DE3027714A1 - Transformationsanordnung zur anpassung eines verbrauchers an eine speiseleitung bei hohen frequenzen - Google Patents

Description

• Transformationsanordnung zur Anpassung eines Verbrauchers an eine Speiseleitung bei hohen Frequenzen Die Erfindung betrifft eine Transformationsanordnung, wie im Oberbegriff des Patentanspruches l angegeben. Dabei wird von einer Anordnung nach der deutschen Patentschrift 1 227 529 ausgegangen, mit deren Hilfe die Anpassung eines Verbrauchers an eine Hochfrequenzenergieleitung bei zwei verschiedenen Betriebsfrequenzen gleichzeitig verbessert werden konnte. Ein derartiges Problem tritt z.B. auf, wenn zwei Hochfrequenzsender mit voneinander verschiedenen Betriebsfrequenzen eine gemeinsame breitbandige Antenne speisen sollen. Wegen des frequenzabhängigen Eingangswiderstandes einer Breitbantenne können sich in Teilen des Arbeitsfrequenzbereiches Reflexionen an der Übergangsstelle zwischen der Antenne und der Zuleitung ergeben, die mit einem weniger frequenzabhängigen Wellenwiderstand behaftet ist.
• Es kann daher ein Transformationsglied zwischengeschaltet werden, das wenigstens zwei veränderliche Größen enthält, derart, daß ein beliebig vorgegebener Widerstand eines Widerstandsbereiches bei einer Frequenz innerhalb eines Frequenzbereiches transformiert werden kann in einen anderen vorgegebenen Widerstand.
• Mit der Anordnung nach der deutschen Patentschrift 1 227 529 war es gelungen, eine Dimensionierungsvorschrift zu geben für eine Transformationsanordnung zur Anpassungsverbesserung gleichzeitig bei zwei verschiedenen Betriebsfrequenzen; dabei konnten fest in den Leitungszug eingebaute Abgleichelemente benutzt werden und die Variationsbereiche der Abgleichelemente kleingehalten werden und das Abgleichverfahren war einfach.
• Die bekannte Transformationsanordnung diente also der Transformation des Widerstandes eines Verbrauchers bei zwei Frequenzen c und f2 in je einen beliebig vorgegebenen Widerstand innerhalb eines begrenzten Widerstandsbereiches, wobei diese beliebig vorgegebenen Widerstände vorzugsweise einander gleich und insbesondere gleich dem Wellenwiderstand einer Hochfrequenzleitung sind; dabei bestand die Transformationsanordnung aus einem Hochfrequenzleistungsstück mit zwei einstellbaren Transformationsgliedern, von denen jedes ein solcher Transformationsvierpol ist, welcher wenigstens zwei veränderbare Größen aufweist, derart, daß es bei einer beliebig vorgegebenen Frequenz innerhalb eines Frequenzbereiches mit den Frequenzen f1 und f2 in der Lage ist, einen beliebig vorgegebenen Widerstand innerhalb eines Widerstandsbereiches in einen anderen vorgegebenen Widerstand zu transformieren; dabei sollte der Mittenabstand der beiden Transformationsglieder die Größe d = c/4#f2 - f1# oder ein ungeradzahliges Vielfaches dieses Wertes haben, wobei c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle auf dem Hochfrequenzleitungsstück zwischen den Transformationsgliedern ist.
• Unter einer veränderbaren Größe" eines Transformationsvierpols sollte dabei sowohl der veränderbare Einstellwert eines Abgleichelementes als auch seine örtliche Veränderbarkeit auf der Hochfrequenzleitung verstanden werden.
