DE1299701B

DE1299701B - Mit Verstaerkern bestuecktes Kabel zur UEbertragung von durch Impulse dargestellten Signalen

Info

Publication number: DE1299701B
Application number: DEN26716A
Authority: DE
Inventors: Iwata Kansei; Sato Risaburo
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1964-05-13
Filing date: 1965-05-13
Publication date: 1969-07-24
Also published as: US3443030A; FR1453874A; GB1079162A

Description

Seite der ursprünglich verwendeten Röhrenverstärker ίο Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

sind Halbleiterverstärker getreten, und neben söge- F i g. 1 ein einen Verstärker erläuterndes Prin-

nannten Kollektivverstärkern, die durch unterschied- zipschaltbild, liehe Maßnahmen Verzerrungen des gesamten Leitungsweges beheben und die daher unter sich nicht zwangläufig gleichartig ausgebildet sind, werden Einzelverstärker benutzt, die gleichartig aufgebaut sein können.

Als Halbleiter-Bauelement geringen Leistungsbedarfes und kurzer Ansprechzeit wurden Tunnel- dioden gefunden (»Physical Review«, 15. Januar 20 eines Kabels,

F i g. 2 die statische Kennlinie der Tunneldiode der Fig. 1,

Fig. 3 deren Leitcharakteristika,

F i g. 4 die Darstellung eines über eine Anordnung gemäß F i g. 1 übertragenen einzelnen Impulses,

F i g. 5 die Anordnung von Verstärkern entlang

1958, S. 603 und 604), die durch einen Bereich negativen Widerstandes in der Kennlinie auch als Schaltelement nutzbar sind. Zur Erzielung größerer Ausgangsleistungen, beispielsweise zur Speisung einer Anzahl von Verbrauchern, wurde ein Verstärker bekannt, der eine Mehrzahl derartiger Tunneldioden in Kaskadenschaltung enthält (USA.-Patentschrift 3 103 600). Es ist weiterhin ein Vorschlag veröffentlicht, Tunneldioden auch zur Regenerierung von

zyklischen Schaltvorgang aus, dessen Periode durch in ihrer Dimensionierung kritische, der Tunneldiode parallelgeschaltete Bauelemente bestimmt wird.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Kabel zu schaffen, dem zur Verbesserung der übertragungseigenschaften Verstärker zugeordnet sind, die durch eine geringe Anzahl von kleinen, zuverlässigen Bau-

F i g. 6 Eingangs- und Ausgangssignale von in Fig. 5 dargestellten Verstärkern und

F i g. 7 bis 11 unterschiedliche Ausbildungen von Kabel verstärkern.

In Fig. 1 ist ein Leitungen 1 und 2 aufweisendes Kabel dargestellt, das zunächst als homogen angesehen werden soll und dessen Leitungsgrößen über die Länge des Kabels konstant sind. Zur Verringerung der Dämpfung sowie von Verzerrungen

über Kabel bzw. Leitungen übertragenen Impulsen 30 sind in das Kabel Verstärker in der für erforderlich einzusetzen. Die Tunneldioden sind hierbei in einem erachteten Anzahl eingefügt, von denen in Fig. 1 eine Mehrzahl von Leitungswegen aufweisenden nur der Verstärker 3 gezeigt ist. Als wesentliches Vierpol vorgesehen und im Zuge der Leitungen Teil des Verstärkers ist die Tunneldiode 4 anzusehen, selbst angeordnet (USA.-Patentschrift 3 124 648). die parallel zu den Leitungen 1 und 2 bzw. deren Ein eigentlicher Verstärker liegt hierbei nicht 35 Klemmen angeordnet ist. Die statische Kennlinie vor, vielmehr lösen ankommende Signale einen einer Tunneldiode 4 ist in F i g. 2 dargestellt. Auf

einen anfänglichen Bereich positiven Widerstandes, der von der Spannung 0 bis zur Spannung Vp reicht und innerhalb dessen der Diodenstrom in funktio-40 nellem Zusammenhang mit der Diodenspannung steigt, schließt sich ein Bereich negativen Widerstandes an, innerhalb dessen mit von Vp auf Vv steigender Diodenspannung der Strom der Diode fällt. Innerhalb des Verstärkers 3 ist die Tunnelteilen mit großer Betriebssicherheit einen geringen 45 diode 4 auf einen Spannungswert B₀ vorgespannt, Raumbedarf verbinden und die durch Verstärkung der kurz unterhalb der Spannung Vp liegt, mit der der dem Eingang zugeführten Signale unter Berück- der negative Widerstand einsetzt, sichtigung eines Ansprechschwellwertes leicht be- Im folgenden soll davon ausgegangen werden, daß

