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Laufzeitentzerrer für kurie ^-..ektroma6netische Wellen Die Erfindung
betrifft einer. Laufzeitentzerrer für kurze elektromagnetische Wellen, bestehend
aus einem 3-àB-Richtungskoppler mit vier Anschlußarmen, von denen zwei Anschlußarme
den Eingang bzw. den Ausgang des Laufzeitentzerrers bilden, während die beiden übrigen,
voneinander entkoppelten Anschlußarme mit untereinander gleichen, derart bemessenen
Reaktanznetzwerken abgeschlossen sind, daß am Ausgang des Laufzeitentzerrers ein
vorgegebenes Laufzeitverhalten auftritt.
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Bekanntlich erfahren elektrische Nachrichtensignale beim Durchlaufen
von Übertragungsstrecken wegen deren frequenzabhängigen Eigenschaften neben den
sogenannten Dämpfungsverzerrungen auch sogenannte Laufzeitverzerrungen, die ebenso
wie die Dämpfungsverzerrungen ausgeglichen werden müssen, wenn die im elektrischen
Signal enthaltene Information am Empfangs ort nicht in unzulässiger Weise verfälscht
werden soll. Der Ausgleich solcher Laufzeitverzerrungen erfolgt bekanntlich in sogenannten
Laufzeitentzerrern, die beispielsweise aus der Kettenschaltung mehrerer überbrückter
T-Glieder bestehen können. Im Frequenzbereich um 100 MHz, d.h. also im Bereich der
kurzen elektromagnetischen Wellen, treten bei der Realisierung der überbrückten
T-Glieder mit steigender Mittenfrequenz verhältnismäßig ungünstige Werte der Schaltelemente
insbesondere dann auf, wenn der Laufzeitentzerrer eine verhältnismäßig starke Frequenzabhängigkeit,
was gleichbedeutend mit einer verhältnismäßig steilen Laufzeitkurve ist, aufweisen
muß. Dieser Umstand wird auch dann als besonders
störend empfunden,
wenn es darum geht, den Laufzeitentzerrer durchstimmbar auszubilden.
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Für den Frequenzbereich der sehr kurzen elektromagnetischen Wellen
ist nun beispielsweise durch die deutsche Patentanmeldung T 7775 ein Laufzeitentzerrer
bekannt beworden, der mit Hilfe einer Brückenschaltung aufgebaut ist, von der zwei
entkoppelte Arme mit Blindwiderständen abgeschlossen sind, die das Verhalten von
Serien- bzw.
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Parallelresonanzkreisen zeigen. Als Brückenschaltungen sind dabei
entweder ein 3-dE-Richtungskoppler oder ein Magisches T verwendet. Als Blindwiderstand
sind kurzgeschlossene Leitungsabschnitte vorgesehen. Eine derartige Anordnung ist
für den Frequenzbereich um 100 MHz jedoch nicht geeignet, da die erforderlichen
Leitungslängen viel zu groß werden und damit die gesamte Anordnung hinsichtlich
ihres Raumverbrauches bei einer nur schlechten Reproduzierbarkeit zu aufwendig wird.
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In der Zeitschrift "NTZ", 1969, Heft 5, Seiten 257 bis 260 ist weiterhin
ein Richtkoppler aus konzentrierten,Schalto elementen beschrieben, für dessen Funktionsweise
unter anderem auch die Einstellung vorgegebener Gegeninduktivitätskopplungen wesentlich
ist. Wie sich zeigt, ist die reproduzierbare Beherrschung dieser Kopplungen im Rahmen
einer größeren Serienfertigung verhältnismäßig schwierig9 weshalb mit einem derartigen
Richtungskoppler aufgebaute Laufzeitentzerrer eine einwandfreie Funktion nicht gewährleisten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Schwierigkeiten
in verhältnismäßig einfacher Weise abzuhelfen und einen Lau-fzeitentzerrer anzugeben,
der im Bereich der kurzen elektromagnetischen Wellen gut reproduzierbare Laufzeitkurven
liefert und gegebenenfalls eine Durchstimmung der Laufzeitkurve über einen vorgegebenen
Frequenzbereich ermöglicht.