• Daß mit dieser bekannten Transformationsanordnung nicht nur der Widerstand eines Verbrauchers einer Frequenz f1 in einen beliebig vorgegebenen Widerstand, sondern der Widerstand des Verbrauchers bei einer Frequenz f2 auch in einen anderen vorgegebenen Widerstand transformiert werden soll, hat einen bestimmten Grund. Es kann nämlich der Fall eintreten, daß es gar nicht notwendig oder erwünscht ist, den Widerstand eines Verbrauchers bei zwei Frequenzen in einen festen Widerstand, z.B. den Wellenwiderstand einer Leitung zu transformieren, sondern daß lediglich die Reflexionsfaktoren einzelner Antennengruppen gleichgemacht werden sollen, um eine Phasenkompensation durch unterschiedliche Zuleitungslängen anwenden zu können. Dieses Ziel kann durch solche bekannten Transformationsanordnungen in den Zuleitungen zu den Antennengruppen erreicht werden.
• Wegen weiterer Einzelheiten der bekannten Anordnung wird auf die deutsche Patentschrift 1 227 529 verwiesen, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
• Nachdem sich die bekannte Transformationsanordnung so gut bewährt hat, ist das Bedürfnis entstanden, eine solche Transformationsanordnung auch für den Fall zu schaffen, daß eine Anpassung eines Verbrauchers an eine Hochfrequenzleitung bei mehr als zwei verschiedenen Betriebsfrequenzen, insbesondere bei drei Betriebsfrequenzen erreicht werden soll.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Lösungsweg zur Befriedigung dieses Bedürfnisses aufzuzeigen.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch die Transformationsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Dabei können die einstellbaren Transformationsglieder in derselben Weise realisiert werden, wie in der deutschen Patentschrift 1 227 529 angegeben.
• Anhand der prinzipiellen Darstellung in der Zeichnung wird näher auf die Erfindung eingegangen.
• An einen Hochfrequenzverbraucher A mit dem frequenzabhängigen komplexen Reflexionsfaktor rv bezüglich des Wellenwiderstandes Z ist eine homogene Leitung mit dem Wellenwiderstand Z angeschlossen, in welche n einstellbare Transformationsglieder 1, 2, ... i, ... n eingefügt sind. Die elektrischenLängen zwischen den Transformationsgliedern 1, 2, ... i ..., n einerseits und dem Verbraucher A andererseits sind bezeichnet mit li, 12, li ..., ln. Dabei ist die Phasendrehung einer fortschreitenden Welle durch die Transformationsglieder bei mittlerer Einstellung von deren variablen Größen in den Längen l1, 12, .., ln berücksichtigt (die Abstände zwischen den Transformationsgliedern 11 und dem Verbraucher A sind also im allgemeinen größer als die geometrischen Leitungslängen).
• Der mit r bezeichnete Eingangsreflexionsfaktor des Verbrauchers A ist im allgemeinen frequenzabhängig. Er wird bei den verschiedenen Frequenzen f1, f2, ..., fn mit r1, r2, ..., rn bezeichnet. Es gilt: rk = (Rk - z)/(Rk+z) für k = 1, 2, ..., n.
• Entsprechendes gilt für den Eingangsreflexionsfaktor r e am Eingang der Transformationsanordnung, d.h. bei den verschiedenen Frequenzen f1, f2, ..., fn wird dieser Reflexionsfaktor bezeichnet mit r'1, r'2, ..., r'n und es gilt: r'k = (R'k-z) / (R'k+z) Es wurde gefunden: 1. daß zur Erfüllung der Aufgabe der Erfindung die Längen l1, l2, ..., ln so bemessen sein müssen, daß die im Anspruch 1 aufgeführte Determinante D ungleich 0 ist und weiter wurde gefunden, 2. daß der erforderliche Variation~sbereich der einstellbaren Größen der Transformationsglieder dann möglichst klein wird, wenn D möglichst groß gemacht wird; dann lassen sich die Transformationsglieder auch besonders leicht einstellen.
• Der Betrag der Determinante D kann maximal die Werte

  2###############sin###n für ungerades n

  bzw.2###########sin###n für gerades n

  annehmen. Dieser Maximalwert kann auftreten bei günstiger Lage der Frequenzen f1, ... fn, z.B. bei äquidistanten Frequenzen.
