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Leitungsverzweigung
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Die Erfindung betrifft eine Leitungsverzweigung mit einem gemeinsamen
Verzweigungspunkt und mehreren von diesem Verzweigungspunkt ausgehenden Leitungen,
deren elektrische Länge jeweils ein Viertel der bei einer mittleren Betriebs frequenz
fOsich ausbildenden Wellenlänge A beträgt und die an ihren dem Verzweigungspunkt
abgewandten Enden über selektive Mittel bzw. über Schaltmittel mit jeweils einem
Sender oder gegebenenfalls mit jeweils einem Empfänger verbunden sind, und bei der
ferner ein vorzugsweise als Antenne ausgebildeter gemeinsamer Lastwiderstand mit
dem Verzweigungspunkt verbunden ist.
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Bei derartigen Leitungsverzweigungen, die beispielsweise für den Aufbau
von nach dem Abzweigprinzip konzipierten Frequenzweichen oder Mehrwegschaltern benötigt
werden, ist stets ein gemeinsamer Verzweigungspunkt vorhanden, von dem aus Leitungen
zu Sendern und Verbrauchern ausgehen.
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Im Falle einer Senderweiche ist für jeden der anschließenden Sender
eine zum gemeinsamen Verzweigungspunkt hinfUhrende Leitung notwendig, während eine
weitere Leitung von diesem Verzweigungspunkt zu einem gemeinsamen Verbraucher fUhrt.
In jede Leitung zwischen den Sendern und dem Verzweigungspunkt ist zusätzlich ein
Bandpaß eingefügt, dessen Durchlaßbereich mit dem Frequenzbereich des angeschlossenen
Senders tbereinstimmt. Dagegen liegen die Frequenzen aller anderen an die Weiche
angeschlossenen Sender in seinem Sperrbereich.
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In analoger Weise ist die Funktion eines Mehrwegschalters zu betrachten.
An der Stelle der Bandpässe befinden sich jedoch Schalter, meist PIN-Dioden, Meso
geschaltet sind, daß immer nur einer der angeschlossenen Sender in den Verzweigungspunkt
einspeisen kann. Seine Leistung wird dann weiter zum ebenfalls am Verzweigungspunkt
angeschlossenen Verbraucher transportiert.
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Selbstverständlich kann man in beiden Fällen die Richtung der Energieübertragung
ändern. Statt einer Senderweiche handelt es sich dann um eine Empfängerweiche, wrend
der Mehrwegschalter die von einem Sender oder auch von einer Empfangsantenne abgegebene
Leistung wahlweise auf verschiedene Verbraucher abgibt.
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Bei höheren Frequenzen sobald die mechanischen Abmessungen der Schalt-
oder Filterelemente gegenüber der Wellenlänge nicht mehr vernachlässigbar sind,
ist es erforderlich, diese Elemente in einer bestimmten Entfernung vom Verzweigungspunkt
anzuordnen. Nur so ist zumindest bei einer Frequenz Anpassung erzielbar. Aufgrund
der frequenzabhängigen elektrischen Längen der Leitungen zwischen Schalt- oder Filterelementen
und dem gemelnsamen Knotenpunkt ist jedoch die Bandbreite einer solchen Schaltung
begrenzt.
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Als Beispiel für die Antgendungbereits vorgesohlagener Leitungsverzweigungen
zeigt die Fig. 1 einen nach dem Abzweigprinzip aufgebauten Mehrwegschalter für höhere
Frequenzen mit Diodenschaltern und Fig. 2 eine hierzu analoge Frequenzweiche nach
dem Abzweigprinzip mit Topfkreisen als selektive Mittel. Der Mehrwegschalter nach
Fig. 1 enthält eine Leitungsverzweigung mit einem gemeinsamen Verzweigungspunkt
P und vier von diesem Verzweigungspunkt ausgehenden Leitungen L1 bis L4, deren Länge
für eine mittlere Betriebsfrequenz jeweils x/4 beträgt und deren Wellenwiderstand
Z mit den Impedanzen der an den Enden der Leitungen angeschlossenen Bingänw ge El
bis E4 der Sender S1 bis S4 (bzw. Empfänger El bis E4) übereinstimmt. Die Enden
der Leitungen Ll bis L4 sind über Diodenschalter D1 bis D4 mit Masse verbunden.
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Die als Lastwiderstand R=Z wirkende gemeinsame Antenne ist ebenfalls
an den gemeinsamen Verzweigungspunkt P angeschlossen.