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Ausgehend von einem Laufzeitentzerrer für kurze elektromagnetische
Wellen, bestehend aus einem 3-dB-Richtungskoppler mit vier Anschlußarmen, von denen
zwei Anschlußarme den Eingang bzw. den Ausgang des Laufzeitentzerrere bilden, während
die beiden übrigen, voneinander entkoppelten Anschlußarme mit untereinander gleichen,
derart bemessenen Reaktanznetzwerken abgeschlossen sind, daß am Ausgang des Laufzeitentzerrers
ein vorgegebenes Laufzeitverhalten auftritt, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß der 3-dB-Richtungskoppler aus Schaltelementen mit Leitungscharakter
besteht, und daß die an die entkoppelten Anschlußarme angeschalteten Reaktanznetzwerke
aus konzentrierten Schaltelementen (Spulen, Kondensatoren) bestehen.
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Anstelle eines 3-dB-Richtungskopplers läßt sich auch ein Zirkulator
verwenden, bei dem nur ein Anschlußarm mit einem Reaktanznetzwerk abgeschlossen
ist.
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Bei der Erfindung wird von der tberlegung ausgegangen9 daß sich im
Frequenzbereich bis etwa 100 MHz bei steigender Mittenfrequenz immer ungünstigere
Bauelementeserte ergeben, besonders wenn die zu entzerrenden Kurvenverläufe steil
sind. Während sehr kleine Induktivitäten, z.B. in der Größenordnung 20 nH, nur sehr
schwer oder überhaupt nicht reproduzierbar hergestellt werden können, treten bei
großen Elementewerten sowohl von Induktivitäten als auch von Kapazitäten Nebenerscheinungen,
wie Wicklungskapazitäten von Spulen, Eigeninduktivitäten von Kondensatoren und dergleichen
auf, die das elektrische Verhalten des Netzwerkes verfälschen und die nur schwer
zu kompensieren sind. Eine weitere Schwierigkeit bei der Realisierung von Laufzeitentzerrern
besteht darin, daß die oft von mehreren Systemkomponenten resultierenden Laufzeitkurven
infolge von Toleranzen der einzelnen Baugruppen sowohl in der Frequenzlage als auch
in der Steilheit
streuen können. Um auch in diesem Streubereich
eine optimale Laufzeitentzerrung garantieren zu können, solJte) der Entzerrer wenigstens
in geringem Umfang ohne Verschlechterung des Reflexionsfaktors veränderbar sein.
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Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend noch
näher erläutert.
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Es zeigen in der Zeichnung: Fig.i den prinzipiellen Aufbau eines Laufzeitentzerrers
gemäß der Erfindung; Fig.2 eine mögliche Schaltung des Reaktanznetzwerkes; Fig.3
eine weitere Möglichkeit zum Aufbau der Reaktanznetzwerke; Fig.4 eine Ausführungsform
mit einem Zirkulator.
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In der Fig.1 ist ein Laufzeitentzerrer dargestellt, dessen Grundelemente
von einem 3-dB-Richtungskoppler 5 gebildet werden, bei dem zwei entkoppelte Anschlußarme
mit je einem Reaktanznetzwerk 6 abgeschlossen sind, dessen Reaktanzverlauf in Abhängigkeit
von der komplexen Prequenz p mit x(p) bezeichnet ist. Die Anschlußarme des Richtungskopplers
sind mit den Bezugsziffern 1, 2, 3 und 4 versehen und die entkoppelten Anschlußarme
werden von den Anschlußarmen 2 und 4 gebildet. Die einzelnen Anschlußarme haben
den Wellenwiderstand Z. Speist man am Anschlußarm 1, wie dies durch einen Pfeil
kenntlich gemacht ist, elektromagnetische Energie ein, dann wird diese entsprechend
den bekannten Eigenschaften eines 3-dB-Richtungskopplers zu gleichen Teilen auf
die Anschlußarme 2-und 4 aufgespalten.
