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Frequenzweiche zur Trennung eines Signalstromes und eines Versorgungsstromes
und ihre Verwendung in Verstärkerschaltungen Die Erfindung betrifft eine Frequenzweiche
zur Trennung eines Signalstromes und einesVersorgungsstromes, die aus in Reihe geschalteten
Hoch- und Tiefpaßfiltern besteht, insbesondere für die Stromversorgung ferngespeister
Leitungsverstärker, unter Verwendung von Koaxialdrosseln, die dem beide Wicklungen
gegensinnig durchfließenden Signalstrom einen sehr geringen Widerstand entgegensetzen,
während sie den jeweils nur eine Wicklung durchfließenden Störströmen einen sehr
hohen Widerstand entgegensetzen.
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Für spezielle Aufgaben, z. B. zur Stromversorgung gleichstromreihengespeister
Leitungsverstärker, werden aus Hoch- und Tiefpaß bestehende Weichen benötigt, die
eine durchgehende Masseverbindung besitzen und deren Ausgänge in Reihe geschaltet
sind. Die Realisierung einer solchen Weiche stößt auf Schwierigkeiten, da wegen
der Reihenschaltung der Ausgänge zur Potentialtrennung ein übertrager erforderlich
ist, der bei breiten übertragungsbereichen die übertragungseigenschaften wegen seiner
Streuung und seiner Eigenkapazitäten ungünstig beeinflußt. Der Übertrager muß einander
widersprechende Forderungen bezüglich Streuinduktivität und Klirrdämpfung erfüllen,
so daß meistens ein Kompromiß erforderlich ist.
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Zur Stromversorgung gleichstromreihengespeister Leitungsverstärker
ist beispielsweise durch die USA.-Patentschrift 3 105 125 bereits
eine Schaltung bekanntgeworden, wie sie im Prinzip in der F i g. 1 dargestellt
ist. Die bekannte Filterweiche besteht aus einem Hochpaß und einem Tiefpaß, die
jeweils ein-und ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind. Das Hochpaßfilter beginnt
mit einer Spule L, im Querzweig, der ein Kondensator Ci im Längszweig folgt. An
den Klemmen 5, 5' sind in den Längszweigen der Schaltung miteinander
gekoppelte Drosselspulen LI, und Ll,' geschaltet, die unmittelbar auf die Eingangsklemmen
2, 2' einer Verstärkerschaltung Y führen. Das Tiefpaßfilter beginnt mit einem
Kondensator C,
im Querzweig, dem die Drosselspule LJ im Längszweig nachgeschaltet
ist und deren eines Ende mit der zweiten Eingangsklemme 2' der Verstärkerschaltung
Y in Verbindung steht. Im Querzweig ist ein weiterer Kondensator
C, nachgeschaltet. Auf der Ausgangsseite des Verstärkers liegt eine analog
aufgebaute Schaltungsanordnung, deren der Eingangsschaltung äquivalente Schaltelemente
zur einfacheren Übersicht jeweils mit einer Apostrophierung versehen sind. Der eingangs-
und ausgangsseitige Wellenwiderstand ist durch die Widerstände R angedeutet. Beispielsweise
kann R durch den Wellenwiderstand eines auf die Schaltung zuführenden bzw. eines
von der Schaltung wegführenden Koaxialkabels gebildet sein. Für das einwandfreie
Funktionieren einer derartigen Schaltung ist es erforderlich, daß eine ausreichende
Dämpfung zwischen den ausgangsseitigen Klemmenpaaren 3, 3' und den eingangsseitigen
Klemmenpaaren 2, 2' des Verstärkers erzielt wird. Diese Dämpfung sei im folgenden
als Umlaufdämpfung bezeichnet. Insbesondere im Bereich höherer Frequenzen werden
jedoch zusätzliche parasitäre Reaktanzelemente wirksam, die den Frequenzgang der
Verstärkung erheblich beeinflussen. Gegebenenfalls tritt im Verstärker sogar Selbsterregung
auf. In jedem Fall hat die unerwünschte Beeinflussung des Frequenz,-anges der Verstärkung
zusätzliche Verzerrungen zur Folge, wodurch die einwandfreie Funktion der Gesamtanordnung
in Frage gestellt wird.