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Beim Betrieb der Schaltung nach Fig. 1 darf stets nur eine der vier
Dioden D1 bis D4 hochohmig sein. Gleichzeitig sind die anderen Dioden durch Einprägen
eines Gleichstromes in Durchlaßrichtung niederohmig mit Widerstandswerten von ca
1Q und reflektieren daher von den Sendern her ankommende Wellen Wenn also in der
Schaltung nach Fig. 1 die Diode D1 hochohmig und die Dioden D2 D3, D4 niederohmig
sind, wird der Sender Sl in den Widerstand R einspeisen, während der größte Teil
der von den Sendern 2,3,4 eingespeisten Leistung an den Dioden D2, D3, D4 reflektiert
wird und den Verzweigungspunkt P nicht erreicht. Die Senderfrequenzen können gleich
oder verschieden sein.
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Im letzten Fall müssen sie aber wegen des später erläuterten Frequenzganges
der Schaltung relativ nahe bei-
sammen liegen.
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Der Aufbau der Frequenzweiche nach Fig. 2 stimmt im wesentlichen überein
mit der Anordnung nach Fig. 1.Es sind. lediglich die schaltenden Dioden D1bis D4
nach Fig. 1 durch selektive Kreise ersetzt, die wie bei der Schaltung nach Fig.
2 als koaxiale Topfkreise T1 bis T4 ausgebildet sein können. Aufgrund ihres Serienresonanzcharakters
überträgt jeder Topfkreis Leistung nur in seinem Durchlaßbereich.
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In bezug auf die Frequenzen der vier Sender bestehen hier folgende
Bedingungen: Die Frequenz des Senders S1 muß im Durchlaßbereich des Kreises T1 liegen.
Gleichzeitig müssen die Frequenzen der Sender S2, S3 und S4 soweit von der Frequenz
fl des Senders S1 weg liegen, daß der Kreis T1 für die Frequenzen f2, f3 und f4
der Sender S2, S3 und S4 eine genügend hohe Sperrdämpfung besitzt. Ebenso müssen
die Kreise S2, S3 und S4 auf die Frequenzen f2, f3 und f4 abgestimmt sein. Auch
hier gilt natürlich die Bedingung einer hinreichend hohen Sperrdämpfung für alle
anderen Sender. Deshalb ist ein gewisser Mindestfrequenzabstand zwischen den Senderfrequenzen
notwendig.
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Durch den Frequenzgang der Leitungsverzweigung darf weiterhin ein
bestimmter maximaler Bereich, in dem alle vier Frequenzen liegen müssen, nicht überschritten
werden.
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Die Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 haben gemeinsam, daß der elektrische
Abstand der Dioden oder Topfkreise vom Verzweigungspunkt P genau k/4 beträgt. Nur
so erreicht man, zumindest für eine bestimmte Frequenz, daß die gerade sperrenden
Zweige im durchgeschalteten Weg keine Reflexion erzeugen. Das wird im folgenden
am Beispiel
der Schaltung nach Fig. 1 erläutert. Die Diode D1 sei
hochohmig, während die Dioden D2, D3, D4 durch Einprägen eines Stromes in Durchlaßrichtung
für Hochfrequenz sehr niederohmig sind und daher die Energiewege sperren. Bei den
Überlegungen zum Frequenzgang der Anordnung kann man sich diese Dioden als ideale
Kurzschlüsse denken. Die mittlere Betriebsfrequenz f0 ist nun so definiert, daß
ein Viertel der zugehörigen Wellenlänge genau der elektrischen Länge zwischen dem.Verzweigungspunkt
P und den Dioden D2, D3 und D4 entspricht. Diese kurzschließenden Dioden liegen
aber über transformierens den k/4-Leitungen am Verzweigungspunkt P, so daß in diesem
Punkt der zur Lastantenne R=Z parallel liegende Leitwert G=0 ist. Der Lastwiderstand
Z ist daher an den Sender angepaßt. Sobald die Senderfrequenz nicht mehr der Frequenz
f entspricht, tritt ein störender Querleitwert auf, der die Anpassung verändert.
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Rechnerisch ergibt sich die Querreaktanz aus der Beziehung
wobei n die Anzahl der parallel liegenden schaltbaren Zweige ist. Vom Sender 1 aus
gesehen liegt zur Last R dieser Blindwiderstand jX parallel, so daß ein Reflexionsfaktor
oder
auftritt.
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Bei 10% Frequenzabweichung ergibt das beispielsweise einen Blindwiderstand
j x = j T tg r 1,1 = -; ' 105,2 # oder einen Reflexionsfaktor #P# = 23%.
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Mit größer werdender Zahl der Zweige und größer werdender Frequenzabweichung
von f0 wird der Reflexionsfaktor immer größer, er begrenzt die Bandbreite der Schaltung.
