DE1487570B2 - Vielverzweigtes netzwerk zur leistungsaufteilung und -vereinigung - Google Patents

Description

des Leistungsteilers (Leistungsvereinigers) und der jeweils ersten (letzten) 90°-Hybride in jedem Signalverbindungszweig der eine an den Eingang der 90°- Hybride der nächstfolgenden (vorhergehenden) Stufe der durch den gleichen Ausgang des 180°-Leistungsteilers bestimmten Gruppe geschaltet ist, der andere an den Eingang (Ausgang) der 90°-Hybride der nächstfolgenden (vorhergehenden), jedoch in der durch den anderen Ausgang des 180°-Leistungsteilers bestimmten-Gruppe liegenden, ansonsten jedoch derjenigen in der ersten Gruppe entsprechenden 90°-Hybride geschaltet ist, daß die Leistungsvereinigung (Leistungsteilung) nur innerhalb der gleichen Gruppe von Stufe zu Stufe erfolgt.

In zweckmäßiger Weise enthält die Signalverarbeitungsschaltung einen Verstärker als Mittel für die Beeinflussung der Signale in den Signalverbindungszweigen.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß nicht nur die sehr große Impedanzbreite von 90°- Hybriden benutzt wird, sondern daß auch keine Notwendigkeit besteht, in der ersten und der zweiten ) Anordnung eine Vielzahl von breitbandigen 180°- , Phasenschiebern zu verwenden. Solche Phasenschieber sind gewöhnlich notwendig, wenn 90°-Hybriden an Stelle von 180°-Hybriden verwendet werden, um eine Verengung des Verstärkerfrequenzbereichs innerhalb des Bandes zu verhindern, wenn die Anzahl der Verstärkungselemente erhöht wird.

Die Natur der Erfindung und ihre verschiedenen Vorteile werden eingehender in der nachfolgenden Erläuterung an Hand der Zeichnungen dargelegt.

Fig. 1 zeigt einen Vierelementverstärker mit Hybridekopplung bisheriger Art;

Fig. 2 zeigt einen Vierelementverstärker mit Hybridekopplung, der 90°-Hybriden verwendet und der 180^Phasenschieber enthält, um das Band der Frequenzelektivität der Hybriden zu verbreitern;

Fig. 3 zeigt einen Vierelementverstärker mit Hybridekopplung entsprechend der Erfindung;

Fig. 4 zeigt einen breitbandigen 180°-Leistungsteiler, der für die Anordnung der Fig. 3 geeignet ist; Fig. 5 zeigt einen Achtelementversiärker mit Hybridekopplung entsprechend der Verbindung.
■> Es wird nunmehr auf die Zeichnungen näher eingegangen. F i g. 1 zeigt einen Vierelementverstärker mit Hybridekopplung entsprechend den Lehren der bisherigen Technik, wie sie in der oben angegebenen USA.-Patentschrift offenbart sind. Diese Schaltung besteht aus sechs 180°-Hybriden 10,11,12,13,14 und 15, die so angeordnet sind, daß sie vier parallele Zweige 16, 17, 18 und 19 ergeben. Jeder dieser Zweige enthält ein aktives Verstärkungselement 20, 21, 22 oder 23, das einen Teil des zugeführten Signals verarbeitet.

Im Betrieb wird ein an die Klemme 1 der Hybride 10 angelegtes Eingangssignal gleichmäßig zwischen den beiden konjugierten Zweigen 2 und 3 aufgeteilt. Der Zweig 4 ist durch einen geeigneten Widerstand 24 angepaßt abgeschlossen. Der Zweig 2 der Hybride 10 ist mit dem Zweig 1 der Hybride 11 verbunden, in der das vom Zweig 2 kommende Signal wiederum in zwei gleiche Signalkomponenten in den konjugierten Zweigen 2 und 3 der Hybride 11 aufgeteilt wird. In gleicher Weise ist der Zweig 3 der Hybride 10 mit dem Zweig 1 der Hybride 12 verbunden, in der das vom Zweig 3 kommende Signal in gleicher Weise in zwei gleiche Signalkomponente in den konjugierten Zweigen 2 und 3 der Hybride 12 aufgeteilt wird. Die Zweige 4 der Hybriden 11 und 12 sind mit Hilfe geeigneter Widerstände 25 und 26 angepaßt abgeschlossen.

