DE1541722C - Anordnung zur eingangsseitigen und ausgangsseitigen Parallelschaltung einer Vielzahl von getrennten Wellen wegen - Google Patents

Description

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplungs- und die Entnahmemittel jeweils aus einem verlustarmen leitenden Ring bestehen, der kapazitiv mit den Wellenwegen gekoppelt ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplungs- und Entnahmemittel jeweils aus einer Vielzahl von im wesentlichen gleichen Transformatoren bestehen, die jeweils eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweisen, wobei das entsprechende Ende jeder Primärwicklung mit einem der Wellenwege verbunden ist und die anderen Enden der Primärwicklungen zusammengeschaltet sind und wobei die Sekundärwicklungen hintereinandergeschaltet sind.

4. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten flächenhaften resistiven Elemente Widerstandsplatten sind, die einen spezifischen Flächenwiderstand von /^- Ohm haben, wobei μ

und ε die Permeabilität bzw. die Dielektrizitätskonstante des die Wellenwege umgebenden Mediums sind.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur eingangsseitigen und ausgangsseitigen Parallelschaltung einer Vielzahl von getrennten Wellenwegen.

Bis vor kurzem war die Verwendung zahlreicher aktiver Festkörperschaltungselemente, wie Transistoren und Tunneldioden, auf niedrige Leistungen beschränkt. Der Grund hierfür war das niedrige Leistungsvermögen derartiger Einrichtungen und ihr verhältnismäßig hoher Preis, der von ihrer Verwendung in großen Stückzahlen als Mittel zur Überwindung ihres beschränkten Leistungsvermögens abschreckte. Vor kurzem jedoch fand eine drastische Herabsetzung des Preises zahlreicher Festkörpereinrichtungen statt, die es kommerziell möglich machte, die Einrichtungen in verhältnismäßig großen Stückzahlen zu verwenden.

Die technischen Schwierigkeiten beim Betrieb großer Stückzahlen von aktiven Elementen in paralleler Anordnung bestehen in deren Synchronisierung und Stabilisierung. Zahlreiche unabhängige aktive EIemente müssen nämlich so zusammenarbeiten, daß sie für die gewünschte Betriebsform eine maximale Ausgangsleistung erzeugen, während gleichzeitig alle anderen' möglichen Betriebsformen ausgeschlossen sein müssen. Mit anderen Worten, sie müssen gleichzeitig — synchron — in einem stabilisierten Zustand sein.

Um dies zu erreichen, ist es bekannt (»IRE Transactions of the Professional Group on Broadcast Transmission Systems«, Dezember 1955, Artikel »Power Amplifiers for Television«, insbesondere S. 12 und 15) die Charakteristiken der einzelnen Elemente aufeinander abzustimmen. Dies ist jedoch ziemlich kostspielig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anzahl von aktiven Elementen ohne kostspieligen Aufwand so zu betreiben, daß die von den einzelnen aktiven Elementen stammende Wellenenergie nicht außer Phase, sondern synchron zur Verfugung steht.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer Anordnung zur eingangsseitigen und ausgangsseitigen Parallelschaltung einer Vielzahl von getrennten Wellenwegen auf Grund folgender Merkmale gelöst:

a) Ein erstes flächenhaftes resistives Element verbindet die Eingangsenden der Wellenwege untereinander;

b) ein zweites flächenhaftes resistives Element verbindet die Ausgangsenden der Wellenwege untereinander;

c) eine Einrichtung dient zum gleichphasigen Einkoppeln von Wellenenergie in die Eingangsleitungen der Wellenwege hinter dem ersten flächenhaften resistiven Element;

d) eine weitere Einrichtung dient zur gleichphasigen Entnahme von Wellenenergie aus den Wellenwegen vor dem zweiten flächenhaften resistiven Element,.

Das Grundprinzip der stabilen Synchronisierung kann wie folgt dargestellt werden: Der organisierte Zustand eines dynamischen Systems muß von allen möglichen nicht organisierten Zuständen streng unterschieden werden, weiterhin muß der so bevorzugte Zustand für die Funktion des Systems so weit maßgeblich sein, daß die Energiequellen den Verlust an Freiheitsgraden ihrer unabhängigen Arbeitsweise akzeptieren und eine kollektive Wechselwirkung zulassen.

Bevorzugt wird eine in Phase befindliche Wellenform. Das heißt, das gewünschte Signal wird in Phase in eine Vielzahl von parallelgeschalteten Verstärkern eingekoppelt und aus diesen ausgekoppelt. Alle außer Phase befindlichen Wellenformen, die in den einzelnen parallelen Zweigen des Systems infolge irgendeiner Asymmetrie verursacht werden, werden festgestellt und in einer geeigneten Widerstandsbelastung vernichtet. Somit können die einzelnen Zweige des Systems nur in der in Phase befindlichen Wellenform zusammenarbeiten.

