DE2606449B2 - Einrichtung zum abzweigen von hochfrequenzenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Abzweigen von Hochfrequenzenergie (HF-Energie), die mehrere in Reihe geschaltete Übertrager mit richtungsabhängigen Übertragungseigenschaften (Richtkoppler) enthält, deren Kerne aus ferromagnetischem Material bestehen, und bei der jeder Übertrager eine zwischen Eingang und Ausgang liegende erste Stromwicklung, eine zwischen Eingang und Masse liegende erste Spannungswicklung, eine zwischen Abzweig und Masse liegende zweite Spannungswicklung und eine zwischen Abzweig und einem mit Masse verbundenen Widerstand liegende zweite Stromwicklung enthält.

Derartige Einrichtungen dienen in Großfernseh-Ver-

teilanlagen (CATV- und KTV-Anlagen) dazu, die

HF-Energie rückwirkungsfrei mit den erforderlichen Pegeln an die Ubergabepunkte abzuzweigen. An diesen Einrichtungen werden bezüglich der einzuhaltenden elektrischen Eigenschaften, wie Rückflußdämpfung, Arischlußdämpfung, Durchgangsdämpfung und Koppeldämptung (Entkopplung zwischen den Abzweigen) hohe Anforderungen gestellt.

Bekannt ist eine breitbandige Abzweigeeinrichtung für Hochfrequenzsignale des VHF/UHF-Bereichs (40 bis 860 MHz) zur richtungsabhängigen Auskopplung eines Teils der Hochfrequenzenergie auf zwei Verbraucher, insbesondere für Gemeinschaftsantennenanlagen, unter Verwendung von zwei in Kette geschalteten

gleichartig ausgebildeten Übertragern, deren Wicklungen auf ferromagnetischem Kernmaterial angeordnet und aus jeweils drei in Serie liegenden, durch einen ersten und einen zweiten Anzapfpunkt voneinander getrennten Wicklungsteilen bestehen und deren jeweils erste Anzapfpunkte miteinander verbunden sind, so daß die jeweils ersten Wicklungsteile der beiden Übertrager zwischen dem den Eingang der Abzweiganordnung bildenden Wicklungsanfang des ersten Übertragers und dem den Ausgang bildenden Wicklungsanfang des

zweiten Übertragers in Serie liegen, während die beiden Abzweiganschlüsse am Wicklungsende des ersten Übertragers bzw. am zweiten Anzapfpunkt des zweiten Übertragers vorgesehen sind und am zweiten Anzapfpunkt des eisten Übertragers bzw. am Wicklungsende

jo des zweiten Übertragers je ein Abschlußwiderstand angeschaltet ist, bei der die, insbesondere rohrförmig ausgebildeten und bewickelten Übertragerkerne im Bereich ihrer Mantelfläche mit einer hülsenartigen, mit Massepotential leitend verbundenen Abschirmung ab-

J5 gedeckt sind (DT-OS 24 25 722).

Bekannt ist auch eine Anordnung zur Aufteilung von Hochfrequenzenergie auf zwei oder mehr Verbraucherausgänge, bei der zur Erzielung einer hohen Entkopplungsdämpfung Hochfrequenztransformatoren mit gegeneinander entkoppelten Wicklungen verwendet werden, und bei der an den Eingangsanschluß für jeden Ausgang jeweils der Anfang einer Primärwicklung eines Hochfrequenztransformators angeschlossen ist, deren Ende mit dem Anfang der Sekundärwicklung eines Hochfrequenztransformators für einen anderen Ausgang verbunden ist und das Ende der Sekundärwicklungen jeweils die Ausgangsanschlüsse sind, und daß für jeden einzelnen Hochfrequenztransformator der Wicklungssinn von Primär- und Sekundärwicklung so ist, daß sie entgegengesetzte magnetischer Felder erzeugen (DT-AS 24 23 112).

Bekannt ist ferner ein richtungsabhängiger Breitbandübertrager 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 in gleichen Sinn wie die erste Wicklung durch das erste Loch gewickelt sind (DT-AS 21 61 620).
Bei Übertragern der bekannten Arten werden die

erste und die dritte Wicklung auch als Stromwicklungen, die zweite und die vierte Wicklung als Spannungswicklungen bezeichnet. 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 ungünstig auf die Anpassung und die Durchgangsdämpfung aus. Die Spannungswicklungen haben entsprechend der verlangten Anschlußriämpfung des Richtkopplers höhere Windungszahlen als die Stromwicklungen und sind z. B. beim Doppellochkern auf die beiden 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 herumgeführt. Die außen am Kern liegenden Wicklungsanteile der Spannungswicklungen sind mit den dazugehörigen Stromwicklungen nur schwach induktiv gekoppelt.

