-
Dreitorzirkulator.
-
Die Erfindung betrifft einen Dreitorzirkulator mit drei Außenanschlüssen
und einem Erdeanschluß, bei dem je ein differentieller Spannungs-Strom-Verstärker
mit seinem Plus-Spannungsanschluß an einem Außenanschluß, mit seinem Minus-Spannungsanschluß
an einem weiteren Außenanschluß, mit seinem Plus-Stromanschluß an einem letzten
Außenanschluß und mit seinem Minus-Stromanschluß an dem Erdeanschluß derart angeschlossen
ist, daß jeweils ein Plus- und ein Minus-Spannungsanschluß zusammentrifft und daß
jeweils nur ein Plus-Stromanschluß mit einem AußenanE7hluß verbunden ist, und bei
dem im differentiellen Spannungs-Strom-Verstärker der Plus-Spannungsanschluß mit
dem Plus-Stromanschluß sowie der Ninus-Spannungsanschluß mit dem Minus-Stromanschluß
jeweils über eine Reihenschaltung aus einem Nullator und einem Norator und die Verbindungsstellen
zwischen diesen über eine Impedanz verbunden sind, oder ein zu diesem Dreitorzirkulator
dualer Dreitorzirkulator.
-
Aus den Literaturstellen Prodeedings of the I:EEE't, März 1965, Seiten
260 bis 267, 'tA dc-coupled, active circulator", Inge~marsson, Stanford Eleetronics
Lachs., Stanford, Calif., Technical Report 6558-19, SU-SEL-67-018, Februar 1967,
"Electronics Letters", Sept. 1968, Seiten 389-391 und "Electronics Betters", Dez.
1968, Seiten 579-580, sind Dreitorzirkulatoren bekannt, die wenigstens zwei Impedanzen
pro Tor erfordern und in denen die Abstimmeinstellungen nicht unabhängig voneinander
sind.
-
Aus der Zeitschrift "Prodeedings of the IEEE", Juli 1970, Seiten 1145-1145,
ist weiter ein Dreitorzirkulator bekannt, der nur einen Widerstand pro Tor erfordert.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, praktische Realisierungsmöglichkeiten
für ein derartigen Dreitorzirkulator anzugeben.
-
Ausgehend von einem Dreitorzirkulator der einleitend geschilderten
Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in allen aquivalenten
Gesamtnetzwerken aus Nullatoren und/oder Noratoren bestehende Unternetzwerke ausgewählt
sind, bei denen für eine Parallelschaltung eines Nullators mit einem Norator ein
Kurzschluß, für eine zweipolige Serienschaltung eines Nullators mit einem Norator
ein Leerlauf, für eine dreipolige Serienschaltung eines Nullators mit einem Norator
ein hinreichend idealer Transistor mit dem Emitter für den Nullator-Norator-Verbindungspunkt,
mit dem Kollektor für den Norator-Außenanschluß und mit der Basis für den Nullator-Außenanschluß,
ferner für einen Vierpol, bestehend aus einem Nullator zwischen den Eingangsklemmen
und einem Norator zwischen den usgangsklemmen, ein hinreichend idealer Operationsverstärker
und für eine dreipolige Serienschaltung eines Nullators mit einem Norator zusammen
mit einem Erdeanschluß ein hinreichend ideales Dreitor vorgesehen sind.
-
Die Erfindung befaßt sich demnach mit der Realisierung eines Dreitorzirkulators
mittels elektronischer Schaltungen, die Transistoren enthalten. Diese neue Gruppe
von Realisierungen unterscheidet sich von den meisten früheren dadurch, daß nur
ein interner Widerstand pro Tor benötigt wird. Dies bedeutet, daß mit idealen Transistoren
und Widerständen ein vollkommener Zirkulatorbetrieb durch alleiniges Abstimmen einer
Impedanz (Widerstand) pro Tor erreicht werden kann.
-
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend näher
erläutert.
