DE2733888C2 - Schaltung zum Aufteilen oder Zusammenführen von Hochfrequenzleistung - Google Patents

Description

a) vor dem Summenpunkt (S) mindestens ein, allen nachfolgenden parallelgeschalteten Transformationsgliedern (L) gemeinsames, Leitungstransformationsglied (L 1) geschaltet ist (F ig. 3), und/oder

b) die parallelgeschalteten Leitungstransformationsglieder (L) jeweils aus einem Leitungstransformator bestehen, dessen λ/4 lange LeitungsstQcke (L2, L3) an den Einzeltoren (1, 2, 3, n) parallel und am Summenpunkt (S) in Reihe geschaltet sind (F i g. 4).

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2. Schaltung nach Anspruch 1, Merkmal a, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgeschaltete Leitungstransformationsglied (L 1) durch mindestens ein λ/4 langes Leitungsstück gebildet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, Merkmal a, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgeschaltete Leitungstransformationsglied (L 1) ein Leitungstransformator ist, dessen A/4 lange Leitungsstücke eingangsseitig in Reihe und ausgangsseitig parallel geschaltet sind.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungswiderstände (7ζ> komplexe Widerstände sind.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die komplexen Entkopplungswiderstände (K) aus der Reihenschaltung einer Induktivität, einer Kapazität und eines Ohm'schen Widerstandes bestehen, wobei der Ohm'sche Widerstand so bemessen ist, daß er annähernd einen dem nominellen Abschlußwiderstand der Einzeltore so entsprechenden Widerstandswert besitzt, während Induktivität und Kapazität so bemessen sind, daß sie etwa bei Mittenfrequenz in Reihenresonanz sind.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungstransformationsglieder (L, L1 bis L 3) jeweils kurzstufige, aus Λ/16 langen Leitungsstücken aufgebaute Leitungstransformatoren sind.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem der einzelnen Leitungsteilstücke des kurzstufigen Leitungstransformators zu einem freien Sternpunkt zusammengeschaltete Kopplungswiderstände angeschaltet sind.

8. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungstransformationsglieder mindestens teilweise aus konzentrierten Schaltelementen aufgebaut sind.

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Entkopplungswiderständen (K) Blindwiderstände (B) geschaltet sind, deren Blindleitwert entgegengesetzt zu demjenigen Blindleitwert gewählt ist, der sich bei Mittenfrequenz und Kurzschluß am Sternpunkt (S) an dem zugehörigen Einzeltor ergibt (Parallelresonanz).

Die Erfindung betrifft eine Schaltung laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Schaltungen dieser Art sind als sogenannte Wilkinson-Teiler bekannt (IRE Trans. Microwave Theory Techn.Vol.MTT-8 1960, S. 116 bis 118). Sie bestehen z. B. nach F i g. 1 aus mehreren parallelgeschalteten Leitungstransformationsgliedern L, die in ihrem Übersetzungsverhältnis: entsprechend der Anzahl η der Eirizeltore 1, 2, 3 ... π bemessen sind. Diese als Leitungsstücke ausgebildeten Leitungstransformationsglieder L sind an dem einen Ende in einem Summenpunkt zusammengefaßt und an den anderen, mit den Finzeltoren 1,2,3... π verbundenen Enden sind jeweils Entkopplungswiderstände K angeschaltet, die in einem freien Sternpunkt P zusammengefaßt sind. Jedes Leitungsstück besitzt eine elektrische Länge von λ/4 (wenn in der nachfolgenden Beschreibung die elektrische Länge von Leitungsstücken in λ angegeben ist, so bedeJtet λ jeweils die mittlere Betriebswellenlänge, also jeweils die Mittenfrequenz des Frequenzbereiches, in welchem die Schaltung betrieben wird). Die Bandbreite der Anpassung (Rückflußdämpfung) nimmt bei diesen Schaltungen mit der Anzahl η der Einzeltore ab, während die Bandbreite der Entkopplung (Isolation) mit der Anzahl η der Einzeltore zunimmt. Nachdem solche Schaltungen meist für mehrere Einzeltore gebraucht werden, besitzen sie meist auch schon eine genügend breitbandige Entkopplung. Um hierbei jedoch auch noch die Anpassung zu verbessern ist es im Sinne der F i g. 2 bekannt, jedes Leitungstransformationsglied aus beispielsweise drei in Kette geschalteten Transformationsstufen I, II und III aufzubauen und jede dieser Stufen jeweils wieder durch λ/4 lange Leitungsstücke L zu bilden, an deren Enden jeweils wieder in einem freien Sternpunkt P zusammengefaßte Entkopplungswiderstände K angeschaltet sind (IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-18, Nr. 10, Oktober 1970, S. 682 bis 688). Die Wellenwiderstände dieser in Kette geschalteten Leitungstransformationsstücke sind hierbei entsprechend unterschiedlich gewählt.