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Von den erwähnten parasitären Reaktanzelementen sind im Schaltbild
der F i g. 1 lediglich die hauptsächlich störenden Elemente Ce13 C,'1, Ce,
s und C,#3 gestrichelt herausgezeichnet. Die Kapazität C" wirkt dabei unmittelbar
von der Eingangsklemme 1 zu der einen Eingangsklemme 2' des Verstärkers,
die unmittelbar mit dem Gehäuse des Verstärkers Y verbunden ist und die das
durch M dargestellte Potential hat. Die Eingangsklemme l' liegt auf Erdpotential,
wie es durch die Bezeichnung E angedeutet ist. Züi berücksichtigen ist dabei,
daß die Potentiale E und M untereinander unterschiedlich sind. Die weitere
insbesondere störende Reaktanz ist durch den gestrichelt eingezeichneten Kondensator
C,1, angedeutet, der insbesondere durch die Eigenkapazität der Drosselpule Lk' gebildet
wird. Die Funktion der Schaltung läßt sich etwa folgendermaßen erklären. An den
Klemmen 1, l' werden gleichzeitig der hochfrequente Signalstrom und der Versorgungsstrom
zugeführt. Der Versorgungsstrom ist in der Regel ein Gleichstrom,
jedoch
ist auch ein niederfrequenter Wechselstrom denkbar. Der Signalstrom wird dem Verstärker
V über den Hochpaß HP zugeführt und durchfließt somit die Drosselspulen Lk und Ll,'
in entgegengesetzten Richtungen, wodurch deren Wirkung als Blindwiderstand bei geeigneter
Bemessung der Kopplung zwischen Lk und Lk` aufgehoben wird, da die durch die in
entgegengesetzten Richtungen fließenden Ströme erzeugten Magnetfelder sich aufheben.
Für den Versorgungsstrom, der nur die Spule Lk` durchfließt, wirkt diese Spule ebenfalls
als Blindwiderstand mit einem nur sehr geringen Widerstandswert, da der Versorgungsstrom
beispielsweise ein Gleichstrom ist. Für Ströme höherer Frequenz wirkt die Spule
Lk' jedoch als Blindwiderstand hohenWiderstandswertes, wie das an sich erwünscht
ist. Solche Ströme sollen nämlich den Tiefpaß TP nicht durchfließen können, da dadurch
die Verstärkerschaltung V umgangen würde. Es würden somit zusätzliche Störströme,
auftreten, für die aber die Spule Lk' einen hohen Blindwiderstand darstellt, da
diese Ströme die Spule Li,' nur in einer Richtung durchfließen.
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Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben,
wird durch die zusätzlichen Kapazitäten C,1 und C" die Wirkung der
Drosselspulen erheblich vermindert, da höherfrequente Ströme die Drosseln -über
die störenden Kapazitäten umgehen. Auf diese Weise vermindert sich auch die Umlaufdämpfung,
da beispielsweise am Ausgang des Verstärkers auftretende Signalspannungen über die
Kapazitäten C,', und C" erneut dem Eingang zugeführt werden. Ähnliche überlegungen
gelten auch für die Kapazitäten Ce3 und C,'", durch die die Drosselspulen
Ll," umgangen werden.
