DE1766262A1 - Verbesserungen an Koaxialleiterbruecken - Google Patents

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PATENTANWÄLTE β⁹⁰² augsburg-güggingen. den 2~$ΑΛ

ν. Eidiendorff- Straße 10

DR. ING. % LIEBAU Unser Zeichen

(Bei Rückantwort bitte angeben) Dr.Lb/p AZ 0 M 7θ8θ

DIPLING. G. LIEBAU

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The Marconi Company Ltd.

Marconi House, Strand, London W.C.2

Standard Telephones & Cables Ltd. 19ο Strand, London W.C.2 / England

Verbesserungen an Koaxialleiterbrücken

Γ Die Erfindung betrifft Übertragungsleitungsbrücken mit einem Ring von vier Übertragungsleitungen, die alle eine ungerade Anzahl von Viertelwellenlängen lang sind, wobei, drei die gleiche Li'.nge besitzen und die vierte um eine ungerade Anzahl von HaIbwellenlängen langer als die andern drei ist. Der Einfachheit halber sollen bei der allgemeinen Betrachtung die drei Leitungen kurze Leitungen und die vierte Leitung die lange Leitung genannt

■ werden. In der Praxis sind die kurzen Leitungen fast unveränderlich Viertelwellenleitungen, während die lange Leitung eine Dreiviertelwellenlängenleitung ist. Die Erfindung ist besonders zweckmäßig für die Verwendung bei Koaxialleiterbrücken.

Derartige Brücken besitzen vier Anschlüsse an den vier Verblndungs-' punkten zwischen den Leitungen im Ring und können vielfältig verwendet werden. Eine wichtige Anwendung besteht in der Kombination van Fernsehkanälen, die ein breites Band von Frequenzen überdecken.

109825/165D _BAD ob»g.nal

Die Brücke wird dann Diplexernetzwerk genannt. Es besteht ein Bedarf für eine Koaxialbrücke, die eine größere Bandbreite als die bisherigen Brücken besitzt. So können bei der genannten Anwendung zwei Fernsehsender an zwei diagonal gegenüberliegende ■Anschlüsse der Brücke angeschlossen werden. Notwendigerweise müssen die Eingangsimpedanzen an diesen Anschlüssen auf dem richtigen Wert über eine große Bandbreite gehalten werden, damit die Sonder mit den richtigen Impedanzen abgeschlossen sind und damit Spannungen in dem System, die von stehenden Wellen herrühren, auf einem annehmbaren niedrigen Wert gehalten werden. Außerdom nuß der Kreuzeinfügungsverlust (Kreuzkopplungsdämpfung) zwischen den beiden Klemmen über eine große Bandbreite hoch sein, damit die von einem Sender zum anderen geleitete Leistung genügend klein gehalten wird.

Es ist das Ziel dieser Erfindung, eine verbesserte Übertragungsleitungsbrücke zu schaffen, bei der unter den oben genannten Bedin-r

die
gungen ( d. h.ι bei üblicher Bandbreite) die Bandbreite vergrößert werden kann, ohne daß die Leistung der Brücke erniedrigt wird,

d. h. ohne wesentliches Erhöhen der Spannungegradienten, denen das System unterworfen 1st.

Gemäß einer Lösung der Erfindung ist eine UllertragungeleitungsbrUcke vorgesehen, die drei kurze Leitungen und eine lange Leitung ( wie zuvor definiert) besitzt, die zwischen vier erste Klemmen in einem Ring angeschlossen sind, sowie zwei weitere Leitungen, die eine ungerade Anzahl von Halbwellenlängen lang sind und zwisohen die zwei ersten Klemmen geschaltet sind, die an den Enden der langen Leitung

109825/Τ65Ό

liegen, sowie zwei entsprechenden äußeren Anschlüssen, wobei die zwei weiteren Leitungen Wellenwiderstände besitzen¹, die höher als die Wellenwiderstände der entsprechenden Außenanschlüsse sind, wobei die Beträge um die die genannten Wellenwiderstände höher sind, derart bemessen sind, daß sie die übliche Bandbreite der Brücke erhöhen.

