DE2514857C3

DE2514857C3 - Richtungsweiche zur Auskoppelung elektronischer Signale von einer Verteiler- oder Übertragungsleitung

Info

Publication number: DE2514857C3
Application number: DE19752514857
Authority: DE
Inventors: James Park Lindsay Ontario Reilly (Kanada)
Original assignee: Lindsay Specialty Products Ltd
Current assignee: Lindsay Specialty Products Ltd
Priority date: 1974-04-19
Filing date: 1975-04-04
Publication date: 1980-01-24
Also published as: DE2514857B2; NL7504482A; DE2514857A1; AU8012475A; IT1037275B; BR7502283A; JPS50140030A; FR2268394A1; BE816635A; FR2268394B3; GB1502807A; CA1000814A

Description

w (Spannung) _ _ Z_ w (Strom) ~~ ζ

wobei Z φ ζ ,

25

mit

Z = die in Anpassung an den Schaltkreis zu

wählende Impedanz des Koppelgliedes,
ζ = charakteristische Impedanz der Verteileroder Übertragun(isleituc_a'(13),
w (Spannung) = WinduKgszahlverhältnis des
Spannungsübe· i'agers und
vf(Strom) = Windungszahlverhältnis des
Stromübertragers.

2. nach Anspruch 1, bei der in Reihe zur Sekundärwicklung des Spannungsübertragers ein Widerstand geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert gleich

R = Z - L·

ist, wobei N= w(Spannung).

3. Weiche nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Widerstands R (24) im wesentlichen gleich Zist.

4. Weiche nach Anspruch 1, bei der ein Widerstand R parallel zur Sekundärwicklung des Stromübertragers (10) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert gleich

R =

Z z(N rf
ζ(N ■ rf — Z

ist, wobei N = iv(Spannung).

5. Weiche nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der an das Koppelglied unmittelbar angeschlossene Schaltkreis zur Versorgung zweier Abnehmer ein Differenztrans' forrnätöf (27) ist, dessen Aüsgangsanschlüsse zu den beiden Abnehmern führen.

6, Weiche nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Ausgangsanschluß (26) der Weiche zur Kompensation von Leckinduktivitäten

60

65 des Differenztransformators (27) ein Kompensationskondensator (28) angeschlossen ist

7. Weiche nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Ausgangsanschlüssen (36, 37) des Differenztransformators (27) ein Widerstand (31) geschaltet ist

Die Erfindung betrifft eine Richtungsweiche zur Auskoppelung elektronischer Signale von einer Verteiler- oder Übertragungsleitung und zur Übermittelung der ausgekoppelten Signale zu wenigstens einem Abnehmer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In einem Fernseh-Gemeinschaftsantennensystem werden die elektronischen Signale, welche Video- und Audio-Signale umfassen, durch koaxiale Stammleitungen über große Entfernungen übermittelt In gewissen Abständen sind Verstärker eingeschaltet, um den Pegel der übermittelten Signale aufrechtzuerhalten. Die Signale in den Starnrnlcitungen werden in Verteilerlei tungen zu bestimmten Bereichen geführt In den Verteilerleitungen sind eine Vielzahl von Richtungsweichen vorhanden, die ein Teilsignal aus dem übermittelten Signal auskoppeln. Die ausgekoppelten Signale werden über Versorgungsleitungen den Abnehmern bzw. Verbrauchern zugeführt

Eine Richtungsweiche umfaßt normalerweise ein Richtungskoppelglied, welches mit der Verteilerleitung verbunden ist und einen Anteil der über diese Leitung übermittelten Signale ableitet Die so erhaltenen Signale werden dann in eine Vielzahl von gleichen Teilsignalen über einen Trennkreis aufgespalten, um sie den Abnehmern zuzuführen. Der Trennkreis dient auch als Sperrglied zur gegenseitigen Isolierung der Versorgungsleitungen.

