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Anordnung für sehr kurze elektromagnetische Wellen zum Ausgleich der
Laufzeitverzerrungen von Hohlleitungen Die Erfmdung bezieht sich auf eine Anordnung
für sehr kurze elektromagnetische Wellen zum Ausgleich der Laufzeitverzerrungen
von Hohlleitungen, die der Übertragung von einem Träger aufmodulierten Signalspannungen
dienen.
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Der Übertragung elektrischer Energie in Hohlleitungen steht neben
der Dämpfung vor allem deren dispergierende Eigenschaft hindernd im Wege. Wie einschlägige
Untersuchungen gezeigt haben, lassen sich brauchbare Verstärkerabstände längs einer
Hohlkabelübertragungsstrecke nur erzielen, wenn für einen ausreichenden Ausgleich
der Laufzeitverzerrungen gesorgt wird. Es sind Laufzeitentzerrer in Hohlleiterbauweise
bekannt, deren Laufzeitfrequenzkurve einen zur Laufzeitfrequenzkurve einer Hohlleitung
gegensinnig gekrümmten Verlauf aufweist. Solche Laufzeitentzerrer werden abschnittsweise
in den übertragungsweg eingefügt und so bemessen, daß sie zusammen mit der sie jeweils
entzerrenden Hohlleitung einen verzerrungsfreien übertragungsabschnitt darstellen.
Entzerrerelemente der genannten Art sind herstellungsmäßig sehr aufwendig, da sie
eine hohe mechanische Präzision verlangen. Auch ist es sehr nachteilig, daß sie,
sofern sie in einem engen Rechteckhohlleiterquerschnitt ausgeführt werden, wegen
ihrer erforderlichen großen Länge wertvolle Hochfrequenzleistung verbrauchen.
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Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, für den Ausgleich
der Laufzeitverzerrungen von Hohlleitungen eine besonders einfache Lösung anzugeben,
die die bei Hohlleiterentzerrem der geschilderten Art auftretenden Nachteile vermeidet.
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Ausgehend von einer Anordnung für sehr kurze elektromagnetische Wellen
zum Ausgleich der Laufzeitverzerrungen von Hohlleitungen, die der Übertragung von
einem Träger aufmodulierten Signalspannungen dienen, bei der im Zuge der Signalübertragungsstrecke
ein Allpaßnetzwerk vorgesehen ist, dessen Laufzeitfrequenzkurve im Nutzbereich eine
der Krümmung der Laufzeitfrequenzkurve der Hohlleitung entgegengesetzte Krümmung
aufweist und derart bemessen ist, daß seine Laufzeitverzerrungen die Laufzeitverzerrungen
der Hohlleitung wenigstens annähernd ausgleichen, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung
dadurch gelöst, daß das Allpaßnetzwerk in einem Streckenabschnitt angeordnet ist,
in dem die Signalspannungen in der Basisbandebene vorhanden sind.
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Es sind auch bereits Nachrichtenübertragungssysteme bekannt, bei denen
das ankommende Signal sehr hoher Frequenz in einer relativ hohen Zwischenfrequenzlage
verstärkt und entzerrt wird. Im Gegensatz zum ErfIndungsgegenstand ist hier der
für die Entzerrung erforderliche Aufwand an Filtermitteln sehr groß, weil sie in
diesem Fall sich aus Leitungselementen mit kompliziertem Aufbau zusammensetzen,
die eine große mechanische Präzision aufweisen müssen. Diese Filtermittel bedingen
darüber hinaus einen nicht unerheblichen Verlust an wertvoller Hochfrequenzenergie.
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Ferner ist es bei der Übertragung eines Sprachvielfachs über Leitungen
üblich, die Leitungsverzerrungen durch Einschaltung von entsprechend bemessenen
Entzerrungsnetzwerken in den Leitungszug zu kompensieren. Diese Netzwerke sind zwar
entsprechend dem Allpaßnetzwerk nach der Erfindung mit konzentrierten Schaltelementen
ausgeführt. Sie lassen jedoch keinen unmittelbaren Vergleich mit dem Erfindungsgegenstand
zu, da sie frequenzmäßig dort zum Einsatz kommen, wo die Verzerrung auftritt.
