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Verzweigungsnetzwerk"
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Die Erfindung betrifft ein Verzweigungsnetzwerk für eine frequenzabhängige
Leistungsaufteilung unter Verwendung mindestens eines Quadratur-Kopplers (3 dB-900-Kopplers).
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Die Erfindung ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit einer Strahlergruppe
mit einem beispielsweise mehr als eine Oktave umfassenden Arbeitsfrequenzbereich
verwendbar. Bei Strahlergruppen, die für den Betrieb innerhalb eines größeren Frequenzbandes
von z. B. mehr als einer Oktave ausgelegt sind, stellt sich oft das Problem, daß
die Halbwertsbreite der Strahlungskeule bei der oberen und unteren Bandgrenzfrequenz
normalerweise stark verschieden ist. Beim Betrieb über eine Oktave ist z. B. bei
der unteren Bandgrenze die Strahlungskeule doppelt so breit wie bei der oberen Bandgrenze.
Bei manchen Anwendungen, insbesondere bei Richtantennen für Peilsysteme, erweist
sich diese starke Frequenzabhängigkeit der Strahlungskeule als großer Nachteil.
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Bei einem bekannten Verfahren (DE-OS 25 41 569) werden zur
Diagrammangleichung
bei der oberen und unteren Bandgrenzfrequenz frequenzabhängige Dämpfungsglieder
in die Zuleitungen zu den äußeren Strahlerelementen der Strahlergruppe zwischengeschaltet.
Diese Maßnahme wirkt sich in der Weise aus, daß bei den oberen Frequenzen des Betriebsbandes
die Dämpfung durch die Dämpfungsglieder größer ist als bei den tieferen Frequenzen
und die äußeren Elemente der Strahlergruppe somit am oberen Bandende stärker bedämpft
werden.
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Dieses bewirkt eine Verkleinerung der effektiven Aperturgröße der
Strahlergruppe und damit eine Verbreiterung der Strahlungskeule. Am unteren Bandende
wird die Bedämpfung auf einem möglichst kleinen Wert gehalten, um hier die geometrisch
vorgegebene Aperturgröße der Strahlergruppe voll ausnutzen zu können. Es ist bekannt,
daß durch Zwischenschaltung von derartigen frequenzabhängigen Dämpfungsgliedern
(Taper-Gliedern) beim Betrieb über eine Frequenzoktave die Keulenbreitenänderungen
auf 20 bis 40 * verringert werden kann.
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In Fig. 1 ist der Aufbau eines bekannten frequenzabhängigen Dämpfungsgliedes
schematisch dargestellt, wobei mit R ohmsche Widerstände, mit a Kapazitäten und
mit L Induktivitäten bezeichnet sind. Das Dämpfungsglied besteht aus überbrückten
T-Gliedern mit konzentrierten Bauelementen, wobei durch geeignete Auswahl der R-,
C- und L-Komponenten der Dämpfungsverlauf dem vorgesehenen Betriebsfrequenzband
angepaßt werden kann.
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Während diese Ausführungsform vorzugsweise auf Frequenzen unterhalb
500 NFIz beschränkt ist, ist für höherliegende Frequenzbereiche der in Fig. 2 dargestellte
Netzwerksaufbau zu verwenden. Hier sind die konzentrierten Bauelemente durch definierte
Leitungslängen ersetzt.
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Bei Verwendung der Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bzw. 2 ist zu beachten,
daß die frequenzabhängige Steuerung der
Strahlergruppen-Apertur
durch eine resistive Dämpfung in den erläuterten Dämpfungsgliedern erfolgt. Dieses
bedeutet, daß die Diagrammangleichung durch Dämpfungsverluste erkauft wird, die
eine Verringerung des effektiven Antennengewinns zur Folge haben. Die Dämpfungsverluste
werden zudem sehr rasch größer, sobald die Diagramme besser als auf 30 * angeglichen
werden sollen. In diesem Fall ist nämlich eine größere Anzahl von seriengeschalteten
Dämpfungsglied-Selektionen der in Fig. 1 bzw. 2 dargestellten Art nötig.
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Aus der Praxis der Verzweigungsnetzwerke ist es bereits bekannt, daß
sich eine steuerbare LeisfJungsauft;eil'mg einfach dadurch erreichen läßt, daß zwischen
zwei seriengeschaLtete 3 dB-90°-Koppler steuerbare Phasenstellglieder eingefügt
werden. Der schematische Aufbau einer derartigen Schaltung mit einem Eingang E und
zwei Ausgängen A1 und AS ist in Fig. 3 dargestellt. Es läßt sich zeigen, daß das
Aufteilungsverhältnis U1/U2 der Leistung an den Ausgängen A1 und A2 durch die Beziehung
U1/U2 = tg PI beschrieben wird, wobei - 1/2. (#1-#2) und #1-#2 die von den Phasenstellgliedern
erzeugte Phasendifferenz ist. Die Spannungen an den Ausgängen A1 und A2 bleiben
dabei gleichphasig. Es sind Ausführungsformen bekarnib, bei denen die Phasenstellglieder
durch Leitungselemente gebildet sind, wodurch sich eine frequenzabhängige Steuerung
der Phasenwerte +1 und #2 bzw. des Aufteilungsverhältnisses U1/U2 erreichen läßt.