Die Erfindung besteht aus einer Vielzahl von getrennten Wellenwegen mit Eingangsenden (1 bis 8) und Ausgangsenden (Γ bis 8'), wobei alle Eingangsenden durch ein erstes Widerstandselement getrennt abgeschlossen sind und alle Ausgangsenden durch

ein zweites Widerstandselement getrennt abgeschlossen sind, ferner aus Mitteln,, um eine Wellenenergie gleichzeitig in die Eingangsenden der Wellenwege in Phase einzukoppeln, und schließlich aus Mitteln, um die in Phase befindliche Wellenenergie den Ausgangsenden der Wellenwege gleichzeitig zu entnehmen.

Vorteilhaft ist es, daß alle Kreise gleich sind und daß das System symmetrisch angeordnet ist, um die Energievernichtung im System klein zu halten. Da jedoch das System speziell dafür bestimmt ist, die Folgen der Asymmetrie und der Abweichung vom Gleichgewicht unschädlich zu machen, ist der Grad der Symmetrie eine Angelegenheit der Wahl, die auf Grund anderer Betrachtungen, z. B. des Preises, der Größe usw., zu treffen ist.

F i g. 1 zeigt eine erste Ausführung der Erfindung mit Verwendung von kapazitiver Kopplung;

F i g. 2 zeigt die Verwendung von induktiver Kopplung an Stelle der in F i g. 1 benutzten kapazitiven Kopplung.

Es soll nun auf die Zeichnungen eingegangen werden. F i g. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das aus einer Vielzahl von parallelgeschalteten Verstärkerkreisen besteht, ferner aus Mitteln zur Einkopplung in die Verstärker und zur Auskopplung aus ihnen. Die Verstärker, die mit 10 bis 17 bezeichnet sind, sind in einer »Vogelkäfig«-Form oder kreisförmig angeordnet. Die Verstärker können vielfacher Art sein, die Verstärker mit Transistoren, Tunneldioden oder Vakuumröhren einschließt, doch nicht auf diese beschränkt sind.

Die Eingangsenden der Verstärker sind mit Hilfe der Eingangsleiter 1 bis 8 mit einer ersten Widerstandsabschlußplatte 18 leitend verbunden, die alle Eingangsleiter getrennt abschließt. In gleicher Weise sind die Ausgangsenden der Verstärker mit Hilfe der Ausgangsleiter 1' bis 8' mit einer zweiten im wesentliehen gleichen Widerstandsabschlußplatte 19 leitend verbunden, die alle Ausgangsleiter getrennt abschließt.

Die Signalenergie wird in die Verstärker 10 bis 17 mit Hilfe eines kreisförmigen verlustarmen leitenden Rings 20 eingekoppelt, der die Eingangsleiter 1 bis 8 umgibt. Vorteilhafterweise befindet sich der Ring 20 unmittelbar an der" Abschlußplatte 18 oder um ungefähre Vielfache einer halben Wellenlänge von der Abschlußplatte 18 entfernt, wobei der Ring eine Breite hat, die nicht größer als eine Viertelwellenlänge ist. Die genannte Wellenlänge ist die Wellenlänge des Eingangssignals. . .

Ein zweiter verlustarmer leitender Ring 21, der sich am Ausgangsende der Verstärker befindet, koppelt die Signalwellenenergie kapazitiv aus dem System aus. Vorteilhafterweise ist der Ring 21 in gleicher Weise unmittelbar an der Abschlußplatte 19 oder ungefähr das Vielfache einer halben Wellenlänge von der Platte 19 entfernt angeordnet, wobei er eine Breite hat, die nicht größer als eine Viertelwellenlänge ist. Der Umfang der beiden Ringe 20 und 21 ist im Vergleich zu einer Wellenlänge bei der interessierenden Frequenz klein ausgeführt, so daß beide Ringe bei der Betriebsfrequenz als Äquipotentialflächen erscheinen.

Die gesamte Anordnung aus Verstärkern und Leitern ist von einer zylindrischen leitenden Hülle 22 umgeben, um zusammen mit den Leitern 1 bis 8 und den Leitern Γ bis 8' eine Vielzahl von achsenparallelen Ubertragungsleitungen zu bilden, die Wellenenergie in der TEM-Wellenform fortpflanzen.

