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Anordnung zur Nachbildung von Leitungsstücken aus einzelnen hintereinandergeschalteten
Teilvierpolen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Nachbildung von Kabel- oder
Doppelleitungsstücken aus einzelnen hintereinandergeschalteten Teilvierpolen, von
denen jeder eine bestimmte Teillänge des nachzubildenden Kabel- bzw. Leitungsstückes
wellenwiderstandsrichtig ersetzt.
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In der Leitungsübertragungstechnik sind für verschiedene Meßzwecke
Kunstleitungen notwendig, die die jeweils benutzten Kabel bzw. Freileitungen nachbilden,
z. B. um Verstärker und Entzerrer auf ihr Verhalten im Übertragungsweg zu kontrollieren.
Diese Leitungsnachbildungen werden herkömmlich in der Weise realisiert, daß für
eine vorgegebene Länge und einen gewünschten Übertragungsbereich eine Dämpfungsnachbildung
errechnet wird, die dann durch einen Allpaß mit vorgeschriebenen Phasengang ergänzt
wird.
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Ein anderer Anwendungsfall für Kunstleitungen ist die Ergänzung einer
Doppelleitungs- oder Kabelstrecke auf einen vorgegebenen Wert. So müssen z. B. bei
Spulenleitungen die Spulenabstände genau eingehalten werden. Ferner kann es beim
Anschluß einer Spulenleitung, z. B. eines Einführungskabels, an eine homogene Leitung
oder an ein Gerät darauf ankommen, daß die Spulenleitung eine bestimmte Auslauflänge
besitzt, damit störende Reflexionen an der Anschlußstelle weitgehend unterbunden
werden. Im allgemeinen werden die verlegten Kabelstrecken jedoch um gewisse Beträge
von den geforderten Sollwerten abweichen, so daß künstliche Nachbildungen erforderlich
sind, die diese Abweichungen ausgleichen.
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So muß allgemein von den Nachbildungen verlangt werden, daß ihreübertragungsparameter-wie
komplexer Wellenwiderstand und komplexes bezogenes übertragungsmaß - sowie ihre
elektrische Länge möglichst genau mit denen des zu ersetzenden Kabelstückes übereinstimmen.
Hierzu ist es bereits bekannt (deutsche Patentschriften 1011931; 1041538), mehrere
Teilvierpole, von denen jeder eine bestimmte. Teillänge des nachzubildenden Leitungsstückes
ersetzt, in der erforderlichen Anzahl hintereinanderzuschalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kunstleitung zu schaffen,
die Kabel- oder Doppelleitungen in einem weiten Frequenzbereich, vorzugsweise für
Meßzwecke der Übertragungstechnik, nachbildet.
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Die Aufgabe wird mit hintereinandergeschalteten Teilvierpolen, von
denen jeder eine Teillänge ersetzt; erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder der
gleich aufgebauten. Teilvierpole aus einer den Kapazitäts= belag der Teillänge nachbildenden
Querkapazität und einer längsgeschalteten Spule mit einer Drahtwicklung besteht,
deren ohmscher Widerstand im Übertragungsbereich des Kabels frequenzabhängig richtig
den Widerstandsbelag und deren Induktivität den Ind-uktivitätsbelag der Teillänge
nachbilden, und daß die Elemente des Teilvierpols so bemessen sind, daß die Teillänge
dem Produkt aus der maximal zu= lässigen Abweichung der nachzubildenden kilometrisehen
Dämpfung in Neper und der der obersten Übertragungsfrequenz entsprechenden Wellenlänge
angenähert ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Bemessung der Drahtwicklung ergibt sich
ein geringerer Drahtquerschnitt, als es dem ausnutzbaren Wickelvolumen der Spule
entspricht; außerdem wird zweckmäßigerweise die Wicklung teilweise bifilar ausgeführt,
so daß ein erhöhter ohmscher Widerstand entsteht, dessen Widerstandsanstieg bei
höheren Frequenzen infolge Stromverdrängung durch Bemessung des Drahtquerschnittes
auf denjenigen Wert festgelegt wird, der der Frequenzabhängigkeit des Widerstandsbelages
des Kabel- bzw. Leitungsstückes entspricht.
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Durch Anwendung dieser Maßnahmen wird für einen weiten Frequenzbereich
mit nur zwei stets wiederkehrenden Bauelementen, an die nur geringe Toleranzansprüche
gestellt werden müssen, mit geringem Rechenaufwand und unter Beschränkung auf ein
Mindestmaß an konstruktiven Mitteln, ein Maximum an Genauigkeit der nachzubildenden
Werte des komplexen Übertragungsmaßes: sowie des komplexen Wellenwiderstandes unter
Walung der Gleichstromdurchlässigkeit;
einer hohen Klirrdämpfung
sowie einer hohen Spannungsfestigkeit erreicht. . . .