Eine einwandfreie Entkopplung und Anpassung ist mit diesen bekannten Schaltungen nur mit relativ großem schaltungstechnischen Aufwand realisierbar. Es sind mehrere hintereinandergeschaltete λ/4 lange Leitungsstücke nötig, ebenso mehrere zu einem Sternpunkt zusammengefaßte Entkopplungswiderstände. Vor allem für höhere Leistungen ist die Zusammenfassung der Entkopplungswiderstände in einem frei liegenden Sternpunkt konstruktiv sehr schwierig. Die Serienschaltung mehrerer λ/4 langer Leitungsstücke ist wegen der hohen Dämpfung und vor allem wegen der sich bei niedrigen Frequenzen ergebenden großen mechanischen Länge ebenfalls elektrisch und konstruktiv sehr ungünstig.

Es ist auch bekannt, anstelle von einfachen aus λ/4 langen Leitungsstücken bestehenden Leitungstransformationsgliedern einen sogen. Leitungstransformator zu

verwenden, der aus der Reihen- und Parallelschaltung von zwei oder mehreren Leitungsstücken besteht (E Lampen, »Leitungsübertrager mit beliebigem, ganzzahligem Übersetzungsverhältnis«, A EU, Band 23,1969, Heft 1, S. 49 bis 59).

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine zu;n Aufteilen oder Zusammenführen von Hochfrequenzleistung geeignete Schaltung der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden und zu verbessern, daß sie bei annähernd gleich guten Eigenschaften (breitbandige Entkopplung und Anpassung) wesentlich gedrungener und kleiner und mit weniger Bauelementen als bisher aufgebaut werden kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale a) und/oder b) des Hauptanspruches gelöst Beide Lösungen ermöglichen bei annähernd gleich guter Entkopplung der Einzeltore und annähernd gleich guter Rückflußdämpfung am Summentor einen wesentlich einfacheren Gesamtaufbau. Bei der Lösung a) werden mindestens zwei bisher erforderliche Leitungsstücke überflüssig, vor allem auch die zugehörigen F.ntkopplungswiderstände, bei der Lösung b) werden gleich gute Ergebnisse mit noch geringerem schaltungstechnischen Aufwand erzielt Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der F i g. 3 bis 5 an Ausführungsbeispielen näher erläutert

Fig.3 zeigt das Prinzipschaltbild der ersten erfindungsgemäßen Lösung a). Diese Schaltung ist in ihrem hinteren Teil, d. h. in den Transformationsstufen II und III wie eine bekannte Schaltung nach Fig.2 aufgebaut und auch bemessen, die Leitungstransformationsglieder L der Stufe II sind jedoch in einem Summenpunkt 5 zusammengefaßt. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß die Entkopplung unmittelbar von der Anzahl η der Einzeltore abhängt. Für mehrere beispielsweise vier Einzeltore genügt es deshalb, nur die Anpassung zu verbessern. Dies geschieht gemäß der Schaltung nach F i g. 3 dadurch, daß vor dem Summenpunkt 5 ein einziges A/4 langes Leitungsstück L1 als gemeinsame Leitungstransformationsstufe I vorgeschaltet wird, dessen eine Seite unmittelbar das Summentor Z bildet. Das Übersetzungsverhältnis der durch die in Reihe geschalteten Leitungsstücke L I und L der Transformationsstufen I, II und III gebildeten Gesamtschaltung ist wieder entsprechend der Anzahl η der Einzeltore gewählt, es wird in bekannter Weise durch entsprechende Wahl des Wellenwiderstandes und der elektrischen Länge dieser Leitungsstücke eingestellt Der Wellenwiderstand des vorgezogenen Leitungsstückes L 1 ist um die Anzahl π der Einzeltore kleiner gewählt als der Wellenwiderstand, der in bekannter Weise an sich für die Transformationsglieder L der Stufe I der Schaltung nach F i g. 2 sich ergeben würde. Es ist in der Transformationsstufe I also nur ein einziges Leitungstransformationsglied vorgesehen, das außerdem nicht mit Kopplungswiderständen beschaltet ist.