Gemäß einer anderen Lösung der Erfindung ist eine Übertragungsleitungsbrücke vorgesehen, die drei kurze Leitungen und eine lange Leitung (wie zuvor definiert) besitzt, die zwischen vier erste Anschlüsse in einem Ring angeschlossen sind, sowie zwei weitere Leitungen, die jeweils eine ungerade Anzahl von halben Wellenlängen lang sind und zwischen die zwei ersten Klemmen geschaltet sind, die nicht an den Enden der langen Leitung liegen, sowie zwei entsprechenden äußeren Anschlüssen, wobei die weiteren Leitungen Wellenwiderstände besitzen, die niedriger als die Abschlußwiderstände der entsprechenden Außenanschlüsse sind und wobei die Beträge, um die die genannten Wellenwiderstände niedriger bemessen sind, derart gewählt werden, daß sie die übliche Bindbreite der Brücke erhöhen.

Gemäß einer weiteren Lösung der Erfindung ist eine Übertragungslei tungsbrücke vorgesehexi, die drei kurze Leitungen und eine lange Leitung ( wie zuvor definiert) besitzt, die zwischen vier erste Klemmen in einem Ring angeschlossen sind, sowie vier weitere Leitungen, die jeweils eine ungerade Anzahl von halben V/ellenlängen lanj sind und zwischen die ersten Klemmen und vier Außenanschlüsse an_o!;ochultet cini, wobei dlejcMii^en .veitoren l>itun-on, die an don

109« ν S/165 Cl

BAD

x^-j:

zwei Enden der langen Leitung angeschaltet sind,Wellenwiderstände besitzen, die höher als die Abschlußwiderstärd e der entsprechenden Außenanschlüsse sind, und die anderen beiden weiteren Leitungen Wellenwiderstände besitzen, die niedriger als die Abschlußwiderstände der entsprechenden AußenansGhlüsse sind, wobei die Beträge um die die genannten Wellenwiderstände höher und niedriger sind, derart bemessen werden, daß sie die übliche Bandbreite der Brücke erhöhen.

Die Basis zur Berechnung der genannten Beträge für eine gegebene Anwendung wird nachstehend erläutert. Offensichtlich sind die obengenannten Abschlußimpedanzen Konstruktionsparameter der Brücke selbst und stellen diejenigen Impedanzen dar, die an die vier Außenanschlüsse der Brücke für deren einwandfreien Betrieb anzuschließen sind. In der £)lgenden Diskussion der Erfindung werden diese durch die Leitwerte Y., Yg, Y_c. und Υ~.dargestellt. Beim praktischen Einsatz der Brücke werden die Impedanzen diejenigen der Sender, der Antennen,der Ersatzbelastungen usw. sein, die an die Brücken angeschlossen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 und 3 bekannte Koaxialleiterbrücken für die Fälle ungleicher bzw. gleicher Abschlußimpedanzen,

Fig. 2 und 4 entsprechende Ersatzschaltbilder,

Fig. 5 ein Diagramm zur Veranschauliohung der äquivalenten Schaltung einer Leitung,deren Länge geringfügig

ORIGINAL INSPECTED

von einer ungeraden Anzahl von Vlertelwellenlängjen abweicht*

Fig. 6 und 8 äquivalente Schaltungen bekannter Brücken, die in der Nähe der Konstruktionsfrequenz für die Fälle ungeleicher bzw. gleicher Abschlußimpedanzen arbeiten,

Fig. 7 und 9 entsprechende Ersatzschaltbilder>

Fig. 1o eine Darstellung der Fig. 9 jedoch bei fehlendem Gleichgewicht, '

Fig. 11 die Fig. 1o modifiziert gemäß dem dritten Lösungsweg der Er-flndung,

Fig. 12 eine Brücke entsprechend der Fig. 11 jedoch als Ausführungsbeispiel des dritten Lösungsweges der Erfindung und

Fig. 13 ein Schaubild der elektrischen Belastungen in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 12 ,

