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Verzögerungsleitung Die Erfindung betrifft eine Verzögerungsleitung,
mit Frequenzabhängigkeit der Verzögerungseigenschaften sowie Frequenzunabhängigkeit
des Wellenwiderstandes.
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Verzögerungsleitungen mit frequenzabhängigen Verzögerungseigenschaften
sind an sich bekannt und finden in der Hochfrequenztechnik, speziell in der Impulstechnik,
ihre Anwendung. Ein Anwendungsfall ist die Frequenzmessung. Hierbei wird ein impulsmoduliertes
Hochfrequenzsignal, dessen Trägerfrequenz gemessen werden soll, z. B. ein Radarimpuls,
auf den Eingang einer mit frequenzabhängiger Verzögerung arbeitenden Verzögerungsleitung
gegeben. Die Zeitdifferenz zwischen dem Ausgangsimpuls und einem nicht frequenzabhängig
verzögerten Impuls stellt dann ein Kriterium für die Frequenz dar. Ein bekanntes
Beispiel einer Verzögerungsleitung mit frequenzabhängiger Verzögerung ist die sogenannte
Wendelleitung. Es sind auch Verzögerungsleitungen bekannt, bei denen die an sich
notwendigen Kapazitäts- und Induktivitätsbeläge durch aufgeteilte konzentrierte
Schaltelemente ersetzt werden, die eine entsprechende gegenseitige Kopplung besitzen.
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Die bekannten Verzögerungsleitungen haben nun aber den Nachteil, daß
nicht nur die Verzögerungsgrößen, sondern auch der Wellenwiderstand der Verzögerungsleitung
frequenzabhängig ist. Mit einer derartigen Anordnung ist nur eine Anpassung an das
vorgeschaltete Geräteteil, z. B. die Antenne, in einem relativ schmalen Frequenzbereich
gegeben, da bei der Verwendung in einem breiteren Frequenzbereich die bekannten
Nachteile der Fehlanpassung, wie Reflexionen, stehende Wellen, Energieverlust usw.,
auftreten.
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Es sind zwar schon Laufzeitverzerrungsfilter bekanntgeworden, die
frequenzabhängige Frequenzverzögerungseigenschaften, jedoch einen frequenzunabhängigen
Wellenwiderstand aufweisen. Diese bekannten, aus konzentrierten Bauelementen bestehenden
Filter sind aus Kreuz- und Differential-T-Gliedern zusammengesetzt. Die für derartige
Filter bekannte Lösung des der Erfindung zugrunde liegenden Problems läßt sich jedoch
nicht auf Leitungen für höhere Frequenzen übertragen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Lösung
des erwähnten Problems zu finden, die bei Verzögerungsleitungen für hohe Frequenzen
angewandt werden kann und die zu einer Verzögerungsleitung führt, die ebenfalls
frequenzabhängige Verzögerungseigenschaften, jedoch einen frequenzunabhängigen Wellenwiderstand
aufweist. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zur Erzielung eines frequenzunabhängigen
Wellenwiderstandes der Induktivitäts- und der Kapazitätsbelag der Leitung dadurch
gleiche Abhängigkeit von der Frequenz aufweisen, daß entweder a) der Induktivitätsbelag
den Gesetzen eines unterhalb der Resonanzfrequenz betriebenen Parallelschwingkreises
und der Kapazitätsbelag denen eines unterhalb der Resonanzfrequenz betriebenen Reihenschwingkreises
gehorcht und daß die beiden Resonanzfrequenzen (wenigstens näherungsweise) übereinstimmen,
oder b) der Induktivitätsbelag den Gesetzen eines oberhalb der Resonanzfrequenz
betriebenen Serienschwingkreises und der Kapazitätsbelag denen eines oberhalb der
Resonanzfrequenz betriebenen Parallelschwingkreises gehorcht, wobei die Resonanzfrequenzen
der Kreise (wenigstens näherungsweise) gleich sind, oder c) daß bei einer koaxialen
Ausführung der Verzögerungsleitung zwischen Innenleiter undAußenleiter der Leitung
ein Stoff eingefüllt ist, dessen relative Dielektrizitätskonstante und relative
Permeabilitätskonstante sich nach der gleichen Funktion in Abhängigkeit von der
Frequenz ändern.
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Aus den USA.-Patentschriften 2 747184, 2 648 000 und 2 659
817 sind ebenfalls Verzögerungsleitungen bekannt, bei denen jedoch auf Frequenzabhängigkeit
der Verzögerungseigenschaften und Frequenzunabhängigkeit des Wellenwiderstandes
kein Wert gelegt wird. Bei der Ausbildung der einzelnen Leitungen gemäß der Erfindung
können jedoch ebenfalls einzelne Maßnahmen angewandt werden, wie sie in den genannten
USA.-Patentschriften erwähnt sind.
