-
Elektrischer Wellenfilter, dessen Glieder außer Reihen- und Nebenschlußreaktanz-Elementen
auch Ohmsche Widerstände enthalten Die Erfindung betrifft elektrische Wellenfilter,
insbesondere die Herstellung eines elektrischen Wellenfilters mit wiederkehrenden
Gliedern, der für einen weiten auch Niederfrequenzen umfassenden Frequenzbereich
an die Impedanz einer Übertragerleitung angepaßt sein soll. Gegenüber der Aufgabe,
mehrere Glieder gleichen Aufbaues einer solchen Kette aneinander anzupassen, für
die Lösungen l;ekannt geworden sind, bietet die Aufgabe, eine Anpassung zwischen
einer Leitung und einem Wellenfilter herzustellen, die besondere Schwierigkeit,
@iaß die zu verbindenden elektrischen Übertragungssysteme verschiedene Bauart haben.
\ ach der Erfindung ist bei einem elektrischen Wellenfilter, dessen Glieder außer
Reihen- und Nebenschlußreakta.nze1ementen auch Ohmsche Widerstände enthalten, das
Verhältnis der Größe der Ohmsehen Widerstände zu der Größe der Reaktanzelemente
der Glieder des Filters praktisch gleich dem Verhältnis der Größe des Ohmsehen Widerstandes
einer mit ihm verbundenen Leitung zu der Größe der Reaktänzelemente der Leitung,
so daß die Impedanz des Filters für einen weiten Frequenzbereich an die Impedanz
der .Leitung angepaßt ist. Ein solches Wellenfilter besitzt günstige Eigenschaften
für die Verwendung in Doppelsprechkreisen sowohl für die Vierer- als auch für die
Stammleitungen. An Hand der Zeichnung soll die Erfindtmg nachfolgend näher erläutert
werden. Fig. i zeigt die Verwendung eines Hochband- und Niederbandfilters in einem
Paar von Stromkreisen und einem Doppelsprechstromkreis (Phantomleitung). Unter einem
Hochbandfilter ist dabei ein Filter zu verstehen, das hohe Frequenzen durchläßt
und niedrige Frequenzen dämpft. Das Umgekehrte ist der Fall bei Niederbandfiltern.
Fig. z und 3 sind vereinfachte Diagramme der Fig. i. Fig. ¢ zeigt die Impedanzfrequenzbeziehungen
für die Schaltung der Fig. i.
-
Bei einer längeren Leitung, die verschiedene Frequenzen führt, wird
es oft erwünscht sein, an einem bestimmten Punkt parallele Zweige zu verwenden,
so daß die Hochfrequenzen im einen Zweig, die Tieffrequenzen im anderen Zweig fließen.
Es ist wohl bekannt, daß eine Hochfrequenz in der Leitung mehr gedämpft wird als
eine Niederfrequenz, und ein Zweck der Trennung in zwei Zweigen ist, im Hochfreduenzzweig
einen Verstärker einzuschalten. U m Reflexionen zu vermeiden, ist es erwünscht,
die Filter an den Wellenwiderstand der Leitung anzupassen. Es sind bereits Einrichtungen
bekannt geworden, bei denen ein Hoch- und ein \ iederbandfilter an homogene Leitungen
angepaßt wurden. Bei den bekannten Einrichtungen bestanden die Filter aus Kettenleitern
mit sich wiederholenden Gliedern aus Reaktanzelementen, und zwar für die Hochfrequenz
vom Kondensatorleitertyp, für tiefe Frequenzen vom Spulenleitertyp. Damit sich die
beiden Wellenfilter ergänzen
oder, anders ausgedrückt, zueinander
komplementär- sind, so daß bei Frequenzen über oder unter der den beiden Filtern
gemeinsamen Grenzfrequenz ein Filter die Reaktanz des anderen so nahe als praktisch
erreichbar aufhebt, wurden diese Filter den Bedingungen unterworfen --,'=--4z, und
z,, - q. z2 .
-
Dabei bedeuten z,' die Längsimpedanz eines Hochbandfiltergliedes (z.
B. des Kondensators eines Kondensatorleitergliedes), z2 die Querimpedanz des Hochbandfiltergliedes
(z. B. der Spule der Kondensatorleitung), z,. die Längsimpedanz eines Tiefbandfiltergliedes
(z. B. der Spule einer Spulenleitung) und z2 die Querimpedanz eines Tiefbandfiltergliedes
(z. B. des Kondensators eines Spulenleitergliedes). Eine weitere Bedingung, der
die Filter unterworfen wurden, ist, daß sie mit einem x-Längselement anfangen und
enden, dessen Impedanz x-mal so groß ist, wie die des normalenLängselementes, wobei
x den Wert von o,8og zu erhalten hat. Da das Tiefbandfilter für Hochfrequenz undurchlässig
ist und eine nahezu unendliche Impedanz darstellt, muß gleichzeitig die Impedanz
des Hochbandfilters für hohe Frequenzen gleich der Impedanz der Leitung gemacht
werden. Bei diesen bekannten Arten, die Wellenwiderstände zweier Kettenleiter sich
gegenseitig aufheben zu lassen, erhält man einen praktisch fast konstanten reellen
Scheinwiderstand. Jedoch läßt sich leicht zeigen, daß dadurch keine genügend gute
Anpassung an eine Leitung für tiefe Frequenzen bewirkt werden kann, weil der Wellenwiderstand
einer Leitung bei genügend tiefen Frequenzen eine merkliche Blindkomponente hat.