Anstelle von nur einem einzigen in F i g. 3 dargestellten vorgezogenen λ/4 langen Transformationsleitungsstück L1 kann bei ausreichender Entkopplung und Forderung nach weiterer Verbesserung der Anpassung auch ein aus zwei oder mehreren hintereinander geschalteten λ/4 langen Transformationsleitungsstükken bestehendes Transformationsglied dem gemeinsamen Summenpunkt S der nachgeschalteten Transformationsstufen vorgeschaltet werden. Hierbei muß wiederum der Wellenwiderstand dieser vorgezogenen Leitungsstücke um die Anzahl π der Einzeltore kleiner gewählt werden als er sich an sich nach der bekannten Bemessung ergeben würde. Für sehr gute Anpassung kann anstelle des einfachen Transformationsleitungs-Stückes L 1 auch ein bekannter eingangs erwähnter Leitungstransformator benutzt werden, der aus der Reihen- und Parallelschaltung von A/4 langen Leitungsstücken besteht

In Fig.3 sind zwar zwei in Kette geschaltete ίο Transformationsstufen II und III gezeigt bei ausreichender Entkopplung kann gegebenenfalls aber auch nur eine solche nachgeordnete Transformationsstufe, nämlich III, vorgesehen sein.

Je nach den gewünschten Eigenschaften bezüglich Entkopplung und Anpassung wird der Aufbau der Transformationsstufen I bzw. II und III gemäß Fig.3 jeweils so gewählt, daß der Gesamtaufwand der Schaltung auf ein Minimum beschränkt bleibt Die Stufen I, II und III zusammen ohne Entkopplungswiderstände K bestimmen jeweils die Anpassung am Summentor während die Stufen II und III der erfindungsgemäßen Schaltung nach Fig.3 zusammen mit den Entkopplungswiderständen K im wesentlichen die Entkopplung beeinflussen. Der Fachmann kann damit jeweils den optimal günstigsten Aufbau wählen.

Fig.4 zeigt das Prinzipschaltbild der zweiten erfindungsgemäßen Lösung b). Hierbei wird ausgegangen von einer bekannten Schaltung nach Fig. 1. Die parallelgeschalteten Leitungstransformationsglieder L dieser Schaltung nach F i g. 1 sind bei der erfindungsgemäßen Schaltung nach Fig.4 jeweils durch einen bekannten aus der Serien- und Parallelschaltung von zwei oder mehreren Leitungsstücken bestehenden Leitungstransformator gebildet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht jeder Leitungstransformator aus zwei in Reihe und parallelgeschalteten A/4 langen Leitungsstücken L 2 und L 3. Die Leitungsstücke müssen für den erfindungsgemäßen Zweck λ/4 lang sein, damit sie bei Mittenfrequenz und Kurzschluß am Sternpunkt 5 Parallelresonanzverhalten zeigen, was zur Erreichung einer guten Entkopplung notwendig ist. Die Schaltung nach Fig.4 eignet sich vor allem für Leistungsteiler mit mehr als vier Einzeltoren, da in diesem Fall bereits eine ausreichend breitbandige 4^ Entkopplung der einzelnen Tore vorliegt und es daher im wesentlichen wieder nur auf eine Verbesserung der Bandbreite der Anpassung am Summentor Zankommt. Dies wird bei der Schaltung nach Fig.4 in einer einzigen Transformationsstufe jeweils durch die vorgesehenen Leitungstransformatoren erreicht. Mit der Schaltung nach F i g. 4 kann am Summentor eine in der Praxis gleich gute breitbandige Anpassung erzielt werden, wie bei der bekannten Lösung beispielsweise nach F i g. 2 mit drei hintereinander geschalteten Transformationsstufen, nur mit einem wesentlich einfacheren und gedrungeren Gesamtaufbau. Es sind auch hier wieder wesentlich weniger Entkopplungswiderstände nötig, wodurch vor allem der konstruktive Aufbau sehr vereinfacht wird, zusätzlich sind aber auch wesentlich weniger λ/4 lange Leitungsstücke nötig, wodurch beispielsweise auch bei niedrigeren Frequenzen im Bereich von 100 Mhz ein sehr kleiner Gesan:taufbau möglich ist. Die Leitungstransformatcren der Schaltung nach Fig.4 werden in bekannter Weise unter Berücksichtigung der Leitungslänge und des Wellenwiderstandes so bemessen, daß ihr Übersetzungsverhältnis der Anzahl η von Einzeltoren entspricht

Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung von rein Ohm'schen Widerständen als Entkopplungswiderstände bei den beiden erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schaltungen die Bandbreite der Entkopplung ungünstig beeinflußt wird. In der Praxis besteht vor allem bei größeren Leistungen auch ein Problem darin, diese Entkopplungswiderstände ausreichend zu kühlen. Sie müssen zu diesem Zweck konstruktiv in einem möglichst großen Abstand voneinander angeordnet werden. Dies bedeutet jedoch störende Leitungsinduktivitäten.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung hat es sich daher als vorteilhaft erwiesen, diese Entkopplungswiderstände K als komplexe Widerstände auszuführen und die induktiven bzw. kapazitiven Anteile dieser Entkopplungswiderstände bei der Bemessung der Gesamtschaltung bereits so zu berücksichtigen, daß auch die Bandbreite der Entkopplung größer wird. Eine Möglichkeit hierfür ist in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 gezeigt Hier bestehen die Entkopplungswiderstände K aus einem Serienresonanzkreis. Der reelle Widerstand dieser Entkopplungswiderstände K muß dabei etwa gleich groß dem nominellen Abschlußwiderstand am Einzeltor, beispielsweise 50 Ohm sein, während die Induktivität und die Kapazität so bemessen sind, daß sie in der Nähe der Mittenfrequenz Reihenresonanz zeigen. Diese Weiterbildung der Erfindung besitzt zwei Vorteile. Erstens wird hierdurch die Bandbreite der Entkopplung vergrößert und zweitens können die Ohm'schen Widerstände in einem relativ großen Abstand voneinander angeordnet werden und so für größere Leistungen ausreichend gekühlt werden, denn die hierfür erforderlichen langen Zuleitungen zu den Widerständen können unmittelbar in die Dimensionierung der Induktivität des komplexen Widerstandes mit einbezogen werden.

Bei den bekannten durch Serien- und Parallelschaltung von Leitungsstücken gebildeten Leitungstransformatoren sind normalerweise nur Widerstandsübersetzungsverhältnisse möglich, die Quadrate ganzer Zahlen sind, also beispielsweise 4,9,16 usw. Um je nach Anzahl η der Einzeltore zu entsprechenden Zwischengrößen dieser Übersetzungsverhältnisse zu kommen, kann in bekannter Weise den Transformationsleitungen, aus denen der Leistungsfransformator gebildet wird, durch entsprechende Wahl des Wellenwiderstandes eine zusätzliche Widerstandstransformation gegeben werden, was jedoch einen Verzicht auf Bandbreite der Anpassung bedeutet Dieser Verlust an Bandbreite der Anpassung läßt sich teilweise dadurch wieder ausgleichen, daß an der einen oder anderen Seite der λ/4 langen Transformationsleitungsstücke, aus denen der Leitungstransformator gebildet ist λ/4 lange Stichleitungen angeschaltet werden, deren Wellenwiderstand hochohmig gegenüber dem Wellenwiderstand der den Transformator bildenden Leitungsstücke gewählt ist

Ein besonders kleiner gedrungener Gesamtaufbau einer erfindungsgemäßen Schaltung nach den Fig.3 und 4 ergibt sich, wenn die Leitungstransformationsglieder nicht aus Leitungsstücken aufgebaut werden sondern in bekannter Weise ganz oder teilweise aus konzentrierten Bauelementen wie Spulen und Kondensatoren. Dies ist besonders für niedrigere Frequenzen von Vorteil. Für höhere Frequenzen wird vorzugsweise der Aufbau aus Leitungsstücken beibehalten, z. B. in bekannter gedruckter Leitungstechnik. Ein gemischter Aufbau aus Leitungsstücken und konzentrierten Bauelementen kommt in Frage, wenn der reine Leitungsaufbau zu groß wird und wenn die zu übertragenden Leistungen so groß werden, daß die Schaltungen nicht mehr in gedruckter Schaltungstechnik realisiert werden können sondern nur mit Hilfe konzentrischer Leitungen, die in ihrem Wellenwiderstand festliegen.

