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Einrichtung zur Zusammenschaltung von Signalenergie.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Aufteilung von
Signal energie von einer Spannungsquelle auf n Ausgänge oder zur Zusammenschaltung
von n Signalquellen auf eine gemeinsame Leitung unter verwendung von parallelgeschalteten
Leitungsstücken, die jeweils bei der Betriebsfrequenz eine elektrische Länge von
A/4 oder einem ungeradzahligen Vielfachen hiervon aufweisen und deren Enden auf
einer Seite zu einem Sternpuzikt 2usammengeführt sind, während die anderen Enden
über ohmsche Widerstände miteinander verbunden sind und n Anschlüsse aufweisen.
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Aus der Zeitschrift IRE Transactions an MTT, Januar 1960, Seiten 116
bis 118 ist efl.Leistungsteilerbekannt, welcher es gestattet, die Ssgnalemergie
von einer Eingangsklemme auf n Ausgangsklemmen zu verteilen. Der grundsätzliche
Aufbau einer derartigen Schaltung ist in Fig.1 dargestellt. Mit der Eingangsklemme
E sind sternförmige n Leitungsstücke WLI bis wLfl verbunden. Diese Leitungsstücke
haben einen bestimmten Wellenwiderstand und eine telektrischeLänge, welche bei der
Betriebsfrequenz = k/4 gewählt ist. Auf diese Weise lassen sich Ausgänge Al bis
An, welche am anderen Ende der Leitungsstücke WL1 bis WLn Siegen, gleichmäßig mit
Signalenergie versorgen. Zwischen den einzelnen Ausgangsklemmen Al bis An liegen
ohmsche Widerstände Ri bis Rn, die bei gleichmäßiger Leistungsaufteilung gleich
groß gewählt sind. Sie bringen bei einer Ubertragung der Signalenergie von derEingangsklemme
E auf die Ausgangsklemmen A' bis An keine Ubertragungsdämpfung mit sich, weil bei
völlig symmetrischem Aufbau die Spannungen an
den Ausgangsklemmen
Al bis An untereinander nach Betrag und Phase gleich groß sind.
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Die dargestellte Schaltung kann auch umgekehrt betrieben werden, wobei
an den Klemmen Al bis An selbständige Signalquellen anzuschließen sind, deren Signalenergie
dann an der Ausgangsklemme E vereinigt ist. in beiden Fällen sind durch die ohmschen
Widerstände R1 bis Rn und die Leitungsstücke WLI bis WLn die Anschlüsse Al bis An
gegeneinander entkoppelt.
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Die beschriebene Schaltung ergibt diese Entkopplung der Anschlüsse
Al bis An nur für einen relativ schmalen Frequenzbereich beiderseits derjenigen
Betriebsfrequenz, für welche die Leitungslängen der Leitungsstücke WLi bis MZn elektrisch
genau \/4 lang sind. Dies rührt daher, weil z.B. ein an der Anschlußklenme A7 auftretender
Signal anteil die Leitungsstücke WL1 und WL2 durchlaufen und bei A2 zu dem von Al
über R1 und R2 laufenden Signalanteil gegenphasig eintreffen würde. Dies führt bei
entsprechender Dimensionierung der Widerstande Rl und R2 in Bezug auf die Wellenwiderstände
der Leitungsstücke lL1 und WL2 dazu, daß sich diese Signalanteile gegenseitig kompensieren,
so daß Al gegen A2 entkoppelt (isoliert) ist.
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In vielen Fällen ist es jedoch nicht zu vermeiden, daß auch in der
Signalenergie Frequenzanteile enthalten sind, die dem doppelten Wert der Betriebsfrequenz
oder Vielfachen hiervon entsprechen. In diesem Fall sind die Leitungsstücke WL1
bis WLn elektrisch h/2 lang und ein von Al kommender Signalanteil trifft um x verschoben
bie A2 mit dem über die Widerstände R1 und R2 übertragenen Signalanteil zusammen.
Dies führt nicht mehr zu einer Auslöschung oder Schwächung, sondern zu einer Addition
dieser Signalanteile und die Entkopplung ist damit nicht mehr gewährleistet. Derartige
Probleme können beispielsweise dann eintreten, wenn Oszillatoren oder
Mischer
an die Anschlüsse Al bis An oder an den gemeinsamen Eingang E angeschlossen sind,
weil dann stets ein Anteil von Oberwellen auftritt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch außerhalb
der Betriebsfrequenz und insbesondere bei der doppelten Betriebsfrequenz eine hohe
gegenseitige Entkopplung der einzelnen Anschlüsse zu gewährleisten. Gemäß der Erfindung
wird dies bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß
mindestens eine kurzgeschlossene Stichleitung an die Einrichtung angeschaltet ist,
deren elektrische Länge bei der Betriebsfrequenz etwa zu A/4 gewählt ist.