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Da diese Anschlußarme mit einer reinen Reaktanz abgeschlossen
sind,
wird dort die Energie total reflektiert, über den 3-dB-Richtungskoppler wieder zu
einer vollständigen Welle zusammengesetzt und erscheint am Anschlußarm 3 mit einer
Phasendrehung. Das Maß dieser Phasendrehung und damit auch die Laufzeit läßt sich
durch eine geeignete Wahl des Blindwiderstandsverlaufs X(p) der Reaktanznetzwerke
6 steuern. Der Anschlußarm 3 stellt in der gezeichneten Ausführungsform den Ausgang
des Laufzeitentzerrers dar.
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Wesentlich ist es nun, den Richtungskoppler so auszubilden, daß seine
Schaltelemente Leitungscharakter haben, d.h. also den 3-dB-Richtungskoppler mit
sogenannten verteilten Elementen aufzubauen. Solche Richtungskoppler lassen sich
beispielsweise in der an sich bekannten Streifenleitungstechnik realisieren, bei
der bekanntlich die einzelnen Leitungsabschnitte mit Hilfe von Druck- oder Atztechniken
auf eine aus Isoliermaterial bestehende Platte aufgebracht werden. Zum Ubergang
der Streifenleitungen auf geeignete wellenwiderstandsrichtige Anschlußleitungen
sind dabei in der Regel bereits am Richtungskoppler geeignete koaxiale Steckverbindungen
vorgesehen. Die an die entkoppelten Anschlußarme 2 und 4 angeschalteten, untereinander
gleichen Reaktanznetzwerke 6 sind im Ausführungsbeispiel bereits als Abzweigschaltungen
ausgebildet, die mit konzentrierten Schaltelementen, nämlich Spulen und Kondensatoren,
aufgebaut sind.
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Unter Abzweigschaltungen sind dabei erdunsymmetrische Vierpolschaltungen
zu verstehen, die nur aus Längs- und Querzweigen bestehen. Es sind aber auch andere
Schaltungsarten anwendbar, wenn nur darauf geachtet wird, daß ihre Reaktanzfunktion
die vorgegebene Zweipolfunktion X(p) darstellt. Die Vierpolschaltung wird dabei
90 ausgebildet und bemessen, daß sie in einem möglichst großen Frequenzbereich den
Charakter einer Allpaßschaltung hat.
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Da die Reaktanznetzwerke 6 reine Blindwiderstände darstel
len
müssen, darf der Ausgang- der Abzweigschaltung nicht mit einem ohmschen Widerstand
abgeschlossen sein, so daß die Reaktanznetzwerke 6 im eigentlichen Sinn elektrische
Zweipole bilden.
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Gemäß Fig.1 wird also der Laufzeitentzerrer höheren Grades mit nur
einem 3-dB-Richtungskoppler und zwei gleichen Reaktanzen, deren Grad durch den gewählten
Allpaßgrad vorgegeben ist, aufgebaut. Aus dem Übertragungsfaktor des Allpasses eg=g(p)/g(-p)
kann die Reaktanz X(p) gemäß der Pormel X(p)=gg(p)/gu(p) bzw. für die dazu duale
Ausbildung nach der Formel X(p)=gu(p)/gg(p) berechnet werden, wenn gg(p) den geraden
Teil und g11(p) den ungeraden Teil des Polynoms g(p) bedeuten soll.
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Die bekannten Rechenverfahren zum Abbau der Schaltelemente aus der
Reaktanzfunktion bieten eine Vielfalt von Realisierungsmöglichkeiten von X-(p).
Darunter lassen sich Schaltungsstrukturen für das Reaktanznetzwerk ableiten, die
neben gut realisierbaren Schaltelementen noch andere Vorteile aufweisen-, nämlich
daß beispielsweise die Erdkapazitäten von Bauelementen in die Rechnung mit.einbezogen
werden können, daß mehrere Induktivitäten auf den gleichen, gewunschten Wert transformiert
werden können, und daß darüber hinaus gute Abgleichmöglichkeiten für die genaue
Einstellung der Schaltelemente gegeben sind.