• Es kann zweckmäßig sein, die Längen abweichend von derjenigen Bemessung zu wählen, wie sie für den maximalen Betrag der Determinante D erforderlich ist; damit kann erreicht werden, daß eine Transformationsanordnung nicht nur verwendet werden kann für die diskreten Frequenzen, für die sie ursprünglich dimensioniert worden ist, sondern auch für Frequenzen, für welche die Differenzen f2-f1, f3-f1, ..., fn-f1 abweichen von den für die ursprüngliche Dimensionierung vorgesehenen. Die erforderlichen Variationsbereiche der einstellbaren Größen der Transformationsglieder werden dann etwas größer als bei optimaler Bemessung und zwar umso mehr, je kleiner der Betrag der Determinante D für die abweichenden Frequenzen wird.
• Dabei soll natürlich der Betrag der Determinante D immer noch den oben angegebenen Maximalwerten möglichst nahekommen für die nun abweichend von der ursprünglichen Zweckbestimmung gewählten Frequenzen. Es ist aber bei der Berücksichtigung solcher abweichender Verwendungszwecke möglich, nur einen Typ von Transformationsanordnung für mehrere Verwendungszwecke vorzusehen.
• Damit die Variationsbereiche der einstellbaren Größen der Transformationsglieder nicht zu groß werden, sollten die Längen l1, ..., ln so gewählt werden, daß der Betrag der Determinante D nicht kleiner als etwa ein Viertel (insbesondere nicht kleiner als etwa die Hälfte) der oben angegebenen Maximalwerte wird.
• Für den Spezialfall einer Transformationsanordnung mit drei einstellbaren Transformationsgliedern (n = 3) zur gleichzeitigen Transformation bei drei Frequenzen ist es optimal, die Transformationsglieder äquidistant anzuordnen mit einem Abstand d = l1 - l2 = l2 - l3, der dann die im Patentanspruch 5 angegebene Formel zu erfüllen hat. Dabei bedeutet "optimal", daß die Variationsbereiche der einstellbaren Größen der Transformationsglieder bei gegebenen Impedanzbereichen, in denen die Impedanzen R1, R2, R3 bzw.
• R' R'2' R'3 liegen können, möglichst klein sein sollen.
• Man kann auch etwas abweichend bemessene Abstände ausführen, wie oben schon für beliebige n erläutert wurde. Die erforderlichen Variationsbereiche der einstellbaren Größen hängen außer vom Betrag der Determinante D von den Impedanzbereichen ab, in denen die Impedanzen R1, R2, R3 und R'1, R'2, R'3 liegen können. Die bestimmenden Größen für die erforderlichen Variationsbereiche sind die Maximalwerte von #r1-r'1#, #r2-r'2#, die 3-'3|, die sich für bestimmte vorgegebene Werte von R1, R2, R3 und R'1, R'2, R'3 ergeben können, wenn letztere innerhalb ihrer Impedanzbereiche variiert werden. Diese Maximalwerte werden Max#r1-r'1#, Max#r2-r'2#, Max#r3-r'3# genannt.
• Die tatsächlichen Transformationseigenschaften eines der drei Transformatipnsglieder bei einer bestimmten Frequenz können dargestellt werden durch die Relation der Reflexionsfaktoren r' am Eingang des Transformationsgliedes, die durch Einstellung der variablen Größen bei gegebenem beliebigem Reflexionsfaktor r an seinem Ausgang erzeugt werden können, zum Reflexionsfaktor r und insbesondere durch die erzeugbaren Differenzen r - r'. Als kennzeichnend für die Anwendung in einer erfindungsgemäßen Transformationsanordnung können bis zu einem gewissen Maximum der Beträge zunächst die komplexen Differenzen r - r' angesehen werden, die bei voller Ausnutzung der vorhandenen Variationsbereiche der einstellbaren Größen einstellbar sind, jedoch sind dann tatsächlich jeweils zu diesen Differenzen gehörend nur diejenigen ihrer Beträge (genannt #rmax als das oben erwähnte gewisse Maximum") kennzeichnend, bis zu denen sich diese Differenz r - r' mit jeder beliebigen Phase einstellen läßt.
