DE1487570C - Vielverzweigtes Netzwerk zur Leistungsaufteilung und -vereinigung - Google Patents

Description

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin,, einen

:— Leistungsverstärker mit Hybridekopplung, welcher

eine große Anzahl von parallelgesehalteten aktiven Elementen aufweist, außerhalb des impedanzänge-

60 paßten Frequenzbandes zu stabilisieren.

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

Sigrialverarbeitungsnetzwerk zur Leistüngsaufteilung Verarbeitungsnetzwerk der genannten Art erfindungs-

und -vereinigung mit 2"—1 Leistungsteilern und gemäß dadurch gelöst, daß in jedem Signalverbin-

ebenso vielen -vereinigern, . dungszweig zwei 90°-Hybriden hintereinänderge-

65 schaltet und Mittel zur Beeinflussung des entspre-

bei dem die 2"— I 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

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des Leistungsteilers (Leistungsvereinigers) und der Zweigen 2 und 3 der Hybride 12 aufgeteilt wird. Die

jeweils ersten (letzten) 90°-Hybride in jedem Signal- Zweige 4 der Hybriden 11 und 12 sind mit Hilfe ge-

verbindungszweig der eine an den Eingang der 90°- eigneter Widerstände 25 und 26 angepaßt abge-

Hybride der nächstfolgenden (vorhergehenden) Stufe schlossen.

der durch den gleichen Ausgang des 180°-Leistungs- 5 Die so entstehenden vier Signalkomponenten werteilers bestimmten Gruppe geschaltet ist, der andere den in den Elementen 20, 21, 22 und 23 verstärkt, an den Eingang (Ausgang) der 90°-Hybride der danach werden sie in den Hybriden 13,14 und 15 nächstfolgenden (vorhergehenden), jedoch in der in Phase wieder vereinigt. Das Ausgangssignal erdurch den anderen Ausgang des 180°-Leistungs- scheint am Zweig 2 der Hybride 15.
teilers bestimmten Gruppe liegenden, ansonsten io Bei der Anordnung der Fig. 1 werden 180°- . jedoch derjenigen in der ersten Gruppe entsprechen- Hybriden verwendet, weil diese in ihren Leistungsden 90°-Hybride geschaltet ist, daß die Leistungs- teilungseigenschaften breitbandig sind. Jedoch haben vereinigung (Leistungsteilung) nur innerhalb der solche 180°-Hybriden eine verhältnismäßig schmale gleichen Gruppe von Stufe zu Stufe erfolgt. Impedanzanpassungskennlinie. Wenn sie auch so bein zweckmäßiger Weise enthält die Signalverarbei- 15 messen werden können, daß sie in dem interessietungsschaltung einen Verstärker als Mittel für die renden Band hinreichend angepaßt erscheinen, so Beeinflussung der Signale in den Signalverbindungs- sind sie doch außerhalb des interessierenden Bandes zweigen. fehlangepaßt. Wenn die Verstärkungselemente außer- _ Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß halb des Bandes ausreichend aktiv sind und wenn nicht nur die sehr große Impedanzbreite von 90°- 20 der Verstärker insgesamt eine große Verstärkung Hybriden^ benutzt wird, sondern daß auch keine Not- aufweist, wird die Impedanzfehlanpassung ein ernstwendigkeit besteht, in der ersten und der zweiten haftes Problem.

Anordnung eine Vielzahl von breitbandigen 180°- Glücklicherweise gibt es eine zweite Art von

_t Phasenschiebern zu verwenden. Solche Phasenschie- Hybriden, die eine breitere Impedanzanpassungs-

ber sind gewöhnlich notwendig, wenn 90°-Hybriden 25 kennlinie als die 180°-Hybriden haben. Dies ist die

an Stelle von 180°-Hybriden verwendet werden, um bekannte 90°-Hybride, bei der die Ausgangsspan-

eine Verengung des Verstärkerfrequenzbereichs in- nungen sich um 90° unterscheiden. In Anbetracht

nerhalb des Bandes zu verhindern, wenn die Anzahl der Tatsache, daß diese 90°-Hybriden sehr breit-

der Verstärkungselemente erhöht wird. bandige Impedanzanpaßeigenschaften haben, kann

Die Natur der Erfindung und ihre verschiedenen 30 es vorteilhaft erscheinen, einfach sämtliche 180°-