Das Richtungskoppelglied umfaßt im wesentlichen einen Stromübertrager und einen Spannungsübertrager, die hinsichtlich ihres Aufbaues übert.nstimmen und das gleiche Windungsverhältnis besitzen. Der Stromübertrager hat jedoch eine verhältnismäßig kleine Primärwicklung und eine große Sekundärwicklung. Andererseits besitzt der Spannungsübertrager eine große Primärwicklung und eine verhältnismäßig kleine Sekundärwicklung. Die (''imärwicklung des Stromübertragers ist in die Verteilerleitung eingeschaltet, so daß der Strom in der Verteilerleitung durch diese Wicklung fließt. Die Primärwicklung des Spannungsübertragers ist im Nebenschluß zur Verteilerleitung gelegt, so daß die Spannung der Verteilerleitung an dieser Wicklung ansteht. Die Sekundärwicklungen der beiden Übertrager sind parallel geschaltet, was dazu beiträgt, daß die von der Verteilerleitung ausgekoppelten Signale am Koppelgliedausgang in Phase und additiv anstehen. Demgegenüber sind Spannungen, die in den Sekundärwicklungen infolge von irgendwelchen reflektierten Signalen an der Verteilerleitung induziert werden, um 180° am Koppelgliedausgang phasenverschoben, so daß sie sich gegenseitig löschen. Auf diese Weise wird durch das Richtungskoppelglied verhindert, daß irgendwelche reflektierten Signale den Weichenausgang erreichen. Es ist lediglich die Ableitung von Signalen, die aus einer Richtung kommen, möglich.

Eine Richtungsweiche gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist auch aus der DE*AS 21 61 620 bekannt. Danach weisen der Stromüberirager und der Spannungsübertrager einen gemeinsamen Kern auf. Ferner

ist aus dieser Druckschrift der Hinweis zu entnehmen, daß die Anzahl der Windungen, die Abmessungen des Kerns und der Wert eines Abschlußwiderstands unter anderen von den jeweils gewünschten Dämpfungsverhältnissen und von dem Wellenwiderstand bzw. der Impedanz der angeschlossenen Hochfrequenzleitungen (Stammleitung und Stichleitung) abhängen. Aus der Zeichnung der Druckschrift geht hervor, daß das Windungszahlverhältnis des Spannungsübertragers gleich dem reziproken Windungsverhältnis des Strom-Übertragers ist Unter dieser Voraussetzung aber ist eine Impedanzanpassung erheblich eingeschränkt

Üblicherweise werden die Signale am Ausgang des Koppelgliedes einem Trennkreis zugeführt, der einen Eingangsnebenschlußreduktionsübertrager als Impedanzwandler umfaßt (siehe beispielsweise US-PS 36 41 464), der die Ausgangsimpedanz des Richtungskoppelgliedes auf den gewünschten niedrigen Wert reduziert, um so eine Anpassung an die Impedanz der Ausgangsübertrager des Trennkreises zu erreichen, die die Signale in gleiche Teile aufteilen, welche dann den Abnehmern übermittelt werden.

Allgemein ist festzuhalten, daß der Hauptr ;chteii der üblichen Richtungsweichen in der hohen Einfügungsdämpfung in den ausgekoppelten Signalen infolge der Verluste auf Grund der Streuimpedanzen in den verschiedenen Übertragern und insbesondere in den Nebenschlußreduktionsübertragern in den Trennkreisen zu sehen ist. Dieser Mangel kann zu einem gewissen Grade ausgeglichen werden, indem mehr Verstärker in die Verteilerleitung eingeschaltet werden, um so die Verluste zu kompensieren. Verstärker verursachen jedoch Rauschen und Verzerrungen in den übermittelten Signalen. Weiterhin sind derartige Verstärker sehr teuer in der Herstellung und Unterhaltung; sie sind die hauptsächlichen Quellen für Störungen bzw. unzuverlässiges Arbeiten in Femseh-Gemeinschaftsantennensystemen.