• Die erforderlichen Mindestwerte der Größe #rmax werden von den Werten Max#r1-r'#, Max#r2-r'2#, Max#r3-r'3# bestimmt.
• Bei der mittleren Frequenz, die gleich (f1+f2+f3)/3 ist, muß fürjedes der drei Transformationsglieder #rmax mindestens den ungefähren Wert D#(Max#r1-r'1#+ Max#r2-r'2#+ Max#r3-r'3#) haben.
• Die Transformationsanordnung nach der Erfindung läßt sich nicht nur zur Anpassung bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen benutzen, sondern auch dann, wenn relativ schmale Frequenzkanäle vorliegen, die in den Umgebungen der Frequenzen f1, f2, ..., fn liegen und deren Breiten wesentlich kleiner sind als die Differenzen von je zwei benachbarten der Frequenzen f1, f2, ...,

Claims (7)

1. Patentansprüche g Transformationsanordnung mit folgenden Merkmalen: a) sie enthält ein Hochfrequenzleitungsstück, in dessen Verlauf zwei einstellbare Transformationsglieder Ci, 2) eingeschaltet sind, b) sie ist vorgesehen für einen Hochfrequenzverbraucher (A), der bei zwei vorgebbaren Frequenzen f1, f2 unterschiedliche Impedanzen R1, R2 aufweist, die beliebig innerhalb begrenzter Impedanzbereiche liegen und im allgemeinen voneinander verschieden sind, c) sie dient zur gleichzeitigen Transformation dieser Impedanzen R1, R2 in jeweils eine innerhalb begrenzter Impedanzbereiche beliebig vorgebbare Impedanz R'1 bzw.

   d) die vorgebbaren Impedanzen R'1 2 sind vorzugsweise einander gleich und gleich dem Wellenwiderstand (Z) des über die Transformationsanordnung zum Hochfrequenzverbraucher (A) führenden Hochfrequenzleitungsstückes, e) jedes der Transformationsglieder Ci, 2) ist eines derjenigen möglichen Transformationszweitore, die wenigstens zwei veränderbare Größen aufweisen, derart, daß sie bei einer Frequenz, welche innerhalb eines die Frequenzen f1, f2 enthaltenden Frequenzbereiches beliebig vorgebbar ist, eine Impedanz mit beliebiger Phase in eine andere Impedanz mit beliebiger Phase transformieren können, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: f) der Hochfrequenzverbraucher (A) hat bei weiteren vorgebbaren Frequenzen f3, ..., fn in einem vorgegebenen Frequenzbereich weitere innerhalb begrenzter Impedanzbereiche liegende Impedanzen R3, ..., Rn, g) die Transformationsanordnung dient zur zusätzlichen gleichzeitigen Transformation dieser Impedanzen R3, In jeweils eine innerhalb begrenzter Impedanzbereiche beliebig vorgebbare weitere Impedanz R'3, ..., R'n' h) diese weiteren Impedanzen R'3, ..., R'n sind vorzugsweise einander und R'1 2 gleich und gleich dem Wellenwiderstand (Z) des Hochfrequenzleitungsstückes, i) im Verlauf des Hochfrequenzleitungsstückes ist eine weitere Anzahl einstellbarer Transformationsglieder (.., i, ..., n) entsprechend der Anzahl (n-2) der weiteren Impedanzen R3, ..., Rn eingeschaltet, j) von diesen weiteren Transformationsgliedern C. (..,i, ...,n) ist jedes eines von solchen möglichen Transformationszweitoren, die wenigstens zwei veränderbare Größen aufweisen, derart, daß sie bei einer Frequenz, die innerhalb des Frequenzbereiches mit den Frequenzen f1, f2, f3, ..., fn beliebig vorgegeben ist, eine Impedanz mit beliebiger Phase in eine andere Impedanz mit beliebiger Phase transformieren können, k) die Längen l1, l2, ..., li, ..., ln jeweils zwischen aufeinanderfolgenden