Die so entstehenden vier Signalkomponenten werden in den Elementen 20, 21, 22 und 23 verstärkt, danach werden sie in den Hybriden 13,14 und 15 in Phase wieder vereinigt. Das Ausgangssignal erscheint am Zweig 2 der Hybride 15.

ίο Bei der Anordnung der Fig. 1 werden 180°- Hybriden verwendet, weil diese in ihren Leistungsteilungseigenschaften breitbändig sind. Jedoch haben solche 180°-Hybriden eine verhältnismäßig schmale Impedanzanpassungskennlinie. Wenn sie auch so bemessen werden können, daß sie in dem interessierenden Band hinreichend angepaßt erscheinen, so sind sie doch außerhalb des interessierenden Bandes fehlangepaßt. Wenn die Verstärkungselemente außerhalb des Bandes ausreichend aktiv sind und wenn der Verstärker insgesamt eine große Verstärkung aufweist, wird die Impedanzfehlanpassung ein ernsthaftes Problem.

Glücklicherweise gibt es eine zweite Art von Hybriden, die eine breitere Impedanzanpassungskennlinie als die 180°-Hybriden haben. Dies ist die bekannte 90°-Hybride, bei der die Ausgangsspannungen sich um 90° unterscheiden. In Anbetracht der Tatsache, daß diese 90°-Hybriden sehr breitbandige Impedanzanpaßeigenschaften haben, kann es vorteilhaft erscheinen, einfach sämtliche 180°- Hybriden der F i g. 1 durch 90°-Hybriden zu ersetzen. Wenn hierdurch auch das Problem der Fehlanpassung gelöst wurde, so entsteht doch ein weiteres Problem. Bekanntlich sind die Leistungsteilungseigenschaften von 90°-Hybriden verhältnismäßig schmalbandig. Eine Hintereinanderschaltung derartiger 90°-Hybriden würde demnach dieses Problem nur verschärfen, in dem diese Frequenzselektivität exponentiell verstärkt würde, wenn die Anzahl der Stufen erhöht wird.

Ein Verfahren zur Vermeidung dieses Problems besteht darin, daß jedem Hybridenpaar in der in Fig. 2 dargestellten Weise ein 180°-Phasenschieber hinzugefügt wird. Die Anordnung der F i g. 2 ist in jeder Hinsicht die gleiche wie diejenige der Fig. 1, abgesehen davon, daß sämtliche Hybriden 30, 31, 32, 33, 34 und 35 90°-Hybriden sind. Zusätzlich sind in die Schaltung drei 180°-Phasenschieber 36, 37 und 38 eingefügt, und zwar jeweils eines für jedes Hybridenpaar. Zum Beispiel korrigiert der Phasenschieber 37 die Frequenzkennlinie der Hybridenpaare 31 und 32, der Phasenschieber 38 korrigiert die Hybridenpaare 33 und 34 und der Phasenschieber 36 die Hybridenpaare 30 und 35.

Wenn der Versuch gemacht wird, die Anordnung der F i g. 2 auszuführen, steht man unglücklicherweise dem Problem gegenüber, 180 ^Phasenschieber zu erhalten, die für" Verstärker mit Hybridenkopplung ausreichend breitbandig sind. Derartige Phasenschieber, die für den breitbandigen Betrieb sorgfältig kompensiert werden müssen, werden außerordentlich teuer, wenn die Anzahl der aktiven Elemente im Verstärker zunimmt, insbesondere wenn Zweileiter-Übertragungsleitungen an Stelle von WeI-lenleitern verwendet werden. (Wie oben angegeben wurde, ist die Zunahme der Frequenzselektivität mit der Anzahl der aktiven Elemente von Natur aus exponentiell.)