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Bei der Erfindung wird von der wichtigen Erkenntnis ausgegangen, daß
die in Hohlleitungen auftretenden Signalverzerrungen kein Mikrowellenproblem sind,
das nur mit Mitteln der Hohlleitertechnik lösbar ist, sondern daß bei geträgerten
Signalen der Laufzeitausgleich auch durch eine entsprechend bemessene Vorverzerrung
oder Nachentzerrung der Signalspannungen in der Basisbandebene herbeigeführt werden
kann. Die Entzerrung eines in einer Hohlleitung übertragenen Trägerfrequenzsignals
in der Basisbandebene ist zwar in Strenge nicht möglich.
Das beruht
darauf, daß die in die Hochfrequenzebene transponierte Laufzeitkurve des Allpaßnetzwerkes
antisymmetrisch zum Träger gespiegelt erscheint, während die Laufzeitkurve der Hohlleitung
zum Träger nicht exakt antisymmetrisch verläuft. Der Fehler bleibt aber in vernachlässigbaren
Grenzen, solange die Hohlleitung nicht nahe ihrer Grenzfrequenz betrieben wird.
Besonders vorteilhaft gestaltet sich der erfindungsgemäße Laufzeitausgleich dann,
wenn der Modulator und der Demodulator der übertragungsanlage vom linearen
Typ sind. Das gleiche gilt für einen Modulator und einen Demodulator vom
nichthnearen Typ, wenn sie hinsichtlich ihrer nichtlinearen Eigenschaften
zueinander komplementär sind. Der große Vorteil dieser Art des Laufzeitausgleiches
besteht unter anderem darin, daß das hierfür erforderliche Allpaßnetzwerk mit konzentrierten
Schaltelementen (Spulen und Kondensatoren) vorzugsweise in gedruckter Schaltungstechnik
ausführbar ist. Dies gilt auch dann, wenn das Signal eine Frequenzbandbreite von
mehreren 100 MHz aufweist. Die fertigungstechnisch in der Regel sehr aufwendigen
Entzerrerelemente in Hohlleiterbauweise können somit entfallen. Auch verbraucht
die Entzerreranordnung nach der Erlmdung keine wertvolle Hochfrequenzenergie.
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Die Modulationsspannung, in der Regel ein breites Frequenzspektrum,
kann beliebig geformt sein. Beispielsweise kann sie den Pulsrahmen eines Zeitmultiplexsystems
darstellen, dessen Frequenzbereich sich von der Puls-Wiederholungsfrequenz bis zu
einer oberen Bandgrenze (Basissignalband) erstreckt. Das Allpaßnetzwerk, das die
Modulationsspannung oder die Demodulatorausgangsspannung in einem solchen Maß vorverzerrt
oder nachentzerrt, daß hierdurch die Laufzeitverzerrung der Einhüllenden des die
Hohlleitung durchlaufenden Trägersignals wenigstens nahezu ausgeglichen werden,
läßt sich mit in Kette geschalteten Kreuzgliedern zweiter Ordnung realisieren. Jedes
Kreuzglied ist im Längs- und im Querzweig mit einem Resonanzkreis ausgestattet,
die zueinander widerstandsreziprok sind. Die Anzahl der Kreuzglieder des Allpaßnetzwerkes
hängt von der Länge der zu entzerrenden Hohlleitung ab. Die nötige Gliederanzahl,
wie auch die Ermittlung der Induktivitäts- und Kapazitätswerte der Schwingkreise
des Allpaßnetzwerkes, wird in einfacher Weise durch einen Vergleich seiner Laufzeitfrequenzkurve
mit der Laufzeitfrequenzkurve der zu entzerrenden Hohlleitung gewonnen. Zu diesem
Zweck kann beispielsweise die Laufzeitfrequenzkurve der Hohlleitung mittels der
Kreisfrequenz coo des Trägers durch eine einfache Frequenztransformation
w + 0)0 in die Frequenzebene der Modulationsspannung umgesetzt werden.