Vorteile werden eingehender in der nachfolgenden Hybriden der Fig. 1 durch 90°-Hybriden zu erset-

Erläuterung an Hand der Zeichnungen dargelegt. zen. Wenn hierdurch auch das Problem der Fehl-

Fig. 1 zeigt einen Vierelementverstärker mit anpassung gelöst wurde, so entsteht doch ein wei-

Hybridekopplung bisheriger Art; teres Problem. Bekanntlich sind die Leistungstei-

Fig. 2 zeigt einen Vierelementverstärker mit 35 lungseigenschaften von 90°-Hybriden verhältnis-

Hybridekopplung, der 90°-Hybriden verwendet und mäßig schmalbandig. Eine Hintereinanderschaltung

der ^(^-Phasenschieber enthält, um das Band der derartiger 90°-Hybriden würde demnach dieses

Frequenzelektivität der Hybriden zu verbreitern; Problem nur verschärfen, in dem diese Frequenz-

F ig. 3 zeigt einen Vierelementverstärker mit Selektivität exponentiell verstärkt würde, wenn die

Hybridekopphing entsprechend der Erfindung; 40 Anzahl der Stufen erhöht wird.

Fig. 4 zeigt einen breitbandigen 180°-Leistungs- Ein Verfahren zur Vermeidung dieses Problems

teiler, der für die Anordnung der Fig. 3 geeignet ist; besteht darin, daß jedem Hybridenpaar in der in

Fig. 5 zeigt einen Achtelementversiärker mit Fig. 2 dargestellten Weise ein 180°-Phasenschieber

Hybridekopplung entsprechend der Verbindung. hinzugefügt wird. Die Anordnung der Fig. 2 ist in

Es wird nunmehr auf die Zeichnungen näher ein- 45 jeder Hinsicht die gleiche wie diejenige der Fig. 1, gegangen. F i g. 1 zeigt einen Vierelementverstärker abgesehen davon, daß sämtliche Hybriden 30, 31, mit Hybridekopplung entsprechend den Lehren der 32, 33, 34 und 35 90°-Hybriden sind. Zusätzlich bisherigen Technik, wie sie in der oben angegebenen sind in die Schaltung drei 180°-Phasenschieber 36, USA.-Patentschrift offenbart sind. Diese Schaltung 37 und 38 eingefügt, und zwar jeweils eines für jedes besteht aus sechs 180°-Hybriden 10,11,12,13,14 50 Hybridenpaar. Zum Beispiel korrigiert der Phasen- und 1.5, die so angeordnet sind, daß sie vier parallele schieber 37 die Frequenzkennlinie der Hybriden-Zweige 16, 17, 18 und 19 ergeben. Jeder dieser paare 31 und 32, der Phasenschieber 38 korrigiert Zweige enthält ein aktives Verstärkungselement 20, die Hybridenpaare 33 und 34 und der Phasen-21, 22 oder 23, das einen Teil des zugeführten Signals schieber 36 die Hybridenpaare 30 und 35. -^:
verarbeitet. ^ ₅₅ Wenn der Versuch gemacht wird, die Anordnung

Im Betrieb wird ein an die Klemme 1 der Hybride der Fig. 2 auszuführen, steht man unglücklicher-

10 angelegtes Eingangssignal gleichmäßig zwischen weise dem Problem gegenüber, 180°-Phasenschieber

den beiden konjugierten Zweigen 2 und 3 aufgeteilt. zu erhalten, die für Verstärker mit Hybridenkopp-

Der Zweig 4 ist durch einen geeigneten Widerstand lung ausreichend breitbandig sind. Derartige Pha-

24 angepaßt abgeschlossen. Der Zweig 2 der Hybride 60 senschieber, die für den breitbandigen Betrieb sorg-

10 ist mit dem Zweig 1 der Hybride 11 verbunden, in fältig kompensiert werden müssen, werden außer-

der das vom Zweig 2 kommende Signal wiederum in ordentlich teuer, wenn die Anzahl der aktiven EIe-

zwei gleiche Signalkomponenten in den konjugierten mente im Verstärker zunimmt, insbesondere wenn

Zweigen 2 und 3 der Hybride 11 aufgeteilt wird. In Zweileiter-Übertragungsleitungen an Stelle von WeI-

gleicher Weise ist der Zweig 3 der Hybride 10 mit 65 lenleitern verwendet werden. (Wie oben angegeben

dem Zweig 1 der Hybride 12 verbunden, in der das wurde, ist die Zunahme der Frequenzselektivität mit

vom Zweig 3 kommende Signal in gleicher Weise in der Anzahl der aktiven Elemente von Natur aus

zwei gleiche Signalkomponente in den konjugierten exponentiell.)