herrschbare und reproduzierbare Eigenschaften des das zwischen den Eingangsklemmen 5 des Kabels mit ihnen bestückten Kabels sichern. Weiterhin 50 und dem Verstärker 3 angeordnete Kabelstück einen sollen mit geringem Aufwand Reflexsignale unter- Widerstand von 1/G₁ Ohm aufweist, während das drückt werden. sich von den Klemmen des Verstärkers bis zu den

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung, Ausgangsklemmen 6 des Kabels erstreckende Leiindem die Tunneldioden der Verstärker den Lei- tungsstück eine Impedanz der Größe 1/G₂ Ohm auftungen des Kabels parallel geschaltet sind, wobei an 55 weist. Der Leitwert der Tunneldiode 4 des Verden Anschlußpunkten in übertragungsrichtung der stärkers 3 wird mit G_E(V) bezeichnet. Bei der Uber-Signale die auf die Tunneldiode einwirkende Impedanz des Kabels steigt. Die Vorspannung der Tunneldioden wird hierbei so eingestellt, daß sie mit einem
Arbeitspunkt arbeiten, der um den gewünschten 60
Schwellwert zu unterdrückender Störsignale unterhalb des Bereiches negativen Widerstandes der Tunneldiode liegt.

Bewährt hat es sich, parallel zu den Tunneldioden der Verstärker jeweils eine Reihenschaltung an/u- f>.s ordnen, die ein Impedanz-Anpassungsglied sowie einen Kondensator aufweist. Die Vorspannung wird in diesem Falle beidseitig des Kondensators cin-

tragung eines impulsförmigen Signals / in Pfeilrichtung ergibt sich für die an der Einschaltungsstelle des Verstärkers 3 reflektierten Signale die Größe

S^v =

G₁ +G~₂ + G_E(V)

2 Gj

G₁" + G₂ + G₁, (V)

2G₂ G₁+'G₂ +G₁₁[V)

G₁-G, -G₁(V)

G₁+G₁+ G₁ (V)

während für die übertragenen Signale die folgende Bedingung gilt:

s' =

G₁ + G₂ + G,, (K) G_x+ G₂ + G₁, (V)
G₁ + G₁TG₁-(V) G₁+ G₂ + G,_;(KT

Im Interesse der übertragenen Signale ist den folgenden Bedingungen zu entsprechen:

Verstärker 3 entsprechen. Erreicht nun ein über das Kabel übertragenes Impulssignal / den letzten der Verstärker 3,„ so wird das an dieser Stelle reflek-(2) tierte Signal entsprechend Signal 8 der F i g. 4 durch die Tunneldiode abgeleitet, die in dem vorgeordneten (H-l)-ten Verstärker, der in Fig. 5 nicht dargestellt ist, eingeschlossen ist. In F i g. 2 ist ein solches Signal im Arbeitspunkt B_n dargestellt und mit 9 bezeichnet. Für S₂, gilt zu dieser Zeit:

G₁ -G₁-G₁₁(V)

= 0

-² — Γ L Γ \"r 7Ϊ/Γ '''

G₁ + G₂ + G_/;(K)

= 0.

(3)

Der Wert G^(K) der Gleichung (3) läßt sich dem Stromspanniingsverhältnis der F i g. 2 entnehmen, und in Fig. 3 ist für bestimmte Spannungen der Wert dargestellt, wobei eine Vorspannung von 50 mV berücksichtigt ist. Im Ausführungsbeispiel soll davon ausgegangen werden, daß der Wert 1/G₁ = 100 Ohm und l/G, = 50 Ohm ist; Gleichung (3) läßt sich bei diesen Werten durch negative Werte von G₁-(V) erfüllen. Durch Einführung dieser Werte in die Gleichungen (1) und (2) erhält man

cv _ 1 ö₂i — ι ,

Sl = G₇JG₁ i.s Negative Signale, beispielsweise Signal 9 der F i g. 2, treffen auf die in positive Widerstandswerte vorgespannte Tunneldiode und werden von dieser absorbiert. Durch die Vorspannung in positive Widerstandsbereiche wird gleichzeitig das gesamte, durch das Kabel mit Verstärkern dargestellte System stabil gehalten und die Schwingneigung unterdrückt. Trifft auf die derart vorgespannte Diode ein relativ kleines positives Signal, so wird es durch die Vorspannung ebenso unterdrückt wie im Kabel induzierte Störspannungen. Daß solche nicht in den Bereich negativen Widerstandes der Tunneldiode