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An Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt
sind, soll die Erfindung im folgenden noch riäher erläutert werden. In der Zeichnung
bedeutet F i g. 1 das Blockschaltbild einer Anlage zur Nachrichtenübertragung
über Hohlleitungen nach der Erfmdung, Fig. 2 das Blockschaltbild einer Regeneriereinrichtung
für ein Hohlkabelübertragungssystern nach der Erfindung, F i g. 3 das Blockschaltbild
eines Fehlerortungsgerätes für Hohlleitungen nach der Erfindung, F i g. 4
ein Kreuzglied für ein Allpaßnetzwerk nach der Erfindung einschließlich seiner Gruppenlaufzeitfrequenzkurve,
F i g. 5 ein weiteres Gruppenlaufzeitdiagramm. Das in der F i g. 1
dargestellte Blockschaltbild zeigt eine Sendeanordnung 1 und einen nicht
näher bezeichneten Empfänger 2, die miteinander über eine Hohlleitung
3 verbunden sind. Die Sendeanordnung 1 besteht aus dem Signalgenerator
4, der über das Allpaßnetzwerk 5 an den Signaleingang des Modulators
6 angeschaltet ist. Der Modulator 6 weist in an sich bekannter Weise
noch einen zweiten Eingang auf, an den der Ausgang des Trägergenerators
7 angeschlossen ist. Ein Wellentransformator 8 verbindet D schließlich
den Ausgang des Modulators 6 mit der Hohlleitung 3, in der
dann die trägermodulierte Signalspannung zum Empfänger 2 hin übertragen wird..
Der Wellentrausformator 8 hat die Aufgabe, den Modulator 6 an die
Hohlleitung 3 anzupassen. Dies ist immer dann erforderlich, wenn der Modulator
6
einen anderen Hohlleiterquerschnitt aufweist als die Hohlleitung
3 oder aber die vom Modulatorausgang gelieferte elektromagnetische Energie
in der Hohlleitung 3 in einer anderen Wellenform übertragen werden soll.
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Das Allpaßnetzwerk 5 besteht aus in Kette geschalteten Kreuzgliedern
zweiter Ordnung mit widerstandsreziproken Resonanzkreisen im Längs-und Querzweig.
Wie bereits erwähnt wurde, ist die Anzahl der Kreuzglieder von der Länge wie auch
von der Art der zu entzerrenden Hohlleitung bestimmt. Die Bemessung des Allpaßnetzwerkes
kann, wie später noch gezeigt werden soll, in einfacher Weise den verschiedenen
Entzerrungsaufgaben angepaßt werden.
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Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 wird die Hohlleitung
3 durch Vorverzerrung der Signalspannung entzerrt. Selbstverständlich kann
der Laufzeitausgleich auch durch ein dem Demodulator des Empfängers 2 nachgeschaltetes
Allpaßnetzwerk nachentzerrt werden.
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Eine weitere erfIndungsgemäße Anordnung ist in der F i g. 2
dargestellt. Das Blockschaltbild zeigt eine Regeneriereinrichtung für Hohlkabelübertragungssysteme,
wie sie bei längeren Hohlkabelstrecken in Gre , wissen Abständen längs der
Strecke vorgesehen werden müssen. Die von links ankommende Energie wird zunächst
einem Wellentransformator 9 zugeführt, der in umgekehrtem Sinne die gleiche
Aufgabe erfüllt wie der Wellentransformator 8 in der F i g. 1.
Der
Demodulator 10 befreit das ankommende Signal von seinem Träger. Anschließend
wird es im regenerierenden Verstärker 11 regeneriert und verstärkt und über
das erfindungsgemäße Allpaßnetzwerk 5'
dem Signaleingang des Modulators
6' zugeführt. Der Modulator 6' ist entsprechend der F i
g. 1 über seinen zweiten Eingang mit dem Trägergenerator 7' verbunden.
In gleicher Weise erfolgt die Ankopplung des Modulators 6' an den weiteren
Hohlkabelabschnitt über den Wellentransformator 8'.
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Beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 2 ist wiederum
angenommen, daß der Laufzeitausgleich der einzelnen Hohlkabelabschnitte nach
dem Prinzip der Vorverzerrung durchgeführt ist.
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Das Allpaßnetzwerk 5' verzerrt somit die Signalspannung entsprechend
der Laufzeitcharakteristik
des nachfolgenden Hohlkabelabschnitts
vor. Bei Regeneriereinrichtungen, deren Allpaßnetzwerk je-
weils den vorangehenden
Hohlkabelabschnitt entzerrt, ist es zweckmäßig, das Allpaßnetzwerk dem Demodulatorausgang
unmittelbar nachzuschalten.