Es ist weiterhin zu erwähnen, daß das Frequenzverhalten von solchen konventionellen Weichen in niederen F.equenzbereichen schlechter als in Mittel- und Hochfrequenzbereichen ist. Dies ist hauptsächlich auf die Schwierigkeit zurückzuführen, die darin besteht, genügend Nebenschlußinduktanz in den Übertragern zu erreichen. Weiterhin bedingt der Reduktionsübertrager im Trennkreis eine gewisse Größe der Weiche, und es soll nicht unerwämst bleiben, daß ;in solcher Reduktionstjbertrager sehr unförmig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweisende Richtungs /eiche anzugeben, bei der in besonders einfacher Weise die Ausgangsimpedanz des Koppelgli-ides an die Impedanz des an das Koppelglied unmittelbar angeschlossenen Schaltkreises angepaßt ist, so daß kein Eingangsreduktionsübertrager bzw. zusatz- « licher Impedanzwandler erforderlich ist und darüber hinaus ein gleichmäßiger Frequenzgang für alle Signalbereiche bzw. Signalbänder bei möglichst niedriger Einfügungsdämpfung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den ω Merkmalendes Anspruchs 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben,

Die Erfindung wird nun an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel und an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung ist schematisch die Schaltung einer Richtungsweiche gemäß der Erfindung dargestellt

Die in der Zeichnung dargestellte Richuingsweiche umfaßt ein Koppelglied mit einem Stromübertrager 10, der eine Primärwicklung 11 und eine Sekundärwicklung 12 besitzt Die Primärwicklung 11 ist in Reihe in eine Verteilerleitung 13 als Teil von dieser eingeschaltet, so daß der Strom in der Verteilerleitung durch diese Primärwicklung 11 fließt. Das Signal am Eingangsende der Verteilerleitung ist schematisch als Quelle 14 veränderlicher Spannung dargestellt, welche eine Spannung Vs besitzt Die Impedanz der Leitung ist durch den Widerstand 15 wiedergegeben, der den Wert ζ hat Das Ausgangsende der Verteilerleitung 13 kann an eine Last 18 angeschlossen werden, die normalerweise ebenfalls eine Impedanz des Wertes zbesitzt

Das Richtungskoppelglied umfaßt auch einen Spannungsübertrager 20 mit einer Primärwicklung 21 und einer Sekundärwicklung 2Z Die Primärwicklung 21 ist im Nebenschluß an die Verteilerleitung 13 angeschlossen, so daß die Spannung der Verteilerleitung an der Primärwicklung 21 ansteht

Die Sekundärwicklungen 12 und 22 sind einander unterstützend parallel geschaltet Lm Widerstand 24 liegt in Reihe zu der Sekundärwicklung 22 des Spannungsübertragers 20. Ein Kompensationskondensator 23 ist parallel zum Widerstand 24 geschaltet Der Knotenpunkt 26 ist der Ausgangsknoten des Koppelkreise!·.

Das Wicklungsverhältnis des Spannungsübertragers ist

w (Spannung) ₌ Primärwicklung (Spannung) ₌ N Sekundärwicklung (Spannung) 1 '

wobei N die Zahl der Windungen der Primärwicklung im Verhältnis zu jeder Windung der Sekundärwicklung darstellt.

Das Windungszahlverhältnis des Stromübertragers ist

w (Strom) = Primärwicklung (Strom) _ 1_
Sekundärwicklung (Strom) ~ N ■ r "

wobei /V gleich dem Wert von N ist, dtr sich am Spannungsübertrager ergibt, und wobei gilt r = -.

Dabei ist ζ die charakteristische Impedanz der Verteilerleitung und Z die ausgewählte Ausgangsimpedanz des Koppelgliedes, die am Ausgangsknotenpunkt 26 erscheint. Weiterhin muß Z stets von ζ verschieden sein.