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Erfindungsgemäß werden diese Beschränkungen am Zweig 3 der Hybride 42 ist, wenn man von einer

der bisherigen Verstärker mit Hybridenkopplung mit 180°-Phasendifferenz absieht, ergibt die Querverbin-

Hilfe einer Anordnung vermieden, bei der erstens dung einen einfachen, billigen und zweckmäßigen

90°-Hybriden wegen der großem Bandbreite hin- Weg zur Erzielung einer breitbandigen 180°-Phasen-

sichtlich der Impedanzanpassung verwendet werden 5 verschiebung.

und bei der zweitens die notwendigen 180°-Phasen- In jeder anderen Hinsicht arbeitet der Verstärker verschiebungen im Netzwerk durch eine besondere der F i g. 3 wie jeder Verstärker mit Hybridenkopp-Art und Weise der Schaltung vorgesehen werden und lung mit dem bemerkenswerten Unterschied, daß die nicht mit Hilfe von getrennten Phasenschiebern. Eine Schaltung über einen sehr viel breiteren Frequenzsolche Verstärkerschaltung ist als Blockschema in io bereich impedanzangepaßt ist und. daher von Haus F i g. 3 dargestellt, in der eine Kombination von aus sehr viel stabiler arbeitet.

Ho zwei 180°-Leistungsteilern 40 und 45 und vier Das-Prinzip der Erfindung kann auf symmetrische

90°-Hybriden 41, 42, 43 und 44 erfindungsgemäß 'Anordnungen höherer Ordnung ausgedehnt werden, '

geschaltet sind. Eins der vier aktiven Elemente wie sie in Fig. 5 dargestellt sind. In dieser Darstel-

51, 52, 53 und 54 ist jeweils in die Zweige einge- 15 lung sind acht Zweige 90 bis 97 vorhanden, bei

fügt. denen zwölf 90°-Hybriden 70 bis 81 und zwei 180°-

Von den beiden 180°-Leistungsteilern wird der Leistungsteiler 85 und 86 verwendet werden. Wie bei Leistungsteiler40 im Eingang der Anordnung ver- der Ausführung der Fig. 3 wird eine breitbandige wendet, um die zugeführte Wellenenergie in zwei 180°-Phasenverschiebung durch eine Querverbingleiche in Gegenphase befindliche Signalkomponen- 20 dung zwischen entsprechenden Teilen der symmeten aufzuteilen. Die reziproken Eigenschaften des irischen Anordnung erhalten. So erhält man 180°- anderen 180°-Leistungsteilers 45 werden im Aus- Phasenverschiebungen in einem der Wege zwischen gang der Anordnung verwendet, um die beiden den Hybriden 72 und 76 und in einem der Wege · Signalkomponenten zu vereinigen und das Aus- zwischen den Hybriden 74 und 78 durch die Quergangssignal zu erzeugen. 25 verbindung 100. In gleicher Weise erhält man die

Eine als Beispiel gewählte Anordnung zur Auf- erforderlichen Phasenverschiebungen zwischen den

teilung des Eingangssignals in zwei gleiche in Gegen- Hybriden 73 und 77 und zwischen 75 und 79 durch

phase befindliche Signalkomponenten ist in Fig. 4 die Querverbindung 101. Eine dritte Querverbindung

dargestellt. 103 liefert die notwendigen Phasenverschiebungen

Der in Fig. 4 dargestellte 180°-Leistungsteiler be- 30 zwischen den Hybriden 70 und 80 und den Hybriden

steht aus zwei breitbandigen 90°-Hybriden 60 und 71 und 81.

61. Wenn man die Zweige 1-4 und 2-3 als die kon- Wie in Fig. 5 dargestellt, können in jedem der

jugierten Paare jeder Hybride bezeichnet, dann wird Zweige 90 bis 97 Verstärkungselemente eingefügt

das Eingangssignal parallel mit den Zweigen 1 ver- werden.

bunden, während die beiden Ausgangssignale von 35 Die Anordnung der Leistungsteiler, die den Zwei-

den Zweigen 4 abgenommen werden. gen 90 bis 97 Signalenergie zuführt, ist das Spiegel-