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Bei der Betriebsfrequenz stellt die kurzgeschlossene Stichleitung
einen unendlich hohen Eingangswiderstand dar und kann somit praktisch außer Betracht
bleiben. Bei der doppelten Betriebsfrequenz bildet diese Stichleitung dagegen einen
Kurzschluß (Eingangswiderstand 0), so daß diese Frequenz und ihre ganzzahligen Vielfachen
stark bedämpft werden. Die Schaltung wird somit hinsichtlich der Breitbandigkeit
der Entkopplung wesentlich gerade dort verbessert, wo eine brauchbare Entkopplung
bei einer Anordnung nach Fig.1 nicht mehr gegeben ist. Von besonderer Bedeutung
ist, daß bei Frequenzen etwas unterhalb und etwas oberhalb der Betriebsfrequenz
der Eingangswiderstand der Stichleitung einen relativ hochohmigen induktiven Widerstand
darstellt, so daß auch bei Ubertragung eines gewissen Frequenzbandes die Stichleitung-
sich kaum störend bemerkbar macht. Für sehr niedrige Frequenzen dagegen, für welche
die Länge der Stichleitung nahezu vernachlässigbar ist, wird der induktive Eingangswiderstand
dieser Stichleitung sehr klein, so daß diese Frequenzen sehr stark bedäpft werden.
Dies ist bei Anwendung im Zusammenhang mit Mischern von besonderer Bedeutung, weil
auch die Zwischenfrequenz stark bedämpft wird.
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Zur Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf Zeichnungen Bezug
genommen. Es zeigen: Fig.2 ein Ausführungsbeispiel mit einer Stichleitung, Fig.3
ein Ausführungsbeispiel mit zwei Stichleitungen, die am Sternpunkt angeschaltet
sind, Fig.4 ein Ausführungsbeispiel mit zwei Stichleitungen, welche im Bereich der
ohmschen Widerstände angeschlossen werden, Fig.5 den Aufbau eines Teiles, bestehend
aus der Kettenschaltung von 1:2 Teilern, Fig.6 in Draufsicht und Fig.7 im Querschnitt
den räumlichen Aufbau einer Schaltungsanordnung nach Fig.5.
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Bei der Anordnung nach Fig.2 wird der mit dem Sternpunkt V verbundenen
Klemme E die hochfrequente Signalenergie z.B. eines Empfängers oder eines Senders
HF zugeführt. Die Betriebsfrequenz dieses Senders oder Empfängers sei fO. Es sind
zwei Leitungsstücke WLi und WL2 vorgesehen, die ausgangsseitig über einen Widerstand
R verbunden sind und zwei Ausgangsklemmen A7 und A2 aufweisen. An diesen Ausgangsklemmen
A1 und A2 kann je die Hälfte der von der Spannungsquelle HF gelieferten Signal energie
abgenommen werden. Den Ausgangsklemmen A7 und A2 sind Mischer MI1 und MI2 nachgeschaltet.
Die Frequenz fe, z.B. die Eingangsfrequenz von Funkempfängern, soll mit der gleichen
Uberlagerungsfrequenz fO gemischt werden. Da die Signalquelle HF jedoch auch die
Frequenz 2fo abgeben kann, für welche die Entkopplung der Ausgänge A7 und A2 nicht
mehr gewährleistet ist, wird eine Stichleitung Wk vorgesehen, deren Länge 1k zu
k/4 bei der Betriebsfrequenz fO gewählt wird, und deren Wellenwiderstand Zk ist.
Da diese Stichleitung am Ende kurzgeschlossen ist, hat sie bei der Betriebsfrequenz
f0 am Sternpunkt V einen Eingangswiderstand von unendlich, während bei der Frequenz
2.f0 der Eingangswiderstand O ist. Dies hat zur
Folge, daß die Frequenz
2.f0 nicht zu den Ausgangsklemmen Al und A2 gelangen kann und diese somit auch bezüglich
dieser Frequenz 2.f0 als entkoppelt (gegeneinander isoliert) anzusehen sind. Für
die normalerweise sehr niedrige Zwischenfrequenz fz = fo fe stellt die Stichleitung
Wk einen sehr kleinen Eingangswiderstand dar und bedämpft diese stark.