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In Weiterbildung der Erfindung kann das Allpaßnetzwerk in außerordentlich
vorteilhafter Weise bei Fehlerortungsgeräten für Hohlleitungen verwendet sein, die
mit geträgerten Impulsen arbeiten. Einrichtungen dieser Art werden unter anderem
zum Ausmessen von Antennenhohlleitungen benötigt. Solche Antennenhohlleitungen müssen
oftmals mit Rücksicht auf ihre großen Abmessungen, beispielsweise Speiseleitungen
für Fernsehantennen, möglichst nahe ihrer Grenzfrequenz betrieben werden. Dieser
Umstand erschwert eine genaue Fehlerortung außerordentlich. Die Laufzeitverzerrungen
steigen bekanntlich in der Nähe der Grenzfrequenz sehr stark an. Dadurch ist dem
Auflösungsvermögen der Echoimpulse eine obere Grenze gesetzt, weil der Meßimpuls,
sofern er sehr schmal ist, d.h. eine große Frequenzbreite hat, stark verzerrte Echoimpulse
liefert. In solchen Fällen kann nun die Meßgenauigkeit erheblich verbessert werden,
wenn die den Träger modulierende impulsförinige Spannung in der erfindungsgemäßen
Weise vorverzerrt oder nachentzerrt wird. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen,
daß die Entzerrung wegen der Nähe der Hohlleitergrenzfrequenz nur in gewissen Grenzen
vorgenommen werden kann.
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In der F i g. 3 ist in Form eines Blockschaltbildes ein solches
mit einem Allpaßnetzwerk versehenes Fehlerortungsgerät gezeigt. Der die Impulse
liefernde Signalgenerator 12 ist mit der aus dem Modulator U
und dem Trägergenerator
7" bestehenden Modulationseinrichtung über das Allpaßnetzwerk 5" verbunden.
Der Modulator 6" ist seinerseits mit seinem Ausgang an die Hohlleiterbrückenverzweigung
13
angeschaltet. Die übrigen Anschlüsse der Hohlleiterbrückenverzweigung sind
mit der das Meßobjekt darstellenden Antennenhohlleitung 14, dem Meßverstärker
15 sowie der Widerstandsnachbildung 16 verbunden. Der Ausgang des
Meßverstärkers 15 ist an den Eingang der eigentlichen Meßanzeigevorrichtung,
im vorliegenden Fall ein Oszillograph 17, angeschaltet. Die Hohlleiterbrückenverzweigung
13 ist so aufgebaut, daß die Echoimpulse in voller Stärke am Eingang des
Meßverstärkers 15 ankommen, während der eigentliche Sendeimpuls nur
stark gedämpft an den Meßverstärkereingang gelangen kann.
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Das Allpaßnetzwerk 5" wird zweckmäßigerweise hinsichtlich seiner
Gliederzahl umschaltbar ausgeführt, weil die Verzerrung der Echoimpulse von ihrer
Laufzeit, d. h. vom Ort der Störung, abhängig sind. Eine optimale Anpassung
der Entzerrung an die jeweiligen Gegebenheiten ist deshalb nur möglich, wenn das
Allpaßnetzwerk hinsichtlich seiner Gliederzahl wahlweise einstellbar ist.
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Zur näheren Erläuterung des Allpaßnetzwerkes selbst ist in der F i
g. 4 ein Kreuzglied zweiter Ordnung einschließlich seiner Gruppenlaufzeitfrequenzkurve
dargestellt. lEerbei ist für den Längszweig des Kreuzgliedes ein Reihenschwingkreis
LIC und für den Querzweig ein Parallelschwingkreis L'IC vorgesehen. Die beiden Resonanzkreise
sind zueinander widerstandsreziprok und haben die Resonanzkreisfrequenz co.. Die
Gruppenlaufzeit rg eines solchen Kreuzgliedes kann in einfacher Weise über den übertragungsfaktor
gefunden werden. Bei Anpassung ergibt sich hierbei
Im Diagramm ist zur besseren Übersicht an Stelle der Gruppenlaufzeit -cg selbst
die für ihre Frequenzabhängigkeit allein maßgebende Funktion über der auf a), bezogenen
Kreisfrequenz a) aufgetragen.
Wie das Diagramm zeigt, verläuft bis zum Wendepunkt 0,543 mit positiver Krümmung.