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Zusätzlich kann durch die Hinzunahme von frei wählbaren, reellen Sullstellen
zum Übertragungsfaktor des Allpasse-s eine optimale Dimensionierung eines durchstimmbaren
Lauf zeitentzerers erreicht werden. Diese besteht neben den vorerwähnten Vorteilen
darin, daß z.B. die den Grenzt kurven eines Laufzeit-Streubereichs entsprechenden
Reaktanzen 1 und X? jeweils einander zugeordnete gleich große Induktivitäten aufweisen
und so eine Durchstimmung
des Laufzeitentzerrers allein mit Doppel-Drehkondensatoren
möglich ist. Entsprechendes gilt für die Zusammenschaltung eines Zirkulators mit
einer Reaktanz.
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Eine mögliche Schaltung für den Aufbau der Reaktanznetzwerke ist in
der Fig.2 dargestellt. Diese Schaltung ist so ausgebildet, daß in sämtlichen Langszweigen
des Reaktanznetz¢erkes Kondensatoren und in sämtlichen Querzweigen Parallelresonanzkreise
angeordnet sind. Die Anschlußklemmen der in Fig.2 gezeigten Schaltung sind mit 2'
bzw. 4' bezeichnet, da diese Schaltung unmittelbar das an die Anschlußarme 2 bzw.
4 anzuschließende Reaktanznetzwerk 6 darstellt, an dessen Eingangsklemmen 2' der
Reaktanzverlauf X(p) auftreten muß. Die Schaltung beginnt mit einem Querparallelresonanzkreis,
aus dem Kondensator C6 und der Spule L6. Die weiteren Parallelresonanzkreise im
Querzweig der Schaltung werden von den Kondensatoren C7, C8, C9 und den Spulen L6,
L7, L8 und L9 gebildet. Im Längszweig sind die abstimmbaren Kondensatoren C3, C4
und C5 vorgesehen, die jeweils die in den Querzweigen angeordneten Parallelresonanzkreise
miteinander koppeln. Für das Reaktanznetzwerk gemäß Fig.2 ist beispielsweise die
folgende Aufgabe zu lösen.
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Eine im Frequenzbereich um 70 MHz gegebene Laufzeitkurve soll in einem
+ 4 MHz breiten Band eine maximal zulässige Laufzeitabweichung At von einem -konstanten
Mittelwert auf <i ns genau entzerrt werden. Die zu entzerrende Laufzeitverzerrung
##' beträgt, bezogen auf das bei 70,5 MHz liegende Laufzeitminimum ##'=59,9 ns bei
66 MHz und ##'=46,6 ns bei 74 MHz. Zur Approximation im Tschebyscheff'schen Sinn
sind für den Übertragungs faktor vier konjugiert komplexe Nullstellenpaare nötig.
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Stellt man unter diesen Gesichtspunkten die eingangs erwähnten Gleichungen
für den tbertragungsfaktor eg bzw.
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den Blindwiderstandsverlauf X(p) auf und löst diese Gleichungen flach
an sich bekannten Rechenvorschriften, dann haben in der Schaltung nach Fig.2 die
Spulen L7, L8 und L9 den gleichen Wert von etwa 100 nH, die Spule L6 hat einen Wert
von etwa 66 nH, die Werte der Kondensatoren C6 bis 09 bewegen sich zwischen etwa
30 und etwa 65 pF und für die Kondensatoren C3 bis C5 ergeben sich Grundwerte voq.
etwa 3 bis etwa 15 pF. Verwendet man für die in den Längs zweigen liegenden Kondensatoren
sogenannte Trimmerkondensatoren, dann lassen sich deren Kapazitätswerte zun Abgleich
der Schaltung noch in den jeweils erforderli:hen Grenzen verändern.- Bei diesem
Netzwerk sind somit säntliche Spulen, mit Ausnahme der ersten-Spule L6, auf den
gleichen Induktivitätswert gebracht und es ergeben sich insgesamt betrachtet Schaltelemente,
die im Frequenzbereich um 100 MHz noch gut in Form von konzentrierten Schaltelementen
realisierbar sind. Der vorstehend beschriebene Laufzeitentzerrer hat im angegebenen
Frequenzbereich eine Laufzeitebnung von + 1 ns.
