Anteile eines Hochfrequenzwellenzuges auf der Hauptleitung wurde
bereits beschrieben. Die Nebenleitung weist dabei an beiden Enden Anschlüsse für
Meßinstrumente auf, von denen das eine den vorwärts laufenden, das andere den rückwärts
laufendenEnergieanteil anzeigt. Es ist jedoch festzustellen, daß dabei tatsächlich
nur ein verschwindend geringer Energieanteil auf die Nebenleitung übertragen wird,
nämlich nur der Betrag, der zum Betrieb eines Meßgerätes erforderlich ist. Dem entspricht
die dieser Anwendung zugrunde liegende Forderung, daß die Dämpfung zwischen dem
Eingang und dem Ausgang der Hauptleitung vernachlässigbar gering sein soll (USA.-Patentschrift
2 679 632).
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Bekannt ist auch die Anwendung derartiger Richtkoppler als Auskopplungsanordnungen
für eine große Anzahl gleichzeitig und unabhängig zu betreibender Empfangsstellen
an einer gemeinsamen Antenne. Dabei sind die Hauptleitungen sämtlicher Koppler in
Reihe in die Antennenleitung gelegt, die hinter dem letzten Koppler reflexionsfrei
abgeschlossen ist. Auf die Nebenleitung eines einzelnen Kopplers wird dabei nicht
mehr als 10/0 der Antennenenergie übertragen. Bei dieser Bemessung sind die an die
Nebenleitungen angeschlossenen Empfängereingänge praktisch nicht mehr merklich miteinander
gekoppelt. Auch in diesem Falle wird also von der Hauptleitung zur Nebenleitung
nur ein ganz geringer Bruchteil der Energie der Welle auf der Hauptleitung übertragen
(USA.-Patentschrift 2 775 740).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochfrequenz-Brückenanordnung
anzugeben, deren gewünschte Eigenschaften innerhalb eines ausgedehnten Bereiches
verschiedenerBetriebsfrequenzen erhalten bleiben. Die Erfindung geht dabei von einer
Brückenanordnung von dem Typ der 4-2./4-Brücke aus, weil diese Brücke bestimmte
schätzenswerte Vorzüge aufweist. Sie ist oft einfacher zu verwirklichen als die
Posthumusbrücke und hat in einer wichtigen Anwendung als Doppelbrückenweiche, beispielsweise
für die Zusammenschaltung von Bild-und Tonsender in Fernsehanlagen, den Vorzug,
daß die zwischen den beiden Brücken liegenden Filterkreise auf beiden Seiten gleiches
Frequenzverhalten aufweisen dürfen, während bei der Posthumusbrücke die Filterkreise
bei Anbringung an einander zugeordneten Stellen der beiden Zweige ein zueinander
reziprokes Frequenzverhalten haben müssen.
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Die Erfindung geht aus von einer Hochfrequenz-Brückenanordnung mit
vier Anschlüssen zur ZusammenführunguntereinanderfrequenzgleicherHochfrequenzenergieanteile
oder zur Verteilung eines Hochfrequenzenergiebetrages zwischen zwei ihrer Anschlüsse
mit zwei mit je einem Anschluß am Anfang und Ende versehenen erdunsymmetrischen
Energieleitungsstücken, deren Innenleiter einander benachbart im Innern eines gemeinsamen
Außenleiters derartig angeordnet sind, daß zwischen ihnen magnetische und elektrische
Kopplungskomponenten bestehen. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch derartige
Bemessung der genannten Kopplungskomponenten, daß gleiche Fortpflanzungsgeschwindigkeiten
der Hochfrequenzwellen auf den durch die beiden Innenleiter gegeneinander und gegen
den gemeinsamen Außenleiter gebildeten Leitungsstücken bestehen und daß bei Zuführung
zweier Energieanteile mit 90° Phasenverschiebung an einander diagonal gegenüberliegenden
Anschlüssen der beiden Leitungsstücke am Ende des einen Leitungsstückes praktisch
die Summe der Energieanteile, am Ende des anderen Leitungsstückes praktisch keine
Energie dem mit diesem Anschluß verbundenen Widerstand zugeführt wird oder daß bei
Zuführung eines Energieanteiles am Anfang des einen Leitungsstückes dieser in zwei
einander im wesentlichen gleiche Teile mit 90° Phasenverschiebung ihrer Spannungen
auf das Ende des unmittelbar gespeisten Leitungsstückes und das diesem Ende diagonal
gegenüberliegende Ende des anderen Leitungsstückes verteilt wird.