Die in der Sekundärwicklung 22 des Spannungsübertragers induzierte Spannung ist

Vs
,V '

Der in der Sekundärwicklung 12 des Stromübertragers erzeugte Strom is*

N-r*

wobei /der Strom in der Verteilerleitung ist.

Der Strom in der Sekundärwicklung 12 infolge eines Signals, das Vom Eingangsende der Verteilerleitung her kommt, ist in Phase mit der Spannung Vs/N, die in der

Sekundärwicklung 22 des Spannungsüberffägefs induziert wird. Infolgedessen liegt das Signal mit einer Spannung Vs/N am Ausgangsknotenpunkt 26 des Koppelgliedes und die Impedanz, die man bei Blick in den Knoten 26 erhält, ist ζ ■ r.

Wenn in der Verteilerleitung ein reflektiertes Signal vorhanden ist, so daß diesej reflektierte Signal in entgegengesetzter Richtung vom Ausgangsende der Leitung zum Eingangsende wandert, so wird der von diesem reflektierten Signal in der Sekundärwicklung 12 des Stromübertragers 10 erzeugte St· om eine Spannung am Widerstand 24 (und Kondensator 23) erzeugen, die der Spannung in der Sekundärwicklung des Spannungsübertragers gleich, jedoch entgegengesetzt gerichtet ist. Infolge wird das reflektierte Signal in der Verteilerlei- is lung keine Spannung am Ausgangsknoten 26 des Koppelgliedes erzeugen.

Auf diese Weise werden nur Signale, die vom

wandern zum Ausgangsknoten 26 des Koppelgliedes weitergeleitet. Die gesamte Ausgangsimpedanz Z des Koppelgliedes, wie sie am Ausgangsknoten 26 erscheint,

25

wobei R der Widerstandswert des Widerstands 24 ist Normalerweise ist Zangenähert gleich R, da der Wert von z/N² im Verhältnis viel kleiner als der Wert von R ist.

Das Verhältnis der Windungszahlverhältnisse der beiden Übertrager kann so gewählt werden, daß der Ausgang des Koppelgliedes an eine Verteilerleitung irgendeiner vorgewählten Impedanz angeschlossen werden kann. Auch kann das Verhältnis der Windungszahlverhältnisse der beiden Übertrager in der Weise bestimmt werden, daß die Ausgangsimpedanz an die des an das Koppelglied unmittelbar angeschlossenen Schaltkreises bzw. an die Impedanz der Versorgungsleitungen direkt angepaßt ist, so daß ein Transformator zur Anpassung der Impedanzen des Koppelgliedes und des nachfolgenden Schaltkreises wie bei bekannten Richtungsweichen nicht erforderlich ist.

Die Ausgangsimpedanz Z des Koppelgliedes ist bestimmt durch ζ · r, wobei r das vorgewählte oder gewünschte Verhältnis zwischen der Ausgangsimpedanz des Koppelgliedes und der charakteristischen Impedanz ζ der Verteilerleitung bedeutet Der Widerstand R kann dann bestimmt werden zu so

= Z-

Dann wird das Windungszahlverhältnis des Stromübertragers gleich \/N ■ r gemacht, um die Richtungskennwerte der Weiche zu erhalten.

In der oben erläuterten Weise ist es also möglich, jede gewünschte Impedanz am Ausgang des Koppelgliedes einzustellen, wodurch die Notwendigkeit entfällt, irgendeinen Übertrager zur Änderung der Impedanz am Eingang des nachfolgenden Schaltkreises vorzusehen, wie dies bei bekannten Richtungsweichen der Fall ist

Bas V/indurigszahlverhälinis des Spannungsübertrager Ml wird so bestimmt daß die gewünschte Dämpfung zwischen dem Eingang des KoppelgHedes und defff Weieheoausgiing erzielt wird. Diese Dämpfung ist, wenn man sie als Bruch darstellt, gleich \/N.