-
Fig. 1 zeigt den Typ eines idealen verlustlosen Dreitorzirkulators,
Fig. 2 zeigt die Darstellung einer Zweitorschaltung, Fig. 3 zeigt eine grundlegende
Zirkulatorrealisierung, Fig. 4 und 5 zeigen zwei hypothetische Eintorschaltungen,
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Realisierung nach Fig. 3.
-
Fig. 7 zeigt eine aus Fig. 6 resultierende Zirkulatorrealisierung,
Fig. 8 und 9 zeigen Dreiknoten-Nullatorschaltungen, Fi. g1 0 zeigt Norator-Vierknoten-Schaltungen
und Fig. 11 bis 17 zeigen Methoden der Umsetzung vorstehend genannter Zirkulatoren
in körperliche Annäherungen.
-
Es gibt zwei grundlegende Typen idealer verlustloser Dreitorzirkulatoren.
Der erste Typ ist ein Drei tor nach Fig. 1, in welchem der Strom 1.1 an jedem einzelnen
Tor unabhängig von der Spannung an diesem Tor und proportional zur Differenz zwischen
den Spannungen an den zwei anderen Toren 1.3 und 1.4 ist. Der duale Zirkulator ergibt
sich durch Auswechseln der Wörter "Strom" und "Spannung" in dieser Beschreibung.
Die erfindungsgemäßen Zirkulatoren schließen beide Typen von Zirkulatoren ein.
-
Die Erfindung umfaßt viele neue Realisierungen von Zirkulatoren.
-
Anstatt diese alle getrennt aufzuführen, wird ein systematisches Verfahren
beschrieben, mit dem diese alle realisiert werden können. Anhand der Fig. 17 wird
zuletzt ein Beispiel gegeben.
-
Die erfindungsgemäßen Zirkulatoren sind Modifikationen (oder Transformationen)
der grlmdlegenden Zirkulatoranordnung nach Proceedings of the IEEE, Juli 1970, Seiten
1143-1145, die in Fig. 3 nochmals dargestellt ist. Diese grundlegende Realisierung
macht von Zusammenschaltungen von Zweitorschaltungen
(differentielle
Spannungs-Strom-Verstärker bzw.
-
differentielle Transkonduktanzen) nach Fig. 2 Gebrauch, in welchen
der Strom 2.1 an einem Tor ideal nur von der Spannung 2.2 am anderen Tor abhängt.
Realisierungen dieser differentiellen Spannungs-Strom-Verstärker enthalten üblicherweise
eine Impedanz (Widerstand) 2.3, welche die Proportionalitätskonstante zwischen dem
Ausgangsstrom-2.1 und der Eingangsspannung 2.2 gibt. Ein Beispiel einer derartigen
Realisierung ist in Fig. 6 gezeigt, welches im folgenden diskutiert wird.
-
Die grundlegende Realisierung eines Dreitorzirkulators nach Pig. 3
macht von einem derartigen differentiellen Spannungs-Strom-Verstärker D.Tr pro Tor
Gebrauch. Die Zirkulatortore korrespondieren zu den Toren 1.2, 1.3 und 1.4 nach
Fig. 1.
-
Die Tore der differentiellen Spannungs-Strom-Verstärker haben alle
den gemeinsamen Anschluß 3.1. Die verbleibenden Anschlüsse 5.2, 2.3 und 3.4 der
Zirkulatortore sind die Ausgangsanschlüsse der drei differentiellen Spannungs-Strom-Verstärker
D.Tr.
-
Diese sind, wie Pig. 3 zeigt, verdrahtet.
-
Der Erleichterung halber werden in der folgenden Beschreibung zwei
hypothetische Eintorschaltungen, der "Nullator" und der "Norator", eingeführt. Der
Nullator nach Fig. 4 ist durch das Erfordernis definiert, daß sowohl die Torspannung
4.1 als auch der Torstrom 4.2 mit Null identisch sind. Der Norator nach Fig. 5 kann
willkürliche Torspannungen 5.1 und Torströme 5.2 haben. Die aktuellen Werte dieser
Größen hängen von der äußeren Schaltung, in welcher der Nullator oder Norator eingebettet
ist, ab.
