DE4302930C1 - Breitbandübertrager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Breitbandübertrager.

Breitbandübertrager bestehen üblicherweise aus Leitern (Draht, Bandkabel, Koaxialkabel), die gemeinsam auf einen Kern, z. B. einen toroidförmigen Ferritkern, gewickelt sind (F. Kovacs, Hochfrequenzanwendungen von Halbleiterbauelementen München 1977 Seiten 194 bis 197). Die Leitungslänge bestimmt den Wellenwiderstand und die obere Frequenzgrenze des Übertragers. Die Wellenleiter-Übertrager mit Ferritkern arbeiten im unteren Frequenzbereich mit magnetischer Kopplung.

Mit Erhöhung der Frequenz fällt die Permeabilität des Ferritkerns und der Übertrager geht allmählich in einen-reinen Wellenleiter-Übertrager über; d. h. die Kopplung erfolgt nur noch über Wellenleiter.

Aufgabe der Erfindung ist es einen Breitbandübertrager anzugeben, der eine hohe Bandbreite, insbesondere über mehrere Frequenzdekaden, bei guter Impedanzanpassung aufweist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen aufgezeigt.

Bei Breitbandübertragern ist es bekannt ungleiche Außenwiderstände durch Leitungsanzapfungen zu transformieren (DE 30 22 023 A1). Damit wird jedoch der Verlust der idealen Leitungsverhältnisse in Kauf genommen. Auch ist es an sich bekannt, die Anpassung durch Impedanzen, z. B. Kondensatoren, am Eingang, Ausgang oder innerhalb eines Breitbandübertragers zu verbessern (DE 33 29 368 A1, Telefunken Zeitung, Jg. 28, Heft 107, März 1955, Seiten 5 bis 14, insbesondere Seite 9, SU 12 77 226 A1), jedoch geben diese Realisierungen keine Anregung in Richtung einer Kombination im Sinne der Merkmale des Patentanspruchs 1, zumal das letzte Merkmal des Anspruchs 1 aus keiner dieser Schriften bekannt ist.

Ein aus Electronics, August 16, 1973, Seiten 113 bis 116 bekannter Breitbandübertrager weist zwar einen dritten Leiter auf, der mit dem Ausgang verbunden ist, jedoch ist dieser Leiter dazu vorgesehen, das Impedanztransformationsverhältnis auf Kosten der Bandbreite zu vergrößern. Auch besteht keine galvanische Entkopplung zwischen Eingangs- und Ausgangskreis.

Die Erfindung besitzt folgende Vorteile:

• - der Frequenzbereich des Breitbandübertragers umfaßt 5 Dekaden ohne wesentliche Störung der Impedanzverhältnisse und ist daher für Digitalsignale mit wechselnden Bitraten geeignet,
• - der Eingangskreis ist vom Ausgangskreis - entgegen bekannter Realisierungen (DE 30 22 023 A1, DE 33 29 368 A1, EP 01 29 464 A1) - galvanisch entkoppelt, was insbesondere für den Einsatz im Eingangskreis von Nachrichtengeräten, die eine spezifizierte Isolationsfestigkeit aufweisen, vorteilhaft ist,
• - im mittleren Frequenzbereich ist die Impedanzanpassung optimal,
• - durch die erfindungsgemäße Resonanzüberhöhung im oberen Frequenzbereich ist der Amplitudengang verbessert, ohne die Verhältnisse in anderen Frequenzbereichen zu stören,
• - der erfindungsgemäße Breitbandübertrager besitzt neben einem weiten Einstellbereich für ein gewünschtes Impedanztransformationsverhältnis eine gute Abgleichbarkeit.