Um die 180°-Phasendifferenz zwischen den Aus- bild der Anordnung der Leistungsteiler, die zur Vergangssignalkomponenten zu erhalten, sind die einigung der Signalenergie benutzt wird. In gleicher Zweige 2 und 3 der Hybride 60 kurzgeschlossen, Weise ist derjenige Teil des Leistungsteilungs- und während die Zweige 2 und 3 der Hybride 61 offen 40 Vereinigungsnetzwerks zwischen den Klemmen A der sind. Bekanntlich unterscheiden sich die Reflexions- beiden 180°-Leistungsteiler das Spiegelbild desjenikoeffizienten für diese beiden ungleichen Abschlüsse gen Teils des Leistungsteilungs- und Vereinigungsfür alle Frequenzen, bei denen die Abschlüsse offen netzwerke zwischen den Klemmend der 180°-Lei- und kurzgeschlossen sind, um 180°. Infolgedessen stungsteiler.

vereinigen sich die Signalkomponenten, die von den 45 Die Anzahl der erforderlichen 180°-Phasenver-

Abschlüssen in den beiden Hybriden reflektiert wer- Schiebungen ist gleich der Anzahl der 90°-Hybriden-

den und verlassen die jeweiligen Hybriden über die paare, wobei zwischen jeder Hybride im Eingangsteil

Zweige 4 in Gegenphase. der Anordnung und einer symmetrisch angeordneten

In Fig. 3 sind die Signale in dem Teil der An- Hybride im Ausgangsteil eine 180°-Phasenverschieordnung, der von der Klemme A des Leistungsteilers 50 bung vorhanden ist. So sind in Fig. 5 180°-Phasen- 40 erregt wird, um 180° phasenverschoben zu den verschiebungen zwischen jedem der Hybridenpaare entsprechenden Signalen in dem Teil der Anordnung, 72-76, 73-77, 74-78, 75-79, 70-80 und 71-81 vorder von der Klemme B des Leistungsteilers 40 erregt handen.
wird. Die 180°-Phasenverschiebungen werden paarweise

Wegen der Symmetrie der Anordnung kann eine 55 durch eine Querverbindung zwischen entsprechenden breitbandige 180°-Phasenverschiebung, wenn erfor- Teilen der beiden in Gegenphase befindlichen Hälfderlich, durch eine geeignete Verbindung zwischen ten der symmetrischen Anordnung erhalten. So beden entsprechenden Punkten der beiden symmetri- steht in F i g. 5 eine Querverbindung zwischen dem sehen Hälften der Anordnung erhalten werden. Um obersten Zweig 90 der oberen Hälfte der Anordnung somit eine 180°-Phasenverschiebung in dem Weg 60 und dem obersten Zweig 94 der unteren (in Gegenzwischen den Zweigen 3 der Hybriden 41 und 43 zu phase befindlichen) Hälfte. Diese liefert die erfordererhalten, wird eine solche Querverbindung 55 her- liehe Phasenverschiebung zwischen den Hybridengestellt, daß der Zweig 3 der Hybride 41 mit dem paaren 72-76 und 74-78. In gleicher Weise liefert Zweig 3 der Hybride 44 über das Element 54 ver- eine Querverbindung zwischen dem dritten Zweig 92 bunden ist, während der Zweig 3 der Hybride 42 mit 65 in der oberen Hälfte der Anordnung und dem dritten dem Zweig 3 der Hybride 43 über das Element 52 Zweig 96 in der unteren Hälfte die erforderliche verbunden ist. Da das Signal am Zweig 3 der Hy- Phasenverschiebung zwischen den Hybridenpaaren bride 41 in jeder Hinsicht identisch mit dem Signal 73-77 und 75-79.

In gleicher Weise liefert eine Querverbindung zwischen einem Zweig der Hybride. 70 und dem entsprechenden Zweig der Hybride 71 die erforderliche Phasenverschiebung zwischen den Hybridenpaaren 70-80 und 71-81.