In F i g. 1 sind die verschiedenen Aufbauteile zum Halten und Trennen der Schaltelemente nicht dargestellt. In der Praxis wird das Energieteilungsnetzwerk, das die Kopplungsringe und die Eingangs- und Ausgangsleiter umfaßt, typischerweise in ein verlustarmes dielektrisches Material eingeschlossen oder anderweitig nach den in der Koaxial-Kabeltechnik bekannten Verfahren gehalten.

In einem idealen System, bei dem sämtliche Verstärker vollkommen gleich sind und bei dem eine vollkommene Schaltungssymmetrie vorhanden ist, haben die Signalwellenkomponenten, die auf die Eingangsleiter 1 bis 8 mit Hilfe des Eingangsrings 20 gekoppelt werden, gleiche Amplitude und sind zeitlich in Phase. Diese gleichen Signale werden verstärkt und dann aus den Ausgangsleitern 1' bis 8' kapazitiv zum Ausgangsring 21 gekoppelt, und zwar als eine Vielzahl von in Phase befindlichen Signalen gleicher Amplitude. .

Unter diesen idealen Bedingungen, bei denen die Signalkomponenten auf den Eingangsleitern 1 bis 8 und den Ausgangsleitern Γ bis 8' die gleichen sind, gibt es keine Spannungsdifferenz zwischen irgendwelchen Eingangs- und Ausgangsleitern. Infolgedessen fließen keine Ströme in einer der Widerstandsabschlußplatten 18 oder 19, wobei im wesentlichen die gesamte über den Eingangsring 20 zugelieferte Eingangsenergie verstärkt wird und das System über den Ausgangsrmg 21 verläßt.

Es ist jedoch zu erkennen, daß in Folge von Unterschieden zwischen den Verstärkern und einer Asymmetrie im Aufbau die an den verschiedenen Eingangsund Ausgangsleitern erzeugten Spannungen nicht sämtlich gleich sind. Diese Abweichungen vom Gleichgewicht erzeugen eine Spannungsdifferenz zwischen den verschiedenen Eingangs- und Ausgangsleitern, die bewirkt, daß in den Widerstandsabschlußplatten 18 und 19 Ströme fließen. Indem man den spezifischen

Flächenwiderstand der Platten

gleich j/f"

Ohm

macht, wobei μ die Permeabilität des die Leiter umgebenden Mediums und ε die Dielektrizitätskonstante des Mediums ist, ist jede der achsenparallelen Leitungen, die durch die entsprechenden Leiter und die Hüllen 22 gebildet werden, angepaßt abgeschlossen, wobei die gesamte durch irgendeine Abweichung vom Spannungsgleichgewicht dargestellte Energie in den Platten 18 und 19 vernichtet wird. Die Größe 1/j- wird 377 Ohm, wenn das umgebende Medium Luft ist.

Als Beispiel sei ein Zweiwegesystem betrachtet, für das die komplexe Spannung an einem der Ausgangsleiter gleich E₁ ist, während die komplexe jSpannung an einem anderen Ausgangsleiter gleich E₂ ist, das von E₁ verschiedenjst. _^

Die Spannungen E₁ und E₂ können als die Summen und Differenzspannungen ausgedrückt werden,

F₁ = ^-(E₁ +E₂)+ ^ (E₁-E₂)

E₂ = 1(F₁ + E₂) - y (E₁ - E₂)

Bei Prüfung dieser Ausdrücke sieht man, daß jede

Spannung aus zwei Komponenten besteht, nämlich

(E₁ + E₂)

IO

Ferner sieht man, daß für beide Signale die ersten dieser Komponenten, nämlich

γ (E₁ +E₂)

in Phase sind. Infolgedessen erzeugen sie keine Spannungsdifferenz an der Leitungsabschlußplatte, so daß in der Platte kein Strom fließt und keine Energie vernichtet wird. Statt dessen werden sie in den Ausgangsringen 21 gekoppelt und induzieren dort ein Ausgangssignal.

Die zweiten dieser Komponenten sind andererseits um 180° außer Phase, wie sich aus dem negativen Vorzeichen vor der einen ergibt. Infolgedessen erzeugen sie eine Spannung zwischen den beiden_Wegen an der Leitungsabschlußplatte, die gleich (E₁ — E₂) ist, so daß das Fließen eines Stroms und die Vernichtung von Energie entsteht. Da. sie sich außer Phase befinden, induzieren sie ferner iceine Spannung im Ausgangsring 21.