Anhand der Zeichnungen werden Breitbandübertrager nach der Erfindung zusammen mit bekannten Breitbandübertragern erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen herkömmlichen Breitbandübertrager,

Fig. 2 einen Breitbandübertrager mit Leitungsanzapfung zur Transformation,

Fig. 3 einen Breitbandübertrager mit Gegenwicklung zur Transformation,

Fig. 4 den Amplitudengang eines Wellenleiters in Abhängigkeit der Leitungslänge,

Fig. 5 einen Breitbandübertrager nach der Erfindung,

Fig. 6 den Amplitudeneingang eines Breitbandübertragers mit und ohne Resonanzüberhöhung in einem oberen Frequenzbereich,

Fig. 7 den Amplitudengang eines Breitbandübertragers mit und ohne Resonanzüberhöhung im gesamten Frequenzbereich,

Fig. 8 das Wickelschema des Breitbandübertragers.

Ein Breitbandübertrager in Wellenleiter-Realisierung nach Fig. 1 weist einen ersten Wellenleiter w1 auf, welcher mit dem Übertragereingang - Klemmen 1, 2 - verbunden ist. Das Eingangssignal liefert eine Signalquelle Q mit dem Quellenwiderstand R_S. Ein zweiter Wellenleiter w2 ist mit dem Übertragerausgang - Klemmen 3, 4 - verbunden. An diese Klemmen 3, 4 ist eine Last R_L angeschlossen. Es gilt: R_S = R_L = Z wobei Z den Wellenwiderstand der Wellenleiter darstellt. Die Wellenleiter w1, w2 sind auf einen Ferrittopf- oder Ringkern sehr hoher Permeabilität gewickelt.

Im unteren Frequenzbereich ist die Kopplung zwischen der Übertragerwicklung im Eingangskreis und der Übertragerwicklung im Ausgangskreis magnetisch. Mit zunehmender Frequenz und abnehmender Permeabilität des Kerns wird die Kopplung über die Wellenleiter bewirkt.

Durch die unterschiedliche Kopplungsart werden solche Breitbandübertrager als gemischt gekoppelte Übertrager bezeichnet. Als Wellenleiter wird eine Koaxialleitung (EP 0 129 464 A1) oder eine Paralleldrahtleitung verwendet. Es ist üblich, zwei isolierte Drähte zu verdrillen und als Leitung zu verwenden. Die Dicke der Isolation und die Anzahl der Verdrillungen bestimmen die Impedanz (Wellenwiderstand Z) der Leitung. Es ist an sich bekannt ungleiche Außenwiderstände durch Anzapfung eines der Wellenleiter zu transformieren (Fig. 2). Es gilt für die Realisierung gemäß Fig. 2:

R_S < R_L und Z R_L.

In Fig. 3 ist zur Transformation ein weiterer Wellenleiter w3 (Klemmen 4, 5) zum Wellenleiter w2 gegengewickelt. Es gilt: R_S < R_L und Z R_L. Durch die Anzapfung bzw. die Gegenwicklung nimmt man den Verlust der idealen Leitungsverhältnisse in Kauf. Die Realisierungen gemäß den Fig. 1 bis 3 weisen alle eine Spannungsisolation zwischen Primär- und Sekundärkreis auf.

Die maximal erreichbare Bandbreite eines solchen Übertragers ergibt sich aus der notwendigen Länge der Leitung, welche infolge der unteren Grenzfrequenz über die Anzahl der Windungen und durch die Permeabilität des Kerns bestimmt wird.

Der Amplitudengang eines Wellenleiters ergibt sich aus Electronics, August 16, 1973, Seite 113 zu:

Dabei ist: P_i = Eingangsleistung
P₀ = Ausgangsleistung
β = 2 l π/λ
R_S = Quellwiderstand
R_L = Lastwiderstand.

In Fig. 4 ist der Amplitudengang in Abhängigkeit der Leitungslänge l als Parameter aufgezeichnet (Fall 1: 1 = 250 cm, Fall 4: 1 = 100 cm).

Es ist ersichtlich, daß bei einer Leitungslänge von 1 < 2 m die gewünschte Bandbreite nicht erreicht werden kann. Da die Leitungslänge durch die Kernpermeabilität bestimmt wird, muß ein Kern mit möglichst hohem µ verwendet werden.