Die Streuinduktivitäten des Richtkopplers fallen dadurch größer aus, ais wenn die Spannungswicklungen über die gesamte Wicklungslänge mit den Stromwicklungen induktiv fest gekoppelt wären. Da die obere Grenzfrequenz des Übertragungsbereiches eines Richtkopplers im wesentlichen von den Streuinduktivitäten und den Wicklungskapazitäten abhängig ist, haben die Richtkoppler der oben beschriebenen Bauart den Nachteil, daß die Anschlußdämpfung im oberen Übertragungsfrequenzbereich ansteigt. Ein weiterer Nachteil dieser Richtkopplerbauart besteht darin, daß die Einstellung der Anschlußdämpfung durch dis Übersetzungsverhältnis, z. B. bei einem Richtkoppler mit 1OdB Anschlußdämpfung, dessen Spannungswicklungen etwa je drei Windungen haben, nur verhältnismäßig grob möglich ist. Die Windungszahl der Spannungswicklungen kann immer nur um 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.

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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Stromwicklungen und zwei Spannungswicklungen in jedem Übertrager derart angeordnet sind, daß die erste Stromwicklung der Hauptleitung zusammen mit der zweiten Spannungswicklung der Nebenleitung und die zweite Stromwicklung der Nebenleitung zusammen mit der ersten Spannungswicklung der Hauptleitung durch je ein parallelliegendes 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 weiden, eine wesentlich bessere gegenseitige Entkopplung der Abzweige zu erreichen ist. 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

ίο Windungszahl der Spannungswicklungen günstig auf die Rückflußdämpfung aus.

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 handelsübliche Ferritkerne mit zwei Löchern verwendet werden können und keine Sonderanfertigungen nötig sind.

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 elektrischen 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.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Übersetzungsverhältnisse der einzelnen Richtkoppler entsprechend der Durchgangsdämpfung der zwischen ihnen und der Energiequelle liegenden Richtkoppler abgestuft. Die Vorteile dieser Anordnung, die erst durch die hervorragenden Eigenschaften des erfindungsgemäßen Vierlochkopplers ohne Schwierigkeiten ausgeführt werden kann, bestehen insbesondere darin, daß die Anschlußdämpfung an den Abzweigen nur geringfügig 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 der Übersetzungsverhältnisse ergibt. Die hohe gegenseitige Entkopplung der Abzweige eines Mehrfachabzweigers wird durch das hohe Richtverhältnis des Vierlochkopplers erreicht.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Rückflußdämpfung an den Abzweigen und am Ausgang der Einrichtung im unteren Übertragungsfrequenzbereich 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 Übciuagungsfrequenzbereiches nach tieferen Frequenzen hin, wodurch außer einer Erhöhung der Rückflußdämpfung bei tieferen Frequenzen eine Vergrößerung der Bandbreite erreicht wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Vierloch-Richtkoppler,

F i g. 2 das Schaltbild einer Einrichtung.

In Fig. 1 sind drei Ansichten eines erfindungsgemäßen Vierloch-Richtkopplers 1 dargestellt. Der Kern besteht in diesem Beispiel aus zwei handelsüblichen Kernen 2 und 3 mit je zwei Löchern 4. Die beiden Stromwicklungen, von denen eine in der an den Eingang E(F i g. 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 Außendurchmesser 8 geringfügig 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.

Die Vorteile des dargestellten Vierlochrichtkopplers gegenüber den bekannten Zweilochrichtkopplern 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' rs induktiv fest gekoppelt. Das ergibt eine wesentlich verringerte magnetische Streuung gegenüber den bekannten Zweilochrichtkopplern, 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 T ohne Schwierigkeiten auch um eine halbe Windung vermindert werden können, indem beispielsweise die gezeichneten verdrillten Enden der Spannungswicklungen 7 und T an der Seite des Kerns 2 und 3 herausgeführt wird, an der keine Anschlüsse der Stromwicklung 5 liegen. Damit ist eine feinere Abstufung der Anschlußdämpfung möglich.

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 T 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 führt.