Das symmetrische Netzwerk der Fig. 3 und 5 kann so erweitert werden, daß sich 16, 32 oder allgemeiner, 2" Zweige ergeben, in denen 2(2"—2) 90°-Hybriden <und zwei 180°-Leistungsteiler verwendet werden, wobei n!>2 ist. In jeder dieser Schaltungen höherer Ordnung wird eine480°-Phasenverschiebung zwischen jeder der&Ö^Hybriden in der Eingangshälfte der Anordnung und einer symmetrisch angeordneten 90°-Hybride in der Ausgangshälfte durch eine Querverbindung zwischen entspre-

chenden Bereichen der in Gegenphase befindlichen Teile der Anordnung erhalten.

Offensichtlich können die Verstärkerschaltungen der F i g. 3 und 5 auch benutzt werden, um stabile 5 Oszillatoren mit einer Wellenform zu schaffen, indem zum Eingang der Verstärkeranordnung ein Teil des Ausgangssignals selektiv rückgekoppelt wird. Dies kann in dem Ausführungsbeispiel der F i g. 3 mit Hilfe eines Schalters 56 geschehen, der den Eingangszweig des Leistungsteilers 40. mit dem Ausgangszweig des Leistungsteilers 45 über einen induk-, tivgekoppelten abgestimmten Kreis 57 verbindet, Der letztgenannte ist so eingerichtet, daß er den bekannten Amplituden- und Phasenkriterien für Schwingungen genügt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (2)

1 2 zwei Signalausgänge jedes Leistungsteilers der Patentansprüche: einen Stufe mit den Signaleingängen zweier Leistungsteiler einer nächst höheren Stufe der

1. Vielverzweigtes Netzwerk zur Leistungs- Stufenleiter verbunden sind,

aufteilung und -vereinigung mit 2" — 1 Leistungs- 5 bei dem die 2" — 1 Leistungsvereiniger zu einer teilern und ebenso vielen -vereinigern, bei dem stufenleiterförmig aufgebauten Anordnung zur die 2" — 1 Leistungsteiler zu einer stufenleiter- Signalleistungsvereinigung verbunden sind, welförmig aufgebauten Anordnung zur Signal- ehe symmetrisch zu der Anordnung zur Signalleistungsteilung verbunden sind, wobei zwei leistungsteilung ist,

Signalausgänge jedes Leistungsteilers der einen io bei dem der Leistungsteiler bzw. -vererniger in

Stufe mit den Signaleingängen zweier Leistungs- der niedrigsten Stufe jeder Stufenleiter ein l'80°-_v.

teiler einer nächst höheren Stufe der Stufenleiter Leistungsteiler ist, während die restlichen Lei-

verbunden sind, bei dem die 2" — 1 Leistungs- stungsteiler bzw. -vereiniger 90°-Hybriden sind

vereiniger zu einer stufenleiterförmig aufgebauten und

Anordnung zur Signalleistungsvereinigung ver- 15 bei dem die Hybride der höchsten Stufe der

bunden sind, welche symmetrisch zu der Anord- Anordnungen zur Signalleistungsteilung mit den

nung für Signalleistungsteilung ist, bei dem der Hybriden der höchsten Stufe der Anordnung zur

Leistungsteiler- bzw. -vereiniger in der niedrigsten Signalleistungsvereinigung durch 2" Signalver-

Stufe jeder Stufenleiter ein 180°-Leistungsteiler bindungszweige verbunden sind, wobei η eine

ist, während die restlichen Leistungsteiler bzw. 20 ganze Zahl größer als 1 und gleich der Stufen-

-vereiniger 90°-Hybriden sind und bei dem die zahl jeder Stufenleiter ist.
Hybriden der höchsten Stufe der Anordnung zur