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist jeweils der Spule ein
Parallelwiderstand zugeschaltet; mit dem der Frequenzgang an der oberen Grenze des
Übertragungsbandes zusätzlich korrigiert ist.,-Zur Nachbildung von symmetrischen
Kabel= oder Doppelleitungsstücken sind in der Anordnung nach der Erfindung mit Vorteil
die Spuleu._ abwechselnd in der a-Ader und b. Ader angeordnet, Damit. ist in einfacher
Weise eine Symmetrie hergestellt, wie sie für Meßzwecke notwendig ist.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung und zweier Ausführungsbeispiele-
näher erläutert: -In F i g.1 ist der Prinzipstromlauf eines Teilvierpoles nach der
Erfindung dargestellt. Die Querkapazität C bildet im wesentlichen den Kapazitätsbelag
der Teillänge nach. Die in der a-Ader in Serie geschalteten Elemente, die indukiivität
L und der ohmsche Widerstand R 1bilden den Induktivitäts-und den Widerstandsbelag
der Teillänge nach und: sind baulich- in einer Spule S vereinigt.
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In F i -g: 2 sind entsprechend den im folgenden be= schriebenen Ausführungsbeispielen
mehrere Teilvierpole derart hintereinandergeschaltet, daß die 'die Indüktivität
L und den ohnisclien Widerstand IZ 1 realisierende Spule S abwechselnd. in der a=Ader
.und dei b-Ader angeordnet sind. Jeweils parallel zu. einer Spule S ist ein Parallelwiderstand.R2
geschaltet.
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In F i g. 3 sind zwei Kurvenscharen angegeben, von denen die obere
die Frequenzabhängigkeit des Wirkwiderstandes bei den Wickeldrähten 0,3 bis
0,7 CuL angibt und die untere die Frequenzabhängigkeit der inneren Induktivität
dieser Wickeldrähte. Die innere Induktivität LI resultiert aus dem Magnetfeld innerhalb
des- Drahtes und sinkt mit steigender Stromverdrängung im Drahtquerschnitt bei höheren
Frequenzen.
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Die nachstehend aufgeführtenAusführungsbeispiele betreffen Anordnungen
zur Nachbildung eines Feldfernkabels mit einer Fertigungslänge von 400 m zur übertragung
von Nachrichten mittels Trägerfrequenzsystemen, Das Feldfernkabel weist folgende
Leitungs= parameter auf: Bezogene Induktivität ....... l = 0,85 mH/kni Bezogene
Kapazität . . . . . . . . . c ---50 ... 52 nF/kni Bezogener Schleifenwiderstand
r = 52: Ohm/km Im ersten Ausführungsbeispiel sei eine Kunstleiteng beschrieben;
die den Frequenzgxng der Dämpfung -des Feldfernkabels im Niederfrequenzbereich von
300 Hz bis 2 kHz auf -etwa 3 mNp/km und im Trägerfrequenzbereich von 6 bis 108 kHz
auf etwa 30 mNp/km annähert. Die Abweichungen des komplexen Wellenwiderstandes-
in diesen Frequenzbereichen sollen bei 5% liegen: Für die Bereiche 50 bis 300 Hz;
2 bis 6 kHz und oberhalb 108 kHz bis etwa 150 kHz genügt eine prinzipielle Annäherung
auf etwa 20 % der Sollwerte. Die Kunstleitung maß gleichstromdurchlässig, sein und.
eine Spannungsfestigkeit von 1:00 V aufweisen, Die Klirrdämpfung soll größer als
12 Np für einen Leistungspegel von -0,5 Np sein, eine Unterteilung auf die Lieferlänge
von 400 m ist wünschenswert.
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Die Festlegung des Längenmaßes d der Teillänge ist von großer Wichtigkeit,
da eine zu: kleine Länge den Aufwand umgekehrt proportional steigen läßt, eine zu
große Läge anderetseits die - Genauigkeit einschränkt. Die'- optimale Teillänge
d ergibt sich nach der Erfindung als Produkt aus der zulässigen Abweichung der kilometrischen
Dämpfung und der der obersten übertragungsfrequent -entsprechenden Wellenlänge:
wobei a, die Dämpfung des Kunstkabels in. Neper (Np), ao die Dämpfung des natürlichen
Kabels in Neper (Np),
die Wellenlänge der obersten Übertragungsfrequenz j darstellen.
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Da die: geforderte Genauigkeit von 3 mNp/km auf eine obere Ftequenzgrenze
von 2 kHz beschränkt isti ergibt sich die kürzeste. -notwendige Teillänge. durch
die geforderie Genauigkeit von 30 nNp/km bei der oberen Übertragungsfrequenz von
108.- kHz. .Die Wellenlänge in_Luft.bei.108 kIlz beträgt: - -21ifus kHz = 3 ' 10s
m/s 108 Az = 2$00n. - . Somit erhält nian; die optimale Teillänge: d = 0,03 @ 2800
m-= 84 m.