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Um den Aufbau und die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Brückenanordnung
besser erläutern zu können, wird zunächst auf Fig. 1 der Zeichnung Bezug genommen.
Darin ist eine Brückenanordnung nach der Erfindung schematisch und unter Weglassung
aller unwesentlichen Teile dargestellt. Es wird der Fall der Zusammenführung der
Ausgangsenergien zweier Sender S, und S2 behandelt, welche an die zugehörigen Hochfrequenzenergieleitungen
1 und 4 angeschlossen sind und die Brückenanordnung an den Punkten I und
IV mit 90° Phasenverschiebung gegeneinander speisen. Die Summe ihrer Ausgangsenergien
soll praktisch ungeschmälert dem durch die Antenne A gebildeten Verbraucherwiderstand
Rv zugeführt werden. Dieser Ausgangswiderstand ist über die Hochfrequenzleitung
2 mit dem Punkt 1I der Brückenanordnung verbunden. Am Punkt III ist über die Hochfrequenzleitung
3 der Lastausgleichwiderstand RLA angeschlossen, der ebenso wie der Antennenwiderstand
RV den Wert Z besitzt. Z ist der Wellenwiderstand der Hochfrequenzleitungen 1, 2,
3 und 4.
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Fig. 1 zeigt, daß zwischen den Brückenpunkten 1 und 1I sowie zwischen
III und IV die Innenleiter a und b innerhalb des gemeinsamen Außenleiters O verlaufen.
Infolge ihrer Nachbarschaft innerhalb des gemeinsamen Außenleiters O bestehen zwischen
den Innenleitern a und b wesentliche magnetische und elektrische Kopplungen.
Es ist ein wesentliches Merkmal einer Anordnung nach der Erfindung, daß die magnetische
und die elektrische Kopplungskomponente
derartig bemessen sind,
daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der Hochfrequenzwellen auf dem durch die
beiden parallel geschalteten Innenleiter a und b gegen den Außenleiter
O gebildeten Leitungsstück und auf dem durch die beiden Innenleiter a und
b gegeneinander in Anwesenheit des Außenleiters gebildeten Leitungsstück
untereinander gleich sind. In Abhängigkeit von der elektrischen Länge der Leitungsstücke
mit den Innenleitern a und b
können die Wellenwiderstände der Leitungsstücke
und der Kopplungsfaktor zwischen den beiden Leitungsstücken stets so bemessen werden,
daß die gewünschte Zusammenführung zweier Energieanteile zwischen entkoppelten Anschlußklemmen
und bei praktisch stromlosem Lastausgleichwiderstand oder die gewünschte Verteilung
eines Energieanteiles auf zwei Ausgangsklemmen erzielt wird. Wie theoretische Untersuchungen
und praktische Versuche gezeigt haben, besitzt die erfindungsgemäße Brückenanordnung
eine gegenüber der bekannten 4-A/4-Brücke um Größenordnungen verbesserte Breitbandigkeit.
Die Breitbandeigenschaften werden optimal, wenn die durch die Innenleiter
a und b gegen den Außenleiter O gebildeten Leitungsstücke die elektrische
Länge io/4 aufweisen. Mit .1o ist dabei diejenige Betriebswellenlänge bezeichnet,
welche dem arithmetischen Mittelwert der Grenzfrequenzen des Arbeitsfrequenzbereiches
entspricht. Wird eine mit Leitungsstücken der elektrischen Länge @o/4 versehene
Brückenanordnung nach der Erfindung mit den quasistationären Ersatzgliedern dieser
Leitungsstücke aufgebaut, so ergibt sich deutlich die Ähnlichkeit der Anordnung
mit der bekannten 4-A/4-Brücke, wobei jedoch zum Unterschied von dieser zwischen
den spulenförmigen Ersatzgliedern der beiden einander parallelen Längsarme eine
wesentliche, entsprechend der Erfindung bemessene Kopplung besteht. Durch d:e-3e
Kopplung ergibt sich außer der angestrebten Verbesserung der Breitbandeigenschaften
auch der Unterschied, daß im Falle der Verwendung als Parallelschaltungsbrücke die
beiden voneinander entkoppelten Einspeisungspunkte bei der Brücke nach der Erfindung
einander diagonal gegenüberliegen, während sie bei der bekannten 4-A/4-Brücke nebeneinanderliegen.