-
Gemäß der Erfindung wird eine bessere Anpassung durch Einschaltung
von Ohmschen Widerständen in das Niederbandfilter erreicht. Der Widerstand wird
vorzugsweise in die Längselemente der Glieder des Tiefbandfilters eingeschaltet,
wobei die Widerstände an den Anfangs- und Endgliedern wie auch die Längsimpedanzen
vorzugsweise den Wert von o,8ogmal den Normalwerten der inneren Glieder des Filters
erhalten. Der Widerstand wird gemäß der Erfindung derart gewählt, daß das Verhältnis
der Impedanzenwiderstände zu den Reaktanzelementen des Filters von derselben Größenordnung
ist wie das Verhältnis des Impedanzenwiderstandes einer mit ihm verbundenen Leitung
zu den Reaktanzelementen der Leitung, so daß die Impedanz des Filters für einen
weiten Frequenzbereich an die Impedanz der Leitung angepaßt ist.
-
Der Widerstand wird beispielsweise folgendermaßen bestimmt. Der Wellenwiderstand
der Leitung für Hochfrequenz möge 62o 2 betragen; für eine Tieffrequenz von 135
möge er den Wert von 720 - j 365 besitzen. Aus der früher genannten Bedingung
für die Impedanzwerte z1, 221 z2 für die gegenseitige Ergänzung der Tief- und Hochbandfilter
ergeben sich unter Berücksichtigung, daß für Hochfrequenz das Tiefbandfilter undurchlässig
ist, also der Wellenwiderstand der Filterkombination 62o ,i2 betragen muß, und unter
Zugrundelegung, daß beide Filter die gleiche Grenzfrequenz von beispielsweise
3000 Perioden besitzen müssen, die Werte der Elemente der Filterglieder,
und zwar für das Hochbandfilter: C, = 0,04z8 # 10-s L,==-. 16,q. # i o-3, für das
1Tiederbandfilter: L1= 65,8 #I0-3 C2 = 0, 1711 # 10-6-Für Frequenzen,
die durch das Tiefbandfilter übertragen werden, besitzt der Wellenwiderstand der
im Nebenschluß befindlichen Hochband- und Tiefbandwellenfilter bei Abschluß der
Filter durch Längsimpedanzen vom x-fachen Betrage der Längsimpedanz der normalen
Glieder den Wert:
Macht man diese Impedanz gleich der der Leitung für eine Frequenz von 135, so kann
aus obiger Gleichung, wenn z2 als Querimpedanz festgelegt ist, z,. für die Frequenz
135 mit einem Wert von 76,o8 -i- j 156,63 .S2 berechnet werden. Da das Glied j 156,63
mit dem Wert der Impedanz von L1 für die Frequenz 135 der Spule des Tiefbandfilters
übereinstimmt, sieht plan daraus, daß es nur notwendig ist, in Serie mit jeder Induktivität
L,. einen Widerstand vom Betrage 76,o8 S2 zu schalten, um die gewünschte Anpassung
der Filterkombination mit der Leitung für tiefe Frequenzen zu erreichen. Durch die
Einschaltung dieses Widerstandes in die Serienelemente des Tiefbandfilters wird
die Impedanz bei Hochfrequenz nicht beeinflußt, da die Impedanz des Tiefbandfilters
für Hochfrequenz sich dem Wert Unendlich nähert.
-
Fig. I stellt beispielsweise die Verwendung angepaßter Hoch- und Tiefbandfilter
gemäß der Erfindung dar. I, 1' sind zwei zu einem Doppelstromkreis (Phantomkreis)
geschaltete Stammleitungen. In die Leitung sind Hoch-und Tiefbandfilter eingeschaltet,
die den vorher erwähnten Bedingungen entsprechen, und es ist weiter durch entsprechende
Maßnahmen
dafür gesorgt, daß ein Schutz gegen Reflexionseffekte
im Viererkreis geschaffen wird. Die besondere Anordnung für die Stammleitung l sei
zuerst angegeben.
-
Der Verstärker R., ist im Hochbandzweig eingeschaltet, und zu seinen
beiden Seiten liegt je eln Hochbandfilter, das aus zwei ganzen Mittelseriengliedern
besteht, jedes mit einer Endserienimpedanz, die ausreicht, um das o,8o9 Serienende
zu erreichen. Hat man dieses Ende, so bildet das Tiefbandfilter angenähert den richtigen
reaktanzaufhebenden ebenschluß am vom Verstärker Rn abgelegenen Ende des Hochbandfilters.