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Von besonderer Bedeutung für eine gleichmäßige Leistungsaufteilung
ist bei dieser Ausführungsform, daß die Symmetrie der Verteilungsschaltung gewahrt
bleibt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Stichleitung Wk zwischen den beiden
Leitungsstücken WLI und WL2 und symmetrisch zu diesen angeordnet wird.
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Dadurch ist gewährleistet, daß sich auch in offener Bauweise, z.B.
bei einem Aufbau in gedruckter Schaltung (Triplate) für beide Leitungsstücke WLI
und WL2 die selben Kopplungs- und Übertragungseigenschaften ergeben. Diese Anordnung
ergibt, ebenso wie bei den anderen Ausführungsbeispielen, einen räumlich sehr gedrängten
Aufbau, weil die Leitungsstücke und die Stichleitung parallel zueinander verlaufen
und nebeneinander angeordnet sind.
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Eine Abwandlung der Schaltung nach Fig.2 gemäß Fig.3 verwendet zwei
kurzgeschlossene Stichleitungen Wkl und Wk2, wobei diese außerhalb von den Leitungsstücken
WLI und WL2 angeordnet sind.
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Dadurch ist ebenfalls sichergestellt, daß die Symmetrie und der gedrängte
Aufbau der Anordnung erhalten bleibt, weil diese Stichleitungen Wkl und Wk2 symmetrisch
zu den Leitungsstücken WL7 und WL2 verlaufen. Der Anschluß der Mischer kann hier
und bei den folgenden Beispielen in gleicher Weise erfolgen wie bei Fig.2.
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Die Verwendung mehrerer Stichleitungen hat den Vorteil, daß die elektrischen
Längen dieser Stichleitungen (alk1 für WK7 bzw. lk2 -für- Wk2) auch unterschiedlich
gewählt werden können.
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Es läßt sich z.B. Wk1 bei der Betriebsfrequenz f0 um so viel
kürzer
wählen als #/4 und Wk2 um so viel länger wählen als h/4, daß die entstehenden induktiven
(am Eingang von Wk1) und kapazitiven (am Eingang von Wk2) Querwiderstände zusammen
einen hochohmigen Parallelresonanzkreis ergeben, so daß am Verzweigungspunkt V bei
der Betriebsfrequenz fO die Stichleitungen Wk1 und VE2 nicht störend in Erscheinung
treten.
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Andererseits ist aber bei längeren und kürzeren Stichleitungen als
k/4 die Unterdrttckungsbandbreite beiderseits von 2.f0 s-tark vergrößert, weil zunächst
bei etwas niedrigeren Frequenzen als 2.f0 die längere Leitung (Wk2) einen Kurzschluß
bildet und bei etwas höheren Frequenzen als 2f0 kürzere Leitungen (Wk1).
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Zusätzlich können durch den Einsatz der Stichleitung Wk nach Fig.2
bzw. der Stichleitungen Wk1 und Wk2 nach Fig.3 irgendwelche z.B. durch den Aufbau
der Schaltungsanordnung gegebenen Blindwiderstände Im Bereich des Sternpunktes V
für die Betriebsfrequenz fO kompensiert werden. Darüber hinaus kann durch eine geringfügige
wanderung der elektrischen Leitungslänge bei den Stichleitungen Wk bzw. Wk1 und
Wk2 die Entkopplung zwischen den Anschlüssen Al und A2 mehr nach höheren oder tieferen
Frequenzen als bei der Betriebsfrequenz fo hin verbessert werden Bei der Anordnung
nach Fig.4 sind die Stichleitungen Wkl und Wk2 im Bereich des ohmschen Widerstandes
R, also bei den Anschlüssen Al und A2 angeschlossen. Die Symmetrie der Anordnung
ist auch hierbei gewährleistet. Nachteilig ist jedoch im gewissen Umfang, daß ungleiche
Leitungslängen bei den Stichleitungen Wk1 und Wk2 nicht mehr, wie z.B. bei der Anordnung
nach Fig.3 (d.h. bei Anschluß der Stichleitungen an den Sternpunkt) sich ohne weiteres
gleichermaßen auf die beiden Anschlüsse Al und A2 auswirken. Diese Schaltungsanordnung
wäre deshalb dann vorzuziehen, wenn eine spezielle Kompensation, z.B. von unterschiedlichen
Blindwiderständen, bei den verschiedenen Anschlüssen von Al bis An vorgenommen werden
soll.