Bei f = 0 oder bei geradzahligen Vielfachen der mittleren Betriebsfrequenz f0 tritt
sogar Totalreflexion auf.
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In analoger Weise verhält sich die Leitungsverzweigung bei der Frequenzweiche
nach Fig. 2. Bei der Frequenz des S2 überträgt nur der Kreis T1 Leistung, während
die Kreise T2, T3 und T4 sperren. Unter Einbeziehung der Koppelelemente der sperrenden
Kreise muß deren elektrischer Abstand zum Verzweigungspunkt P - genau wie bei Fig.
1 - s/4 betragen.
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In diesem Sonderfall tritt in P kein störender Querleitwert auf, der
Sender S1 speist über den Kreis T1 direkt in den Lastwiderstand R ein. Würde man
den Sender 1 um 10% verstimmen (und natürlich Kr. 1 entsprechend abgleichen), dann
wäre - wie im Beispiel des Mehrwegschalters nach Fig. 1 - ebenfalls ein Reflexionsfaktor
Ip( = 23% vorhanden.
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Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Reflexionsfaktor Ipl und
der Verstimmung bei verschiedenen Zweigzahlen n. Daraus geht hervor, daß die Bandbreite
mit steigender Zweigzahl rasch abnimmt.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorstehend angegebenen
Nachteile zu vermeiden und eine Ausbildung für eine eingangs erwähnte Leitungsverzweigung
anzugeben, durch die bei vorgegebener Bandbreite eine Reduzierung des Reflexionsfaktors
und bei einem vorgegebenen Reflexionsfaktor eine Vergrößerung der Bandbreite gewährleistet
ist.
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Ausgehend von einer Leitungsverzweigung mit einem gemeinsamen Verzwegungspunkt
und mehreren von diesem Verzweigungspunkt ausgehenden Leitungen, deren elektrische
Länge jeweils ein Viertel der bei einer mittleren Betriebsfrequenz f sich ausbildenden
Wellenlänge X beträgt und 0 die an ihren dem Verzweigungspunkt abgewandten Enden
über selektive Mittel bzw. über Schaltmittel mit jeweils einem Sender oder gegebenenfalls
mit jeweils einem Empfänger verbunden sind, und bei der ferner ein vorzugsweise
als Antenne ausgebildeter gemeinsamer Lastwiderstand mit dem Verzweigungspunkt verbunden
ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Wert des Wellenwiderstandes
der vom Verzweigungspunkt ausgehenden Leitungen größer ist als der am Verzweigungspunkt
wirksame Wert des Lastwiderstandes.
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Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ergibt sich, wenn der Lastwiderstand
unmittelbar mit dem Verzweigungspunkt verbunden ist, und daß die Wellenwiderstände
der vom Verzweigungspunkt ausgehenden Leitungen größer gewählt sind als der Wert
des Lastwiderstandes, und wenn ferner den Sendern bzw. Empfängern zusätzliche Leitungen
nach- bzw. vorgeschaltet sind, deren Länge ein Viertel der bei einer mittleren Betriebsfrequenz
sich ausbildenden Wellenlänge beträgt und deren Wellenwiderstand so gewählt ist,
daß an ihrem Anschlußpunkt mit dem Sender bzw. Empfänger eine mit dem Wert des Lastwiderstan-
des
übereinstimmende Impedanz auftritt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der
Lastwiderstand Ubf eine weitere Leitung, deren Länge ein Viertel der bei einer mittleren
Betriebsfrequenz sich ausbildenden Wellenlänge beträgt, mit dem Verzweigungspunkt
verbunden ist und daß die Wellenwiderstände aller vom Verzweigungspunkt ausgehenden
Leitungen kleiner gewählt sind als der Wert des Lastwiderstandes.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
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Es zeigen in der Zeichnung: Fig. 1 ein bereits erläuterter, eine Leitungsverzweigung
enthaltender Mehrwegschalter; Fig. 2 eine bereits erläuterte Senderweiche mit einer
Leitungsverzweigung; Fig. 3 eine Darstellung des Reflexionsfaktors von Leitungsverzweigungen
nach den Fig. 1 und 2; Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für einen Mehrwegschalter
mit einer Leitungsverzweigung nach der Erfindung; Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 eine Darstellung des Reflexionsfaktors für die erfindungsgemäßen Le itungsverzwe
igungen nach den Fig. 4 und 5 für Leitungsverzweigungen mit n=4 Zweigen.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 stellt einen Mehrwegschalter dar,
der in seinem Grundaufbau übereinstimmt mit der Anordnung nach Fig. 1, sich jedoch
wie folgt hinsichtlich der Leitungsverzweigung von dieser Anordnung unterscheidet.