In beiden Fällen haben jedoch übereinstimmend die beiden miteinander parallel zu
schaltenden Sender an den Einspeisungspunkten 90° Phasenverschiebung ihrer Spannungen
gegeneinander.
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Die zur Erfindung führenden Erkenntnisse über die günstigen Breitbandeigenschaften
der angegebenen Brückenanordnung wurden durch theoretische Überlegungen gewonnen
und durch Versuche in vollem Umfang bestätigt. Nachfolgend sei auszugsweise der
Gang der Rechnung dargelegt, durch welche die Vorteile der Brückenanordnung nach
der Erfindung bewiesen werden können. Zugleich bildet diese Rechnung die Grundlage
für gewisse noch zu erörternde Bemessungsregeln in den einzelnen Anwendungsfällen.
Für die Rechnung wird auf Fig. 2 der Zeichnung Bezug genommen. Darin ist die Anordnung
nach Fig.l vereinfacht dargestellt. Die beiden Leiter
a und
b seien
in den Abschnitten I bis II und III bis IV miteinander gekoppelt, was durch die
zwischen ihnen eingezeichnete Klammer angedeutet ist. Zur Vereinfachung der Rechnung
sei vorausgesetzt, daß die beiden Leitungen völlig gleichartig seien, was praktisch
stets erfüllt werden kann.
| L = Induktivität je Zentimeter der Leitung |
| a oder b. |
| Co = Kapazität je Zentimeter der Leitung |
| a oder b. |
| (In Gegenwart der anderen unangeregten |
| Leitung.) |
| M = Gegeninduktivität je Zentimeter von Lei- |
| tung a auf b, und umgekehrt. |
| C12 = Koppelkapazitat je Zentimeter von Leitung |
| a auf b, und umgekehrt. |
| x = Ortskoordinate. |
Die Rechnung sei auf sinförmige Anregung der Leitungsabschnitte beschränkt. Dann
lauten die Differentialgleichungen
Dabei ist C = Co -C12 und K =
-C12-
Diese Reihe von simultanen Differentialgleichungen muß zwecks Reduktion auf je eine
Variable jeweils differenziert werden. Die Differentiation ergibt ein entsprechendes
System von Differentialgleichungen zweiter Ordnung, die mit (2a),
(2b), (2c)
und
(2d)
bezeichnet werden können. Auf die Niederschrift dieses Gleichungssystems
ist hier verzichtet worden, weil aus diesen Gleichungen noch nicht ohne weiteres
die gewünschten Ergebnisse hergeleitet werden können.
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Eine Vereinfachung innerhalb des Gleichungssystems (1) bzw. (2) ist
nämlich dadurch möglich, daß über die Beziehungen zwischen den einzelnen Leitungskonstanten
auf Grund physikalischer Betrachtungen gewisse Aussagen gemacht werden können. Betrachtet
man zunächst eine Leitung allein, jedoch mit Rücksicht auf die Feldverzerrung in
Gegenwart der unangeregten anderen Leitung, so ist die resultierende Kapazität gegenüber
Erde nach dem in Fig. 3 dargestellten Schema der Teilkapazitäten
Wegen der Stromlosigkeit der zweiten Leitung spielt die Gegeninduktivität M keine
Rolle. Da ferner konzentrierte Induktivitäten und Kapazitäten sowie Dielektrika
mit von 1 abweichender Dielektrizitätskonstante fehlen, ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der
elektrischen Wellen auf der Leitung gleich der Lichtgeschwindigkeit c, also
lm Falle der Parallelspeisung beider Leitungen (Gleichtakterregung) ist an jeder
Stelle der Leitung U" = Ub und Ja = Jb. Es fließen also keine Ströme
durch die Koppelkapazitäten C12. Dagegen muß .jetzt wegen der endlichen Ströme in
beiden Leitungen die magnetische Kopplung berücksichtigt werden. Auch dabei ist
als Fortpflanzungsgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit c anzusetzen, also ist:
Aus (3 a) und (3 b) folgt
oder LK + MC = 0. (4)
Mit Rücksicht auf Gleichung (4) ergibt sich eine wesentliche
Vereinfachung des hier nicht niedergeschriebenen Gleichungssystems (2), so daß normale
Differentialgleichungen zweiter Ordnung verbleiben
Aus Gleichung (4), welche sich auch durch eine entsprechende Betrachtung der Verhältnisse
zwischen den beiden Leitern bei Gegentaktanregung bestätigen läßt, ergibt sich als
Kopplungsfaktor k beider Leitungen
Auf normale rechnerische Weise, durch Lösen der Differentialgleichungen des Systems
(2'a) bis (2'd) und durch Bestimmung der Konstanten, ergibt sich unter Weglassung
der hier nicht wichtigen Zwischenrechnungen das System der Leitungsgleichungen für
das Schema der Fig. 2 in der folgenden endgültigen Form Ual = Ua2 cos ax
+ j A Jag sin ax + j ZR 42 sin ax . (5 a)
Ubl = Ub2 cos ax + j Zo Jb2 sin ax + j ZK Jag sin ax . (5 c)
Dabei bedeutet
Aus den Gleichungen (5 a) bis (5 d) lassen sich nun die interessierenden Bedingungen
für die Entkopplung zwischen den Anschlüssen im Falle der Verwendung als Parallelschaltungsbrücke
sowie die Bedingung für die Anpassung an den Anschlüssen, die Bedingung für die
Leistungsaufteilung im Falle der Anwendung als Verteilungsbrücke, die Bemessung
der Kopplung zwischen den Leitungen in Abhängigkeit von ihrer elektrischen Länge,
das Phasenverhalten der Ausgangsspannungen und die Grenzen des Anwendungsbereiches,
innerhalb dessen die gewünschten Eigenschaften aufrechterhalten bleiben; auf dem
Wege normaler Rechenmethoden ableiten. Hier seien nur die Ergebnisse mitgeteilt.
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Entkopplung zwischen den Anschlüssen im Falle der Verwendung als Parallelschaltungsbrücke
ist gegeben, wenn an der Stelle des Anschlusses des zweiten Senders, also im Punkt
IV, die Spannung Ub2 und der Strom Jb2 gleich Null sind. Dieser Ansatz
liefert
bei Anpassung beider Ausgänge aus dem Gleichungssystem (5) das Ergebnis
Hierin ist ZO der Wellenwiderstand jeder Leitung im Koppelabschnitt in Gegenwart
der unangeschlossenen zweiten Leitung. Ein entsprechender Ansatz liefert als Senderbelastungswiderstand:
Rl=Z. R ist hierbei der im Punkt I, also im Anschlußpunkt des Senders Si in Erscheinung
tretende Anpassungswiderstand. Es ergibt sich, daß dieser wie auch die Entkopplung
völlig frequenzunabhängig ist im Gegensatz zu dem Verhalten aller bisher bekannten
Parallelschaltungsbrücken.
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Die Bedingung für gleichmäßige Leistungsaufteilung der an einem Anschluß
zugeführten Leistung auf zwei weitere Anschlüsse der Brückenanordnung lautet
Die geringste Kopplung wird benötigt, wenn sin ax = 1, also
oder wird (l = Länge
des Leitungsstückes).
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Dann wird
Die Rechnung ergibt weiter, daß das Verhältnis der beiden Ausgangsspannungen an
den Punkten 1I und 111 nicht völlig konstant bleibt, jedoch ändert es sich
innerhalb des Hauptanwendungsbereiches der Brückenanordnung nur sehr langsam mit
der Frequenz. Die relative Phasendifferenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen
bleibt völlig unabhängig von der Frequenz, exakt gleich z/2 bzw. gleich 90°. Dies
beweist, daß die Anordnung auch als Verzweigungsschaltung für Brückenweichen vorzüglich
geeignet ist.