Die Gleichungen für die bekannten Brücken werden zuerst mit Bezug- Λ nähme auf die Figuren 1 bis 4 abgeleitet und die störenden Effekte eines Fuhlabschlusses werden mit Bezugnahme auf die Figuren 5 bis untersucht. Es ist verständlich, daß der in Frage kommende Fehlabschluß derjenige ist, der unweigerlich in einer Breitbandvorrichtung bei vorkommenden Frequenzen auftritt, die von der Kunsfcuktionsmittenfrequynz entfernt sind. Es wird dann unter Bezugnahme auf die Fig. Io und 11 gezeigt, wie die übliche Bandbreite erhöht werden kann. Dieb wird nur £\\r den üblichen Fall gleicher Abschlußimpedanzen

- 6 10982S/1650

gezeigt, aber die Diskussion der Figuren 1 bis 9 gibt die Information, die für die Konstruktion einer Ausführungsform der Erfindung erforderlich ist, bei der die Abschlußirapedanzen nicht alle gleich sind.

Die Fig. 1 zeigt diejenige Form einer bekannten Brücke, die die größte Bandbreite besitzt und aus einem Ring aus drei Viertelwellenleitungen und einer Dreiviertel^jwellenleitung besteht, die die Wellenleitwerte Y_ab, Y_bc, Y_cd und Y_da besitzen. Die Abschlußimpedanzen haben die Leitwerte Υ_Λ, Y_n, Y_n und Y_n und sind an die vier Anschlüsse des Ringes angeschlossen. Die äquivalente Ersatzschaltung ist in Fig. 2 in Widerstandsnotierung gezeigt. Wenn die Brücke der Fig. 2 abgeglichen ist, dann wird keine Leistung zwischen den Anschlüssen A und C oder zwischen den Anschlüssen B und D übertragen und die Anschlußleitwerte sind entsprechend angeglichen. Dies zeigt sich sehr einfach für den speziellen aber üblicheren Fall der gleichen Abschlußleitwerte aus den Figuren 3 und 4,in denen die übrigen Beziehungen zwischen Y. usw. und Y_&. usw. gezeigt sind, wobei die Leitwerte ^Y _A = ^Y _B = ^Yc ^{= y}d ^{= 1} δβ^ηοΓ^ sind. Die angegebenen Bedingungen gelten nur bei der Frequenz für die die Koaxialleitungen ihre spezifischen Längen haben. Es ist nun notwendig, diejenige Situation zu betrachten, bei der kleine Änderungen in den Längen der Koaxialleitungen vorhanden sind.

Für eine verlustlose Übertragungsleitung heißt die allgemeine Gleichung für den Eingangsleitwert oder - Admlttanz (Y_1n) ausgedrückt in der Länge (BL) und der Wellenadmittanz (Y_Q) der Leitung _t

- 7 -109825/1650 ^{BAD 0RiGfN}AL

wobei der Wert des Abschlusses Y„ ist:

γ ₌ γ Ym cos BL + Y .j. sin BL

in ο

Y_Q cos BL + Yrp.j. sin BL

Wenn BL = n(1 + ) JjL _ , dann ist

Y_T cos η $r + Y_o. j. sin nSTT

Y=Y 2 2

^xin ^xo ■ ^

Y cos η £ΤΓ + Ym. j. sin η ο ^ι

.... Gleichung

wenn η gerade is t,

^YT ^{sin n}^ - ^Y _o-J- ^cos I

und Y_1n = Y_o

Y₀ sin n&I - Y_m.j. cos n SX 2

.... Gleichung

wenn n ungerade ist .

Für kleine Vierte von n. S wird die Gleichung 1 zu

Y = Y *in ¹

Y_T + Y₀. j.ti.S.

Y₀ + Y_T..1.n.&. τ

welche für n=2 übergeht in Y₁ ^₁ = Υ_φ + j. $. ET. Y₀.

