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Bandsperre mit konstantem Eingangswiderstand nach Art einer Achtpolweiche
Die Erfindung betrifft eine Bandsperre mit konstantem Eingangswiderstand, die nach
Art einer Achtpolweiche mittels zweier gleichartiger Gabelschaltungen aufgebaut
ist, von denen je zwei korrespondierende Zweige durch Vierpole miteinander verbunden
sind, deren Eingangswiderstände zueinander dual sind.
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Filter mit beiderseits konstantem Eingangswiderstand lassen sich mittels
Reaktanzelementen als Achtpole verwirklichen, deren restliche Klemmenpaare mit ohmschen
Widerständen abgeschlossen sind. Ein solcher Achtpol besteht aus zwei zueinander
dualen Vierpolen, die an beiden .Seiten über eine Gabelschaltung verbunden sind.
Die Dualität wird am einfachsten durch eine antimetrische Ausführung der Vierpole
erreicht. Es können dann zwei gleiche Vierpole verwendet werden, die derart zu einem
Achtpol zusammengeschaltet sind, daß am einen Gabelzweig die Eingangsseite des einen
Vierpols und am anderen Gabelzweig die Ausgangsseite des zweiten Vierpols liegt.
Zur Realisierung von Bandsperren mit sehr kleiner relativer Breite des Sperrbereiches
kommen praktisch nur Schaltungen mit Schwingquarzen in Frage. Derartige Schaltungen
werden in der Regel als symmetrische Brückenschaltungen bzw. den dazu äquivalenten
Differential-T-Schaltungen aufgebaut. Wegen der technologischen Beschaffenheit der
Schwingquarze ist es jedoch schwierig, zueinander duale Schaltungen zu realisieren,
wenn der schaltungstechnische Aufwand bzw. die Zahl der verwendeten Schwingquarze
in tragbaren Grenzen gehalten werden soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend genannten
Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen.
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Ausgehend von einer Bandsperre mit konstantem Eingangswiderstand,
die nach Art einer Achtpolweiche mittels zweier gleichartiger Gabelschaltungen aufgebaut
ist, von denen je zwei korrespondierende Zweige durch Vierpole miteinander verbunden
sind, deren Eingangswiderstände zueinander dual sind, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die die korrespondierenden Gabelzweige verbindenden Vierpole
aus der Kettenschaltung wenigstens eines Allpaßgliedes und wenigstens eines Bandsperrengliedes
bestehen.
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Hierbei ist es vorteilhaft, wenn in den Querzweigen der Bandsperrenglieder
Serienresonanzkreise vorgesehen sind, deren Resonanzfrequenz außerhalb des Sperrbereiches
der Bandsperre liegend gewählt ist.
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Es ist auch vorteilhaft, wenn im einen Zweig ein Bandsperrenglied
angeordnet ist, bei dem die im Querzweig auftretende Serienresonanzfrequenz oberhalb
des .Sperrbereiches der Bandsperre liegt, während im anderen Zweig ein Bandsperrenglied
angeordnet ist, bei dem die im Querzweig auftretende Serienresonanzfrequenz unterhalb
des Sperrbereiches der Bandsperre liegt, und wenn im Querzweig der nachgeschalteten
Allpaßglieder Serienresonanzkreise angeordnet sind, deren Resonanzfrequenzen wechselweise
mit den Resonanzfrequenzen der in den Querzweigen der Bandsperrenglieder liegenden
Serienresonanzkreise zumindest näherungsweise übereinstimmen.
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Zur Erzielung größerer Sperrdämpfungen ist es günstig, wenn in beiden
Zweigen gleichartige Bandsperrenglieder angeordnet sind, denen im einen Zweig ein
Allpaßglied nachgeschaltet und im anderen Zweig ein Allpaßglied vorgeschaltet ist,
und wenn die Allpaßglieder derart bemessen sind, daß sie im Sperrbereich der Bandsperre
und seiner näheren Umgebung als Dualwandler wirken.
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Eine günstige Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist dann gegeben,
wenn in beiden Zweigen zueinander duale Bandsperrenglieder angeordnet sind, zwischen
die ein Allpaßglied geschaltet ist, dessen Bemessung derart gewählt ist, daß es
im Sperrbereich der Bandsperre und seiner näheren Umgebung als Dualwandler wirkt.
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Günstige Laufzeiteigenschaften werden auch dadurch erzielt, daß die
die korrespondierenden Gabelzweige verbindenden Vierpole aus der Kettenschaltung
von Bandsperrengliedern und Allpässen bestehen, die als phasendrehende Glieder bzw.
als Dualwandler wirken.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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Die F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung.