Die daraus resu@bierende Abhängigkeit des Aufteilungsverhältnisses U1/U2 von der
Frequenz führt jedoch bei einer Versechaltung des Wert eweigungsnetzwerks mit eine
Strahlergruppe in der Regel z@ edner Belegungssteuerung, die nur eine unbefriedigende
Diegrammangleichung ermöglicht. Bei einer Bandbreite von e@@er Oktave sind z. B.
noch Diagrammbreitenänderungen von e@w 1 : 1,@ @u erwarten. Ein für derartige Verzweigungsne@rwerke
typischer Diagrammbreitenverlauf ais Funktion der @@quens f@@st in Fig. 4 dergestelit,
wo@en mit fU, fM und @e untere erenzfrequen@, e@@er m@@@@@@@ Freßienz und die
obere
Grenzfrequenz des Arbeitsfrequenzbandes bezeichnet sind.
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Fig. 5 zeigt den typischen Verlauf des Aufteilungsverhältnisses U1/U2
an den Ausgängen A1 und A2 der Schaltung nach Fig. 3 in Abh~ngigkeit von der (relativen)
Frequenz. Als wesentlich ist hier die Tatsache anzusehen, daß bei der unteren Bandgrenze
9 im allgemeinen keine 1:1-Aufteilung erreicht wird, wodurch wiederum die Geometrie
einer nachgeschalteten Strahlergruppe nicht voll ausgenutzt werden kann. Die gestrichelt
eingezeichnete gewünschte Abhängigkeit des Aufteilungsverhältnisses U1/U2 ist in
Fig. 5 mit Fo bezeichnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verzweigungsnetzwerk
der eingangs genannten Art für eine frequenzabgängige Belegungssteuerung anzugeben,
bei dessen Einsatz in Verbindwig mit einer Strahlergruppe die erwähnten durch die
resistiven frequenzabhängigen Dämpfungsglieder bewirkten Systemverluste vermieden
werden, mit dem zudem eine bessere Diagrammangleichung als mit den bisher bekannten
Maßnahmen errecht wird und bei dem an der unteren Bandgrenze des Arbeitstrequenzbereiches
eine homogene Belegungsfunktion ermöglicht wird, so da.'» die geometrisch vorgegebene
Apertur ftir eine angeschlossene Strahlergruppe voll zur Keulenformung ausgenutzt
werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine eingangsseiiue Zusammenschaltung
zumindest eines Quadratur-Kopplers mit Allpaß-Netzwerken gelöst.
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=ne bevorzugte Ausfü.hrurigsform ist dadurch gegeben, daß ein 3 dB-00-Koppler
mit einem ersten und einem zweiten Ausgang jeweils über eine Reihenschaltung aus
zwei Allpaß-Netzwerken an Je ein eingang eines Quadratur-Kopplers angeschlossen
ist.
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Dabei ist vorgesehen, daß die Allpaß-Netzwerke so dimensioniert sind,
daß zwischen den beiden Eingängen des Quadratur-Kopplers, an die die Allpaß-Netzwerke
angeschlossen sind, bei der oberen Grenzfrequenz eines beliebig vorgegebenen Frequenzbandes
eine Phasendifferenz von näherungsweise 90°, bei der unteren Grenzfrequenz des Frequenzbandes
dagegen eine Phasendifferenz von annähernd 0° vorliegt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform besteht darin, daß die Allpaß-Netzwerke
zur Erzielung eines gewünschten Frequenzganges mit einem frequenz abhängigen Phasenstellglied,
beispielsweise einem Leitungsstück definierter Länge, kombiniert sind.
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Eine zweckmäßige Weiterbildungsform ist durch eine mehrfache Anwendung
des Verzweigungsnetzwerks bei einer Strahlergruppe gegeben, bei der durch eine Stammbaum-Verzweigung
eine beliebig vorgebbare Anzahl von Strahlerelementen angeschlossen wird.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung soll im folgenden
anhand der Zeichnungen naher erläutert werden.
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Gemäß der Erfindung können die erwähnten Nachteile der Funktion U1/U2
beispielsweise dadurch vermieden werden, daß eine Serienschaltung von einem 3 dB-90
0-Koppler mit einem 3 dB-00-Koppler mit dazwischengefügten, definiert dimensionierten
Allpaß-Netzwerken verwendet wird. Die Belegung bzw.
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das Aufteilungsverhältnis an den Grenzen des Arbeitsfrequenzbereiches
kann dann beliebig gewählt werden, so daß z. B.