... .Gleichung

10 9 8 2 5/1650 - 8 -

In ähnlicher Weise geht für kleine Vierte von n.£ Gleichung 2

gegen Y_1n = Y

....Gleichung 4

Aber es ergibt sich aus Fig. 5* daß eine ideale -A-. Leitung ( oder eine Leitung mit einer ungeraden Anzahl von Viertelwellenlängen) die gleiche Transformation besitzen würde wie Gleichung 4,

. —~—

wenn sie an beiden Enden mit Blindleitwerten j.Y

geschlossen ist. Es zeigt sich somit, daß eine Leitung mit der V/ellenadmittanz Y , die in der Lunge von —i— um einen kleinen Betrag &. * differiert, sich genauso verhält, wie eine Leitung mit der gleichen Wellenadmittanz mit der gerauen Länge von X und einem Abschluß mit Admittanzen von j.Y . &. —£L Enden.

an beiden

Hieraus ergibt sich, daß bei Frequenzen die ( 1 + ο) ^mal quenz sind, bei der die Koaxialleitungen genau eine oder d-'oi Viertel wellenlängen lang sind, die Figuren 1, 2, J3 und 4 durcii die Figuren 6, 7* 8 und 9 ersetzt werden können.

Die Faktoren, die die übliche Bandbreite einer bekannten Drücke begrenzen, werden nun untersucht.

10982S/165Ö

BAD ORtGfNAL

Eine Betrachtung der Fig. 9 zeigt, daß wenn Y = y = γ ^ γ

A Ij O JJ

und S=O ist, sich die Brücke im Gleichgewicht befindet und keine Leistung von Y_A nach Y^ (und infolge Symmetrie von Υ_β nach Y_J übertragen wird und daß die Eingangsadmittunz Y- richtig an die Abschlüsse Y₁-, Y_n und Y₁-. angejlichen ist.

Wenn jedoch S nicht gleich Null ist, dann ist die Brücke um einen Ausdruck j. β ^ aus dem Gleichgewicht wie dies Fig. 1o zeigt. Bei Vernachlässigung von Fehlern zweiter Ordnung ist der durch diese unausgeglichene Impedanz fliei3ende Strom gleich der Hälfte des Eingangsstroms vom Anschluß A und die unausgeglichene Spannung am Anschluß C ist gleich j. $> ? im Bezug auf Einheitsspannung an der ■'Eingangolclemme A. Dieses Verhältnis definiert den Kreuzeinfügungsverlust (Kreuzdämpfung) der üblichen Koaxialbrücke, z. B. über ein Frequenzband von S= - 1o # bis S^=+ 1o % ist der Kreuzeinfügungsverlust größer als T oder 19,1 dB.

In ähnlicher Welse ist bei Abweichung von S von Null die Eingangsimpedanz an der Klemme A ( und durch spiegelbildliche Symmetrie an m dor Klemme D) die transformierte Impedanz von den Klemmen B und D ( wenn der kleine Leistungsanteil,der durch die Klemme C läuft, vernachlässigt wird) plus dem Fehlerausdruck der an der Klemme A 3ingefUhrt wird, d. h. die EingangsImpedanz an der Klemme A

[2 + 4.J. i£ + a + 2.J. jytLJ - J-JT.- /i"

- 1 - j.

In ähnlicher Wulso ist die Eingangsimpedanz an der Klemme B ( und infolge spiegelbildlicher Symmetrie an der Klemme C) gleich

109825/1650 - ^1ü "

BAD

- 1ο -

V/66262

1/4 £> + 4.j. iL^ + 2 + 2.j. UL I - -J- Al = 1 + j.

Es ist nun nö^lieh zu erkennen, wie das Hinzufügen weiterer Impedanzen gemäß der vorliegenden Erfindung zu einer Verbesserung der üblichen Bandbreite führt.

Bezugnehmend auf die Figuren 8 und 9 und die obigen Berechnungen zeigt sich, vorausgesetzt, daß £> nicht zu groß ist, daß die Abnatime sowohl der Eingangsimpedanzbandbreite als auch der Kreuze einfügungsverlustbandbreite eine Funktion der Differenz zwischen den an die vier Anschlüsse angeschlossenen Blindleitwerten und nicht eine Funktion ihres Gesamtwertes ist. Werden somit weitere poesitive Blindleitwerte j. W an den Klemjnen B und C hinzugefügt und weitere negative Blindleitwerte - j. * /m- ^an die Klemmen A und D angeschlossen, dann wird die Brücke wie in Fig. 11 abgeglichen, wobei der Kreuzeinfügungsverlust zwischen den Klemmen A und C ( und ebenso zwischen den Klemmen B und D) unendlich wird und die Eingangsimpedanz an allen vier Anschlüssen eins ist.