-
Die Realisierung eines Spannungs-Strom-Verstärkers ist in Fig. 6 gezeigt.
Der Ausgangsstrom I am Plus-Stromschluß ist proportional zur Eingangcspannung V
(6.2). Ihr Verhältnis ist durch die interne Impedanz Z (6.3) gem. der Beziehung
I - X bestimmt.
-
V
Die differentiellen Spannungs-Strom-Verstärker in
der Fig. 3 können jeder durch die Schaltung nach Fig. 6 realisiert werden. Die ~3nesul
tierende Zirkulatoranordnung mit den Toren 7.1, 7.2 und 7.3 zeigt Fig. 7. Für einen
vollkommenen Zirkulator, der zwischen gleIchen Lastimpedanzen an seinen Toren arbeitet,
ist es notwendig, daß die drei Impedanzen 7.4, 7.5 und 7.6 gleich sind. In diesem
Fall wird kein Strom in die eitung 7.7 fließen, die das Zentrum des zentralen Nullatorsterns
mit der gemeinsamen Anschltiß 7.8 der Zirkulatortore verbindet, so daß diese Verbindung
ohne irgend eine Beeinflussmg des Betriebs der Schaltung unterbrochen werden kann.
-
Dennoch ist die Zirkulatoranordnung nach Fig. 7 nicht die einzige
Möglichkeit, Impedanzen, Nullatoren und Noratoren zu gebrauchen, da gewisse Nullatoren
und Noratoren enthaltende Äquivalente benützt werden können, um sie in andere Anordnungen
umzusetzen. So sind die Dreiknoten-Nullatorw schaltungen 8.1 bis 8.8 in Pig. 8 äquivalent.
In gleicher Weise sind die Dreiknoten-Noratorschaltungen 9.1 bis 9.5 in Fig. 9 äquivalent,
wie es auch die Vierknoten-Schaltungen nach Fig. 10 sind. (In Fig. 10 sind nur nichtredundante
Schaltungen gezeigt. Es sind jedoch viel mehr redundante Schaltungen möglich. Auch
ist nur ein Beispiel von jedem Typ in Fig. 10 gezeigt. In Wirklichkeit gibt es drei
andere von jeder Type, die sich nur in ihren Orientierungen unterscheiden).
-
Die Anwendung der Nullatoräquivalente nach Pig. 8 auf die Zirkulatoranordnung
nach Fig. 7 resultiert in einer Summe von fünfunddreißig wesentlich unterschiedlichen
Nullatorkonfigurationen, wobei triviale unterschiedliche Realisierungen nicht gezählt
sind, die aus diesen nur durch Umbezeichnen der Tore erzielt werden können. Von
diesen fünfunddreißig Möglichkeiten gebrauchen zehn die Minimalanzahl von sechs
Noratoren. Drei von diesen sind vollständig symmetrisch und
verbleiben
unverändert, wenn die Tore zurückumbezeichnet werden.
-
In gleicher Weise ergibt die Anwendung der Noratoräquivalente nach
Fig. 9 auf die Zirkulatoranordnung nach Fig. 7 bei Weglassen des Leiters 7.7 drei
wesentlich unterschiedliche Noratorkonfigurationen, von denen zwei vollständig symmetrisch
sind. Schließlich können die Noratoräquivalente nach Pig. 10 auf die Zirkulatoranordnung
nach Fig. 7 mit verbleibendem Leiter 7.7 angewendet werden, was vier wesentlich
unterschiedliche Noratorkonfigurationen ergibt, von denen eine vollständig symmetrisch
ist.
-
In jedem Fall können, ob die Leitung 7.7 vorhanden oder nicht vorhanden
ist, diese Noratonkonfigurationen mit den fünfunddreißig Nullatorkonfigurationen
in vielfacher Weise kombiniert werden, um eine große Anzahl von Zirkulatoranordnungen
zu erzeugen. Bei weggelassenem Leiter 7.7 ergeben sich sechs solche Realisierungen,
welche vollständig symmetrisch sind (eine von diesen ist in Pig. 16 gezeigt).