Der durch die Antenne gebildete Lastwiderstand R, dessen Wert ZL mit dem Wert der
Senderimpedanzen übereinstimmt, ist nicht direkt, sondern über eine weitere Leitung
L5, mit dem Wellenwiderstand Z2, deren Länge wiederum ein Viertel der einer mittleren
Betriebsfrequenz zugeordneten Länge beträgt, mit dem Verzweigungspunkt P verbunden.
Weiterhin sind die Wellenwiderstände Z1 bzw. Z2 aller vom Verzweigungspunkt P ausgehenden
Leitungen Ll bis L5 kleiner gewählt als der Wert ZL des Lastwiderstandes. Dadurch
ergibt sich, wie im folgenden erläutert ist, ein am Verzweigungspunkt P auftretender
transformierter Wert für den Lastwiderstand R, der kleiner ist als der Wellenwiderstand
der Leitungen L1 bis L5 der Leitungsverzweigung und damit eine wesentliche Verbesserung
der Breitbandeigenschaften gegenüber den Anordnungen nach den Fig. 1 und 2.
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Grundsätzlich ist die Bandbreite der Anordnung durch den maximal zulässigen
Reflexionsfaktor der Eingänge des Mehrwegschalters bzw. der Weiche begrenzt. Wie
man der Darstellung nach Fig. 3 entnehmen kann, beträgt sie bei 4 Zweigen und einem
Reflexionsfaktor p = 10% ca + 5%.
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Dieser Reflexionsfaktor, der für die Mittelfrequenz 0 beträgt, wird
bei f f f0 durch die Reaktanzen der im Verzweigungspunkt P parallel liegenden und
nicht am Energietransport beteiligten Leitungen verursacht. Erhöht man die Wellenwiderstände
Z dieser Leitungen in Bezug auf die Größe des nach P transformierten Lastwiderstandes
R, dann erhöht sich der Wert der am Sternpunkt P parallel liegende Reaktanz Xp aufgrund
der Beziehung jxp = jZ tg Gl für Gl f 900 ebenfalls. Damit sinkt
aber
der Reflexionsfaktor bzw. es steigt die Bandbreite.
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Andererseits ist zu beachten, daß die Symmetrie der Schaltung gewahrt
bleibt, weil jede der vom Sternpunkt P zu den Eingängen E führende Leitung für die
anderen Eingänge eine störende Reaktanz erzeugt. Alle diese Leitungen müssen deshalb
möglichst den gleichen Wellenwiderstand besitzen. Da dieser Wellenwiderstand vom
Wert ZL des Lastwiderstandes abweicht, ist eine Transformation des Lastwiderstandes
R die Folge. Um die Anpassung wieder herzustellen, sind weitere Leitungen mit wiederum
von 7 abweichenden Wellenwiderständen zur RUcktransformation erforderlich. Beim
Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist dies die Leitung L5.
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Zur Erläuterung der Funktion der Schaltung nach Fig. 4 soll diese
zuerst bei der Mittelfrequenz fo betrachtet werden, durch die die Länge der k/4-Leitungen
definiert ist.
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Der Lastwiderstand R, dessen Wert ZL beträgt, liegt Uber eine Leitung
mit dem Wellenwiderstand Z2 am Verzweigungspunkt P, so daß sein transformierter
Wert am Verzweigungspunkt R' = Z22/ZL beträgt. Aufgrund dieser Beziehung muß für
den Fall Z2<ZL gelten, daß der Wert Rt des Lastwiderstandes R am Verzweigungspunkt
kleiner ist als der Wellenwiderstand der Leitung L5. Dies bedeutet jedoch, daß im
Vergleich zum im Verzweigungspunkt P wirkenden Wert R' des Lastwiderstandes die
WellenwiderstEnde Z1 der anderen vom Verzweigungspunkt ausgehenden Leitungen L1
bis L4 höher und die hierbei auftretenden auf R' bezogenen relativen Querleitwerte
entsprechend geringer sein müssen, wodurch sich eine Vergrößerung der Bandbreite
bzw. bei einer vorgegebenen Bandbreite eine Verringerung des Reflexionsfaktors ergibt.
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Der optimale Wert der Wellenwiderstände Z1 und Z2, die im folgenden
gleich groß sein sollen, richtet sich nach der geforderten Bandbreite und der Anzahl
der Eingänge der Schaltung. Bei einem Wert des Lastwiderstandes von 50# und bei
vier Zweigen, deren Wellenwiderstand jeweils 25# beträgt, ergibt sich beispielsweise
eine Bandbreite von fo + 55%o für p = 13% Im Verzweigungspunkt P liegt dann ein
scheinbarer Lastwiderstand R' = 12,5, der nur halb so groß ist wie die Wellenwiderstände
Z1 der zu den Sendern führenden Leitungen L1 bis L4.