Mit den verfügbaren Kernmaterialien und deren Kernabmessungen wird, bei einer notwendigen Grundinduktivität von 30 mH, eine Leitungslänge von etwa 2,5 m notwendig. Mit üblichen Maßnahmen kann die gewünschte Bandbreite von 3 kHz bis 50 MHz nicht erreicht werden.

Der Breitbandübertrager nach der Erfindung, für den in Fig. 5 eine mögliche Ausführungsform dargestellt ist, weist eine Leitungsanzapfung 5 des zweiten Wellenleiters w2 auf, die mit der Last R_L verbunden ist. Der durch die Anzapfung gebildete leerlaufende Teil (Klemmen 4, 5) dieses zweiten Wellenleiters w2 wird erfindungsgemäß über einen dritten Wellenleiter w3, welcher zusammen mit den Wellenleitern w1 und w2 auf den Kern K gewickelt ist, und eine Reaktanz, beispielsweise in Form des Kondensators C1, an den Anzapfungspunkt 5, der gleichzeitig den Übertragerausgang bildet, angeschlossen. Der infolge der Transformation leerlaufende Teil des Wellenleiters w2 wird angepaßt, d. h. niederohmig abgeschlossen, indem die daran abfallende Spannung in den Übertrager zurückgeführt wird. Dies geschieht über den Wellenleiter w3, der vorzugsweise in die Zweidrahtleitung w2 eingewickelt ist (Fig. 8).

Der Wellenleiter w3 bildet zusammen mit dem Kondensator C1 einen Serienresonanzkreis. Der Wellenleiter w3 wirkt somit als Induktivität dieses Resonanzkreises. Zum Abgleich des Resonanzkreises ist der Kondensator C1 einstellbar. Die Einstellung des Serienresonanzkreises erfolgt so, daß eine Resonanzüberhöhung im oberen Frequenzbereich des Breitbandübertragers eintritt. Der Wellenleiter w3 wirkt demnach nur am oberen Bandende. Im mittleren Frequenzbereich, wo eine hohe Anpassung verlangt wird, werden die Verhältnisse kaum gestört und die gute Anpassung bleibt erhalten.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Breitbandübertrager eingangs- und ausgangsseitig mit Reaktanzen in Form der Kondensatoren C2 und C3 beschaltet, die der Impedanzanpassung dienen. Vorzugsweise wird die Anpassung mit diesen Elementen auf den mittleren Frequenzbereich optimiert.

Fig. 6 zeigt den Amplitudengang (Dämpfung a/dB) eines Breitbandübertragers ohne Resonanzüberhöhung (Kurve 1) und mit Resonanzüberhöhung (Kurve 2) im Bereich 1 MHz bis 100 MHz. Fig. 7 zeigt die gleichen Verhältnisse für den Frequenzbereich 100 Hz bis 100 MHz.

Die Anpassungswerte - 511 und 522 Parameter - sind bei
3,2 kHz: S11 = 23 dB, S22 = 22 dB und bei
8,8 MHz: S11 = 27 dB und S22 = 22 dB.

Claims (4)

1. Breitbandübertrager, dessen Wicklung aus einem aufgespulten, voneinander isolierten Drahttripel besteht und folgende Merkmale aufweist:

• - ein Ende eines ersten Leiters (w1) ist an den Übertragereingang angeschlossen,
• - eine Anzapfung eines zweiten Leiters (w2) ist mit dem Übertragerausgang verbunden,
• - ein Ende eines dritten Leiters (w3) ist über eine Reaktanz (C1) mit dem Übertragerausgang verbunden,
• - ein Ende des zweiten Leiters ist mit dem anderen Ende des sonst leerlaufenden dritten Leiters verbunden.

2. Breitbandübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktanz in Form eines Kondensators (C1) zusammen mit dem dritten Wellenleiter (w3) einen Serienresonanzkreis bildet.

3. Breitbandübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Serienresonanzkreis (C1, w3) Mittel aufweist zur Einstellung einer Resonanzüberhöhung im oberen Frequenzbereich des Breitbandübertragers.

4. Breitbandübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eingangs- und/oder ausgangsseitig Reaktanzen (C2, C3) zur Impedanzanpassung vorgesehen sind.