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Um die Forderung nach Unterteilung in 400-m-Längen zu erfüllen; wird
eine: Länge von d =100 ni gewählt, so daß sich. auf Grund der Leitungsparameter
für die Dimensionierung der Elemente des Teilvierpols folgende Werte ergeben: L
... . - $5-III C . . . . . . 5100 pF-R. * . . . . , . . 5-,2 Öhinr Aus Gründen fier
Klirrdämpfung und der Abgleichbarkeit wird für die Spule S eine Luftspule verwendet,
die einen Ferrit=Abgleichkerri aufweist; mit dem ein verhältnismäßig großer Abstimmbereiuh
erreicht wird.
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Die Berechnung des Wechselstromwiderstatides führt auf Gleichungen
mit. Besselschen Funktionen, deren Auflösung eine Reihenentwicklung für den bezogenen
Wirkwiderstand
sowie für die bezogene innere Induktivität
der Spule r; -bringt, wobei R, der Wirkwiderstand und -Lia die innere Induktivität
jeweils bei Gleichstrom bedeuten, Die Abhängigkeit der bezogenen Größen
und ist für mehrere Wickeldrähte iii F i g, 3 dargestellt,
Im allgemeinen werden auch die Worte des nachzubildenden Kabels bei höherer<
Frequenzen bekannt sein, so daß .z. B: aus der Abnahme der inneren Induktivität
des Kabels bei einer vorgegebenen Frequenz ohne weiteres eine geeignete Drahtstärke
ermittelt werden kann. Näherungsweise lassen sich Rückschlüsse natürlich auch: aus
dem Dämpfungsanstieg des natürlichen Kabels im oberen Frequenzbereich ziehen.
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Bei der oberen Übertragungfrequenz von 100 kIlz spielt die Drahtstärke
der Spule S nur eine geringe Rolle; da die Abnahme der inneren. Induktivität bzw.
die Zunahme des Wirkwiderstandes für alle ätsch gängigen Drahtstärken zu vernachlässigen
ist, Damit
ergibt sich die Möglichkeit, den ohmschen Widerstand
des Kabels als Wicklungswiderstand in die Spule hineinzuwickeln.
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Der zur Spule S parallelliegende Widerstand R 2 wurde experimentell
bestimmt und korrigiert zusätzlich den Frequenzgang an der oberen Grenze des Übertragungsbandes.
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Auf einer geätzten Platte sind 80 Teilvierpole mit je drei Bauelementen
untergebracht. Die mit dieser Schaltungsanordnung erzielten Werte erfüllen voll
und ganz die eingangs aufgestellten Forderungen.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel sei eine Kunstleitung beschrieben,
die das Trägerfrequenz-Feldfernkabel im Niederfrequenzbereich 0,3 bis 4 kHz und
im Trägerfrequenzbereich 6 bis 607 kHz ersetzen soll. Frequenzgang und Phase sollen
auf 40 mNp/km nachgebildet werden. Eine Unterteilung in 250-m-Längen muß möglich
sein. Gleichstrom muß übertragen werden, die Klirrdämpfung soll 13 Np für einen
Leistungspegel von -I-0,2 Np sein.
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Die optimale Länge errechnet sich nach der Erfindung zu d = 0,04 -
500 m = 20 m.
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Gewählt wurden 20,8 m, damit auf die 250-m-Einheit zwölf Teilvierpole
kommen. Da bei dem Feldfernkabel ab etwa 200 kHz Stromverdrängung einsetzt, muß
die Drahtstärke der Luftspule sorgfältig entsprechend den Wechselstromgrößen des
natürlichen Kabels bei 600 kHz angepaßt werden. Der natürliche Frequenzgang des
bezogenen Schleifenwiderstandes des Feldfernkabels wird am besten durch eine Drahtstärke
von 0,5 CuL oder wenig darunter nachgebildet; wie aus den Kurvenscharen in F i g.
3 zu entnehmen ist, setzt bei einem Draht 0,5 CuL ebenfalls die Stromverdrängung
bei 200 kHz ein. Der überschüssige Anteil des ohmschen Widerstandes der 20,8-m-Teillänge
wird bifilar in der Luftspule ergänzt. Durch geringfügige Variationen der Querkapazität
C und der Induktivität L einerseits und durch Abgleich des Parallelwiderstandes
R 2 lassen sich die genannten Forderungen im Frequenzbereich von 0,3 bis 4 kHz und
von 6 bis 607 kHz. gut erfüllen.