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Erdsymmetrisches Hochfrequenz-Netzwerk und Weiche Die Erfindung betrifft
ein erdsymmetrisches Hochfrequenz-Netzwerk mit Bandpaßeigenschaft mit einem im Dezimeterwellen-
bzw. Zentimeterwellengebiet liegenden Durchlaßbereich, das vier einander räumlich
parallele, durch ihre Felder elektromagnetisch gekoppelte Einzelleiter enthält,
deren Länge etwa gleich einer Viertelwellenlänge der Mittelfrequenz des Durchlaßbereiches
ist und von denen je zwei eine symmetrische Leitung bilden. Gegenstand der
Erfindung ist ferner eine mit einem solchen Netzwerk versehene Weiche zum Verbinden
bzw. Auftrennen der verschiedenen Fernsehbereiche.
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Einzelne derartige Netzwerke sind bereits in Veröffentlichungen bekanntgeworden.
In einer Literaturstelle wird der allgemeine Fall der Leitungskopplung zwischen
zwei parallelgestreckten Leitungen behandelt, die stetig über eine gewisse Länge
miteinander gekoppelt sind. Wenn man zwei der Kleinmenpaare dieser beiden Koppelleitungen.
als- Eingang bzw. Ausgang des Netzwerkes benutzt und an die übrigen zwei Klemmenpaare
zwei induktive/kapazitive Ab-
schlüsse einschließlich Le'erlauf/Kurzschluß#
anschaltet, so entsteht eine große Variation von als, Bandfilter wirksamen Netzwerken.
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In dieser ersten Literaturstelle werden jedoch koaxiale Netzwerke
mit Bandfiltereigenschaften behandelt, während Gegenständ der Erfindung symmetrische
Hochfrequenz-Netzwerke sein sollen. Diese Literaturstelle gibt also keine Hinweise,
wie man ein symmetrisches Netzwerk als Bandfilter mit ausreichender Selektionsgüte
aufbauen kann. :
Nur um die den Versuchen und Messungen zugrunde liegenden
koaxialen Netzwerke dieser Literaturstelle exakt berechnen zu können, sind die Leitungsschemata
als symmetrische Leitungen dargestellt ' wobei deren Lage im Raum offengelassen
ist. Aus dem Text der Veröffentlichung und aus dem zu jedem Leitungsschema gehörigen
Ersatzschaltbild geht hervor, daß nur koaxiale Netzwerke gemeint sind. Selbst wenn
man die als symmetrische Leitungen angenommenen Leitungsschemata der Literaturstelle
mit der weiter unten vorgesChlagenen, erfindungsgemäßen Anordnung symmetrischer
Leitungen vergleicht, ist keine Übereinstimmung festzustellen. Durch Messungen hat
sich aber eindeutig ergeben, daß die Selektionsgüte der vorgeschlagenen Anordnung
für den vorliegenden Zweck nennenswert größer ist; näher wird weiter unten darauf
zurückgekommen werden.
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In einer zweiten Literaturstelle ist ein Bandpaßfilter beschrieben,
bei dem zwischen zwei mit Nullpotential verbundenen, parallelen Metallplatten eine
Anzahl von einander parallelen Metallstreifen mit gleichem Abstand voneinander angeordnet
sind-. Diese Streifen sind.A/4 lang und wirken als Resona, toren; die beiden äußeren
Streifen stellen elektrisch die Fortsetzungen der Adern zweier koaxialer Kabel dar
und bilden den Eingang und Ausgang des Bart&-paßfilters, während die inneren
Streifen untereinander und mit den äußeren Streifen durch ihrejeweiligen Streufelder
gekoppelt sind.
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Auch dieses Bandpaßfilter ist nur für unsymmetrische Leitungen gedacht
und außerdem sehr aufwendig in der Herstellung.
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Aufgabe der Erfmdung ist es nun, ein aus zwei gekoppelten Leitungen
bestehendes erdsymmetrisches Hochfrequenz-Netzwerk mit Bandpaßeigenschaften vorzuschlagen,
da& besonders einfach und preiswert aufgebaut ist.
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Die Erfindung besteht darin, da3 je ein Einzelleiter der an
einem Ende mit dem Eingang des Netzwerkes verbundenen und am anderen Ende offenen
ersten Leitung in unmittelbarer Nachbarschaft je eines Einzelleiters der
an einem Ende mit dem Ausgang des Netzwerkes verbundenen und am anderen Ende offenen
zweiten Leitung liegt und daß eine an ihrem anderen Ende kurzgeschlossene dritte
symmetrische Leitung, deren Länge etwa. gleich, einer Viertelwellenlänge der Mittelfrequenz
des Durchlaßbereiches ist, dem Eingang bzw. Ausgang des Netzwerkes parallel geschaltet
ist.
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Es- gibt viele Möglichkeiten, die vorgeschlagene Lage der drei Leitungen
zu verwirklichen. Von ausschlaggebender Wichtigkeit ist hierbei die Lage der mit
dem Eingang des Netzwerkes verbundenen ersten und die Lage der mit dem Ausgang verbundenen
zweiten Leitung, weil die zur Erreichung der gewünschten Bandpaßeigenschaft erforderliche
elektro;-magnetische Kopplung zwischen der ersten und der
zweiten
Leitung einen gewissen Wert nicht unterschreiten darf. Wenn man die erste und die
zweite Leitung so plaziert, wie in den Leitungsschemata der ersten Literaturstelle
angedeutet, nämlich derart, daß die erste Leitung für sich abseits von der zweiten
Leitung in ein und derselben Ebene wie letztere liegt, daß also der Reihe nach zuerst
der eine Einzelleiter der ersten Leitung, dann deren zweiter Einzelleiter und schließlich
die beiden Einzelleiter der zweiten Leitung zu liegen kommen, so erzielt
man selbst bei Mitbenutzung der erfindungsgemäßen dritten Leitung nicht die gewünschte
Bandpaßeigenschaft. Vermutlich ist dieses darauf zurückzuführen, daß bei einander
abseits liegenden Leitungen die elektromagnetische Kopplung zu gering ist und daß
die Einzelleiter einer jeden Leitung nicht symmetrisch im Netzwerk liegen.
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Eine Untersuchung , an einer aus vier parallelen Einzelleitern
bestehenden Anordnung, in der ab--weichend von der Erfindung je zwei benachbarte
Einzelleiter eine symmetrische Leitung bilden, ist auch in den Forschungsberichten
des Wirtschafts-und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen, Heft440, »Gekoppelte
Hochfrequenzleitungen als Richtkoppler«durchgeführt. Hierin ist die Anwendung von
vier gekoppelteA. Leitern als Richtkoppler, als Reflektometer und ails-Mischeinrichtung
behandelt.
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Es ist hier eine Beziehung abgeleitet, die das Spannungsverhältnis
der am Ausgang einer aus zwei gekoppelten 2/4-Leitungen bestehenden Anordnung herrschenden
Spannung zu der am Eingang derselben eingespeisten hochfrequenten Spannung für die
A entsprechenden und benachbarten Frequenzen zu berechnen gestattet. Es hat-§ich
aber gezeigt, daß die Bandpaßeigenschaft von ±wei gekoppelten Leitungen nicht ausreichend
ist, wehn damit ein Bandpaß großer Bandbreite und - hoher Flankensteilheit
aufgebaut werden soll.
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Erst durch den Anschluß einer dritten, an ihrem Ende kurzgeschlossenen
2/4-Leitung erreicht man die gewünschte Güte der Bandpaßeigenschaften. Dabei kann
man, wie später noch gezeigt werden soll, das aus drei Leitungen gebildete Netzwerk
auf einfache und billige Weise herstellen.
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Eine an ihrem Ende- kurzgeschlosesne 1/4-Leitung bildet an ihrem Anfang
einen großen Widerstand für .die2 entsprechende Frequenz und für andere Frequenzen
einen um so kleineren'Widerstaiid, je weiter diese Frequenz von
A entfernt liegt. Es werden also beim Parallelschalten ein& aus zwei
gekoppeltbn Leitungen bestehenden Anordnung mit der kurzgeschlossenen ),/4-Leitung
über- die Funktion der ersten und zweiten Leitung als Bandpaß hinaus die beiderseits
von A
liegenden Frequenzen durch die kürzgeschlossene 2/4-Leitung weiter abgeschwächt
und somit die Bandpaßeigenschaften dös Netzwerkes mit den drei Leitungen noch verstärkt.
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Die räumliche Lage der vier einander parallelen Einzelleiter der ersten
und zweiten Leitung ist an sich beliebig zu wähldn, sie können z. B. durch die vier
Ecken eines Rechtecks verlaufen. Es muß nur eine gute Kopphing,:der beiden Leitungen
und eine symmetrische Lage der Einzelleiter einer jeden Leitung im Netzwerk gewährleistet
sein. Die dritte Leitung kann sich nach irgendeiner Richtung erstrecken; sie braucht
nicht mit den beiden anderen Leiturigen. elektromagnetisch gekoppelt zu sein. Die
Wellenwiderstände der drei Leitungen und die der Anschlußleitungen müssen.njtiirlich
übereinstimmen. Legt man auf höchste Frequenzen keinen Wert, so übernimmt dieser
Bandpaß die Aufgabe eines Hochpasses, z. B. für die Fernsehbereiche IV und V mit
ausreichend hoher Sperrdämpfung gegenüber dem Bereich III.
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In Durchführung des Erfindungsgedankens können die vier Einzelleiter
der ersten Leitung und der zweiten Leitung zusammen mit den beiden Einzelleitern
der dritten Leitung in einer Ebene angeordnet sein, wobei die beiden nach außen
liegenden Einzelleiter die erste Leitung, die beiden diesen Einzelleitern benachbarten
Einzelleiter die zweite Leitung und die beiden innenliegenden Einzelleiter die dritte
Leitung bilden.
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Dadurch, daß die zweite Leitung zwischen den Einzelleitern der ersten
Leitung liegt, ist die Kopplung zwischen den beiden Leitungen so intensiv, daß unter
Mitwirkung der an ihrem anderen Ende kurzgeschlossenen dritten Leitung die Bandpaßeigenschaft
genügend günstig ist.
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Nach weiteren Merkmalen der Erfindung kann das Netzwerk aus einem
sechs Einzelleiter enthaltenden Flachbandkabel gebildet sein, oder es können die
Einzelleiter ein Form einer gedruckten Schaltung auf einem isolierenden Träger,
z.B. einer Folie, einer Platte oder sonstigem Material, aufgebracht sein.
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Diese beiden Ausführungsformen ergeben einfache und preisgünstige
Netzwerke, deren Bandpaßeigenschaften ausreichend sind. Insbesondere das Flachbandkabel
ist äußerst billig und läßt sich z. B. für eine Empfangsfrequenz im Bereich IV/V
des Fernselfens a Is ungefähr 10 cm langes und 1 cm breites Flachband
herstellen, das zudem noch etwas gewellt verlegt sein kann.
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Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann je ein Einzelleiter
einer jeden der drei Leitungen auf der einen Seite des- isolierenden Trägers und
diesen unmittelbar gegenüberliegend: der jeweils dazugehörige andere Einzelleiter
auf der anderen Seite des Trägers als gedruckte Schaltung aufgebracht sein.
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Auch ein solches Netzwerk ist preiswert herzustellen und als Bandpaß.dem
weiter oben vorgeschlagenen ebenbürtig, dessen drei Leitungen..in einer Ebene angeordnet
sind. Die Leiterbahnen auf den Oberflächen des Trägers können.gegebenenfalls bogenförmig
verlaufen, damit der Träger kürzer wird.
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Andere Merkmale d-.r Erfindung beziehen sich auf die Anwendung des
Netzwerkes in Verbindung mit einem Tiefpaßfilter als Weiche und die Ausbildung dieses
Tiefpaßfilters.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie deren Wirkungsweise seien
an Hand der Zeichnungen erläutert, in denen mehrere Ausführungsbeispiele des erfirtdungsgemäßen
Netzwerkes dargestellt sind.
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F i g. 1 bringt schematisch eine Anordnung von vier gekoppelten
Einzelleitern; F i g. 2 ist eine Erweiterung der F i g. 1 um eine
an ihrem linken Ende kutzgeschlossene A/4-Leitung; F i g. 3 - gibt ein als
Flachbandkabel ausgebildetes Netzwerk entsprechend F i g. 2 perspektivisch
und in vergrößertem Maßstab wieder; F i g. 4 bringt d.-n hinteren Teil des
auf 'einem isolierenden Träger als gedruckte Schaltung -,aufgebrachten Netzwerkes
der F i g. 2, in * vergrößertem Maßstab gezeichnet; F i
g. 5 bringt schematisch eine als Bandsperre wirkende offene A/4-Leitung mitsamt
einer impedanzumkehrenden, Z/4-Leitung;-
F i g. 6 ist eine
Erweiterung der F i g. 5, indem zwei offene Z/4-Leitungen einander parallel
geschaltet sind; F i g. 7 stellt zwei Weichen einer Empfangsanlage zum Verbinden
bzw. Auftrennen zweier Fernsehbereiche schematisch dar; F i g. 8 zeigt in
perspektivischer Zeichnung und natürlichem Maßstab eine Weiche.