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Bei homogenen Koaxialleitungen, die bei entsprechenden Frequenzen
als Verzögerungsleitungen in Frage kommen, ergibt sich für die Phasengeschwindigkeit
vP,
die hier betrachtet werden soll, der folgende Ausdruck:
wobei mit L', C der Induktivitäts- bzw. Kapazitätsbelag bezeichnet
ist. Die Dimension dieser Größen sind: Henry pro Zentimeter (H/cm) bzw. Farad pro
Zentimeter (F/em); für die Phasengeschwindigkeit vP ergibt sich die Dimension cm/sec.
Vorausgesetzt wird hierbei eine verlustfreie Leitung. Der Wellenwiderstand Z,t,
der Leitung in Ohm ergibt sich dann zu Z" = L/C. Das Ersatzschaltbild der
Koaxialleitung ist in der F i g. 1 dargestellt. Es besteht aus Längsinduktivitäten
1 und Parallelkapazitäten 2. Aus v. lassen sich nach bekannten Formeln auch die
Ausdrücke für die Phasenlaufzeit TP, Gruppenlaufzeit T, und Gruppengeschwindigkeit
9 berechnen.
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Die Erfindung geht von den oben aufgezeigten bekannten Tatsachen aus.
Man erkennt, daß dann, wenn man gemäß der Erfindung dem Induktivitätsbelag L' und
dem Kapazitätsbelag C die gleiche Frequenzabhängigkeit gibt, eine Frequenzabhängigkeit
der Phasengeschwindigkeit vP und somit auch der anderen Verzögerungsgrößen auftritt,
daß aber gleichzeitig der Wellenwiderstand konstant bleibt.
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Im folgenden soll nun an einigen Beispielen gezeigt werden, wie man
diese gleichmäßige Abhängigkeit der Werte L' und C von der Frequenz erzielen kann.
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In der F i g. 2 ist das Ersatzschaltbild einer Koaxialleitung dargestellt,
die die vorn aufgestellten Forderungen erfüllt. An Stelle des Längsinduktivitätsbelages
1 der F i g. 1 treten hier Parallelschwingkreise 3 mit den Induktivitäten 3 a und
Kapazitäten 3 b. Für den Querkapazitätsbelag 2 der F i g. 1 sind im vorliegenden
Ausführungsbeispiel Reihenschwingkreise 4 mit den Induktivitäten 4 a und
Kapazitäten 4 b
eingefügt. Setzt man voraus, daß die Schwingkreise 3 und
4 der F i g. 2 gleiche Resonanzfrequenz besitzen und daß man die Resonanzfrequenz
dieser Kreise als obere Grenzfrequenz ansieht, d. h. die Kreise im Gebiet unterhalb
ihrer Resonanzfrequenz treibt, so sind bei der in der F i g. 2 dargestellten Anordnung
die vorn angegebenen Forderungen erfüllt; es wird nämlich:
und wenn 4 die in der Zeichnung von 3 a, und C2 die in der Zeichnung mit 4b bezeichnete
Größe ist und unter f die Betriebsfrequenz und unter f, die Resonanzfrequenz der
Kreise verstanden wird. Für v. ergibt sich somit:
d. h., v. ist eine Funktion der Frequenz, während sich der Wellenwiderstand Z" zu
ergibt; also frequenzunabhängig ist. Ein praktisches Ausführungsbeispiel einer Koaxialleitung,
in welcher die gewünschte Frequenzabhängigkeit von L' und C gegeben ist und bei
der gleichzeitig der Wellenwiderstand frequenzunabhängig ist, ist in den F i g.
3 a und 3 b dargestellt. F i g. 3 a zeigt einen Schnitt durch einen Teil der Leitung,
die F i g. 3 b eine Aufsicht auf die an der Linie A-B geschnittene Koaxialleitung.
Der Innenleiter 5 der koaxialen Leitung ändert bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
seinen Durchmesser gemäß einer Mäanderfunktion. Die dadurch gebildeten Rillen 6
haben jeweils die elektrische Eigenschaft eines der längs eingeschalteten Parallelschwingkreise
3 der F i g. 2. An den Außenleiter 7 sind in gleichen Abständen zueinander, jedoch
jeweils um 90° gegeneinander versetzt (F i g. 3 b), »Nocken« 8 angeordnet. Jeder
Verdickung des Innenleiters 5 steht ein solcher »Nocken« gegenüber. Die »Nocken«
haben die elektrische Wirkung von parallel eingeschalteten Reihenschwingkreisen.