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Es gibt für die erfindungsgemäße Schaltung stets eine Anpassung bei
drei Frequenzen. Dies ist der Fall für die Mittelfrequenz f0 und für die Frequenzen
fo-+f, die in der Nähe der Grenzfrequenzen liegen. Die Orts kurve der Eingangsimpedanzen
hat hierbei einen tschebyscheffschen Verlauf.
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Bei unterschiedlicher Dimensionierung der Wellenwiderstände Z1 und
Z2 kann die Bandbreite noch weiter erhöht werden. Es ergeben sich dann jedoch keine
Punkte mit Anpassung.
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In der Fig. 6 ist für die Anordnung nach Fig. 4 der Verlauf des Reflexionsfaktors
als Funktion der Frequenz für unterschiedliche Werte der Wellenwiderstände Z1=Z2
dargestellt. Durch Vergleich mit der ebenfalls eingezeichneten geraden Kurve (50Q)
für eine nichttransformierende Verzweigung läßt sich die wesentlich größere Bandbreite
der erfindungsgemäßen Anordnung eiennen.
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Eine Variation der Schaltung nach Fig. 4 zeigt die Schaltungsanordnung
nach Fig. 5. Die Schaltung nach Fig. 5 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel
nach Fig. 4 dadurch, daß zwischen den Diodenschaltern D1 bis D4
und
den Anschlüssen E1 bis E4 der Sender S1 bis S4 transformierende Leitungsabschnitte
L1' bis L4' der Länge A/4 eingefügt sind und daß der Lastwiderstand R nicht über
eine transformierende Leitung, sondern direkt am Verzweigungspunkt P angeschlossen
ist, so daß am Verzweigungspunkt der wirkliche Wert ZL des Lastwiderstandes liegt.
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Für eine Bemessung der Wellenwiderstände Z2 der Leitungen L1 bis L4
derart, daß Z2 größer als der Wert ZL des Lastwiderstandes R ist, ergibt sich aufgrund
des im folgenden erläuterten Transformationsvorganges wiederum eine Bandbreitenerhöhung
gegenüber den Anordnungen nach den Fig. 1 und 2. Es wird nämlich der Widerstandswert
ZL des Lastwiderstandes über die Leitungen mit dem Wellenwiderstand Z2 in einen
höherohmigen Wert Z22/ZL transformiert, der an den Dioden D1 bis D4 liegt. Die Rücktransformation
in den ursprünglichen Widerstand bei der Mittenfrequenz f0 erfolgt über die anschließenden
Leitungen L1' bis L4', deren Wellenwiderstand Z1 wiederum größer sein muß als der
Widerstandswert des Lastwiderstandes R und kleiner sein muß als der transformierte
Lastwiderstand Z2/ZL. Es ist ähnlich wie bei der Schaltung nach Fig. 4 eine übereinstimmende
Bemessung der Wellenwiderstände Z1 und Z2, aber auch eine unterschiedliche Dimensionierung
Z1/z2 möglich. Die Bandbreitenerhöhung ergibt sich wieder aus der Tatsache, daß.
der Wellenwiderstand Z2 der Leitungen L1...L4 größer ist als der Lastwiderstand
R.
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Damit erhält man aber bei Frequenzen fifo eine Reduzierung der die
Anpassung störenden Querreaktanzen im Punkt P und somit eine Bandbreitenvergrößerung.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 4 und 5 können die Dioden
D1 bis D4 selbstverständlich entsprechend Fig. 2 durch Bandpässe, beispielsweise
durch Topfkreise ersetzt werden, die dann auf den jeweils zugeordneten Sender abgestimmt
sein müssen. Für derartige Frequenzweichen ergibt sich dann in analoger Weise wie
bei den Anordnungen nach den Fig. 4 und 5 eine Erhöhung der Bandbreite.
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Eine Variation der erfindungsgemäßen Schaltungen ergibt sich, wenn
die rücktransformierenden Leitungen, also die Leitung L5 mit dem Wellenwiderstand
Z2 bei der Anordnung nach Fig. 4 bzw. die Leitungen L1' bis L4t mit den Wellenwiderständen
Z1 bei der Anordnung nach Fig. 5, durch mehrstufige Leitungstransformatoren ersetzt
sind.
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5 Patentansprüche 6 Figuren