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Entsprechend F i g. 1 besteht eine Anordnung 5
aus zwei
die erste Leitung bildenden Einzelleitem 1, 2 und aus einer zweiten Leitung
3, 4. Das rechte Ende der ersten, nach innen liegenden Leitung
1, 2 kann mittels eines Klemmenpaares 1 an eine z. B. ankommende symmterische
Anschlußleitung und das linke Ende der zweiten, nach außen liegenden Leitung
3, 4 kann mittels eines Klemmenpaares IV an eine andere, z. B. abgehende
symmetrische Anschlußleitung angeschaltet werden. Die Anschlußleitungen sind in
F i g. 1 nicht gezeichnet, entsprechen aber den Leitungen 13, 14 der
F i g. 2.
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- Man kann gemäß der weiter oben zitierten letzten Literaturstelle
(Forschungsbericht, Heft 440) als Spannungsverhältnis ableiten:
wobei
PIII =
1, weil Klemmenpaar II, III offen, 2,v
= Impedanz an IV, ZL
= Wellenwiderstand der Leitungen (gleich dem Wellenwiderstand der Anschlußleitungen),
| k |
| k - cos ß 1 + j sin ß 1 |
| Sp |
| K - sin ß 1 |
| , und 8,1 sind sogenannte Streumatrizen, |
| kcosßl+jsinßl |
| k = Vl --K2, K Vkj |
| C, + C2 - CE- Cl + C2
- CE |
| ki = 2 C2 k2 2 cl |
cl, c2, cE sind durch Messung an der Anordnung
5 der F i
g. 1 zu ermittelnde Kapazitätswerte,
Für eine angenäherte, eine genügende Genauigkeit ergebende Berechnung kann man den
Ausdruck im Nenner Piii Pri 83,
1
gleich Null setzen und erhält als vereinfachte
Gleichung Üry i
= (1 + piv)
- 2
(252123 1.
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Wenn man Üiv 1 für jede interessierende Frequenz berechnet,
erhält man eine Bandpaßeigenschaft der Anordnung der F i g. 1, die aber für
selektive Einrichtungen der Fernsehfrequenzen noch nicht ausreicht.
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Wird nun entsprechend F i g. 2 der bisher an ihrem rechten
Erde nur mit dem Wellenwiderstand der Anschlußleitung 13 abgeschlossenen
Leitung 9, 10 eine an ihrem anderen, linken Ende kurz-geschlossene Leitung
11, 12 parallel geschaltet, die für eine # entsprechende Frequenz eine sehr
große und für die von .Z abweichenden Frequenzen eine mit größerer Ab-
weichung
immer kleinere Impedanz darstellt, so wird die Leitung 9, 10 an ihrem rechten
Ende mit einer Parallelschaltung aus dem Wellenwiderstand der Anschlußleitung
13 und aus der an ihrem linken Ende kurzgeschlossenen 2/4-Leitung
11, 12 abgeschlossen, also mit einem Gesamtwiderstand:
wobei R, = Wellenwiderstand der Leitung und
Hieraus kann man für das Netzwerk der F i g. 2 zu jeder interessierenden
Frequenz d.-n Reflexionsfaktor piv und daraus üiv 1 erhalten. Es ergibt sich
durch diese Rechnung z. B. für 230 MHz eine Dämpfung um 15 db gegenüber
700 MHz. Bei Messungen an dem die sechs Einzelleiter 7 bis 12 enthaltenden
Flachbardkabel des Netzwerkes 15 der F i g. 3 wurden sogar
18 db festgestellt, was möglicherweise darauf zurückzuführen ist, daß beim
Flachbandkabel die an ihrem anderen Ende kurzg eschlossene %/4-Leitung
11,
12 elektromagnetisch mit den beiden anderen Leitungen
7'" 8 und 9" 10 gekoppelt ist, was bei der Rechnung nicht berücksichtigt
wurde.
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Bei dem Flachbandkabel 15 der F i g. 3- befindet sich
bei. 18 der Kurzschluß der %/4-Leitung 11, 12, und an 16> 17
ist die in dieser Figur nicht gezeichnele Anschlußleitung 13 anzuschalten.