In den korrespondierenden
Zweigen C zweier gleichartiger Gabelschaltungen
G ist ein Vierpol angeordnet, der aus der Kettenschaltung einer Bandsperre Spa und
eines Allpasses Ab besteht. In den Zweigen D der Gabelschaltungen liegt ein Vierpol,
der aus der Kettenschaltung einer Bandsperre Spb und eines Allpasses Aa besteht.
Die Bandsperren Spa und Spb sind derart bemessen, daß ihre Sperrbereiche übereinstimmen
und daß der Eingangswiderstand der Sperre Spb dual ist zum Eingangswiderstand der
Sperre Spa. Außerdem stimmen die Sperren Spa und Spb in ihrem Dämpfungsverhalten,
nicht aber in ihrem Phasenverlauf überein. Zur Erzielung streng dualer Vierpole
sind den Bandsperren die Allpässe Ab
und Aa nachgeschaltet, die dafür, sorgen,
daß die aus der Kettenschaltung von Bandsperren und Allpässen bestehenden Gesamtvierpole
das gleiche Betriebsübertragungsmaß aufweisen.
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Weitere Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes sind noch in den Schaltbildern
der F i g. 2 bis 9 näher erläutert.
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Es sind bereits Bandsperrengheder bekannt, wie sie in den F i g. 2
und 3 dargestellt sind. Die Schaltung nach der F i g. 2 enthält im überbrückungszweig
einen .Schwingquarz, der durch sein Ersatzschaltbild; nämlich die Elemente C1/2,
2L, und C,/2, dargestellt ist. An der-Mittelanzapfung der Spule 2L1 liegt im Querzweig
ein Serienresonanzkreis mit den Schaltelementen-L2/2 und 2C2. Die Resonanzfrequenz
des Serienresonanzkreises liegt bei der durch den geraden Pfeil angedeuteten Kreisfrequenz
co, In- der F i g. 3 ist die zur -Schaltung der F°i g. 2 äquivalente symmetrische
Brückenschaltung dargestellt. Im Längszweig liegt ein Serienreson_anzkreis mit den
Schältelementen L4 und C., dem die Kapazität- C1 und die Induktivität L1 parallel
geschaltet sind. Im Diagonalzweig ist ein Serienresonanzkreis mit den Schaltelementen
L2 und C2 angeordnet, dessen Resonanzfrequenz wiederum bei der Kreisfrequent cos
liegt. Zur besseren übersicht sind die Schaltungen nur in einem Längs- und einem
Diagonalzweig gezeichnet und in den zwei entsprechenden Zweigen gestrichelt angedeutet.
Der Gesamtblindwiderstand des Längszweiges ist mit X1 und der des Diagonalzweiges
mit X2 bezeichnet.
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Die. Schaltelemente der in den F i g. 2 und 3 dargestellten Schaltungen
können so dimensioniert werden, daß sich entweder der in der F i g. 4 oder der in
der F i g. _5 dargestellte Blindwiderstandsverlauf in Abhängigkeit von der Kreisfrequenz
w ergibt. Der gestrichelt angedeutete Sperrbereich S liegt in dem Frequenzbereich,
bei dem die beiden Blindwiderstände X1 und X2 gleiches Vorzeichen aufweisen, und
ist durch die Grundfrequenzen co-, und co+i festgelegt. In der Mitte des .Sperrbereiches
entsteht bei der Frequenz co. ein Dämpfungspol,- da dort beide Blindwiderstände
gleich groß sind. Bei der unterhalb des Sperrbereiches liegenden Frequenz o)-" fällt
im Diagiainm der F i g. 4 eine Serienresonanz des Diagonalzweiges mit einer Parallelresonanz
des Längszweiges zusammen. Im Scheinwiderstandsdiagramm der F i g. 5 deckt sich
die Serienresonanz des Diagonalzweiges mit einer Parallelresonanz des Längszweiges
bei der oberhalb des Sperrbereiches liegenden Frequenz co",. Ist die Dimensionierung
der -Schaltelemente so gewählt, daß sich der Blindwiderstandsverlauf gemäß der F
i g. 4 ergibt, d. h. daß für die im Querzweig (s. F i g. 2) auftretende Serienresonanz
cos = c)-« gilt, dann ergibt sich für den Wellenwiderstand dieser Schaltung
die folgende Beziehung:
Sind die Schaltelemente der in den. F i g. 2 und 3 gezeichneten .Schaltungen so
dimensiniert, daß sich der in der F i g. 5 dargestellte Reaktanzverlauf ergibt,
d. h. cis = co.", dann ergibt sich für den Wellenwiderstand der Schaltung,
die durch die Gleichung (2) festgelegte Beziehung
Aus den Gleichungen (1) und (2), in denen Z". den Wellenwiderstand bei der Frequenz
Unendlich bedeutet, ist zu erkennen, daß Zx der zu Z duale Wellenwiderstand ist.