(4) reichenden Signale nicht verstärkt werden, zeigen

(5) auch die beiden folgenden Gleichungen

Trifft hierbei die Bedingung
2 G,

G₁ +G₂ + G,(V) ^>

(6)

zu, so werden die Impulssignale i beim Verlassen des Verstärkers 3 verstärkt. Da die Leitfähigkeit G_K(V) eine Funktion der anliegenden Spannung ist, bleibt die Gleichung (3) nicht für alle Leitwerte gültig. Zum Betriebe wird, wie bereits an Hand der F i g. 2 erläutert, die Tunneldiode 4 auf einen Arbeitspunkt B₁₁ außerhalb und kurz vor Einsetzen des Bereiches tier negativen Widerstandscharakteristik eingestellt. Durch entsprechende Bemessung sowohl der Impedanzen der Kabel an der Anschlußstelle des Verstärkers 3 sowie der Vorspannung der innerhalb des Verstärkers vorgesehenen Tunneldiode 4 lassen sich also Signale verstärkt übertragen. Gleichzeitig werden auch Signale mit entgegengesetzter Polarität reflektiert. Impulssignale mit entgegengesetzter Polarität werden durch Tunneldioden abgeleitet, die in dem in F i g. 1 gezeigten Verstärker 3 vorgeordneten, aus Gründen der Vereinfachung in F i g. 1 aber nicht dargestellten weiteren Verstärkern enthalten sind. Ein Beispiel dieser Impulsformen ist in F i g. 4 dargestellt. Die Form des den Eingangsklemmen 5 der F i g. 1 zugeführten Impulssignals / ist in F i g. 4 mit 7 bezeichnet, während Polarität und Struktur des reflektierten Signalimpulses8 zeigen, ob eine solche entgegengesetzte Polarität oder aber die Anpassung an die Form des Impulses 7 besteht, so daß die Bedingungen der Gleichung (3) erfüllt sind.

In Fig. 5 ist schematisch ein der Fig. 1 entsprechendes Kabel gezeigt, dessen Leitungen 1 und 2 eine Vielzahl von Verstärkern 3_t, 3₂, 3, ... 3„ enthalten, die in ihrem prinzipiellen Aufbau sowie ihren Eigenschaften dem zu ¥ i g. 1 beschriebenen

^{21 =} r ~λΓγ~~Γγ^γΊ\/\ G₁ + G₁ + G_E(V)

G₁

Ist weiterhin die Amplitude eines übertragenen Signals zwar größer als die Spannung Vp der Fig. 2, fällt dieses aber außerhalb des Bereiches negativen Widerstandes der Tunneldiode, so wirkt diese wiederum als Widerstand und dämpft das zugeführte Signal. Nur innerhalb des Bereiches negativen Widerstandes der Charakteristik der Tunneldiode übertragene Impulssignale werden durch die hierbei verringerte Stromaufnahme der Tunneldiode stabil verstärkt und übertragen. Ein derart übertragenes Signal hat wegen der Unterdrückung sämtlicher negativen sowie der außerhalb des negativen Widerstandsbereiches der Tunneldiode liegenden Signale auch einen wesentlich verbesserten Störabstand sowie eine starke Herabsetzung der Phasenverzerrungen erfahren. Auch die durch die Leitungsgrößen des Kabels bewirkten Verzerrungen der Impulsform werden weitgehend kompensiert, und veranschaulicht wird dies durch die Darstellung von an einem praktischen Beispiel gewonnenen Kurven von Signalspannungen, bei dem ein Kabel gemäß Fig. 5 mit sieben erfindungsgemäß ausgebildeten Verstärkern bestückt wurde. In F i g. 6 sind die Darstellungen der jeweils vom vorgeordneten Kabelabschnitt an die sieben Verstärker abgegebenen Spannungen mit α bis tj bezeichnet, und die am Ausgange der Verstärker gewonnenen Signalspannungen sind in der gleichen Reihenfolge mit α bis g' gekennzeichnet. Die Kurven zeigen deutlich, wie am Eingang eines Verstärkers anstehende Stör- bzw.