Es ist einzusehen, daß der Kondensator 23 und der Widerstand 24 auch an den Knoten 26 angeschlossen sein könnten und das Ausgangssignal des Koppelgliedes an der Sekundärwicklung des Spannungsübertragers abgenommen werden könnte, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. In diesem Falle wäre die gesamte Ausgangsimpedanz des Koppelgliedes

Rz(Nr)²

oder R =

R + z(N -rf

Zz(Nr)² Z(N rf - Z

Die ausgekoppelten Signale am Ausgangsknoten 26 des Koppelgliedes können in zwei gleiche Teile mittels eines Trenngliedes unterteilt werden, welches einen Differenztransformator 27 mit Ausgangsanschlüssen 36 und 37 umfaßt. Jeder Ausgangsanschluß 36 bzw. 37 kann an eine Versorgungsleitung angeschlossen sein, um so die Versorgungssignale den Abnehmern zu übermitteln. Ein Kr>mpensationskondensator 28 ist mit dem Eingang des Differenztransformators 27 verbunden, um die Leckinduktivitäten im Differenztransformator zu kompensieren. Ein Widerstand 31 kann parallel zu den Ausgangsanschlüssen 36 und 37 geschaltet sein, um eine Anpassung an die Impedanz der Versorgungsleitungen herzustellen und eine elektrische Isolation zwischen den Versorgungsleitungen zu gewährleisten. Zusätzliche Differenztransformatoren 29 und 30 können an die Ausgangsanschlüsse 36 und 37 angeschlossen sein, um die Versorgungssignale in weitere gleiche Teile zu unterteilen, wobei diese weiteren Versorgungssignale vier Abnehmern, entsprechend der Darstellung in der Zeichnung, zugeführt werden. Ein Kompensationskondensator 34 ist an den Eingang des Differenztransformators 29 zum Ausgleich der Leckinüuktiviiätcn im Differenztransformator angeschlossen. Ein Ausgangswiderstand 32 ist parallel zu den Ausgangsanschlüssen geschaltet und bewirkt die erforderliche Impedanzanpassung an die Versorgungsleitungen sowie eine elektrische Isolierung zwischen diesen. In ähnlicher Weise ist ein Kompensationskondensator 35 mit dem Eingang des Differenztransformators 30 verbunden, und es ist ein Ausgangswiderstand 33 parallel tu den Ausgangsanschlüssen des Differenztransformators 30 geschaltet. Auf diese Weise kann eine bestimmte Zahl von Differenztransformatoren vorgesehen werden, um den Schaltkreis bzw. Trennkreis so auszugestalten, daß er Signale für zwei, vier oder sogar acht Abnehmer, falls erforderlich, erzeugt Es ist klar, daß sich die Ausgangsimpedanz des Koppelgüedes und infolgedessen das Verhältnis rmit der Zahl der Weichenausgänge, die für Abnehmer vorgesehen sind, ändert.

Bei bekannten Richtungsweichen muß der Trennkreis notwendigerweise und grundsätzlich einen zusätzlichen Impedanzwandler in Form eines Transformators sowie wenigstens drei Differenztransformatoren umfassen, um vier Weichenausgänge zu erzeugen, oder wenigstens einen Differenztransformator, wenn nur zwei Abnehmer von der Weiche versorgt werden sollen. Andererseits kann das Koppelglied gemäß der Erfin-

dung direkt an eine bestimmte Zahl von Abnehmern angeschlossen Werden, indem man einen Trennkreis einschaltet, welcher nur aus einer entsprechenden Zahl von Differenzlvansformatoren ohne irgendeinen zusätzlichen Impedanzwandler besteht. Infolgedessen wird die Anzahl der maßgeblichen Bauteile erheblich reduziert, was sich natürlich auf die Herstellungszeit und die Herstellungskosten auswirkt. Schließlich wird durch den Wegfall des Impedanzlransfoffhators die Einschale bzw* Einfügungsdämpfung beachtlich reduziert.