Zu der Dimensionierung der Breite der »Nocken« bzw. der Rillen ist zu sagen, daß
die Breite klein gegenüber der Wellenlänge sein soll, so daß die Wellenausbreitung
in der Leitung durch ihre Anwesenheit nicht gestört wird.
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An Stelle der Anordnung der F i g. 3 a und 3 b mit dem zugehörigen
Ersatzschaltbild der F i g. 2 kann man auch die Anordnung der F i g. 4 und 5 a und
5 b benutzen, wobei die F i g. 4 das Ersatzschaltbild der Anordnung der F i g. 5
a und 5 b zeigt. Hier ist der Induktivitätsbelag L' durch Reihenkreise 9 mit der
Induktivität 9a und mit der Kapazität 9b ersetzt, während an Stelle des ursprünglichen
Kapazitätsbelags C nunmehr der Parallelschwingkreis 10 mit der Induktivität 10a
und der Kapazität 10b tritt. Hier müssen die beiden Kreise derart dimensioniert
sein, daß sie wiederum gleiche Resonanzfrequenz besitzen. Abweichend von dem Ausführungsbeispiel
der F i g. 2 bzw. 3 a und 3 b muß nunmehr die Betriebsfrequenz oberhalb der Resonanzfrequenz
liegen. Für den Induktivitätsbelag L' bzw. den Kapazitätsbelag C ergibt sich nunmehr:
L = L3 (1 - (.frlf)2) und C, = C4(1-(fjf)2), wobei L3 bzw.
C4 die mit 9 a bzw. 10b bezeichnete Größen sind. Die Phasengeschwindigkeit vP ist
auch hier wieder eine Funktion der Frequenz, wie sich aus der folgenden Gleichung
ergibt:
Dagegen ist der Wellenwiderstand
also frequenzunabhängig.
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Ein praktisches Ausführungsbeispiel einer Koaxialleitung mit den obigen
Eigenschaften zeigen die F i g. 5 a und 5 b. Zur Realisierung der obigen Forderungen
ist hier der Innenleiter in einzelne Teile Il
unterteilt, die selbst aus Teilen
mit größerem und kleinerem Querschnitt bestehen. Die Teile 11 selbst stehen
nicht direkt miteinander in leitender Verbindung, sondern sind indirekt über den
Außenleiter 7 miteinander verbunden. Jedes Teil 11 ist mit einem der »Nocken«
8 mechanisch verbunden. Auch hier
gelten die gleichen Dimensionierungsregeln
wie vorn. Der Reihenschwingkreis 10 der F i g. 4 wird hier durch die Schlitze zwischen
zwei Teilen 11 realisiert, während im vorliegenden Anordnungsfall die »Nocken« 8
die quer eingeschalteten Parallelkreise darstellen. Für die Dimensionierung gelten
die gleichen Gesichtspunkte wie für die Anordnung nach F i g. 3 a und
3b.
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Schließlich soll noch eine weitere Realisierungsmöglichkeit der Erfindung
angedeutet werden, und zwar ebenfalls für eine Koaxialleitung. Die Anordnung ist
in den F i g. 6a und 6b dargestellt, und zwar stellt die F i g. 6a wiederum einen
Längsschnitt durch die Koaxialleitung dar, während die F i g. 6b eine Aufsicht auf
einen an einer beliebigen Stelle vorgenommenen Querschnitt durch die Koaxialleitung
darstellt. Der Innenleiter trägt hier das Bezugszeichen 12, während der Außenleiter
wiederum mit 7 bezeichnet ist. Zwischen den beiden Leitern ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ein Stoff 13 eingebracht, dessen relative Dielektrizitätskonstante er und relative
Permeabilitätskonstante lir gleiche Frequenzabhängigkeit aufweisen; in diesem Fall
ist dann L = N-, Lo = ki g(f) C = er Co = k2 g(f)
,
wobei Lo und Co konstante Werte sind und die Faktoren k, und k2 ebenfalls
konstant sind. Der Wellenwiderstand ist auch hier eine Konstante, während die Phasengeschwindigkeit
vp durch den folgenden Ausdruck gegeben ist:
also frequenzabhängig ist.
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Als geeigneten Stoff zum Einbringen zwischen den Innen- und Außenleiter
kann man sich einen geeigneten Ferrit vorstellen. Die Anordnung der F i g. 6 hat
den Vorteil, theoretisch keine kritische Frequenz aufzuweisen, wenn der eingebrachte
Stoff keine Grenzfrequenz besitzt.