Erfindungsgemäß werden diese Beschränkungen der bisherigen Verstärker mit Hybridenkopplung mit Hilfe einer Anordnung vermieden, bei der erstens 90°-Hybriden wegen der großem Bandbreite hinsichtlich der Impedanzanpassung verwendet werden und bei der zweitens die notwendigen 180°-Phasenverschiebungen im Netzwerk durch eine besondere Art und Weise der Schaltung vorgesehen werden und nicht mit Hilfe von getrennten Phasenschiebern. Eine solche Verstärkerschaltung ist als Blockschema in Fig. 3 dargestellt, in der eine Kombination von zwei 180°-Leistungsteilern 40 und 45 und vier 90°-Hybriden 41, 42, 43 und 44 erfindungsgemäß geschaltet sind. Eins der vier aktiven Elemente 51, 52, 53 und 54 ist jeweils in die Zweige eingefügt.

Von den beiden 180°-Leistungsteilern wird der Leistungsteiler 40 im Eingang der Anordnung verwendet, um die zugeführte Wellenenergie in zwei gleiche in Gegenphase befindliche Signalkomponenten aufzuteilen. Die reziproken Eigenschaften des anderen 180°-Leistungsteilers 45 werden im Ausgang der Anordnung verwendet, um die beiden Signalkomponenten zu vereinigen und das Ausgangssignal zu erzeugen.

Eine als Beispiel gewählte Anordnung zur Aufteilung des Eingangssignals in zwei gleiche in Gegenphase befindliche Signalkomponenten ist in F i g. 4 dargestellt.

Der in Fig. 4 dargestellte 180°-Leistungsteiler besteht aus zwei breitbandigen 90°-Hybriden 60 und 61. Wenn man die Zweige 1-4 und 2-3 als die konjugierten Paare jeder Hybride bezeichnet, dann wird das Eingangssignal parallel mit den Zweigen 1 verbunden, während die beiden Ausgangssignale von den Zweigen 4 abgenommen werden.

Um die 180°-Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalkomponenten zu erhalten, sind die Zweige 2 und 3 der Hybride 60 kurzgeschlossen, während die Zweige 2 und 3 der Hybride 61 offen sind. Bekanntlich unterscheiden sich die Reflexionskoeffizienten für diese beiden ungleichen Abschlüsse für alle Frequenzen, bei denen die Abschlüsse offen und kurzgeschlossen sind, um 180°. Infolgedessen vereinigen sich die Signalkomponenten, die von den Abschlüssen in den beiden Hybriden reflektiert werden und verlassen die jeweiligen Hybriden über die Zweige 4 in Gegenphase.

In F i g. 3 sind die Signale in dem Teil der Anordnung, der von der Klemme A des Leistungsteilers 40 erregt wird, um 180° phasenverschoben zu den entsprechenden Signalen in dem Teil der Anordnung, der von der Klemme B des Leistungsteilers 40 erregt wird.

Wegen der Symmetrie der Anordnung kann eine breitbandige 180°-Phasenverschiebung, wenn erforderlich, durch eine geeignete Verbindung zwischen den entsprechenden Punkten der beiden symmetrischen Hälften der Anordnung erhalten werden. Um somit eine 180°-Phasenverschiebung in dem Weg zwischen den Zweigen 3 der Hybriden 41 und 43 zu erhalten, wird eine solche Querverbindung 55 hergestellt, daß der Zweig 3 der Hybride 41 mit dem Zweig 3 der Hybride 44 über das Element 54 verbunden ist, während der Zweig 3 der Hybride 42 mit dem Zweig 3 der Hybride 43 über das Element 52 verbunden ist. Da das Signal am Zweig 3 der Hybride 41 in jeder Hinsicht identisch mit dem Signal am Zweig 3 der Hybride 42 ist, wenn man von einer 180°-Phasendifferenz absieht, ergibt die Querverbindung einen einfachen, billigen und zweckmäßigen Weg zur Erzielung einer breitbandigen 180°-Phasenverschiebung.