In Fig. 2 ist als Beispiel das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Abzweigen von Hochfrequenzenergie mit zwei Abzweigen 10 und 10a gezeigt. Jedem Abzweig 10 ist ein Vierlochrichtkoppler 1 zugeordnet. Ihre primären Stromwicklungen 5 und 5a y, liegen in Reihe geschaltet in der am Eingang E angeschlossenen und vom Ausgang A weiterverlaufenden Speiseleitung. Die durch die Speiseleitung zugeführte Hochfrequenzenergie wird im ersten Richtkopplcr 1 um den Betrag von dessen Durchgangsdämpfung vermindert. Soll am Abzweig 10a die gleiche HF-Energie zur Verfügung stehen wie am Abzweig 10, so muß bei sonst gleicher Beschallung das Übersetzungsverhältnis des zweiten Richtkopplers la etwas geringer sein als das des ersten Richtkopplers 1. Hier kommt der Vorteil des Vierlochrichtkopplers, die Möglichkeit der feinen Abstufung der Spannungswicklung um halbe Windungen, besonders vorteilhaft zur Geltung.

Der Scheinwiderstand an Eingang, Ausgang und Abzweig eines Richtkopplers kann im unteren Übertragungsfrequenzbereich als Parallelschaltung eines reellen Widerstandes Z (Wellenwiderstand) mit der Induktivität L der betreffenden Spannungswicklung aufgefaßt werden. Für die Höhe des dadurch verursachten Reflexionsfaktors gilt die Gleichung

ImL '

Die vom Reflexionsfaktor r abhängige Riickflußdämpfung a_rist

a_r « 20 log

2wL

Aus dieser Gleichung ist zu erkennen, daß die Rückflußdämpfung mit niedriger werdender Frequenz kleiner wird. Das Absinken der Rückflußdämpfung 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 Reflexionsfaktor auf den Betrag

(3)

und die Rückflußdämpfung wird
a, = 20 log '-

(4)

In den beiden letzten Gleichungen (3) und (4) sind Z der Wellenwiderstand und3<3er Scheinwiderstand der Parallelschaltung von Wellenwiderstand Zund Induktivität L in Reihe mit der Kapazität C.

Diese schaltungstechnische Maßnahme ist in Fig. 2 ebenfalls gezeigt. An jedem der Abzweige 10 und 10.7 wie auch am Ausgang A des Zweifachabzweigers ist je ein Kondensator C vorgeschaltet. Damit läßt sich z. B. bei der Frequenz /"=40 MHz ein Reflexionsfaktor von r=6%, der dadurch verursacht wird, daß parallel zum reellen Widerstand Z- 75 Ω ein induktiver Blindwiderstand in Erscheinung tritt, durch Reihenschaltung mit einer Kapazität von 82OpF auf weniger als r=3% vermindern. Das entspricht einer Erhöhung der Rückflußdämpfung um mehr als 6 dB.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Abzweigen von Hochfrequenzenergie, die mehrere in Reihe geschaltete Übertrager mit richtungsabhängiger Übertragungseigenschaften (Richtkoppler) enthält, deren Kerne aus ferromagnetischem Material bestehen, und bei der jeder Übertrager eine zwischen Eingang und Ausgang liegende erste Stromwicklung, eine zwischen Eingang und Masse liegende erste Spannungswicklung, eine zwischen Abzweig und Masse liegende zweite Spannungswicklung und eine zwischen Abzweig und einem mit Masse verbundenen Widerstand liegende zweite Stromwicklung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromwicklung (5) der Hauptleitung zusammen mit der zweiten Spannungswicklung (7) der Nebenleitung und die zweite Stromwicklung (5') der Nebenleitung zusammen mit der ersten Spannungswicklung (7') der Hauptleitung durch je ein parallelliegendes Paar zylindrischer Löcher (4) in einem Vierlochkern (2,3) verlaufen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne (2, 3) mit vier Löchern (4) aus zwei Kernen (2 und 3) mit je zwei Löchern (4) (Doppellochkernen) zusammengesetzt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Lage der Stromwicklungen (5, 5') in den Löchern (4) der Kerne (2, 3) durch eine Kunststoffisolierung (6) der dafür verwendeten Drähte definiert ist, deren Außendurchmesser (8) nur so wenig unter dem Innendurchmesser (9) der Löcher (4) liegt, daß die räumliche Lage der Spannungswicklungen (7, T) dadurch ebenfalls definiert ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersetzungsverhältnisse (U], U2) der einzelnen Richtkoppler (1) entsprechend der Durchgangsdämpfung der zwischen ihnen und der Energiequelle liegenden Richtkoppler (1) abgestuft sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückflußdämpfung an den Abzweigen (10,10a) und am Ausgang (A)der Einrichtung im unteren Übertragungsfrequenzbereich durch je einen mit jedem Abzweig (10,10a) und mit dem Ausgang (A) in Reihe geschalteten Kondensator ^geeigneter Kapazität erhöht wird.