Signalleistungsteilung mit den Hybriden der In der USA.-Patentschrift 3 021490. ist ein Verhöchsten Stufe der Anordnung zur Signal- stärker mit Hybridekopplung beschrieben, bei dem leistungsvereinigung durch 2" Signalverbindungs- 25 die aktiven Elemente einzeln zwischen entsprechende zweige verbunden sind, wobei η eine ganze Zahl Klemmen an der Grenzfläche zwischen einer ersten größer als 1 und gleich der Stufenzahl jeder und einer zweiten gleichen symmetrischen Gegen-Stufenleiter ist, dadurch gekennzeich- taktanordnung von 180°-Hybriden geschaltet sind, net, daß in jedem Signalverbindungszweig zwei Die erste Anordnung besteht aus einem ersten und 90°-Hybriden hintereinandergeschaltet und Mittel 30 einem zweiten Teil, denen jeweils entgegengesetzte zur Beeinflussung des entsprechenden Teils der Phasen durch einen 180°-Leistungsverteiler zugegesarnten zugeführten Signalleistung vorgesehen führt werden, der mit dem Verstärkereingangssignal sind, daß von den beiden Ausgängen (Eingängen) verbunden ist. Die zweite Anordnung besteht ihrerder 90°-Hybriden auf der Seite des Leistungs- seits aus einem dritten und einem vierten Teil, die teilers (Leistungsvereinigers) und der jeweils 35 jeweils die Spiegelbilder des ersten und des zweiten ersten (letzten) 90°-Hybride in jedem Signal- Teils der ersten Anordnung bilden. Die Ausgänge verbindungszweig der eine an den Eingang der des dritten und des vierten Teils sind mit den Ein-90°-Hybride der nächstfolgenden (vorhergehenden) gangen eines zweiten 180°-Leistungsteilers verbun-Stufe der durch den gleichen Ausgang des 180°- den, wobei das Ausgangssignal des Verstärkers dem Leistungsteilers bestimmten Gruppe geschaltet 40 Ausgang des zweiten Teilers entnommen wird,
ist, der andere an den Eingang (Ausgang) der Der Hauptnachteil dieser Anordnung besteht dar-90°-Hybride der nächstfolgenden (vorhergehen- in, daß die verwendeten 180°-Hybriden nur über den), jedoch in der durch den anderen Ausgang einen verhältnismäßig schmalen Frequenzbereich des 180°-Leistungsteilers bestimmten Gruppe impedanzangepaßt sind. Infolgedessen können außerliegenden, ansonsten jedoch derjenigen in der 45 halb dieses Bereichs Störschwingungen entstehen, ersten Gruppe entsprechenden 90°-Hybride ge- wenn der Frequenzbereich der Wirksamkeit der aktischaltet ist, daß die Leistungsvereinigung (Lei- ven Elemente größer als der Frequenzbereich ist, in stungsteilung) nur innerhalb der gleichen Gruppe dem die 180°-Hybriden impedanzangepaßt sind, von Stufe zu Stufe erfolgt. Dies ist z. B. der Fall, wenn Tunneldioden als aktive

2. Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch ge- 50 Elemente benutzt werden, da derartige Dioden in kennzeichnet, daß als Mittel für die Beeinflus- einem Frequenzbereich, der sich bis zum Gleichsung der Signale in den Signalverbindungszweigen strom erstreckt, einen negativen Widerstand haben Verstärker eingefügt sind. können. Diese Tendenz der Instabilität außerhalb des

Bandes macht die Anordnung für viele Anwendun-55 gen unbrauchbar.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen

Leistungsverstärker mit Hybridekopplung, welcher

eine große Anzahl von parallelgeschalteten aktiven Elementen aufweist, außerhalb des impedanzange-60 paßten Frequenzbandes zu stabilisieren.

Die Erfindung bezieht sich auf ein vielverzweigtes Die Aufgabe wird bei einem vielverzweigten Signal-

Signalverarbeitungsnetzwerk zur Leistungsaufteilung Verarbeitungsnetzwerk der genannten Art erfindungs- und -vereinigung mit 2ⁿ—1 Leistungsteilern und gemäß dadurch gelöst, daß in jedem Signalverbinebenso vielen -vereinigern, dungszweig zwei 90°-Hybriden hintereinanderge-

65 schaltet und Mittel zur Beeinflussung des entspre-

bei dem die 2"—1 Leistungsteiler zu einer stu- chenden Teils der gesamten zugeführten Signalleifenleiterförmig aufgebauten Anordnung zur stung vorgesehen sind, daß von den beiden Aus-Signalleistungsteilung verbunden sind, wobei gangen (Eingängen) der 90°-Hybriden auf der Seite