Es läßt sich weiterhin zeigen, daß beide Schaltungen (cos = w-" und cos = W+«) gleiches
Dämpfungsverhalten aufweisen, hinsichtlich ihres Phasenverlaufes stimmen sie jedoch
nicht überein und ergeben nur im Sperrbereich und seiner näheren Umgebung eine Phasenverschiebung
von 90° zwischen Eingang und Ausgang.
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Die F i g. 6 zeigt die Verwendung der nach den F i g. 2 bis 5 beschriebenen
Bandsperrenglieder in einer Achtpolweiche zur Erzielung eines beidseitig konstanten
Eingangswiderstandes. Die Achtpolweiche ist mit zwei gleichartigen Gabelschaltungen
G aufgebaut. Die den Differentialspulen parallelgeschalteten Abgleichkondensatoren
Ct dienen der Abstimmung der Gabelübertrager, die mit dem ohmschen Widerstand 4R
abgeschlossen sind. Zur Erzielung eines konstanten Eingangswiderstandes R an den
Klemmen 1 und 1' bzw. 2 und 2' sind in beiden Zweigen Bandsperren gemäß der F i
g. 2 angeordnet, in deren überbrückungszweig die durch ihr Ersatzschaltbild dargestellten
Quarze Q liegen. Damit beide Bandsperren zueinander dual sind, müssen die Serienresonanzfrequenzen
der Querzweige bei dem im Gabelzweig C liegenden Bandsperrenglied bei der Frequenz
co,. und bei dem im Gabelzweig D liegenden Bandsperrenglied bei der Frequenz co_,
auftreten. Die Sperrbereiche beider Bandsperren dekken sich, und bei der Frequenz
c). tritt ein Dämpfungspol auf. Den Bandsperrengliedern sind in den beiden Zweigen
C und D Allpaßglieder A1 und A2 nachgeschaltet, die dafür sorgen, daß der aus Bandsperre
und Allpaßglied bestehende Gesamtvierpol in beiden Gabelzweigen C und D den gleichen
Betriebsübertragungsfaktor aufweist. Wie oben bereits erwähnt wurde, stimmen beide
Bandsperren in ihrem Dämpfungsverhalten ohnehin überein, und es ist lediglich erforderlich,
noch das Phasenmaß beider Gesamtvierpole in übereinstimmung zu bringen. Dazu werden
die Allpaßglieder A1 und A2 so bemessen, daß die Serienresonanz des im Zweig C gelegenen
Allpaßgliedes A1 mit der Serienresonanz des im Zweig D gelegenen Bandsperrengliedes
_ übereinstimmt. Ebenso wird die Serienresonanz des im Zweig D gelegenen Allpaßgliedes
mit der Serienresonanz des im Zweig C liegenden Bandsperrengliedes in übereinstimmung
gebracht, so daß also wechselweise die durch gerade Pfeile angedeuteten Resonanzfrequenzen
c)+. bzw. cu-Q der Bandsperren
und der Allpaßglieder übereinstimmen.
Physikalisch bedeutet dies, daß der durch die Bandsperrenglieder im übertragungsmaß
verursachte Phasenfehler durch die nachgeschalteten Allpaßglieder korrigiert wird.
Diese Lösung ergibt eine exakte Weiche und ist somit nicht auf die Anwendung für
Sperren kleiner relativer Bandbreite beschränkt. Jedoch muß bei Sperren mit einer
größeren Anzahl von Bandsperrengliedern jedem Bandsperrenglied ein entsprechendes
Allpaßglied zugeordnet werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist in der F i g. 7 eine Schaltung
gezeigt, bei der die die korrespondierenden Gabelzweige verbindenden Vierpole aus
gleichartigen Bandsperrengliedern aufgebaut sind. Hierbei sind wiederum zwei gleichartige
Gabelschaltungen G verwendet. Den Differentialspulen sind zur Abstimmung der Gabelübertrager
die Abgleichkondensatoren Ct parallel geschaltet, und die Gabelschaltungen sind
mit dem ohmschen Widerstand 4R abgeschlossen. In den korrespondierenden Gabelzweigen
C und D liegen gleichartige Bandsperrenglieder B, in deren überbrückungszweig die
durch ihr Ersatzschaltbild dargestellten Quarze Q angeordnet sind. Die Bandsperrenglieder
sind hierbei so dimensioniert, daß die im Querzweig auftretende Serienresonanz bei
der Frequenz co", und der Sperrdämpfungspol bei der Frequenz co. liegt. Damit an
den Klemmen 1 und 1' bzw. 2 und 2' der konstante Eingangswiderstand R auftritt,
ist es erforderlich, daß die in beiden Zweigen C und D angeordneten Gesamtvierpole
zueinander dual sind. Die Umwandlung in den dualen Widerstand erfolgt hierbei durch
ein Allpaßglied A, das im Zweig C dem Bandsperrenglied nachgeschaltet und im Zweig
D dem Bandsperrenglied vorgeschaltet ist. Die Allpaßglieder A sind so dimensioniert,
daß sie etwa bei der Frequenz c). eine Phasendrehung von -I-90° oder -90° bewirken,
wodurch sie bekanntlich als Dualwandler arbeiten. Aus diesem Grunde kann die im
Querzweig der Allpaßglieder auftretende .Serienresonanz cos erheblich von der Querserienresonanz
cv+a der Bandsperrenglieder abweichen. Ein derartiger Dualwandler braucht seine
Funktion nur innerhalb des Sperrbereiches und in einem verhältnismäßig schmalen
Frequenzbereich um den Sperrbereich zu erfüllen, da in einem größeren Abstand vom
Sperrbereich der Wellenwiderstand der Bandsperren praktisch frequenzunabhängig ist,
d. h. die Bandsperren sind dann zu sich selbst dual.
