DE2306976C3

DE2306976C3 - Breübandiger Richtkoppler zum Ein- und Auskoppeln von HF-Signalen

Info

Publication number: DE2306976C3
Application number: DE19732306976
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Ing. 3200 Hildesheim Terzer
Original assignee: Hans Kolbe & Co 3202 Bad Salzdetfurth
Current assignee: Hans Kolbe & Co 3202 Bad Salzdetfurth
Priority date: 1973-02-13
Filing date: 1973-02-13
Publication date: 1978-09-07
Also published as: DE2306976B2; DE2306976A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Richtkoppler zum breitbandigen Ein- und Auskoppeln von HF-Signalen an den Anschlußpunkten für drei impedanzmäßig angepaßte Koaxialkabel vom Wellenwiderstand Z unter Verwendung eines festkoppelnden Übertragers mit zwei im Wicklungsbereich voneinander galvanisch getrennten Wicklungen, dessen Primärwicklung zwischen dem ersten und zweiten Anschlußpunkt und dessen Sekundärwicklung an den dritten Anschlußpunkt angeschlossen ist, bei dem ferner die Sekundärwicklung des Übertragers zwischen dem dritten Anschlußpunkt und Masse so geschaltet ist, daß bei gleichem Wicklungssinn am ersten Anschlußpunkt der Anfang der Primärwicklung und am dritten Anschlußpunkt der Anfang der Sekundärwicklung liegt.

Richtkoppler werden unter anderem als Baugruppen in Gemeinschaftsantennen-Anlagen verwendet. Die funktionsbestimmenden eleklrischen Bauteile sind meist induktiv oder auch zusätzlich kapazitiv verkoppelte Leiteranordnungen, ohmsche Widerstünde und reaktive Kompensationseleinenle.

EsisteincRichtkopplcrschaltungiDH-PS Il 12559) mit einer induktiv und kapazitiv wirkenden Auskopplung bekannt, bei der zwei für das obere Frequenzgebiet bemessene, λ/4 lange Leitungen in geeignetem Abstand parallel laufen. Da die ausgekoppelte Energie bei tieferen Frequenzen zunehmend geringer wird, sind zusätzliche Schaltmittel eingefügt, die den unerwünschten Abfall in gewissem Umfang ausgleichen sollen. Dabei verliert diese Schaltung aber ihre nur im UHF-Bereich ausgeprägt vorhandenen Richtkopplereigenschaften. Im VHF-Gebiet, wo die Richtkopplerwirkung am dringendsten wirksam werden sollte, ist sie nicht mehr vollständig vorhanden. Es sind Richtkoppler ähnlich der eingangs angegebenen Art bekannt, bei denen zwei gleiche übertrager und ein Widerstand zusammengeschaltet sind.

Dabei liegt die Primärwicklung des ersten Übertragers in Reihe mit der energieführenden Leitung, während die Primärwicklung des zweiten Übertragers zwischen Leitung und Masse geschaltet ist. Die Verbindung der beiden Sekundärwicklungen mit den HF-Kabeln zur Weiterleitung der ausgekoppelten Energie kann auf zwei elektrisch gleichwertige Arten erfolgen. Es ist möglich, den Anschluß des zweiten Übertragers am ersten Anschlußpunk toder am zweiten Anschlußpunkt vorzunehmen, um dann jeweils den dritten Anschlußpunkt an den Verbindungspunkt zwischen der Sekundärwicklung des ersten und der Sekundärwicklung des zweiten Übertragers anzuschließen. Dabei ist der ohmsehe Widerstand jeweils zwischen dem Ende der Sekundärwicklung des zweiten Übertragers und Masse geschaltet. Der ohmsehe Widerstand absorbiert die Signale aus der unerwünschten Richtung.

Ferner ist ein Richtkoppler der eingangs angegebenen Art bekannt (US-PS 35 59 110), bei dem ebenfalls zwei übertrager verwendet werden und der zweite übertrager als Spartransformator ausgebildet ist, dessen Gesamt wick lung zwischen den ersten Anschlußpunkt und Masse geschaltet ist und dessen Abgriff über einen ohmschen Widerstand an den dritten Anschlußpunkt geschaltet ist. Auch hier absorbiert der ohmsehe Widerstand die Signale aus der unerwünschten Richtung.

Beide geschilderten Richtkoppler haben den wesentlichen Nachteil, daß die Breitbandigkeit insbesondere durch den quer zur Leitung liegenden zweiten übertrager erheblich beeinträchtigt wird, da die parasitären Kapazitäten und die relativ hohen Verluste der Primär- bzw. Gesamtwicklung des jeweiligen zweiten Übertragers die Leitung stark belasten. Die an sich nach grundsätzlichen mathematischen Überlegungen mit diesen Schaltungen zu erwartenden sehr guten Ubertragungs- und Anpassungseigenschaften werden aber aus den vorgenannCen Gründen nur unzureichend erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen breitbandigen Richtkoppler der eingangs angegebenen Art ohne die zuvor geschilderten Nachteile zu schaffen, dessen Anschlußpunkte sämtlich impedanzgemäß angepaßt sind und bei dem die Forderung nach Verwendung handelsüblicher Bauteile bei geringen räumlichen Aufbauabmessungen erfüllt wird.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß /wischen dem /weiten und dritten AnschluUpunkt ein

W,

ohmscher Widerstand vom Wert .,; / und ein «5 "ι

ohmscher Widerstand mit dein Wert etwa gleich der Impedanz / zwischen dem dritten Aiischlußpunkl uiiil Masse geschaltet ist, wobei It⁷, ilie Windungszahl

der Primärwicklung und W₂ diejenige der Sekundärwicklung des Übertragers bezeichnet.

Es ist ferner ein Richtkoppler anderer Art mit einem Transformator bekannt (US-PS 35 37 036), der einen ohmschen Spannungsteiler aufweist, der zwischen dem Eingang des Richtkopplers und Masse geschähet ist, wobei die Anzapfung des Spannungsteilers am Ende der Sekundärwicklung des Transformators liegt, während der Anfang dieser Wicklung über eine Spule am Ausgang des Richtkopplers angeschlossen ist. Die Wirkung dieses ohmschen Spannungsteilers ist jedoch mit der Wirkung der erfindungsgemäß in Abhängigkeit vom Windungsverhältnis des Übertragers bzw. vom Wellenwiderstand Z bemessenen ohmschen Widerstände nicht vergleichbar, denn es ist dieser Spannungsteiler aus weiteren zusätzlichen Widerständen zusammengesetzt und enthält eine zusätzliche Induktivität, die in Verbindung mit dem Windungsverhältnis I : 1 des Übertragers zu einer anderen Wirkung auf das Richtkopplungsverhalten führt. Außerdem bestehen wesentliche Nachteile dieses bekannten Richtkopplers darin, daß stets nur ein Teil der ankommenden Leistung über die Primärwicklung des Transformators geführt werden kann, während der andere Teil über einen zusätzlich erforderlichen Widerstand am Transformator vorbeigeführt wird und die Primärwicklung sowie die Sekundärwicklung stets die gleiche Windungszahl haben müssen. Darüber hinaus sind für diesen Richtkoppler eine verhältnismäßig große Anzahl von Bauelementen erforderlich.

Um die obere Grenzfrequenz des Richtkopplers so hoch wie möglich zu legen, wird eine Weiterbildung der Erfindung darin gesehen, daß in Reihe zu dem zwischen den zweiten und dritten Anschlußpunkt geschalteten Widerstand R_s eine kleine !Compensations-Induktivität L_x geschaltet ist.

Eine andere vorteilhafte Ausbildung ist nach der Erfindung dadurch gegeben, daß sowohl die Sekundärwicklung des Übertragers als auch der zwischen dem dritten Anschlußpunkt und Masse geschaltete Widerstand Rp über einen eingefügten gemeinsamen Abblockkondensator C an Masse gelegt ist. Damit wird bewirkt, daß die Schaltung des Richtkopplers unterhalb einer bestimmten Grenzfrequenz wie eine Widerstandsauskopplung arbeitet und die eigentliche Riehtkopplerwirkung erst oberhalb dieser Grenzfrequenz einsetzt.

Nachstehend wird an Hand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es bedeutet

F i g. 1 ein Schaltungsbeispiel nach der bekannten Ausführungsform,

F i g. 2 eine Schaltung nach der Erfindung und

F i g. 3 eine nach der erfindungsgemäßen Schaltung ausgeführte Anordnung.

Zum besseren Verständnis wird zunächst in F i g. I ein nach dem Stand der Technik geschalteter Richtkoppler dargestellt. Hier sind zwei gleiche übertrager 9/10 und ein Widerstand 11 zusammengeschal- !et. Die Primärwicklung des ersten Übertragers 9 liegt in Reihe mit der energieführenden Leitung 1 nach 2, während die Primärwicklung des zweiten Übertragers 10 zwischen dieser Leitung und Masse geschaltet ist. Die an den dritten Anschlußpunkt 3 angeschlossene Ableitung tier ausgekoppelten Energie ist mit dem Zusammenschluß der beiden Sekundärwicklungen der übertrager 9/10 verbunden. Der Widerstand Il dient zur Absorption unerwünschter Signale.

Die erfindungsgemäße Schaltung basiert auf der Erkenntnis, daß bei hohen Frequenzen arbeitende übertrager nur hergestellt werden können, wenn sie mit einer niederohmigen Impedanz belastet sind und nur wenige Windungen und damit insgesamt kurze Leitungen erfordern.

Wie die F i g. 2 veranschaulicht, ist die Sekundärwicklung des mit seiner Primärwicklung zwischen die Anschlußpunkte 1 und 2 geschalteten Übertragers 4 im wesentlichen mit der einen niederohmigen Widerstand bildenden Parallelschaltung aus R_F und der Impedanz des am Anschlußpunkt 3 angeschlossenen Kabels belastet.

Einen Überblick über die Funktion der Schaltung erhält man am besten durch eine Maschen- und Knotenanalyse. Zur Darstellung der elektrischen Eigenschaften bieten sich zweckmäßigerweise die beiden Größen Übertragungsfaktor und Reflexionsfaktor an, da diese in der HF-Technik am einfachsten zu messen sind. Im einzelnen bedeuten S₁₁, S₂₂, S₃₃ Reflexionsfaktoren an den Anschlußpunkten I, 2 und 3.

Xi2 stellt den Ubertragungsfaktor von Anschlußpunkt 1 nach 2 bzw. umgekehrt dar. S₁₃ und s₂₃ sind sinngemäß Übertragungsfaktoren von den Anschlußpunkten 1 nach 3 und solche von Anschlußpunkt 2 nach 3.

Alle für diese Größen ermittelten Ausdrücke sind nur gültig, wenn sämtliche Anschlußpunkle mit der reellen Impedanz Z betrieben werden Die Analyse zeigt, daß die erfindungsgemäße Schaltung stets so dimensioniert werden kann, daß je zwei beliebige Anschlußpunkte voneinander entkoppelt werden können. Gegenüber der hier nicht interessierenden Entkopplung zwischen den Anschlußpunkten 1 nach 3 und 1 nach 2, liefert insbesondere die Entkopplung von Anschlußpunkt 2 nach 3 die für den vorliegenden Anwendungsfall günstigen Werte des Ubertragungs- und Anpassungsverhaltens.

Bei einer Entkopplung von Anschlußpunkt 2 und 3 ergeben sich folgende Reflexions- und Übertragungsfaktoren:

\ +2W-W-

(2W + I) I + W

2W-

I +· W

2W

^S°- ~ 2 W+ T ^;

' (I ♦ ■)

2 IV

><■>«■ (I

(- I

s,, -■ 0.

In diesen Koeffizienten ist W = -^?

-.-.-.· eingesetzt, wo-

W₁

bei bei Entkopplung von Anschlußpunkl 2 und 3 R_s = W ■ Z eingehalten werden muß. Soll S₁₁ = — S₁₁

W + I
sein, ist außerdem die Bedingung R/, = Z · _w __ j ein- ' zuhalten.

Bemerkenswert ist es, daß auf Grund der Schallungsstruktur die Entkopplung der Anschlußpunkte 2 und 3 lediglich von Windungszahlenverhältnis Wl

W = -Tr,-τ und vom Wert des ohmschen Widerstandes R₈ (5) abhängig ist, nicht dagegen vom Wert des Widerslandes R_P (6). R_P ist als Bestandteil der Belastung am Anschlußpunkt 3 anzusehen und damit vom Anschlußpunkt 2 entkoppelt. Das bedeutet, daß sämtliche von R_P abhängigen Schaltungsgrößen (s_u; s₁₃ und S₃₃) mit diesem Widerstand noch weiter optimiert werden können, ohne die Richtungsselektivitäl der Schaltung zu gefährden.

Unter Zugrundelegung der aufgeführten Formeln ergeben sich für die erfindungsgemäße Schaltung folgende konkrete Größen für z. B. zwei Anwendungsfalle:

1. W =

Wl

= 4; K_S =

R_P =

W+\ _5₇

Ί ~ 3 '

5₁₁ = -0,046; s₂₂ = -0,111; S₃₃ = 0,046;

5₁₂ = 0,889; S₁₃ = 0,261; S₂₃ = 0;
daraus ergeben sich die Dämpfungswerte
d_i2= -1,02 dB; <f₁₃ = -11,7 dB;

das ergibt einen Wirkungsgrad von

25

jo

μ = S

^W -

+ s₁₃ ² = 0,858;

W1

W\

^W+ '

S₁₁ = -0,049; s₂₂ = -0,091; s₃₃ = 0,049;
s₁₂ = 0,909; s₁₃ = 0,210; S₂₃ = 0;
auch diese Werte entsprechen einem Dämpfungswert von

d_i2 = -0,83 dB; d₁₃ = -13,6 dB; daraus ergibt sich ebenfalls ein Wirkungsgrad von μ = S₁₂ ² + S₁₃ ² =0,870.

Diese rechnerisch ermittelten Werte werden im praktischen Versuch gut erreicht. So läßt sich z. B. die Entkopplung der Anschlußpunkte 2 und 3, die rechnerisch unendlich groß sein müßte, mit etwa 35 bis 40 dB

realisieren.

Beachtet man, daß der Wirkungsgrad einer idealen Schaltung bereits kleiner als I ist, so sind die mit der erfindungsgemäßen Schaltung erzielbaren Werte recht beachtlich, wenn zugrunde gelegt wird, daß es sich bei den zur Anwendung kommenden Bauteilen um handelsübliche Teile ohne besondere Anforderungen handelt.

Der damit erreichbare wirtschaftliche Fortschritt wird dadurch noch besonders gekennzeichnet, daß diese Ubertragerbauteile gegenüber dem Stand der Technik mit einfachen Ferligungsmethoden hergestellt werden können.

Die Kompensations-Induktivität L_x 7 bewirkt, daß die über den übertrager 4 und über den Widerstand R_s 5 ausgekoppelten Anteile eines am Anschlußpunkt 2 eingespeisten HF-Signals am Anschlußpunkt 3 immer die gleiche Laufzeitverzögerung aufweisen und so infolge Betragsgleichheit und Phasenopposilion kompensiert werden. Dadurch wird zusätzlich eine Erhöhung der oberen Grenzfrequenz der Schaltung erreicht.

Infolge der endlichen Induktivität der Sekundärwicklung des Übertragers 4 werden Signale von sehr tiefen Frequenzen am Anschlußpunkt 3 kurzgeschlossen. Durch Einfügen eines Abblockkondensators C 8 in Fig. 2 kann die erfindungsgemäße Schaltung dahingehend erweitert werden, daß sie unterhalb eines nicht ausnutzbaren Frequenzbereiches wie eine bekannte Widerstandsauskopplung arbeitet und für Frequenzen oberhalb dieses Zwischenbereiches wieder als Richtkopplerschaltung wirkt.

In F i g. 3 ist eine praktische Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Richtkopplers als Unterputzabzweiger in einer Gemeinschaftsantennenanlage mit der Anordnung der erforderlichen Bauteile gezeigt. Zwischen den löt- oder schraubbaren Kabelanschlüssen 1 und 2 ist der übertrager 4 mit seiner Primärwicklung geschaltet. Auf engstem Raum sind zwischen den Kabelanschlüssen und Masse die Sekundärwicklung des Übertragers 4 sowie die wenigen übrigen Bauteile, so Widerstand R_s 5, Widerstand R_P 6, Kompensationsinduktivität L_x 7 und Abblockkondensator C 8 angeordnet. Man erkennt somit eine einfache, übersichtliche Schaltungsanordnung, welche eine besonders kleine und kompakte Ausbildungsform zuläßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Richtkoppler zum breitbandigen Ein- und Auskoppeln von HF-Signalen an den Anschlußpunkten für drei impedanzmäßig angepaßte Koaxialkabel vom Wellenwiderstand Z unter Verwendung eines festkoppelnden Übertragers mit zwei im Wicklungsbereich voneinander galvanisch getrennten Wicklungen, dessen Primärwicklung zwischen dem ersten und zweiten Anschlußpunkt und dessen Sekundärwicklung an den dritien Anschlußpunkt angeschlossen ist, bei dem ferner die Sekundärwicklung des Übertragers zwischen dem dritten Anschlußpunkt und Masse so geschaltet ist, daß bei gleichem Wicklungssinn am ersten Anschlußpunkt der Anfang der Primärwicklung und am dritten Anschlußpunkt der Anfang der Sekundärwicklung liegt,, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zweiten und dritten Anschlußpunkt (2 bzw. 3) ein ohmscher Widerstand R_s (S) vom Wert ^- ■ Z und ein ohmscher Widerstand R_p (6) mit dem Wert etwa gleich der Impedanz Z zwischen dem dritten Anschlußpunkt (3) und Masse geschaltet ist, wobei W₁ die Windungszahl der Primärwicklung und W₁ diejenige der Sekundärwicklung des Übertragers (4) bezeichnet.

2. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu dem zwischen den zweiten und dritten Anschlußpunkt (2) (3) geschalteten Widerstand R_s (S) eine kleine Kompensations-Induktivität L_x (7) geschaltet ist.

3. Richtkoppler nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Sekundärwicklung des Übertragers (4) als auch der zwischen den dritten Anschlußpunkt (3) und Masse geschaltete Widerstand R_P (6) über einen eingefügten gemeinsamen Abblockkondensator C (8) an Masse gelegt ist.