Rauschspannungen unterdrückt werden und wie andererseits die Nutzsignale mit steilen Flanken ohne wesentliche Verzerrungen verstärkt werden.

In den folgenden Fig. 7 bis 12 sind Ausfiihrungsbeispielc der Verstärker des mit Verstärkern bestückten Kahels erläutert; in den Ausführungsbeispielen sind jeweils Abschnitte von Koaxialkabeln gezeigt; die Erfindung ist nicht auf solche Kabel beschränkt, sondern läßt sich allgemein für beliebige Ausführungen von Kabeln verwenden.

In F i g. 7 ist eine Signalquellc IO gezeigt, die über einen Abschnitt 11 eines Koaxialkabels mit einem ersten Verstärker 3j verbunden ist. Die Ausgangsklemmen des Verstärkers sind über den zweiten Abschnitt 12 des Kabels mit einem zweiten Verstärker 3₂ verbunden, dessen Ausgang den Abschnitt 13 des Koaxialkabels speist. Die Eingangsklemmen 14. 15 der Verstärker 3 sind durch eine Tunneldiode 16 überbrückt. Abgeschlossen ist der Eingangszweig durch die Primärwicklung eines Anpassungstransformalors 17, dessen Sekundärwicklung zur Ausgangsklemme 18 und damit zum nachgeordnelen Abschnitt 12 des Kabels führt. Der Fußpunkt des Anpassungslransformators 17 ist über einen Kondensator 19 sowohl mit der Eingangsklemme 15 als mit der Ausgangsklemmc 20 verbunden. Die Vorspannung der Tunneldiode erfolgt im Ausführungsbeispiel über eine gesondert vorgesehene Stromquelle 21, die in den Fußpunkt des Anpassungstransformators einspeist und durch den Kondensator 19 überbrückt ist. Die Stromquelle kann beliebig ausgebildet sein und, beispielsweise als Batterie, dem Verstärker selbst zugeordnet oder aber auch außerhalb desselben untergebracht sein. Die Verstärker 3₂ sowie die folgenden sind entsprechend aufgebaut. In allen Fällen ist der Verstärker aus wenigen, wirkungsvollen Teilen aufgebaut, erweist sich im Betrieb als stabil und unterdrückt Schwingneigungen, und durch seine Anordnung erlaubt er. für die Kabelverstärkertechnik die aus der Technik datenverarbeitender Geräte bekannten Eigenschaften des schnellen Ansprechen« nutzbar zu machen. Der Verstärker selbst besteht aus der quer über die Leitungen des Kabels geschalteten Tunneldiode, die beim Betrieb in ihren negativen Widerstandsbereich gesteuert wird und damit beim Wachsen der angelegten, steuernden Spannung einen entsprechend verringerten Strom aufnimmt, so daß durch Minderung des Querstromes der effektive, die Leitung durchsetzende Strom um den entsprechenden Betrag erhöhl wird. Das gewünschte Widerstandsverhällnis der an den Eingangsklemmen 14. 15 sowie Ausgangsklemmen 18 und 20 liegenden, den Verstärker abschließenden Widerstände wird bei Anwendung gleichartiger Abschnitte 11 bis 13 eines Kabels durch den Anpassungslransformalor 17 erwirkt, der die Impedanz des an die Ausgangsklemmen 18, 20 angeschlossenen, folgenden Abschnittes 12 des Kabels entsprechend gewandelt auf die Tunneldiode 16 bzw. die Eingangsklemmen 14. 15 überträgt. Eine Variante dieser Schaltung wird in F i g. 8 gezeigt, bei der der die Impedanzwandlung bewirkende Anpassungstransformator 17 den Eingangsklemmen zugeordnet ist und die Impedanz des Abschnittes 11 des vorgeordneten Kabels entsprechend gewandelt auf die Tunneldiode 16 sowie die Ausgangsklemmen 18. 20 b/w. den diesen nachgeordnetcn Abschnitt 12 des Kabels überträgt. Auch hier wird der Anpassungstransformator 17 in Verbindung mit einem dessen Fußpunkt vorgeordneten Kondensator 19 zur Speisung der Tunneldiode 16 verwendet.