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Über den Anwendungsbereich der Brückenanordnung nach der Erfindung
ergibt die Rechnung, daß bei einem Leistungsverlust im Lastausgleichwiderstand von
101o im Falle der Verwendung als Parallelschaltungsbrücke ein Frequenzbereich von
1 : 2,25 überstrichen werden kann, wenn die Bauwelle der Brücke auf das arithmetische
Mittel der Grenzfrequenzen des Bereiches gelegt wird.
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Die durch die Theorie gewonnenen Ergebnisse wurden durch praktische
Versuche mit einem Modell in vollem Umfange bestätigt. Es hat sich dabei auch ergeben,
daß die elektrische Länge der Leitungsstücke a und b nicht in jedem
Falle gleich .10/4 bemessen werden muß. Auch bei Längen der Leitungsstücke von nur
2.o/10 sind die sich ergebenden Wellenwiderstände und Kopplungsfaktoren technisch
noch realisierbar, so daß sich Anordnungen ergeben, die auch im Bereich der Kurzwellen
nicht zu große Ausmaße beanspruchen. Bei übereinstimmender räumlicher Beschaffenheit
der beiden mit einer elektrischen Länge gleich 1o/4 ausgeführten Leitungsstücke
hat sich eine Bemessung als vorteilhaft erwiesen, bei welcher der Wellenwiderstand
Zao bzw. Zbo jedes Innenleiters a bzw. b gegen den gemeinsamen Außenleiter
O bei Berücksichtigung des Einflusses des anderen Innenleiters gleich Z - V=£ ist,
worin Z der Wellenwiderstand der mit den Anschlüssen verbundenen Hochfrequenzleitungen
oder der entsprechende Abschlußwiderstand ist. Der Kopplungsfaktor k zwischen den
beiden Leitungsstücken wird dann vorteilhafterweise gleich gewählt.
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Um die aus den Bemessungsbedingungen sich ergebenden Wellenwiderstände
der Leitungsstücke bei hinreichender Spannungsfestigkeit verwirklichen zu können,
werden die Innenleiter a und b zweckmäßigerweise als Bandleitungen
ausgebildet, deren große Oberflächenteile einander zugewendet sind. Zur Erhöhung
der mechanischen Festigkeit können diese Innenleiter aus Schienen mit U-Profil bestehen,
wobei die durch die Basis des U gebildeten Oberflächenteile einander zugewendet
sind. Auch eine Ausführung der Innenleiter aus Rohren mit Rechteckquerschnitt kann
Vorteile gewähren, wenn die durch die großen Seiten der Rechtecke gebildeten Oberflächenteile
einander zugewendet sind und erforderlichenfalls zur Kühlung der Innenraum der Rohrteile
mit einer verdampfbaren Flüssigkeit gefüllt ist oder von einem Kühlmittel durchströmt
wird.
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Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine Anordnung nach der Erfindung,
in welcher die Innenleiter a und b
der miteinander gekoppelten Leitungsstücke
bandförmig ausgebildet sind. Der gemeinsame Außenleiter ist in Form eines Kastens
ausgebildet, der die Innenleiter auf drei Seiten umgibt. Die Induktivitäten der
Leitungsstücke sind mit La und Lb bezeichnet, während Zao und Zbo die ' Wellenwiderstände
der Leiter a und b gegenüber dem gemeinsamen Außenleiter O in Anwesenheit
des jeweils anderen Leiters darstellen.
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Fig.5 zeigt einen ähnlichen Schnitt durch eine Anordnung, bei welcher
der Kasten als Außenleiter O die Innenleiter a und b allseitig umgibt.
Die -Innenleiter bestehen dabei aus Schienen, welche ein U-Profil aufweisen.
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Die Fig. 6 a und 6 b sind zueinander gehörende Schnittdarstellungen
einer bevorzugten Ausführungsform einer Hochfrequenz-Brückenanordnung nach der Erfindung.
Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 und 6 mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Die Innenleiter a und b sind in Bandform ausgebildet. Die
Längen, über welche sie miteinander gekoppelt sind, befinden sich zwischen den Punkten
I und II bzw. III und IV. Zwischen diesen Endpunkten der Innenleiter a und
b und den Anschlüssen für die äußeren Hochfrequenzleitungen 1, 2, 3 und 4
sind die Verbindungsstücke 7, 8, 9 und 10 vorgesehen, welche gegenüber der
Richtung der Innenleiter um 90° abgebogen sind, wobei der Wellenwiderstand der Verbindungsstücke
gegen den gemeinsamen Außenleiter O gleich Z, d. h. gleich dem Wellenwiderstand
der Hochfrequenzleitungen 1 bis 4, gemacht ist. Es ist dabei zu berücksichtigen,
daß die Verbindungsstücke 7 bis 10 elektrisch schon dem Zuge der Hochfrequenzleitungen
1 bis 4 zuzurechnen sind. Die Übergangsstücke sind wie die Innenleiter selbst als
Bandleitungen ausgebildet. Um ihren Wellenwiderstand auf den gewünschten Wert Z
einregeln zu können, sind die beweglichen Wandungsteile 5 und 6 des gemeinsamen
Außenleiters 0 vorgesehen,
die in Richtung der eingezeichneten
Doppelpfeile nach Bedarf den Verbindungsstücken 7 und 9 bzw. 8 und 10 angenähert
oder von diesen entfernt werden können. An den Kanten der beweglichen Wandungstei`le
5 und 6 sind federnde Kontaktleisten vorgesehen, um diese Wandungsteile mit dem
Kasten O über einen geringen Widerstand zu verbinden. Der Kasten O kann durch einen
Deckel nach außen allseitig geschlossen werden. Um die Baulänge zu verkürzen und
die Spannungsfestigkeit erforderlichenfalls zu erhöhen, kann das Dielektrikum innerhalb
des Kastens durch ein geeignetes Isolieröl oder einen als Baustoff der Hochfrequenztechnik
geeigneten Kunststoff gebildet werden. Durch die gegenüber dem Wert für Luft bzw.
Vakuum vergrößerte Dielektrizitätskonstante wird bekanntlich die Baulänge verkürzt,
und es können für die gleichen elektrischen Kopplungen größere Abstände der miteinander
in Wechselwirkung stehenden Teile angewendet werden.
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Wie die Theorie und die Ergebnisse praktischer Versuche gezeigt haben,
sind die Grenzen des Anwendungsbereiches einer nach der Erfindung ausgebildeten
Anordnung als Parallelschaltungsbrücke lediglich durch die zugelassene Unsymmetrie
der Ausgangsspannungen bestimmt. Fig. 7 ist eine Kurvendarstellung, in welcher der
Zusammenhang zwischen der Bandbreite des überdeckten Arbeitsfrequenzbereiches und
den zugelassenen Verlusten im Lastausgleichwiderstand in Prozentwerten der zugeführten
Gesamtleistung angegeben ist. Dieser Leistungsverlust ist mit N,, bezeichnet und
in der Ordinatenachse in Prozentwerten aufgetragen. In Richtung der Abszissenachse
ist das Verhältnis fnt, durch fmin aufgetragen. wobei fmax die obere Grenzfrequenz
und f;"i. die untere Grenzfrequenz des Arbeitsfrequenzbereiches ist. Wie man dem
Schaubild entnimmt, kann bei einem Leistungsverlust von 1% schon ein Frequenzbereich
von 1 : 2,25 überstrichen werden, wenn die Bauwelle auf das arithmetische Mittel
des Frequenzbereiches gelegt wird und wenn eine elektrische Länge der miteinander
gekoppelten Leitungsstücke gleich .io/4 zugrunde gelegt wird. Da eine Breite des
Arbeitsfrequenzbereiches von 1 : 2 in den meisten Fällen gar nicht erforderlich
ist, kann man die Baulänge I verringern. Die Rechnung hat ergeben, daß die Bandbreiten
der besten bisher bekannten Parallelschaltungsbrücken bereits mit Baulängen 1 =
.?/14 erreicht werden können. Allerdings werden dann die erforderlichen Kopplungsfaktoren
k sehr groß, so daß sie mit ausreichender Spannungssicherheit technisch nicht mehr
dargestellt werden könnten. Die technische Grenze dürfte daher etwa bei I = A/10
erreicht sein.