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Anhand der Fig.3 soll noch ein durchstimmbarer Laufzeitentzerrer beschrieben
werden, bei dessen Aufbau von dem in Fig.1 gezeigten Aufbau ausgegangen ist, weshalb
in Fig.3 funktionsgleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig.1 versehen
sind. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.3 sind die Anschlußarme 2 und 4 des 3-dB-Richtungßkopplers
5 mit den Reaktanznetzwerken X (p-) und Xb(p) a abgeschlossen, wobei selbstverständlich
die Beziehung gilt, daß Xa(P) und Xb(p) untereinander gleich sind. Die Reaktanznetzwerke
6 sind in Fig.3 unmittelbar mitgezeichnet und bestehen wiederum aus Parallelresonanzkreisen
in den Querzweigen, wobei die Spulen L sämtlicher Parall-elresonanzkreise den gleichen
Induktivitätswert haben.
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Gegenüber der Schaltung nach Fig.2 ist die, Schaltung nach Fig.3 eo
ausgebildet, daß ein Kondensator-#-Glied durch ein Kondensator-T-Glied ersetzt ist,
so daß also zwischen
aufeinanderfolgender Parallelresonanzkreisen
ein Kondensator-T-Glied mit dir Kondensatoren Ca in den Langszweitzen und einem
Kondensator 0k im Querzweig liegt. Die Konlensatoren der Parallelresonanzkreise
sind mit C1 und C2 bezeichnet. Die Gleichneit der Spulen L läßt sich durch einen
dem Netzwerk 6 vorgeschalteten Vierpol 7 erzielen, der im Ausführungsbetsniel aus
einem Halbglied mit einem Kondensator Co im Querzweig und einer Spule Lo im Längszweig
besteht. Der Vlerpol 7 ist hinsichtlich der Bemessung seiner Schaltelemente so gewählt,
daß er die Laufzeit nahezu nicht beeinflußt, sondern nur eine transformatorische
Wirkung hat. Es läßt sich dadurch erreichen, dß die jeweils erste Querspule der
den Grenzkurven des Laufzeitstreubereichs entsprechenden Reaktanzen (6) den gleichen
Wert annimmt. Die Schaltung nach Fig.3 hat den Vorteil, daß alle abstimmbaren Kondensatoren
in den Querzweigen der Reaktanznetzwerke ó liegen, so daß Schaltungskapazitäten
unmittelbar einbezogen werden können.
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Darüber hinaus lassen sich die Kondensatoren C1, C2 und Ck des Reaktanznetzwerkes
6 und gegebenenfalls auch die im Querzweig des vorgeschalteten Víerpols 7 liegenden
Kondensatoren Co als durchstimmbare Doppelkondensatoren ausbilden, d.h. also als
Kondensatoren, deren Rotor auf der gleicher Achse angebracht ist.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Pig.3 sei von folgenden Voraussetzungen
ausgegangen.
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Zwei im Frequenzbereich um 70 MHz gegebene Laufzeitkurven als Grenzkurven
eines Streubereichs sollen in einem + 12 MHz breiten Band auf ##< ns genau mittels
eines durchstimmbaren Entzerrers aufgefüllt werden. Die Laufzeitverzerrung, bezogen
auf das Minimum bei 70,5 MHz schwankt bei 58 MHz zwischen 10 und 16 ns, bei 82 MHz
zwischen 7,5 und 13,5 ns. Die Laufzeitapproximation im Tschebyscheff' schen Sinne
ergibt, daß zwei konjugiert
komplexe N@llstellenpaare von eg zur
Entzerrung sowohl der flachen als auch der steilen Laufzeitkurve ausreichen.
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Zusätzlich wurden zwei reelle Nu@lstellen gewählt, deren Einflu.3
suf die Laufzeit bei der Approximation berücksichtigt wurde.
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Nach den bereits erwähnten Vorschriften und Berechnunbsmethoden ergeben
sich gut realieierbare Schaltelemente, die im Ausführungsbeispiel für die Kondensatoren
Werte zwischen 5 pF und 37 pP und für die Spulen Werte von etwa 130 nH bis 160 nH
annehmen.
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Es kann also eine Schaltungsstruktur gefunden werden, deren Induktivitäten
für den ganzen Streubereich der Laufzeitsurven konstant sind. Änderungen der Steilheit
und der Prequenzlage sind allein durch die Verstellung von Dopprldrehkondensatoren
erreichbar, mit denen entsprechenle Kapazitäten der beiden gleichen Reaktanzen synchron
variiert werden.
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In Fig.4 ist ein Laufzeitentzerrer gezeigt, bei dem anstelle eines
3-dB-Richtungskopplers ein dreiarmiger Zirkulator 10 verwendet ist. Die Anschlußarme
des Zirkulators sind mit 11, 12 und 13 bezeichnet. Sein-Umlaufsinn ist durch den
Pfeil 14 kenntlich gemacht. Der Anschlußarm 11 stellt den Eingang, der Anschlußarm
13 den Ausgang des Laufzeitentzerrers dar. Bekanntlich kommt die phasendrehende
Wirkung und damit der Einfluß auf die Laufzeit einer derartigen Anordnung deshalb
zustande, weil der dem Eingang 11 in Umlaufrichtung benachbarte Anschlußarm 12 mit
einem reinen Blindwiderstand abgeschlossen ist. Als Blindwiderstand ist wiederum
ein Reaktanznetzwerk 6 verwendet, dessen Reaktanzverlauf mit X(p) bezeichnet ist.
Das Reaktanznetzwerk 6 läßt sich nach genau den gleichen Gesichtspunkten realisieren,
die anhand der Fig.1 bis 3 bereits erläutert wurden, weshalb die
dort
gemachten Ausführungen auch für den Laufzeitentzerrer nach Fig.4 in entsprechender
Weise gültig sind.
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Bei den beschriebenen Laufzeitentzerrern lassen sich also durch bekannte
Abbauverfahren Schaltungsstrukturen für den Blindwiderstand X(p) angeben, die eine
gute Realisierbarkeit der Bauelemente ermöglichen, wobei mehrere Induktivitäten
auf den gleichen, gewünschten Wert transformiert werden und die Erdkapazitäten der
Bauelemente in die Rechnung mit einbezogen werden können. Ferner ergeben sich gute
Abgleichmöglichkeiten, insbesondere bei solchen Schaltungsstrukturen, bei denen
im Querzweig der Abzweigschaltung Parallelresonanzkreise liegen, die über in den
Längszweigen liegende Kapazitäten gekoppelt sind.
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Die Ergänzung des Allpaß-Übertragungsfaktors durch frei wählbare,
reelle Nullstellen ist besonders bei durchstimmbaren Entzerrern vorteilhaft, da
durch die übersetzende Wirkung der hierdurch zusätzlich am Schaltungsanfang auftretenden
Elemente die den beiden Grenzkurven eines gegebenen Laufzeit-Streubereiches entsprechenden
Reaktanzzweipole Xa und Xb so transformiert werden können, daß alle einander entsprechenden
Induktivitäten von Xa und Xb gleich groß werden und damitUdie Durchstimmbarkeit
bezüglich Frequenzlage und Steilheit allein durch die Veränderung von Doppeldrehkondensatoren
bewirkt wird.
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Dementsprechend ergeben z.B. folgende-Schaltungsstrukturen gute Realisierungsmöglichkeiten
für die Reaktanz X(p) von durchstimmbaren Laufzeitentzerrern, wenn bei einer reellen
zusätzlichen Nullstelle im Übertragungsfaktor des Allpasses die Schaltung mit einer
im Eingangslängszweig liegenden Kapazität beginnt und sich als Folge von in den
Querzweigen angeordneten Parallelkreisen und in den l.Engszweigen liegenden-Koppelkapazitäten
fortsetzt, oder
wenn bei zwei reellen zusätzlichen Nullstellen
im Übertragungsfaktor des Allpasses die Schaltung mit einer Kapazität @ im Eingangsquerzweig
und einer sich im Längszweig anschließenden Induktivität beginnt und sich als Folge
von in den Querzweigen liegenden Parallelkreisen und in den Langszweigen liegenden
Koppelkondensatoren fortsetzt.
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10 Patentansprüche 4 Figuren