Bis zu dieser Frequenz ist also das Kreuzglied zur Entzerrung einer Hohlleitung,
deren Gruppenlaufzeitfrequenzkurve bekanntlich eine negative Krümmung aufweist,
grundsätzlich geeignet. Für einen ausreichenden Ausgleich der Laufzeitverzerrung
wird es allerdings in der Regel nicht ausreichend sein, wenn das Allpaßnetzwerk
aus unter sich völlig gleichen Kreuzgliedem aufgebaut ist. Das Allpaßnetzwerk läßt
sich jedoch leicht an die mitunter recht unterschiedlichen Entzerrungsaufgaben anpassen,
wenn die Resonanzfrequenzen der Kreise der einzelnen Kreuzglieder entsprechend unterschiedlich
bemessen werden.
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Im Diagramm der F i g. 5 ist eine mittels eines Allpaßnetzwerkes
nach der Erfindung entzerrte Gruppenlaufzeitfrequenzkurve für eine 30 km
lange Rundhohlleitung mit einem Innendurchmesser von 50 mm dargestellt. Die
Trägerfrequenz ist im vorliegenden Fall bei 35 GHz angenommen. Die Entzerrung
umfaßt ein Band von 0 :## co :## 109 Hz. Um die notwendigen Vergleichsmöglfchkelien
zu haben, ist in der F i g. 5 die Gruppenlaufzeit -cH der Hohlleitung bei
35 GE[z mittels Frequenztransformation in die Ebene der Signalspannung übertragen.
Bei einer Gruppenlaufzeit von rund 102 261 ns beträgt der Gruppenlaufzeitunterschied
an den Bandkanten oi = 0 Hz und w. = 109 Hz etwa 21 ns. Den
Ausgleich dieses Laufzeitunterschiedes zu ermöglichen, muß das Allpaßnetzwerk in
erster Näherung eine Gliederzahl n = 39 aufweisen. Die Resonanzfrequenz der
Resonanzkreise der Kreuzglieder errechnet sich dabei zu f, = 319 NlHz.
Unter der weiteren Annahme eines Wellenwiderstandes der Kreuzglieder Z #
150 Q errechnen sich die Blindwiderstände der Resonanzkreise zu L
= 75 nHy und C = 3,33 pF. Diese Größen sind bei der vorgenannten
Resonanzfrequenz als konzentrierte Schaltelemente durchaus realisierbar. Bei noch
größeren Bandbreiten als der im Ausführungsbeispiel ange-nommenen ist es
zweckmäßig, zur gedruckten Schaltungstechnik überzugehen, weil sich hiermit leicht
noch wesentlich kleinere Werte verwirklichen lassen. Die Gruppenlaufzeit rg, des
aus 39 Gliedem bestehenden Allpaßnetzwerkes ist in das Diagra der F i
g. 5 ebenfalls eingetragen. Ein Vergleich mit der Gruppenlaufzeitkurve -vgl,
zeigt, daß der Anstieg der Gruppenlaufzeitkurve -vg, ab etwa 7 - 108 Hz zu
steil ist. Dieser zu steile Anstieg kann durch eine weitere Kreuzgliedkette beseitigt
werden, die zu der aus 39 Gliedem bestehenden Kreuzgliedkette hinzu zu schalten
ist. Bei dieser weiteren Kreuzgliedkette
ist die Resonanzfrequenz
f2 der Schwingkreise der Glieder etwas kleiner zu wählen als die Resonanzfrequenz
fl. Sie läßt sich am besten auf empirischem Weg ermitteln. Im vorliegenden Fall
ist fp # 100 MHz gewählt. Für die erforderliche Korrektur reichen zwei solcher
Kreuzglieder aus. Ihre Gruppenlaufzeit rg 2 ist ebenfalls im Diagramm der F i
g. 5 über der Frequenz dargestellt. Die stark ausgezogene Kurve stellt das
Ergebnis der Entzerrung dar. Sie ergibt sich aus der Summe der Gruppenlaufzeit der
Hohlleitung v.H mit der Gruppenl#iufzeit des Allpaßnetzwerkes cl 1 +
rg 2. Die Summenlaufzeit führt eine Oszillation in einem Streifen von 4 ns Breite
aus. Damit ist also der Laufzeitgang der Hohlleitung um einen Faktor 5 verbessert
worden. Die Entzerrung kann noch weiter verbessert werden, wenn das aus zwei Kreuzgliedergruppen
bestehende Allpaßnetzwerk durch zusätzliche Kreuzgliedergruppen mit entsprechend
gewählten Resonanzfrequenzen ihrer Resonanzkreise erweitert wird. Auf diese Weise
läßt sich die Summen aufzeitkurve durch immer flachere und zahlreichere Wellen
weiter verbessern.