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Für Wellenbereiche, in denen die Baulängen einer mit Leitungsstücken
ausgeführten Brückenanordnung nach der Erfindung zu groß werden, sind Ausführungsformen
von Bedeutung, bei denen an Stelle der Leitungsstücke ihre quasistationären Ersatzglieder
eingesetzt sind. Eine solche Ausführungsform ist schematisch in Fig. 8 dargestellt.
Zwischen den Brückeneckpunkten I und 11 bzw. III und IV liegen die Spulen
mit den Induktivitäten L12 und L34, welche die Gegeninduktivität M miteinander besitzen.
Diese induktive Kopplung zwischen den die Innenleiter ersetzenden Spulen und ihre
Induktivitäten L12 und L34 sind derartig bemessen, daß ihr Phasenmaß für Gleichtakterregung
und Gegentakterregung gleich wird. Die verteilten elektrischen Kopplungen in der
Anordnung nach Fig. 1 sind in Fig. 8 durch die von den Brückeneckpunkten ausgehenden
konzentrierten Kapazitäten Cl bis C4 zwischen den Eckpunkten und Masse bzw. Erde
sowie C13 und C24 zwischen den Punkten 1 und III bzw. Il und IV ersetzt. Das Schaltbild
nach Fig. 8 läßt die Ähnlichkeit der nach der Erfindung mit quasistationären Ersatzgliedern
ausgebildeten Brückenanordnung mit der bekannten 4-2./4-Brücke erkennen, wobei jedoch,
wie schon erwähnt wurde, ein wesentlicher Unterschied darin besteht, daß zwischen
den Induktivitäten Lit und L34 eine induktive Kopplung besteht und die Einspeisungspunkte
der Sender S, und S2 einander diagonal gegenüberliegen.
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Es hat sich gezeigt, daß es zur Aufrechterhaltung des der Bemessung
zugrunde gelegten Wellenwiderstandes der Leitungsersatzglieder an den Grenzen des
Arbeitsfrequenzbereiches erforderlich ist, diese Ersatzglieder durch Kettenleiter
darzustellen, deren Glieder zr-Glieder mit induktiven Längselementen und kapazitiven
Querelementen sind. Sieht man eine Unterteilung in eine genügende Anzahl von Kettenglieder
vor, so könnte jedes einzelne der Kettenglieder auch an den Grenzen des Anwendungsbereiches
noch genügend weit von 2.. 4 entfernt bleiben und einen einigermaßen konstanten
Wellenwiderstand aufweisen. Die Rechnung hat ergeben, daß sich bei Unterteilung
in drei Kettenglieder bei Ausnutzung eines Frequenzbereiches von 1 : 2,3 der Wellenwiderstand
um etwa ±3,5% ändert. Diese Änderung ist noch zu groß. Zweckmäßigerweise wird daher
eine Unterteilung in vier Kettenglieder mit einem Phasenwinkel von je 22,5° vorgesehen.
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Unter den gleichen Verhältnissen ändert sich der Wellenwiderstand
dann nur noch um weniger als ± 10%. Vier Kettenglieder sind demnach ausreichend.
In Fig. 11 ist der Aufbau eines derartigen Kettengliedes dargestellt. Die eingetragenen
Bemessungswerte gelten für ein Kettenleiterersatzglied für einen Wellenbereich von
244 bis 560 m. Die Bauwelle ist dabei Ao = 370 m. Die Längselemente jedes Kettengliedes
sind in je zwei Zylinderspulen verschiedenen Durchmessers aufgeteilt, von denen
jeweils die Spule von geringerem Durchmesser des einen Längselementes innerhalb
der Spule von größerem Durchmesser des anderen Längselementes, vorzugsweise verschiebbar,
angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird die Sicherheit geboten, daß die Induktivitäten
jedes Kettengliedes für beide Leitungen exakt gleich groß sind und man die Gegeninduktivität
M ohne Veränderung der Werte von L einstellen kann.