Allgemein gesprochen, ist die, Anordnung der F i g. 1 in der Lage, Wellenenergie nur in der in Phase befindlichen Wellenform zu übertragen. Alle außer Phase befindlichen Wellenformen werden in den quediegenden Widerstandsabschlußplatten absorbiert, ^r.die^ vollkommen absorbierende schwarze Körper für die außer Phase befindlichen Wellenformen sind. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die außer Phase befindlichen Wellenformen bei allen Frequenzen abgeschlossen sind und vollkommen absorbiert werden, so daß die Verstärkeranordnung unbedingt stabil wird, und zwar sowohl innerhalb des interessierenden Frequenzbereichs als auch außerhalb des Frequenzbereichs. Dies rührt von der vollständigen Trennung der parallelen Zweige des Systems für alle außer den in Phase befindlichen Wellenformen her. Somit hat eine Fehlanpassung für die in Phase befindliche Wellenform wegen der verhältnismäßig schmalen Bandbreite des kapazitiven Kopplers nur eine geringe Wirkung. Eine in irgendeinem Weg beginnende spontane Schwingung erzeugt Energie in allen Wellenformen, wobei der Anteil der in Phase befindlichen Wellenform vergleichsweise vernachlässigbar ist. Daher werden Reflexionen nicht wesentlich regeneriert.

Die Verstärkeranordnung der F i g. 1 kann leicht in einen Oszillator mit einer einzigen Wellenform umgewandelt werden, indem ein Teil des Ausgangssignals zum Eingang des Verstärkers zurückgeliefert wird. Dies geschieht bei dem Ausführungsbeispiel mit Hilfe eines Schalters 30, der den Ausgangsring 21 über einen veränderlichen Kondensator 31 mit dem Eingangsring 20 koppelt. Der Kondensator ist so bemessen, daß er den bekannten Amplituden- und Phasen-Kriterien für Schwingungen genügt.

F i g. 2 zeigt eine andere Anordnung, bei der an Stelle der kapazitiven Kopplung der Ausführung der F i g. 1 eine induktive Kopplung benutzt wird. Für die Erläuterung ist nur ein Teil eines Vierweg-Systems gezeigt, das die vier Leiter 40, 41, 42 und 43, einen umgebenden leitenden Zylinder 39, eine Widerstandsabschlußplatte 44 und vier im wesentlichen gleiche Transformatoren 45,46,47 und 48 umfaßt. Die Transformatoren werden an Stelle der Ringe der F i g. 1 verwendet, um eine in Phase befindliche Kopplung hervorzubringen.

Wie bei der Ausführung der Fig. 1, sind sämtliche Leiter 40, 41, 42 und 43 durch die Widerstandsplatte 44 abgeschlossen. Ferner ist jeder Leiter 40, 41, 42 und 43 jeweils mit'einem Ende der Primärwicklungen 51, 52, 53 und 54 der Transformatoren 45, 46, 47 und 48 verbunden. Die anderen Enden der Primärwicklungen sind mit dem Außenleiter 39 über eine leitende Platte 60 verbunden.

Die Sekundärwicklungen 55, 56, 57 und 58 der Transformatoren sind in Reihe geschaltet. Der äußere Anschluß an einen Eingangs- oder Ausgangskreis ist über die in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen hergestellt.

Bei Verwendung als Eingangskreis induziert ein an die in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen angelegtes Signal in Phase befindliche Spannungen in den vier Wegen. Bei Verwendung als Ausgangskreis induzieren die in Phase befindlichen Spannungen auf den vier Leitern in Phase befindliche Signalkomponenten in den Sekundärwicklungen, die sich zeitlich in Phase addieren, um das Ausgangssignal zu erzeugen. Außer Phase befindliche Spannungen induzieren andererseits entgegengesetzte Spannungen in den Sekundärwicklungen, welche sich zu Null addieren. In bezug auf die außer Phase befindlichen Spannungen erscheinen die Transformatoren als offene Kreise an der Widerstandsplatte 44. Hiernach wird die gesamte Energie dieser Signalkomponenten in de*m Widerstandsabschluß vernichtet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

I 541 722 Patentansprüche:

1. Anordnung zur eingangsseitigen und ausgangsseitigen Parallelschaltung einer Vielzahl von getrennten Wellenwegen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: .

a) Ein erstes flächenhaftes resistives Element (18) verbindet die Eingangsenden (1 bis 8) der Wellenwege untereinander;

b) ein zweites flächenhaftes resistives Element (19) verbindet die Ausgangsenden (I' bis 8') der Wellenwege untereinander;

c) eine Einrichtung (20) dient zum gleichphasigen Einkoppeln von Wellenenergie in die Eingangsleitungen (1 bis 8) der Wellenwege hinter dem ersten flächenhaften resistiven Element;

d) eine weitere Einrichtung (21) dient zur gleichphasigen Entnahme von Wellenenergie aus den Wellenwegen (I' bis 8') vor dem zweiten flächenhaften resistiven Element.