Für den Aufbau der Leitungstransformationsglieder L, Li bzw. L 2IL 3 aus konzentrierten Bauelementen gibt es die verschiedenartigsten bekannten Lösungen. Eine Lösung hierfür besteht aus einer Spule /und einem

ίο Kondensator C ist in Fig.5 dargestellt Bei solchen Schaltungen ganz oder teilweise aus konzentrierten Bauelementen kann es passieren, daß die Kennlinie der Entkopplung nicht symmetrisch zur Mittenfrequenz liegt sondern mehr oder weniger demgegenüber

is versetzt Um diesen Mangel zu beseitigen wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung im Sinne der F i g. 5 parallel zum Entkopplungswiderstand K ein zusätzlicher Blindwiderstand B geschaltet Der Blindleitwert dieses Blindwiderstandes wird so dimensioniert, daß er mit dem Blindleitwert des Transformationsleitungsgliedes, der sich bei Mittenfrequenz und Kurzschluß am Sternpunkt S an dem zugehörigen Einzeltor ergibt, Parallelresonanz ergibt, d. h. dieser Blindleitwert des parallel zum Entkopplungswiderstands K geschalteten Blindwiderstandes B wird gleich groß jedoch mit entgegengesetzten Vorzeichen wie der Blindleitwert gewählt, der sich unter den erwähnten Voraussetzungen eines Kurzschlusses am Sternpunkt S bei Mittenfrequenz am Einzeltor rechnerisch ergibt. Dieser zusätzlich parallelgeschaltete Blindwiderstand ist im allgemeinen eine Kapazität oder Induktivität. Der Entkopplungswiderstand K kann auch bei dieser Schaltung zur Erhöhung der Bandbreite der Entkopplung bzw. zur räumlichen Vergrößerung des Abstandes der Widerstände aus einem Reihenresonanzkreis bestehen, wie dies im Zusammenhang mit Fig.4 für die Entkopplungswiderstände beschrieben ist. Anstelle der beschriebenen konzentrierten Schaltelemente zur Realisierung der komplexen Widerstände K bzw. B können auch entsprechend dimensionierte Leitungsstücke verwendet werden, und zwar gegebenenfalls auch in gemischter Schaltung mit zusätzlichen konzentrierten Bauelementen.

Die Dimensionierung und Realisierung der Leitungstransformationsglieder nach F i g. 5 eignet sich sowohl für die Schaltung nach F i g. 3 als auch für die Schaltung nach F i g. 4.

Eine weitere Verringerung der Baugröße der Schaltungen nach Fig.3 und 4 kann dadurch erzielt werden, daß die einzelnen Leitungstransformationsglieder in an sich bekannter Weise als sogenannte kurzstufige Leitungstransformatoren aufgebaut werden, wie sie näher in dem Aufsatz von Matthaei »Short Step Impedance Transformers« IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-14, Nr. 8, August 1966 beschrieben sind. Hierbei wird jedes Transformationsleitungsstück beispielsweise aus vier in Reihe geschalteten und im Wellenwiderstand entsprechend bemessenen λ/16 langen Leitungsstücken gebildet Bei Anwendung dieser bekannten Technik bei einem Leistungsteiler nach Fig.3 oder 4 hat es sich ferner noch als vorteilhaft erwiesen, jeweils zwischen zwei oder mehreren der in Reihe geschalteten Leitungsstücke dieses kurzstufigen Leitungstransformators reelle Entkopplungswiderstände zwischenzuschalten, die jeweils in einem gemeinsamen freien Sternpunkt zusammengefaßt sind.
Die Schaltung nach den F i g. 3 und 4 eignet sich im

Sinne der dargestellten Ausführungsbeispiele sowohl zum Aufteilen von aus einer Signalquelle dem Summentor zugeführten Hochfrequenzleistung auf die Einzeltore als auch zum Zusammenführen von diesen Einzeltoren zugeführten Hochfrequenzleistung im Summentor. Solche Schaltungen werden beispielsweise zum Parallelschalten mehrerer Hochfrequenz-Leistungsverstärker benutzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 Patentansprüche:

1. Schaltung zum Aufteilen von einem Summentor zugeführter Hochfrequenzleistuns auf mehrere Einzeltore bzw. zum Zusammenfahren von Einzelto- s ren zugeführter Hochfrequenzleistung in einem Summentor mit mehreren parallelgeschalteten, in ihrem Übersetzungsverhältnis entsprechend der Anzahl der Einzeltore bemessenen Leitungstransformationsgliedern jeweils bestehend aus mindestens einer durch A/4 lange Leitungsstücke gebildeten Leitungstransformationsstufe, die auf der einen Seite in einem Summenpunkt zusammengefaßt sind und deren Leitungstransformationsstufen jeweils Entkopplungswiderstände zugeordnet sind, die in einem freien Sternpunkt zusammengeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß