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Einrichtung zum Abzweigen von Hochfrequenzenergie
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Abzweigen von Hochfrequenzenergie
(HF-Energie die Ubertrager mit richtungsabhängigen Ubertragungseigenschaften (Richtkoppler)
enthält, deren Kerne aus ferromagnetischem Material bestehen und jeder Übertrager
vier einzelne Wicklungen aufweist.
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Derartige Einrichtungen dienen in Großfernßeh-Verteilanlagen (CATV
und KTV-Anlagen) dazu, die HF-Energie rUckwirkungsfrei mit den erforderlichen Pegeln
an die Ubergabepunkte abzuzweigen.
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An diese Einrichtungen werden bezUglich der einzuhaltenden elektrischen
Eigensohaften, wie RUokflußdärnpfung, Anschlußdämpfung, Durchgangsdämpfung und Koppeldämpfung
(Entkopplung zwischen den Abzweigen) hohe Anforderungen gestellt.
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Bekannt ist bereits ein richtungsabhängiger Breitbandllbertrager in
Gabelschaltung mit einem Doppellochkern aus ferromagnetischem Material, insbesondere
für Gemeinschaftsantennenanlagen, bei dem zur Bildung eines Abzweigers eine zwischen
dem Eingang und dem Ausgang des Abzweigers liegende erste Wicklung durch das erste
Loch des Kerns, eine zwischen dem Eingang und Masse liegende zweite Wicklung im
Gegensinn zu der ersten Wicklung durch das zweite Loch des Kerns, eine zwischen
einem Abzweig und einem mit Masse verbundenen Widerstand liegende dritte Wicklung
im gleichen Sinn wie die zweite Wicklung durch das zweite Loch und eine zwischen
dem Abzweig und Masse liegende vierte Wicklung im gleichen Sinn wie die erste Wicklung
durch das erste Loch gewickelt sind (DT-AS 2 161 620). Bei Ubertragern dieser Art
werden die erste und die dritte Wicklung auch als Stromwicklungen, die zweite und
die vierte Wicklung als Spannungswicklungen bezeichnet.
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Eine Stromwicklung wird meist durch einen Leiter gebildet, der ein
Kernloch einmal durchläuft, was eine Windungszahl von einer Windung ergibt. Eine
Erhöhung der Windungszahl der Stromwicklungen ist zwar möglich, wirkt sich aber
bei hohen Frequenzen ungUnstig auf die Anpassung und die Durchgangsdämpfung aus.
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Die Spannungswicklungen haben entsprechend der verlangten Anschlußdämpfung
des Richtkopplers höhere Windungszahlen als die Stromwicklungen und sind z.B. beim
Doppellochkern auf die bei den äußeren Stege des Kerns gewickelt. Bei dieser Richtkopplerbauart
verlaufen die Leiter der Spannungswicklungen nur etwa zur Hälfte ihrer Windungslänge
in den Kernlöchern und werden außen um den Kern herumgefUhrt. Die außen am Kern
liegenden Wicklung anteile der Spannungswicklungen sind mit den dazugehörigen Stromwicklungen
nur schwach induktiv gekoppelt.
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Die Streuinduktivitäten des Richtkopplers fallen dadurch größer aus,
als wenn die Spannungswicklungen Uber die gesamte Wicklung länge mit den Stromwicklungen
induktiv fest gekoppelt wären. Da die obere Grenzfrequenz des Ubertragungsbereiches
eines Richtkopplers im wesentlichen von den Streuinduktivitäten und den Wicklungskapazitäten
abhängig ist, haben die Richtkoppler der
oben beschriebenen Bauart
den Nachteils daß die Anschluß dämpfung im oberen ubertragungsfrequenzbereich ansteigt.
Ein weiterer Nachteil dieser Richtkopplerbauart besteht darin, daß die Einstellung
der Anschlußdämprung durch das Ubersetzungsverhältnis, z.B. bei einem Richtkoppler
mit 10 dB Anschlußdämpfung, dessen Spannungswicklungen etwa Je drei Windungen haben,
nur verhältnismäßig grob möglich ist. Die Windungszahl der Spannungswicklungen kann
immer nur eine ganze Windung geändert werden. In dem angenommenen Fall würde sich
die Anschlußdämpfung des Richtkopplers bei änderung der Windungszahl der Spannungswicklungen
um eine Windung um mehr als 2 dB ändern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Richtkoppler zum Abzweigen
von HF-Energie zu schaffen, dessen elektrische Eigenschaften bei geringem Aufwand
die ständig schärfer werdenden Forderungen, die an die Geräte für CATV- und KTV-Anlagen
gestellt werden, erfüllt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Stromwicklungen
und zwei Spannungswioklungen in jedem Vbertrager derart angeordnet sind, daß die
Stromwicklung der Hauptleitung zusammen mit der Spannungswicklung der Nebenleitung
und die Stromwicklung der Nebenleitung zusammen mit der Spannungswicklung der Hauptleitung
durch Je ein parallel liegendes Paar zylindrischer Löcher in einem Vierlochkern
verlaufen. Der mit dieser Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin,
daß infolge der festeren induktiven Kopplung zwischen den Spannungswicklungen und
den zugehörigen Stromwicklungen eine wesentlich geringere magnetische Streuung auftritt
als beim Zweilochkoppler. Die geringere magnetische Streuung bewirkt eine erheblich
kleinere Frequenzabhängigkeit der Anschlußdämpfung und ein größeres Richtverhältnis.
Das größere Richtverhältnis des Vierlochrichtkopplers hat zur Folge, daß bei Mehrfachabzweigen,
die mit solchen Richtkopplern aufgebaut werden, eine wesentlich bessere gegenseitige
Entkopplung der Abzweige zu erreichen ist.
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Dadurch, daß die Spannungswicklungen beim Vierlochkoppler nahezu vollkommen
vom Kern umschlossen werden, ergibt sich für diese Wicklungen gegenüber denen eines
Zweilochkopplers bei vergleichbaren Kernabmessungen, gleichem Kernmaterial und gleichen
Windungszahlen auch eine größere Induktivität. Die größere Induktivität der Spannungswicklungen
wirkt sich insbesondere bei einem Richtkoppler mit niedriger Anschlußdämpfung wegen
der relativ kleinen Windungszahl der Spannungswicklungen günstig auf die RUckflußdämpfung
aus.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Kerne mit vier Löchern
für die Richtkoppler aus zwei Kernen mit Je zwei Löchern (Doppellochkernen) zusammengesetzt.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, daß handelsUbliche Ferritkerne mit
zwei Löchern verwendet werden können und keine Sonderanfertigungen nötig sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die räumliche Lage
der Stromwicklungen in den Löchern der Kerne durch eine Kunststoffisolierung der
dafür verwendeten Drähte definiert, deren Außendurchmesser nur so wenig unter dem
Innendurchmesser der Löcher liegt, daß die räumliche Lage der Spannungswicklung
dadurch ebenfalls definiert ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht im wesentlichen
darin, daß neben der gewollten induktiven Kopplung zwischen den Strom- und Spannungswicklungen
eine geringere ungewollte kapazitive Kopplung in Erscheinung tritt. Dadurch wird
die sonst mit zunehmender Frequenz auftretende Verschlechterung der eektrischen
Eigenschaften des Richtkopplers wesentlich vermindert. Ferner werden die unvermeidbaren
fertigungsbedingten Streuungen der elektrischen Eigenschaften der Richtkoppler bedeutend
verringert, weil die gegenseitige räumliche Lage der Wicklungen in den Kernlöchern
durch die Kunststoffumhüllung exakt festgelegt ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist für jeden Abzweig
ein Richtkoppler vorgesehen, deren primäre Stromwicklungen in Reihe geschaltet und
deren Ubersetzungsverhältnisse entsprechend der Durchgangsdämpfung der davorliegenden
Richtkoppler abgestuft sind.
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Die Vorteile dieser Anordnung, die erst durch die hervorragenden elektrischen
Eigenschaften des erfindungsgemäßen Vierlochkopplers ohne Schwierigkeiten ausgeführt
werden kann, bestehen insbesondere darin, daß die Anschlußdämpfung an den Abzweigen
nur geringfUgig vom Sollwert abweicht, und daß die Abzweige gegeneinander hoch entkoppelt
sind. Die geringe Abweichung der Anschlußdämpfung an den Abzweigen vom Sollwert
wird dadurch ermöglicht, daß die Windungszahlen der Spannungswicklungen des Vierlochkopplers
um halbe Windungen geändert werden können, wodurch sich eine feinere Abstufung des
Ubersetzungsverhältnisses ergibt. Die hohe gegenseitige Entkopplung der Abzweige
eines Mehrfachabzweigers wird durch das hohe Richtverhältnis des Vierlochkopplers
erreicht.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die RUokflußdämpfung
an den Abzweigen und am Ausgang der Einrichtung im unteren Ubertragungsfrequenzbereich
durch Je einen mit jedem Abzweig und mit dem Ausgang in Reihe geschalteten Kondensator
geeigneter Kapazität erhöht. Der Vorteil dieser Anordnung ist die Verschiebung des
unteren Ubertragungsfrequenzbereiches nach tieferen Frequenzen hin, wodurch außer
einer Erhöhung der RUckrlußdämpfung bei tiefen Frequenzen eine Vergrößerung der
Bandbreite erreicht wird.
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Ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen Vierloch-Richtkoppler,
Fig. 2 das Schaltbild einer Einrichtung.
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In Fig. 1 sind drei Ansichten eines erfindungsgemäßen Vierloch-Richtkopplers
1 dargestellt. Der Kern besteht in diesem Beispiel aus zwei handelsUblichen Kernen
2 und 3 mit Je zwei Löchern 4. Die beiden Stromwicklungen, von denen eine in der
an den Eingang E (Fig. 2) angeschalteten Speiseleitung liegt, sind mit 5 und 5'
bezeichnet. Die Leiter sind, soweit sie sich im Bereich des Kerns 2 und 3 befinden,
mit einer Kunststoffisolierung 6, beispielsweise aus PE, umhüllt, deren Außendurchmeßser
8 geringfüglg kleiner ist als der Innendurchmesser 9 der Löcher 4. In dem verbleibenden
Zwischenraum zwischen der Kunststoffisolierung 6 und den Innenwänden
der
Löcher 4 sind die Spannungswicklungen 7 untergebracht, die im Beispiel aus Je zwei
Windungen bestehen.
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Die Vorteile des dargestellten Vierloch-Richtkopplers gegenüber den
bekannten Zweiloch-Richtkopplern sind aus der Zeichnung klar zu erkennen. Die Windungen
der Spannungswicklungen 7 sind fast über ihre gesamte Länge mit den zugehörigen
Stromwicklungen 5 und 5 induktiv fest gekoppelt. Das ergibt eine wesentlich verringerte
magnetische Streuung gegenUber den bekannten Zweiloch-Richtkopplern, bei denen meist
mehr als die Hälfte der Leiterlänge der Spannungswicklung an der Außenseite des
Kerns verläuft. Es ist auch erkennbar, daß die Windungszahlen der Spannungswicklungen
7 und 7' ohne Schwierigkeiten auch um eine halbe Windung vermindert werden können,
indem beispielsweise die gezeichneten verdrillten Enden der Spannungawicklungen
7 und 7' an der Seite des Kerns 2 und 3 herausgefUhrt wird, an der keine Anschlüsse
der Stromwicklung 5 liegen. Damit ist eine feinere Abstufung der Anschlußdämpfung
möglich.
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Es ist ferner erkennbar, daß durch die relativ dickwandige Isolierung
6 der Stromwicklungen 5 und 5' eine eindeutige räumliche Festlegung der beiden Stromwicklungen
5 und 5' und der Spannungswicklungen 7 und 7' in den Löchern 4 erfolgt. Neben einer
Verminderung der Streuung der elektrischen Werte in der Fertigung ergibt sich aus
dem größeren Abstand der Strom- und Spannungswicklungen 5 und 7 eine Verringerung
der ungewollten kapazitiven Kopplung zwischen den beiden Wicklungen, die zu einer
weiteren Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des Richtkopplers fUhrt.
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In Fig. 2 ist als Beispiel das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen
Einrichtung zum Abzweigen von Hochfrequenzenergie mit zwei Abzweigen 10 und lOa
gezeigt. Jedem Abzweig 10 ist ein Vierloch-Riohtkoppler 1 zugeordnet. Ihre primären
Stromwioklungen 5 und 5a liegen in Reihe geschaltet in der am Eingang E angeschlossenen
und vom Ausgang A weiterverlaufenden Speiseleitung. Die durch die Speiseleitung
zugefUhrte Hochfrequenzenergie wird im ersten Richtkoppler 1 um den Betrag von dessen
Durchgangsdämpfung vermindert. Soll am AbzweiglOa die gleiche HF-Energie zur Verfügung
stehen
wie am Abzweig 10, so muß bei sonst gleicher Beschaltung das Ubersetzungsverhältnis
des zweiten Richtkopplers la etwas geringer sein als das des ersten Richtkopplers
1. Hier kommt der Vorteil des Vierloch-Richtkopplers, die Möglichkeit der reinen
Abstufung der Spannungswicklung um halbe Windungen besonders vorteil@aft zur Geltung.
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Der Scheinwiderstand an Eingang, Ausgang und Abzweig eines Richtkopplers
kann im unteren Ubertragungsfrequenzbereich als Parallelschaltung eines reellen
Widerstandes Z (Wellenwiderstand) mit der Induktivität L der betrefrenden Spannungswicklung
aufgefaßt werden. FUr die Höhe des dadurch verursachten Reflexionsfaktors g gilt
die Gleichung Z (1) 2wL Die vom Reflexionsfaktor x abhängige RUckflußdämpfung dr
ist dr # 20 log 2#L (2) Z Aus dieser Gleichung ist zu erkennen, daß die RUckflußdämpfung
mit niedriger werdender Frequenz kleiner wird. Das Absinken der RUckflußdämpfung
mit niedriger werdender Frequenz kann, wie sich auch rechnerisch nachweisen läßt,
wesentlich verringert werden, wenn mit der eben beschriebenen Ersatzschaltung (Parallelschaltung
von Z mit L) ein Kondensator C geeigneter Kapazität in Reihe geschaltet wird. Dadurch
ändert sich der Reflezionsfaktor auf den Betrag
und die RUckflußdämpfung wird
In den beiden letzten Gleichungen(3) und(4) sind Z der Wellenwiderstand
und # der Scheinwiderstand der Parallelschaltung von Wellenwiderstand Z und Induktivität
L in Reihe mit der Kapazität C.
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Diese schaltungstechnische Maßnahme ist in Fig. 2 ebenfalls gezeigt.
An jedem der Abzweige 10 und lOa wie auch am Ausgang A des Zweifachabzweigers ist
Je ein Kondensator C vorgeschaltet. Damit läßt sich z.B. bei der Frequenz f = 40
MHz ein Reflexionsfaktor von γ = 6 %, der dadurch verursacht wird, daß parallel
zum reellen Widerstand Z- 75Z ein induktiver Blindwiderstand in Erscheinung tritt,
durch Reihenschaltung mit einer Kapazität von 820 pF auf weniger als t = 3 % vermindern.
Das entspricht einer Erhöhung der Rückflußdämpfung um mehr als 6 dB.
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L e e r s e i t e