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Der Wellenwiderstand ZK der Stichleitungen Wk kann entsprechend der
gewünschten Entkopplung dimensioniert werden. Niedrige Wellenwiderstände ZK vergrößern
die Bandbreite der Entkopplung und er3:iöhen bei den meisten Leitungstypen den Wert
der maximalen Sperrdämpfung, weil der Dämpfungsbelag dieser Leitungen mit sinkendem
Wellenwiderstand abnimmt.
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Für die Gewinnung einer größeren Anzahl von Anschlüssen Al bis An
ist es zweckmäßig, eine Kettenschaltung mehrerer 1:2 Teiler vorzusehen. Den grundsätzlichen
Aufbau für vier derartige Anschlüsse zeigt Fig.5, wobei mit der Eingangsklemme E
zwei Leitungsstücke WL1 und WL2 verbunden sind, die an den Ausgängen A01 und A02
über einen ohmschen Widerstand RO zusammengeschaltet werden. Die Ausgangsklemmen
A01 und A02 stellen die Eing:ngsklemmen für zwei nachfolgende Verteilerschaltungen
dar, deren Leitungsstückemit WL5 und WL6 (zugehörige Ausgänge A1 und A2) bzw. WL9
und ILIO (Ausgänge A3 und A4) verbund sind. Die Ausgänge Al und A2 sind über den
ohmschen Widerstand R12, die Ausgänge A3 und A4 über den ohmschen Widerstand R34
verbunden. An-den Sternpunkt V12 sind die StLchleitungen Wkl und Wk2 angeschlossen.
An den Sternpunkt tf34 sind die Stichleitungen Wk3 und llt4 angeschaltet. Der Aufbau
dieser Teilbereiche entspricht somit der Anordnung nach Fig.3. Der Gesamtaufbau
dieser Anordnung ist symmetrisch, weil neben jedem Leitungsstück WL5, WL6; WL9,
WLIO und parallel hierzu eine Stichleitung Wk1, Wk2; Wk3, Wk4 verläuft. Dadurch
sind die Ausgänge Al bis A4 untereinander völlig gleich und erhalten z.B. auch bei
einer Energieaufteilung von der Eingangsklemme E genau gleiche Signalanteile. Die
Verbindungsleitung VL1 von A01 nach V12 bzw. VL2 von A02 nach V34 beeinflußt die
Leitungsstücke WLI und WL2 gleichermaßen und stört die Symmetrie nicht.
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Gegenüber WL6 bzw. WL9 sind die Verbindungsleitungen VL1 und VL2 durch
die Stichleitungen Wk2 und Wk3 auch für eine offene Bauweise (z.B. gedruckte Schaltung)
ausreichend entkoppelt,
so daß hier keine Unsymmetrie, z.B. zwischen
Al und A2 auftritt.
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Diese Schaltungsanordnung nach Fig.5 eignet sich somit besonders für
einen Aufbau in gedruckter Schaltungstechnik, wie er in Fig.6 in Draufsicht und
in Fig.7 im Schnitt dargestellt ist. Die einzelnen Leiterbahnen sind mit den aus
der Schaltung nach der Fig.5 übernommenen Bezeichnungen versehen, so daß diese hier
nicht mehr näher erläutert werden müssen. Die Leiterbahnen selbst sind zwischen
zwei Isolierschichten ISI und IS2 angeordnet. In entsprechenden Öffnungen sind Kurzschlußblöcke
SKI bis SK4 angeordnet, welche den Kurzschluß der Stichleitungen Wkl bis Wk4 bewirken.
Diese Kurzschlußblöcke sind zum Abgleich verschiebbar ausgebildet und werden nach
dem Abgleich fixiert. Die ohmschen Widerstände RO, R12 und R34 sind als Widerstands-Chips
ausgebildet. Das Äußere der isolierenden Trägerplatten IS1 und IS2 ist durch Metallplatten
MI und M2 abgedeckt, so daß ein stabiler und nach außen geschirmter Aufbau entsteht.
Der Aufbau ist so gewählt, daß der gemeinsame Anschluß E und die widerstandsseitigen
Anschlüsse Al bis A4 auf entgegengesetzten Seiten der Schaltungsplatine liegen.
Dies gibt eine gute Entkopplung zwischen Eingang und Ausgang und gewährleistet die
Symmetrie der Anordnung.
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14 Patentansprüche 7 Figuren