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Außerdem kann bei dieser Schaltungsanordnung nur eine Verstärkerklemine,
z. B. 2, auf Gehäusepotential M des Verstärkers liegen, da sonst der Verbraucher,
der durch den Widerstand 16 dargestellt ist, hinsichtlich der Stromversorgung
kurzgeschlossen wäre. Auch bei höheren Frequenzen kann nicht sichergestellt werden,
daß die andere Klemme 3' das hochfrequenzmäßige Gehäusepotential M annimmt,
da wegen der Eigeninduktivität des den Verbraucher 16 überbrückenden Kondensators
18 ein zuverlässiger hochfrequenzmäßiger Kurzschluß, den der Kondensator
18 an sich bewirken soll, nicht mehr gewährleistet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten Schwierigkeiten
mit verhältnismäßi eint' 9
fachen Mitteln zu beseitigen. Insbesondere soll
erreicht werden, daß sich bei einem verhältnismäßig einfachen Aufbau der untereinander
gekoppelten Spulen geringe Streukapazitäten und damit eine hohe Umlaufdämpfung ergeben.
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Ausgehend von einer Frequenzweiche zur Trennung eines Signalstromes
und eines Versorgungsstromes, die aus in Reihe geschalteten Hoch- und Tiefpaßfiltern.
besteht, insbesondere für die Stromversorgung ferngespeister Leitungsverstärker,
unter Verwendung von Koaxialdrosseln, die dem beide Wicklungen gegensinnig durchfließenden
Signalstrom einen sehr geringen Widerstand entgegensetzen, während sie den jeweils
nur eine Wicklung durchfließenden Störströmen einen sehr hohen Widerstand entgegensetzen,
wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Innenleiter des die
Koaxialdrossel bildenden Koaxialkabels einerseits unmittelbar die eine Eingangsklemme
des kabelseitigen Eingangs der Weiche bildet und andererseits mit der einen Eingangsklemme
des Hochpaßfilters verbunden ist, während der Außenleiter des die Koaxialdrossel
bildenden Koaxialleiters unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Kondensators
einerseits mit der zweiten, auf Erdpotential liegenden kabelseitigen Eingangsklemme
und andererseits mit der zweiten Eingangsklemme des Hochpaßfilters verbunden ist.
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Eine weitere Erhöhung der Umlaufdämpfung läßt sich dadurch erreichen,
daß wenigstens zwei Koaxialdrosseln in Kette geschaltet sind und daß im Querzweig
des Tiefpaßfilters ein zusätzlicher Kondensator angeordnet ist, der einerseits mit
der Verbindungsstelle der Außenleiter der beiden Koaxialdrosseln und andererseits
mit dem auf Erdpotential liegenden Längszweig des Tiefpaßfilters verbunden ist.
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Ferner ist daran gedacht, im Dämpfungsverhalten der Tiefpaßschaltung
einen Dämpfungspol dadurch zu erzielen, daß dem Außenleiter des die Koaxialdrossel
bildenden Koaxialleiters ein Kondensator parallel geschaltet ist.
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Insbesondere für höhere Frequenzen ist es günstig, wenn das Hochpaßfilter
durch ein Bandpaßfilter und das Tiefpaßfilter durch ein Bandsperrenfilter ersetzt
sind.
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Für Verstärkerschaltungen unter Verwendung von Filterweichen der vorerwähnten
Art, bei denen dem Verstärker je eine Filterweiche vor- und nachgeschaltet
ist, ist es günstig, wenn der im Querzweig liegendenSpule des demVerstärker nachgeschaltetenHochpaßfilters
ein Kondensator in Reihe geschaltet ist.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen noch
näher erläutert.