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Fig.9 zeigt das Schema einer Doppelbrückenweiche, wie sie vorzugsweise
für die Speisung einer gemeinsamen Antenne A von dem Bildsender
SB
und dem Tonsender ST einer Fernsehsendeanlage verwendet wird. In
dieser Doppelbrückenweiche werden zwei Brückenanordnungen nach der Erfindung benutzt,
deren Zuführungsleitungen mit 1 bis 4 und 1' bis 4' bezeichnet sind. In der im Schaltbild
links dargestellten ersten Anordnung nach der Erfindung wird der vom Bildsender
an der Leitung 1 eingespeiste Energiebetrag auf die beiden Anschlüsse 2 und 3 verteilt,
während am Anschluß 4 der Lastausgleichwiderstand RLA liegt. Über die Leitungen
3, 3' und 2, 2' wird die in zwei Anteile
aufgeteilte Energie des
Bildsenders SB den entsprechenden Anschlüssen der im Schaltbild rechts dargestellten
zweiten Anordnung nach der Erfindung zugeführt. An der Anschlußleitung 4' dieser
Anordnung liegt die Antenne mit dem Widerstand Rv. Der freie Anschluß 1' wird als
Einspeisungsstelle für den Tonsender benutzt. Wesentlich ist, daß die Verbindungsleitungen
zwischen den Ausgangsanschlüssen der ersten Anordnung und den zugehörigen Eingangsanschlüssen
der zweiten Anordnung den Wellenwiderstand Z und untereinander gleiche elektrische
Längen aufweisen. An diesen Verbindungsleitungen sind als Querglieder untereinander
gleiche Frequenzfilter F zur Unterscheidung der Frequenzen des ersten, vom Bildsender
stammenden und des zweiten, vom Tonsender stammenden Energieanteiles enthalten.
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Fig. 10 zeigt eine Anordnung, in welcher zur Überdeckung eines ganzen
Verkehrsfrequenzbandes die Anwendung mehrerer Brückenanordnungen nach der Erfindung
erforderlich ist, um die von den Sendern S, und S"> gelieferten frequenzgleichen
Energiebeträge der Antenne A zuzuführen. Die einzelnen Parallelschaltungsbrücken
nach der Erfindung, insgesamt drei, sind mit den Buchstaben X, bis X3 bezeichnet.
Ihre Anschlußleitungen sind entsprechend dem Schema der Fig. 1 mit den Ziffern 1
bis 4 in der Zehnerstelle des zugehörigen Bezugszeichens versehen, während in der
Einerstelle die Ordnungszahl der zugehörigen Anordnung Xi bis X3 auftritt. Fig.10
zeigt nun eine einfache Anordnung, in der durch die Doppelschalter Pi/P2, P3lP4
und P5/P6 sowie P7/Ps die Umschaltung so vorgenommen werden kann, daß der gesamte
Arbeitsfrequenzbereich in drei Teilbereiche aufgeteilt wird, wobei in jedem Teilbereich
jeweils nur die zugehörige Anordnung X1, X2 oder X3 wirksam ist.
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£:s gei erwähnt, daß bei größeren Baulängen der LeiLuagsstücke n und
b die Möglichkeit besteht, die Bandleitungen im Innern des Kastens mäanderförmig
anzuordnen, wobei die großen Oberflächen der bandförmigen Teile einander zugekehrt
bleiben. Kann man es bei längeren Wellen nicht vermeiden, die Leitungsstücke
a und b durch Isolatoren abzustützen, so sollen die Halteisolatoren,
um die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Gleich- und Gegentaktwelle nicht verschieden
zu machen, möglichst nur an den Enden der d/4-Stücke verwendet werden. Der Einfluß
dieser Kapazitäten ist dann, ebenso wie eventuell kleine Änderungen des Wellenwiderstandes
im Knick, unschädlich, da die gleichen Fehler im 2/4-Abstand nochmal auftreten und
sich dann gegenseitig kompensieren.