Als typisches Beispiel sei angenommen, daß eine RiclHungsweiche in eine 75-Ohm-Verteilerleitüng eingeschaltet werden soll, um ein 20-dB-Ausgangssignal zu erzeugen, und daß die Ausgangsimpedanz des Koppelgliedes 18,75 Ohm sein soll, wie dies der Fall ist, wenn vier Weichenausgänge gewünscht werden. In diesem Falle ist das Verhältnis rdes Koppelgliedes gemäß der Erfindung

18,75
75

IO

20

Das Windungszahlverhältnis sei Ml = 10.
Die Einschaltdämpfung von den Eingangs- zu den Ausgangsanschlüssen der Richtungsweiche ist dann

Einschaltdämpfung (dB) = 201og(l-4/N²)
= 20 log(l-4/100)
= -0,36 dB,

oder gleich —0,4 dB maximal im Durchschnitt, wobei berücksichtigt wird, daß andere Verluste an mangelhaften Bauteilen auftreten.

Wenn eine konventionelle Richtungsweiche dieselben Anforderungen erfüllen soll, so ist das Windungszahl-

30

Verhältnis beider Übertrager 4 ί 1. Die Einschaltdämpfung ist dann

20log(l-l/N²)
= 20 log (15/16)
= -0,56 dB;

Die maximale Einschaltdämpfung im Durchschnitt in einer konventionellen Weiche ist also unter BefüCksiclv tigung der Verluste infolge Mängeln etwa —0,8 dB.

Infolgedessen kann bei Verwendung einer Richtungsweiche gemäß der Erfindung ein Gewinn von etwa 0,4 dB erreicht werden.

Bei einer Verteilerleitung mit zehn Richtungsweichen, die zwischen Leitungsverstärkern eingeschaltet sind, ergibt sich bei Verwendung von erfindungsgemäßen Richtungsweichen eine maximale Reduktion von etwa 4 dB an Einschaltdämpfung. Nach einer Reihe von fünf Verstärkern erhält man also einen Gewinn von 20 dB. Die Verstärkung eines Verstärkers in einer Verteilerleitung ist normalerweise etwa 20 dB, so daß bei Verwendung von erfindungsgemäßen Richtungsweichen ein Verstärker auf jeweils fünf Kaskadenverstärker in einer Verteilerleitung gespart werden kann, wodurch man einen Gewinn von 20% hinsichtlich der Zahl der erforderlichen Verstärker erzielt. Dies führt zu einer wesentlichen Verbesserung im Rauschverhalten, in den Verzerrungen und in der Zuverlässigkeit des Systems.

Da kein zusätzlicher Impedanztransformator in der erfindungsgemäßen Richtungsweiche erforderlich ist und es möglich ist, ein verhältnismäßig großes Windungszahlverhältnis in den Übertragern vorzusehen, spricht die erfindungsgemäße Richtungsweiche gleichmäßig in allen Frequenzbändern der übertragenen Signale an.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Richtungsweiche zur Auskopplung elektronischer Signale von einer Verteiler- oder Übertragungsleitung und zur Übermittlung der ausgekoppelten Signale zu wenigstens einem Abnehmer, welche ein Richtungskoppelglied mit einem Stromübertrager und mit einem Spannungsübertrager aufweist, wobei die Primärwicklung des Stromübertragers in der Verteilerleitung sowie die Primärwicklung des Spannungsübertragers im Nebenschluß zur Verteilerleitung liegt und die Sekundärwicklungen beider Übertrager parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anpassung is der Ausgangsimpedanz des Koppelgliedes an die Impedanz des an das Koppelglied unmittelbar angeschlossenen Schaltkreises die Windungszahlverhältnisse des Stromübertragers und des Spannungsübertragers unterschiedlich gewählt sind, derart daß gilt;