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Auf einem isolierenden Träger 19 sind, wie in F i:
g. 4 gezeichnet> als Leite.rbahnen einer gedruckten Schaltung die- sechs
Einzelleiter 20 bis 25 derart aufgebracht, daß die Einzelleiter 20, Zl die
erste, 22, 23
die zweite und 24, 25 die dritte Leitung bilden.
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Eine an ihrem linken Ende offene A/4-Leitung 35, 36
der F i
g. 5 hat an ihrem rechten Ende für die Z entsprechende Frequenz eine sehr
niedrige Impedanz und für die von A abweichenden Frequenzen eine mit größerer
Abweichung immer größer werdende Impedanz; sie ist also eine Bandsperre für die
A entsprechende Frequenz. Eihe bessere Anpassung im Durchlaßbereich erreicht
man, indem zwei an ihren anderen Enden offene A/4-Leitungen parallel geschaltet
werden, nämlich entsprechend F i g. 6 die 1/4-Leitung 42, 43 parallel zu
der A/4-Leitung 40, 41. Eine derartige Bandsperre 37, die auf eine mittlere
Frequenz der Bereiche IV/V abgestimmt ist, wirkt für den Bereich I/III als ein Tiefpaßfilter,
dessen Grenzfrequenz zwischen den Bereichen III/IV liegt.
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Wie in F i g. 7 gezeichnet, bilden das Netzwerk 6
der
F i g. 2 und die Bandsperre 37 der F i g. 6 eine Weiche, durch
die eine Antenne 47 der Fernsehbereiche IV/V und eine Antenne 46 der Fernsehbereiche
I/III zu einem den gemeinsamen Ausgang der Weiche bildenden Knotenpunkt
57 verbunden werden. Über eine impedanzumkehrende Leitung 38, 39 der
F i g. 6, die nicht mit den offenen A/4-Leitungen 40, 41 und 42, 43 gekoppelt
zu sein braucht, wird die Bandsperre 37 unmittelbar an den Knotenpunkt
57 geführt, wobei das mit der offenen 2/4-Leitung verbund:ene Ende der impedanzumkehrenden
A/4-Leitung den Eingang des Weichenzweiges für die Bereiche I/III bildet, also zur
Antenne 46 führt. Die impedanzumkehrende A/4-Leitung 38, 39, die auf eine
mittlere Frequenz der Bereiche IV/V abgestimmt ist, muß zwischen dem Knotenpunkt
57 und den offenen 2/4-Leitungen 40, 41 und 42, 43 liegen, damit die Frequenzen
der Bereiche IV/V am Knotenpunkt nicht durch die offenen A/4-Leitungen kurzgeschlossen
werden.
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Die vier Einzelleiter 33 Bise 36 der F i g.
5 bzw.. die sechs Einzelleiter- 38; bis 43 der F i g. &
können als Flachbandkabel oder als gedruckte Schaltung ausgeführt sein.
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Vom oberen Knotenpunkt 57 geht es entsprechend F i
g. 7 über eine gegebenenfalls durch mehrere Stockwerke. eines Wohnhauses
führende, zweiadrige Ableitung 59, auf der die Frequenzen der Bereiche I/Iff
und IV/V gemeinsam, vorhanden sind und in deren Leitungszug Verstärker eingebaut
sein können, m einem unteren Knotenpunkt 58" von. wo aus mittels eines dem
behandelten Netzwerk 6. identischen Netzwerkes 60 und mittels einer
Bandsperre 61,. die identisch mit- der Bandsperre 37 der F i
g. 6 ist> die Fred, quenzen dex, Bereiche I/HI einerseits und IV/V andererseits
wieder- aufgetrennt werden" so daß der. Anschluß 48 nur Frequenzen. der Bereiche,
1/IH und Anschluß 49 nur die der Bereiche IV/V führt.
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Auf. einer Montageplatte 51 der- F i. g. 8 sind mehrere
Soblitze 54 vorgesehen- und in diese- die beiden Flach7 bandkabel 52, 53
eingeschoben, die z. B. ein Netzwerk6 und eine Bandsperre 37, also insgesamt,
eine Weiche darstellen. Die beiden Lötanschlüsse 55i 56 führen z.
B. zum Knotenpunkt 57, die Anschlüsse 65, 62
dann zur Antenne 47 bzw.
die Anschlüsse 63, 64 zur Antenne 46.