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Im Schaltbild der F i g. 7 sind als Dualwandler Allpässe zweiten Grades
verwendet. Es können auch Allpässe ersten Grades verwendet werden, d. h. Allpässe
mit nur einem Reaktanzelement im Querzweig. Die Schaltelemente wes derartigen Allpasses
sind jedoch durch die Angabe, daß in der Umgebung des Sperrbereiches eine Phasendrehung
von 90° auftreten muß und durch den geforderten Wellenwiderstand eindeutig festgelegt.
Die Verwendung eines Allpasses zweiten Grades, d. h. eines Allpasses mit zwei komplementären
Reaktanzelementen im Querzweig, hat den Vorteil, daß ein weiterer Bemessungsparameter
frei bleibt. Auf diese Weise kann noch die Laufzeit des aus der Bandsperre und dem
Allpaßglied bestehenden Gesamtvierpols in geeigneter Weise beeinflußt werden. Außerdem
können noch die Parallelkapazitäten und die Streuung der im Längszweig des Allpasses
liegenden Differentialspule durch die Überbrückungskapazität bzw. durch die im Querzweig
liegende Induktivität aufgenommen werden. In analoger Weise kann die in der F i
g. 7 dargestellte Schaltung auch durch gleichartige Bandsperrenglieder aufgebaut
werden, deren Querserienresonanz bei der Frequenz cu-Q liegt.
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Bei den in den F i g. 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispielen
kann das durch die Quarzbandsperren ausgesperrte Signal, z. B. ein Pilotton, aus
dem in die Klemmen 1, 1' bzw. 2, 2' eingespeisten Frequenzband entnommen und in
passender Weise weiterverarbeitet werden, wenn die Abschlußwiderstände 4R der Gabelschaltungen
durch eine geeignete Empfangs- oder Verstärkereinrichtung ersetzt werden.
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Zur Erzielung einer größeren Sperrdämpfung können beliebig viele gleichartige
Bandsperrenglieder zwischen den korrespondierenden Gabelzweigen angeordnet werden.
Dies führt zu dem in der F i g. 8 dargestellten Blockschaltbild. Hierbei sind gleichartige
Sperren Spl, Spe bis Spn in den die Gabeln G verbindenden Zweigen C und D
angeordnet. Damit die Gesamtvierpole beider Zweige zueinander dual sind, braucht
im Zweig C nur ein als Dualwandler wirkender Allpaß A den Bandsperrengliedem nachgeschaltet
zu sein, während im Zweig D nur ein als Dualwandler wirkender Allpaß A den Bandsperrengliedern
vorgeschaltet sein muß.
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In der F i g. 9 ist eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Anordnung
dargestellt. Im Zweig C liegen die Bandsperren Spl bis Spn, denen eine Sperre Splz
mit dem zur Bandsperre Spl dualen Wellenwiderstand und ein als Dualwandler wirkender
Allpaß A vorgeschaltet sind. Im Zweig D liegt zwischen den Gabelschaltungen
G die gleiche Anordnung, die jedoch in der Reihenfolge vertauscht ist.
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Gegebenenfalls sind auch Kombinationen der Anordnung gemäß den F i
g. 6 und 7 möglich, wobei es besonders vorteilhaft ist, daß die endgültige Auswahl
der Gesamtschaltung nach den im Durchlaßbereich geforderten Laufzeiteigenschaften
erfolgen kann.