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Die F i g. 2 zeigt eine Schaltung, die aus der vierpolmäßigen
Reihenschaltung eines HochpaßfiltersHP und eines Tiefpaßfilters TP besteht. Die
miteinander gekoppelten Spulen L,1 und L2 sind in Form einer sogenannten Koaxialdrossel
ausgebildet. Unter einer Koaxialdrossel ist dabei eine Anordnung zu verstehen, bei
der ein koaxialer Leiter beispielsweise auf einen hochpermeablen Schalenkern aufgewickelt
wird, so daß die Wicklung L., die durch den Außenleiter des koaxialen Kabels gebildet
wird, die durch den Innenleiter des Koaxialkabels gebildete Wicklung Ld konzentrisch
umgibt. Durch eine entsprechende Bemessung des Kopplungsfaktors, der beispielsweise
durch den Wellenwiderstand des Koaxialkabels mitbestinunt werden kann, läßt sich
die eingangs bereits erläuterteWirkung erzielen, daß Ströme, die die Wicklungen
Ld und L, in entgegengesetzten Richtungen durchfließen, nahezu keinen Blindwiderstand
vorfinden, während Ströme, die jeweils nur eine der Wicklungen durchfließen, einen
sehr hohen Blindwiderstand vorfinden. Der Innenleiter des die Koaxialdrossel
L,1, L, bildenden Koaxialkabels ist einerseits unmittelbar mit der
Eingangsklemme 1 des kabelseitigen Eingangs der Weiche verbunden. Andererseits
ist der Innenleiter unmittelbar mit der Eingangsklemme 10 des Hochpaßfilters
HP verbunden, das mit einer Spule Li im Querzweig beginnt, dem ein Kondensator C,
im Längszweig nachgeschaltet ist. Der Außenleiter des die Koaxialdrossel bildenden
Koaxialleiters ist im Ausführungsbeispiel der F i g. 2 unter Zwischenschaltung
eines Kondensators C2 mit der kabelseitigen Eingangsklemme 1** verbunden.
Andererseits ist der Außenleiter mit der zweiten Eingangsklemme 11 des Hochpaßfilters
HP verbunden.
Der Tiefpaß TP wird durch einen im Querzweig liegenden
Kondensator C, vervollständigt, so daß der Ausgang der Schaltung durch die
Klemmen 2, 2' und Z'gebildet wird. In ähnlicher Weise ist die Schaltung gemäß der
F i g. 3 aufgebaut. Es liegt dort lediglich der Kondensator C, am
anderen Ende des Außenleiters der Koaxialdrossel, so daß der Außenleiter des die
Koaxialdrossel Ld, L2 bildenden Koaxialleiters einerseits unmittelbar mit
der Klemme l!
des Eingangs verbunden ist und andererseits unter Zwischenschaltung
des Kondensators C" mit der zweiten Eingangsklemme 11 des Hochpaßfilters
HM Bei einem Schaltungsaufbau gemäß den F i g. 2 und 3 wird insbesondere
die störende Streukapazität C,1 (vgl, F i g. 1.) erheblich vermindert, da
die Hochpaßbauteile L" C, des Hochpasses HP der Koaxialdrossel L,1,
L, nachgeschaltet sind und somit keine Bauteile im Eingang der Schaltung liegen,
die das Auftreten von störenden Streukapazitäten der vorerwähntenArt ermöglichen
würden. Sorgt man dafür, daß der Innenleiter der Koaxialdrossel völlig durch den
Außenleiter geschirmt ist, dann läßt sich die Streukapazität C,1 völlig beseitigen,
da der Innenleiter der Koaxialdrossel von der Klemme 1 zu der auf dem Potential
M liegenden Klemme 2' bzw. 11
keine Schaltkapazität hat. Gleichzeitig vermindert
sich auch die Kapazität C"" da die eine Erdkapazität der Spule L, in Fortfall kommt.
Beim Einsatz derartiger Schaltungen in eine Verstärkerschaltung läßt sich somit
eine wesentlich höhere Umlaufdämpfung insbesondere bei hohen Frequenzen, wie beispielsweise
zwischen 1 und 100 Nffiz, erzielen.
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Im Ausführungsbeispiel der F i g. 4 ist eine Schaltung dargestellt,
bei der zwei Koaxialdrosseln in Kette geschaltet sind. Für die Kettenschaltung ist
es erforderlich, im Querzweig des Tiefpaßfilters TP einen weiteren Kondensator
C6 anzuordnen, der einerseits an der Verbindungsstelle 20 der Außenleiter
der in Kette geschalteten Koaxialdrosseln liegt und der andererseits mit dem auf
Erdpotential E
liegenden Längszweig des Tiefpaßfilters TP verbunden ist. Die
Kettenschaltung mehrerer Koaxialdrosseln ist insbesondere dann von Vorteil, wenn
besonders hohe Umlaufdämpfungen erforderlich sind. Beispielsweise kann ein Teil,
insbesondere der Außenleiter der Koaxialdrossel, durch einen Kondensator C., überbrückt
sein, wodurch sich ein Dämpfungspol im Dämpfungsverhalten des Tiefpaßfilters TP
ergibt. Je nach dem Kapazitätswert des Kondensators C" läßt sich die Frequenzlage
des Dämpfungspols an sich beliebig einstellen.