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bei der unteren Bandgrenze die Apertur einer angeschlossenen Strahlergruppe
optimal ausgenutzt werden kann. Zudem läßt sich der Verlauf des Aufteilungsverhältnisses
U1/U2 über das gesamte Frequenzband weitgehend variieren bzw. einer gewünschten
Funktion - beispielsweise dem gewünschten Verlauf Fo in Fig. 5 - annähern, so daß
die Diagrammangleichung
erleichtert wird, wobei stets Phasengleichheit
an den Ausgängen des Netzwerks vorausgesetzt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Das
Verzweigungsnetzwerk weist hier einen 3 dB-OO-Koppler 1 mit einem Eingang E und
zwei Ausgängen 7 und 8 sowie einen 3 dB-90°-Eoppler 2 mit zwei Eingängen 9 und 10
und zwei Ausgängen A1 und A2 auf. Die Ausgänge 7 und 8 des 3 dB-00-Kopplers 1 sind
jeweils über eine Reihenschaltung bestehend aus zwei Allpaß-Netzwerks 5 und 5 bzw.
4 und 6 an je einen Eingang 9 bzw. 10 des 3 dB-90 0-Kopplers 2 angeschlossen. Im
3 dB-00-Koppler 1 wird die bei E eingespeiste Energie gleichmäßig und phasengleich
auf die Ausgänge 7 und 8 aufgeteilt und über die Allpaß-Netzwerke 3 und 5 bzw. 4
und 6 den Eingängen 9 und 10 des 3 dB-900-Kopplers 2 zugeführt. An den Ausgängen
A1 und A2 kann dann die Energie entsprechend dem jeweiligen Aufteilungsverhältnis
U1/U2 abgenommen werden, das durch die Phasenlage der Energie an den Eingängen 9
und 10 des 3 dB-900-Kopplers 2 bestimmt wird.
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Die Funktion der Anordnung besteht im wesentlichen darin, daß bei
der oberen Grenzfrequenz eines beliebig vorgegebenen Frequenzbandes ein sehr großes
Aufteilungsverhältnis U1/U2 der Leistung zwischen den Ausgängen A1 und A2 erreicht
wirdt während bei der unteren Grenzfrequenz das Aufteilungsverhältnis U1/U2 den
Wert 1 annimmt. Dieses stellt in den meisten Anwendungsfällen der Diagrammangleichung
die Voraussetzung für eine optimale Belegungssteuerung der Strahlergruppe dar. Um
dieses Ziel zu erreichen, ist zwischen den Spannungen an den Eingängen 9 und 10
des 3 dB-900-gopplers 2 bei der oberen Grenzfrequenz eine Phasendifferenz von 900,
bei der unteren Grenzfrequenz dagegen eine Phasendifferenz von 0° erforderlich.
Das genannte Ziel wird bei der Anordnung gemäß Fig. 6 dadurch erreicht, daß die
Allpaß-Netzwerke 5 und 6 so dimensioniert werden, daß sie in Verbindung mit den
Allpaß-Netzwerken 3 und 4 bei der oberen Grenzfrequenz die Phasendifferenz von 900
erzeugen.
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Zugleich wird die Differenz der Betriebsphase der Allpaß-Netzwerke
5 und 6 dabei durch gezielte Dimensionierung dieser Bauelemente in der Weise frequenzabhängig
gehalten, daß die Phasendifferenz bei der unteren Grenzfrequenz möglichst klein
ist. Die verbleibende restliche Phasendifferenz wird durch die beiden Allpaß-Netzwerke
3 und 4 kompensiert.
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Für die Grenzfrequenzen fU und f0 des vorgegebenen Betriebsfrequenzbandes
gilt dann: #5(fo) - #6(fo) - #4(fo) - #3(fo) = 90° #5(fu) - #6(fu) - #4(fu) - #3(fu)
= 0° Der Frequenzgang der Phasendifferenz 95(f) - 96(;) bzw.
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4(f) - P3(f) wird durch den charakteristischen Verlauf der Betriebsphase
eines Allpaß-Net zwerke s
bestimmt. Durch gezielte Wahl der Netzwerkkomponenten Ri bzw. Ci bei Verwendung
eines Allpaß-Netzwerks, wie es beispielsweise in Fig. 7 dargestellt ist, kann der
Frequenzgang der Phasenbeziehung zwischen den Spannungen an den Eingängen 9 und
10 des 3 dB-900-Kopplers 2 so eingestellt werden, daß bei mehrfacher Anwendung des
Verzweigungsnetzwerks in Form einer Stammbaum-Verzweigung eine Belegungsfunktion
an den Anschlüssen erreicht werden kann, welche für eine angeschlossene Strahlergruppe
eine Optimierung der Diagrammkonstanz über das gesamte Frequenzband ermöglicht.
Dabei bietet sich als zusätzliches Hilfsmittel noch die Zwischenschaltung von Leitungselementen
in die Verbindungsstrecken zwischen den Anschlüssen 7 und 9 sowie 8 und 10 an.
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Leerselte