-
In gleicher Weise gibt es mit anwesendem Leiter 7.7 drei derartige
Realisierungen, welche vollständig symmetrisch sind (eine von diesen ist in Fig.
7 gezeigt). Diese symmetrischen Anordnungen haben alle die Eigenschaft, daß die
Anzahl der Noratoren (sechs) der Anzahl der Nullatoren (sechs) gleicht. Diese Eigenschaft
ist wesentlich, wenn diese durch körperliche Schaltungen anzunähern sind (Beispielsweise
wie in Fig. 17).
-
Es wurde jetzt ein systematisches Verfahren zur Erlangung einer endlichen
Anzahl neuer Nullator-Norator-Impedanz-Realisierungen aufgestellt und beschrieben.
Die Methode, diese körperlichen Annäherungen (Verkörperungen) umzusetzen, ist Gegenstand
der jetzt zu beschreibenden Erfindung. Obwohl es unmöglich ist,körperliche Schaltungen
zu entwickeln, die isolierte Nullatoren oder Noratoren annähern, ist es möglich,
Schaltungen
zu entwickeln, die Nullator-Norator-Paare annähern. Beispielsweise korrespondiert
ein idealer Kurzschluß mit einer Parallelschaltung eines Nullators mit einem Noraotr
(Fig. li) und korrespondiert eine ideale Leerlaufschaltung mit einer Serienschaltung
eines Nullators mit einem Norator (Fig. 12). Ein Äquivalent zwischen einem idealen
(nicht polarisierten) Transistor 13.1 und einer besonderen Verbindung eines Nullators
und eines Norators 13.2 ist in Fig. 13 gezeigt. Ein ähnliches Äquivalent einer Nullator-
und Noratorverbindung 14.1 zu dem idealen Operationsverstärker 14.2 ist in Fig.
14 gezeigt.
-
Schließlich ist ein Äquivalent zwischen einem Dreitor 15.1 (dessen
Tore einen Anschluß gemeinsam haben) und einer Nullator-Norator-Verbindung-15.2
in Fig. 15 gezeigt. (In gleicher Weise sind auch Nullator-Norator-Äquivalenzschaltungen
für andere Anordnungen wie mit Feldeffekttransistoren in allgemeineren Dreitoren
möglich).
-
Diese Äquivalenzen in den Figuren 11 bis 15 können jetzt verwendet
werden, um die verschiedenen Nullator-Norator-Paare an Nullator- und Norator-Impedanz-Anordnungen
von Zirkulatoren anzunähern, was durch das obenbeschriebene Verfahren erreicht wurde.
In vielen Fällen ist es möglich, die Nullatoren und Noratoren auf verschiedenartige
Weise zu paaren, was mehrere verschiedene körperliche Annäherungen zu vielen der
Nullator- und Norator-Impedanz-Realisierungen der Zirkulatoren ergibt.
-
Als Beispiel einer symmetrischen Nullator- und Norator-Impedanz-Realisierung
nach Fig. 7 mit vorhandenem Leiter 7.7 ist in Fig. 16 gezeigt. Eine von ihr abgeleitete
Schaltung mit Transistoren zeigt Fig. 17. In dieser Fig. wurden die Polaritäten
(pnp oder npn) dieser Transistoren gewechselt, so daß keine Spannungsverschiebeschaltung
absolut notwendig ist (obwohl die Tore auf verschiedenem Gleichstrompotential liegen).
Auf diese Weise spannt sich die Schaltung selbst.vor.
Die Impedanzen
17.1, 17.2 und 17.3 können abgestimmt werden um die Vorwärts-Rückwärts-Übertragungsverhältnisse
der Zirkulatorschaltung im Betrieb zu verbessern. Diese Abstimmoperationen sind
praktisch nicht wechselwirkend.
-
1 Patentanspruch 17 Figuren