Transformationsgliedern Ci, 2, ... i, ..., n) einerseits und dem Ausgang andererseits der Transformationsanordnung erfüllen die Bedingung, daß der Betrag der Determinante n-ter Ordnung # #ej2ß1l1 ej2ß1l2 .... ej2ß1ln # #ej2ß2l1 ej2ß2l2 .... ej2ß2ln # . . . D= . . . # . . . # #ej2ßnl1 ej2ßnl2 .... ej2ßnln einen Wert zwischen 2#########sin###n für ungerades n bzw.2########sin###n für gerades n und ungefähr einem Viertel dieses Wertes hat, wobei 0 2|[fk/c für k=1, 2, ..., i, ..., n und c die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle auf dem genannten Hochfrequenzleitungsstück ist, 1) in den Längen 11, 12, ..., 1n sind die Phasendrehungen einer fortschreitenden Welle durch die eingeschalteten Transformationsglieder (1, 2, ..., n) bei mittlerer Einstellung der variablen Größen und bei mittlerer Frequenz innerhalb des Frequenzbereiches berücksichtigt.
2. 2. Transformationsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen l1, l2, ..., ln solche Werte haben, daß der Betrag der Determinante D einen Wert zwischen 2###############sin###n für ungerades n bzw. 2############sin##n für gerades n und ungefähr der Hälfte dieses Wertes hat.
3. 3. Transformationsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennnenzeichnet, daß die Längen l1, l2, ..., ln solche werte haben, für die der Betrag der Determinante D als Funktion der l1, 12, ..., 1n ein Maximum hat.
4. 2 4. Transformationsanordnung nach Anspruch oder 3 mit drei einstellbaren Transformationsgliedern zur gleichzeitigen Transformation bei drei Frequenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbaren Transformationsglieder untereinander im wesentlichen gleiche Abstände haben.
5. 5.. Transformationsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand d = l1 - 12 = 12 - 13 im wesentlichen die Gleichung (f2-f1)cos 2(#2-#1)d+(f3-f2)cos 2(#2-#2)d -(f3-f1)cos 2(#2-#1)d = 0 erfüllt.
6. 6. Transformationsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche mit drei einstellbaren Transformationsgliedern zur gleichzeitigen Transformation bei drei Frequenzen f1, f2, f3, dadurch gekennzeichnet, daß die Variationsbereiche der veränderbaren Größen der drei Transformationsglieder ungefähr so groß sind, daß jedes einzelne Transformationsglied bei der Frequenz (f1+f2+f3)/3 die Transformation eines Reflexionsfaktors r mit beliebiger Phase in einen Reflexionsfaktor ri mit beliebiger Phase bewirken kann, wobei derjenige Betrag der jeweiligen komplexen Differenzen r -gleich dem Wert des Ausdruckes 2/n(Max#r1-r'1#+Max#r2-r'2#+Max#r3-r'3#) ist, bis zu welchem sich diese Differenzen r-r' mit beliebiger Phase einstellen lassen, wobei mit Max#r1-r'1#, Max#r2-r'2#, Max#r3-r'3# die Maximalwerte von#r1-r'1#, #r2-r'2#, #r3-r'3# bezeichnet sind, die sich für bestimmte vorgegebene Werte von R1, R2, R3 und R'1, R'2, R'3 ergeben können, wenn letztere innerhalb ihrer Impedanzbereiche variiert werden; dabei bedeuten rk = (Rk-Z)/(Rk+Z) und r'k - (R'k-Z)/(R'k+Z) für k = 1, 2, 3
7. 7. Transformationsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Frequenzkanälen benutzt wird, die in den Umgebungen der Frequenzen f1, f2, ..., f liegen und deren Breiten wesentlich kleiner sind als n die Differenzen von je zwei benachbarten der Frequenzen f1, f2, ...,