Aus Figur 3 ergibt eich, daß eine JL.-Leitung mit einem Wellen- _t leitweit Y , der größer als die Absohlußadmlttanz Y_T ist, einen positiven Blindleitwert von

_o ( 1 -/YT ) 2 )
hinzuaddiert. 109825/1650

- 11 -

1/66262

Ist Y kleiner als Y™, dann addiert In ähnlicher V/eise die A -Leitung einen negativen Blindleitwert. Um einen positiven Blindleitwert von
( Ym = 1) hinzuzufügen, muß sein

an den Klemmen B und C

_ Y ο

und

^Yo =

Ua einen negativen Blindleitwert von hinzuzufügen, muß sein

an den Klemmen A und D

2 {2

^{= Y}o --

und Y_o = /33 - 1 /32"

Die praktische koaxiale Form einer erflndungsgemaßen Brücke mit großer Bandbreite ist somit für den Normalfall, daß alle vier Abschlüsse gleich sind, diejenige der Fig. 12. Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine Anordnung beschrieben, bei der die lange Leitung und die drei kurzen Leitungen und die vier weiteren Leitungen sämtlich in einer unab^eglichenen Koaxialform waren, aber sie ist gleichermaßen anwendbar auf Anordnungen in Streifenleitungen und gedruckten Schaltungen in abgeglichener oder unabgeglichener Form. Außerdem können wesentliche Verbesserungen in der Bandbreite noch dadurch erzielt werden, daß die Anzahl der weiteren Leitungen von vier auf zwei reduziert wird. Wenn die beiden weiteren Leitungen

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BAD ORKStMAL

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die' an die Klemmen B und C angeschlossen sind, weggelassen werden, dann haben die an die Klemmen A und D angeschlossenen beiden weiteren Leitungen einen genormten Wellenleitwert von A. für gleiche Ab-Schlüsse. Wenn die beiden an die Klemmen A und D angeschlossenen

Leitungen weggelassen werden, dann besitzen die beiden an die Klemmen B und C angeschlossenen Leitungen einen genormten Wellenleitwert von 2 für gleiche Abschlüsse. Die Erfindung ist gleichermaßen anwendbar für den allgemeinen Fall von Brücken mit ungleichen Abschlüssen wie in Fig. 6 und J und die richtigen Werte für die Wellenadmittanz, für die -£a_ - Leitungen, die an jeden Anschluß angeschlossen sind, können für Gleichung 3 abgeleitet werden.

Betrachtet man die erfindungsgemäße Brücke von der Leistungsseite her, dann ist die elektrische Feldstärke E in einer Luftkoaxialleitung mit Leitern mit den Radien a und b:

E = ^V V/m

a log (b)

™ wobei V die Spannung zwischen den Leitern ist.

Der Wellenwiderstand Z_Q einer Luftkoaxialleitung ist

z_o = 6o iog_e(|)

Somit ist die elektrische Feldstärke einer Koaxialleitung für eine gegebene Spannung und gegebenen Durchmesser des äußeren Leiters umgekehrt proportional dem Durchmesser des inneren Leiters multipliziert mit dem Wellenwiderstand der Leitung. Dieser Faktor ist in Fig. 12 für Werte des Wellenwiderstandes von 1o bis 1ooJlaufgetragen. . 109825/1850

ORIGINAL INSPECTED - 15

Ί766262

Wird eine übliche KoaxialbrUcke mit 7o*7 Ji.Wellenwiderstand und i
j 5o^Abschlüssen gemäß der Erfindung modifiziert, dann zeigt sich,

\ ■ daß die JL-. -Leitungen mit 41,9 JL Wellenwiderstand, die in Reihe mit den beiden anderen Anschlüssen verbunden sind bei Vernachlässigung stehender Wellen auf den λ - Leitungen praktisch die gleiche Feldstärke wie die übliche Koaxialbrücke besitzt. Infolge der genannten stehenden Wellen wird die Spannung am Mittelpunkt der ²M, 9 JL -Leitung um 16,2 % reduziert und die Spannung injier Mitte der 59*5 JL -Leitung um 19 % erhöht. Selbst wenn dieser Paktor zugestanden wird, dann bleiben die maximalen elektrischen Feldstärken praktisch die gleichen, wie bei der üblichen Brücke.

\ 109825/1650

Claims (6)

Patentansprüche

1. Übertragungsleltungsbrücke mit drei kurzen Leitungen, die die gleiche Länge von einer ungeraden Anzahl von Viertelwellenlängen besitzen und mit einer vierten langen Leitung, die um eine ungerade Anzahl von Halbwellenlängen langer als die anderen drei ist, wobei die vier Leitungen zwischen vier ersten Klemmen in einem Ring geschaltet sind, und mit zwei weiteren Leitungen, die zwischen die zwei an den Enden der langen Leitung liegenden Anschlüsse und zwei entsprechende Außenanschlüsse geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden weiteren Leitungen jeweils eine ungerade Anzahl von Halbwellenlängen lang sind und Wellenwiderstände besitzen, die höher als die den entsprechenden Außenanschlußklemmen zugeordnete Abschlußimpedanzen sind, wobei die Beträge,um welche die genannten Wellenwiderstände höher sind,

s iö
derart bemessen werden, daß ι die übliche Bandbreite der Brücke

erhöhen.

2. Übertragungsleitungsbrücke mit drei kurzen Leitungen und einer langen Leitung ( wie zuvor definiert), die zwischen vier erste Anschlüsse in einem Ring angeschlossen sind und mit zwei weiteren Leitungen,die zwischen die zwei nicht an den Enden der langen Leitung liegenden ersten Klemmen und zwei entsprechende äußere Anschlüsse geschaltet sind, dadurch ge kennzeichnet, daß die beiden weiteren Leitungen jeweils eine ungerade Anzahl von Halbwellenlängen lang sind und Wellenwiderstände besitzen, die

^109825/1680 V⁵'

niedriger als die den entsprechenden Außenanschlußklemmen zugeordneten Abschlußimpedanzen sind, wobei die"Beträge,um die die genannten Wellenwiderstände niedriger bemessen sind, derart gewählt werden, daß sie die übliche Bandbreite der Brücke erhöhen.

3. Übertragungsleitungsbrücke mit drei kurzen Leitungen und einer langen Leitung (wie zuvor definiert), die zwischen vier erste Klemmen in einem Ring geschaltet sind und mit vier weiteren Leitungen, die zwischen den ersten Klemmen und vier entsprechenden ύ äußeren Anschlußklemmen liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die vier weiteren Leitungen jeweils eine ungerade Anzahl von Halbwellenlängen lang sind und daß diejenigen beiden weiteren Leitungen, die zwischen die zwei ersten Klemmen geschaltet sind, welche an den beiden Enden der langen Leitung liegen, Wellenwiderstände besitzen, die höher als die den entsprechenden Außenanschlußklemmen zugeordneten Abschlußimpedanzen sind und daß die anderen beiden weiteren Leitungen Wellenwiderstände besjbzen, die niedriger als die den entsprechenden Außenanschlußklemmen zugeordneten Abschlußimpedanzen sind, wobei die Beträge um die die genannten Wellenwiderstände höher bzw. niedriger sind, derart bemessen sind, daß sie die übliche Bandbreite der Brücke erhöhen.

4. Übertragungsleitungsbrücke nach Anspruch 1,2 oder J5> dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen Koaxialleitungen sind.

5. Übertragungsleitungsbrücke nach Anspruch 1,2 oder 3* dadurch .

- 16 -

109825/1660 _BAD

- 16 - Ί766262

gekennzeichnet, daß die Leitungen Streifenleitungen sind.

6. Übertragungsleitungsbrücke gemäß einem oder mehreren der Ansprüclie 1 bis 5,3 e k e η η ze i c h η e t durch gleiche Abschlußimpedanzen an allen Außenanschlüssen.

BAD ORK3SNAL 10982S/1650

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