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In der F i g. 5 ist eine vollständige Verstärkerschaltung dargestellt,
wie sie beispielsweise in ferngespeisten Leitungsverstärkern Anwendung findet. Das
zu-bzw. abführende Koaxialkabel ist mit den Bezugsziffern 15 und
15' versehen. Die gesamte Filterweiche einschließlich des Verstärkers ist
durch die Klemmen 1, l', 4 und 4' begrenzt. Dem Verstärker V, dessen
Eingangsklemmen mit 2 und 2' und dessen Ausgangsklemmen mit 3 und
3' bezeichnet sind, ist jeweils eine vollständige Filterweiche
HP, TP vor- bzw. nachgeschaltet. Zur einfacheren übersicht sind die auf der
Ausgangsseite des Verstärkers liegenden Teile, die solchen auf der Eingangsseite
äquivalent sind, mit einer Apostrophierung versehen. Durch die Hochpaß-Tiefpaß-Reihenschaltung
werden die über das Koaxialkabel 15 ankommenden Signal- und Versorgungsströme
getrennt, so daß die Signalströme über den Hochpaß HP den Eingangsklemmen
2, 2' des Verstärkers zugeführt werden, während die Versorgungsströme über
den Tiefpaß TP dem Verbraucherwiderstand 16 des Verstärkers V zufließen.
Der Verbraucherwiderstand 16 stellt symbolisch die gesamte Stromversorgung
des Verstärkers V dar. Das Gehäuse 17 liegt auf Massepotential M, während
die Klemmen l! und 4' mit den Außenleitern der Zuführungskabel 15 und
15' verbunden sind und auf Erdpotential E liegen. Wie eingangs bereits
erwähnt, sind E und M voneinander unterschiedliche Potentiale. Die Klemmen
2' und 3' des Verstärkers V sind unmittelbar mit dem Gehäuse 17 des
Verstärkers Y verbunden, so daß die gestrichelt angedeutete Kapazität
C des auf der Ausgangsseite des Verstärkers V liegenden Tiefpaßfilters TP'
in die am Eingang des Verstärkers liegende Tiefpaßschaltung TP einbezogen sein kann
und dann dort den Wert 2C" haben muß. Zur Abtrennung des Versorgungsstromes,
d. h. also, um sicherzustellen, daß der Versorgungsstrom durch den Verbraucherwiderstand
16 fließt, ist im Hochpaßfilter HP' der dem Verstärker nachgeschalteten Weiche
ein Kondensator C4 angeordnet, der die Klemme 3" gleichstrommäßig vom Gehäuse
17 des Verstärkers V trennt. Durch diese Schaltungsanordnung ist gewährleistet,
daß die Klemmen 2' und 3'
des Verstärkers V das gleiche Bezugspotential M
haben, wodurch sich der Aufbau der Verstärkerschaltung F speziell bei höheren
Frequenzen vereinfachen und ihre Stabilität erhöhen läßt.
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Im Bereich hoher Frequenzen kann es erforderlich sein, das Hochpaßfilter
durch ein Bandpaßfilter und das Tiefpaßfilter durch ein Bandsperrenfilter zu ersetzen,
um auf diese Weise Störreaktanzen in die, Gesamtschaltung einzubeziehen. Die an
Hand der Tiefpaß-Hochpaß-Schaltungen erläuterte grundsätzliche Wirkungsweise bleibt
dabei erhalten.