Weiterbildungen des an Hand der Fig. 7 erläutcrten Verstärkers werden in Fig. 9 und IO gezeigt. In F i g. 9 ist der Sekundärwicklung des Anpassungstransforniators 17 der Verstärker, beispielsweise des Verstärkers 3|, ein aus der Parallelschaltung einer Induktivität mit einer Kapazität ίο gebildeter Resonanzkreis 22 parallel geschaltet, und in Fig. K) ist ein solcher Resonanzkreis mittels des Kondensators 23 kapazitiv angekoppelt. Die Werte können im letzteren Falle auch so gewählt werden, daß der Kondensator 23 in einen Sericnis resonanzkreis eingeht. Auf die Zuordnung solcher Resonanzkreise kann auch verzichtet werden, ohne daß dieser Verzicht sich auch auf deren Wirkung bezieht, wenn der verwendete Anpassungstransformator, gegebenenfalls in Verbindung mit der Tunneldiode, entsprechend resonanzfähig ausgebildet ist. Auch hier sind, um eine übersichtlichere Schaltung zu erhalten, den Verstärkern jeweils einzeln zugeordnete Stromquellen dargestellt. Eine solche Stromquelle kann aber auch beispielsweise durch eine einzige Batterie, die den Kondensatoren 19 parallel geschaltet ist, ersetzt werden. Hs ist auch nicht nötig, die Fußpunkte der Primär- und Sekundärwicklung der Anpassungstransformatoren miteinander zu verbinden. F i g. 11 zeigt in Abständen innerhalb eines Kabels vorgesehene Verstärker, die zur Anpassung der Leitung mit derartigen Anpassungs-Iransformaloren 24 ausgestattet sind, deren Primär- und Sekundärwicklung nicht miteinander verbunden sind, so daß das Kabel in eine Anzahl einzelner, gleichstrommäßig nicht miteinander verbundener Felder aufgeteilt wird. Auch hier kann der Anpassungstransformator, wie in F i g. 11 gezeigt, den Ausgangsklemmen zugeordnet sein oder entsprechend der F i g. 8 in direkter Verbindung mit den Hingangsklemmen der Verstärker stehen. Die Anwendung solch offener Anpassungslransformatorcn erlaubt die Verbesserung der Anpassungscharakteristika des Kabels bei Anwendung auf große Bandbreiten.

In den gezeigten Fällen läßt sich die Dämpfung des Kabels herabmindern oder, wie die F i g. 6 zeigt, sogareine Verslärkungzu übertragender Impulse erreichen, wobei durch Unterdrückung von negativen Signalen sowie positiven Signalen zu großer bzw. zu geringer Amplitude gleichzeitig der Störabstand vergrößert wird. Die geringen Abmessungen des Verstärkers, bedingt durch die wenigen, klein auszuführenden Bauteile, lassen es zu. daß der Verstärker in Form einer Scheibe herstellbar ist. die beispielsweise in ein Koaxialkabel bei dessen Herstellung mit eingeschlossen werden kann, ohne daß es erforderlich ist. auf diese Verstärkerscheibe besondere Rücksicht zu nehmen, so daß der weitere Aufbau des Kabels, insbesondere dessen Ummantelung, eine einheitliche Struktur erhalten kann.

Claims

Patentansprüche':

1. Mit Verstärkern bestücktes Kabel zur übertragung von durch Impulse dargestellten Signalen mit einer Vielzahl von in vorgegebenen Abständen ('S eingeschleiften Verstärkern, die auf positive Widerstandswerte vorgespannte Tunneldioden aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Tunneldioden (4, 16) den Leitungen (1. 2) des

Kabels (11 bis 13) parallel geschaltet sind, daIi an den Anschlußpunkten der Verstärker die auf deren Tunneldiode wirkende Impedanz des Kabels in übertragungsrichtung steigt und daß die Vorspannung eier 'Tunneldioden um den gewünsehicn Schwellwerl zu unterdrückender Störsignale unterhalb des Bereiches negativer Widerstände eingestellt ist.

2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker (3) den Tunneldioden (4, 16) parallel angeordnete Reihenschaltungen aus je einem Impedanz-Anpassungsglied (Anpassungstransformatoren 17, 24) und einem Kondensator (19) aufweisen.

3. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung der Tunneldioden (4, 16) beidseitig der Kondensatoren (19) eingespeist wird.

4. Kabel nach Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen eines Ansclilußpunkles eines Verstärkers (3) durch einen getrennte Wicklungen aufweisenden Anpassungstransformator (24) angepaßt sind.

5. Kabel nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Impedanz-Anpassungsgliedern (Anpassungstransformatoren 17, 24) der Verstärker (3) Resonanzkreise (22) parallel geschaltet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

909 530/350