In jeder anderen Hinsicht arbeitet der Verstärker der F i g. 3 wie jeder Verstärker mit Hybridenkopplung mit dem bemerkenswerten Unterschied, daß die Schaltung über einen sehr viel breiteren Frequenzbereich impedanzangepaßt ist iund daher von Haus aus sehr viel stabiler arbeitet. .;t

Das Prinzip der Erfindung kann auf symmetrische! Anordnungen höherer Ordnung ausgedehnt ^Werden, wie sie in F i g. 5 dargestellt sind. In dieser Darstellung sind acht Zweige 90 bis 97 vorhanden, bei denen zwölf 90°-Hybriden 70 bis 81 und zwei 180°- Leistungsteiler 85 und 86 verwendet werden. Wie bei der Ausführung der F i g. 3 wird eine breitbandige 180°-Phasenverschiebung durch eine Querverbindung zwischen entsprechenden Teilen der symmetrischen Anordnung erhalten. So erhält man 180°- Phasenverschiebungen in einem der Wege zwischen den Hybriden 72 und 76 und in einem der Wege · zwischen den Hybriden 74 und 78 durch die Querverbindung 100. In gleicher Weise erhält man die erforderlichen Phasenverschiebungen zwischen den Hybriden 73 und 77 und zwischen 75 und 79 durch die Querverbindung 101. Eine dritte Querverbindung 103 liefert die notwendigen Phasenverschiebungen zwischen den Hybriden 70 und 80 und den Hybriden 71 und 81.

Wie in F i g. 5 dargestellt, können in jedem der Zweige 90 bis 97 Verstärkungselemente eingefügt werden.

Die Anordnung der Leistungsteiler, die den Zweigen 90 bis 97 Signalenergie zuführt, ist das Spiegelbild der Anordnung der Leistungsteiler, die zur Vereinigung der Signalenergie benutzt wird. In gleicher Weise ist derjenige Teil des Leistungsteilungs- und Vereinigungsnetzwerks zwischen den Klemmen A der beiden 180°-Leistungsteiler das Spiegelbild desjenigen Teils des Leistungsteilungs- und Vereinigungsnetzwerks zwischen den Klemmen .B der 180°-Leistungsteiler.

Die Anzahl der erforderlichen 180°-Phasenverschiebungen ist gleich der Anzahl der 90°-Hybridenpaare, wobei zwischen jeder Hybride im Eingangsteil der Anordnung und einer symmetrisch angeordneten Hybride im Ausgangsteil eine 180°-Phasenverschiebung vorhanden ist. So sind in Fig. 5 180°-Phasenverschiebungen zwischen jedem der Hybridenpaare 72-76, 73-77, 74-78, 75-79, 70-80 und 71-81 vorhanden.

Die 180°-Phasenverschiebungen werden paarweise durch eine Querverbindung zwischen entsprechenden Teilen der beiden in Gegenphase befindlichen Hälften der symmetrischen Anordnung erhalten. So besteht in F i g. 5 eine Querverbindung zwischen dem obersten Zweig 90 der oberen Hälfte der Anordnung und dem obersten Zweig 94 der unteren (in Gegenphase befindlichen) Hälfte. Diese liefert die erforderliche Phasenverschiebung zwischen den Hybridenpaaren 72-76 und 74-78. In gleicher Weise liefert eine Querverbindung zwischen dem dritten Zweig 92 in der oberen Hälfte der Anordnung und dem dritten Zweig 96 in der unteren Hälfte die erforderliche Phasenverschiebung zwischen den Hybridenpaaren 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 η > 2 ist. In jeder dieser Schaltungen.shßherer Ordnung wird eine 180°-Phasenverschiebung zwischen jeder der 9Ö°-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 Leistungsjeilers 45 über einen induktivgekoppelten 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 teilem 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. -vereiniger in

Stufe mit den Signaleirigängen zweier Leistungs- der niedrigsten Stufe jeder Stufenleiter ein 180°-

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

verburiden 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. -vereihiger 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°-Leisturigsverteiler zugegesamten 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°-Hybridedernächstfolgenden(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 hau? 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 stungsteiluhg) 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 Anwenduri-

55 gen unbrauchbar.