Um die genaue Ausgleichreaktanz am Verstärker herzustellen, ist dort eine Reihenschaltung
von
parallel zum Filter geschaltet.
-
Die Serienimpedanzelemente sind wegen des Ausgleichs der Leitung auf
beiden Seiten der Leitung gleichmäßig verteilt. So sind z. B. in Fig. i in jedes
Hochbandglied zwei Kondensatoren, jeder mit der Kapazität 2 C" eingezeichnet, die
einem Einzelkondensator Cl gleichwertig sind. Das Niederbandfilter enthält zwei
ganze Mitteiserienglieder S,. und S.. Die Verbindungspunkte i und 2 zwischen diesen
Gliedern sind Mittelpunkte des Tiefbandfilters, die für Untersuchungszwecke gegebenenfalls
geöffnet werden können oder an welche Meßapparate als Brücke quergeschaltet werden
können. Die Serieninduktanzenwicklungen sind auf denselben Kern gewickelt, was in
der Figur durch die punktierten Linien mit den Pfeilköpfen angedeutet ist. Dadurch
wird die Induktanz pro Windung erhöht, und weiter, wie schon jetzt bemerkt sei,
ist die Induktanz im Viererkreis gleich Null. Die Bezugszeichen, die die Induktanzwerte
bei dem Tiefl:andfilter angeben, gelten für die Gesamtinduktanz der zwei Serienwindungen
auf beiden Seiten; z. B. ist L,12 die Induktanz der beiden Windungen, die in den
beiden Adern gegenüberliegen.
-
Im Einklang mit den obigen Ausführungen ist jedes Endserienimpedanzelement
so abgeglichen, daß es ein o,8o9 Serienendglied ergibt. Mit diesem Endglied gibt,
wie bereits ausgeführt wurde, das Hochbandfilter nahezu genau den reaktanzaufhebenden
Nebenschluß.
-
Die Selbstinduktionen werden unvermeidlich auch Ohmschen Widerstand
besitzen, und der für den Widerstand R1 berechnete Wert (76,o8 des gegebenen Beispiels)
schließt diesen Widerstand der Selbstinduktion mit ein. Dieser Widerstand der Selbstinduktion
wird aber gewöhnlich nur ein geringer Bruchteil (einige Prozente) des berechneten
Widerstandes sein, so daß der in Fig. i in den Serienelementen angegebene Widerstand
zum größten Teil an diesen Punkten und nur zum kleinsten Teil in den Induktanzen
selbst liegt.
-
Wenn man die Fig. r betrachtet, so sieht man, daß, wenn jede Serienselbstinduktion
aus zwei gleichen Spulen in beiden Adern auf demselben Kern besteht und der ganze
Zweig des Tiefbandfilters als eine Leitung des Vierers angesehen wird, diese Windungen
keine Impedanz aufweisen, so daß Niederfrequenzströrne auf der Komhinationsleitung
durch das Tiefbandfilter hindurchgehen, ohne auf eine Impedanz zu treffen. Aber
die Einfügung der Serienwiderstände setzt im Doppelsprechkreis dein Strom Widerstand
entgegen, auch wenn die Selbstinduktionen völlig unbeachtet bleiben können.
-
Es sei nun eine vorteilhafte Anordnung zum Ausgleich der Widerstände
des Tiefbandfilters für den Doppelsprechkreis angegeben. Jeder Querkondensator C2
ist in Fig. i durch zwei Kondensatoren 2 C_ in Serie ersetzt; die Punkte zwischen
diesen Kondensatoren seien verbunden mit einem unbekannten Glied R,4, dessen unbekannte
Impedanz weiterhin mit bezeichnet sei. Um bei der Ermittlung des Wertes für z4 einen
Schritt vorwärts zu kommen, sei das n-Glied der Fig. i durch das gleichwertige T-Glied
ersetzt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, in der auch die Hochbandfilter fortgelassen
sind wegen der hohen Impedanz dieser Zweige für die Niederfrequenz. Auch die Induktionen
des Tiefbandfilters sind fortgelassen, weil sie im Kombinationskreis keinen Einfluß
haben. Jeder Schenkel des r-Gliedes in Abb. i ist 2 C2, das entsprechende Impedanzglied-
- der Fig. 2 1'
sei In dieser Weise sind die beiden Leitungen der kombinierten
Leitung in Fig.2 dargestellt. Die Einzelelemente seien zusammengefaßt in den Serienelementen
Zi und dem Querelement Z@, wo Zi und Z2 zunächst noch zu ermitteln sind. In Fig.
3 ist diese Zusammenziehung dargestellt. Die Berechnung ergibt leicht, daß
Die Lösung der Gleichung unter Benutzung der bekannten Formeln für den Mittelsericnwellenwiderstand
Zms, nämlich
Aus den Angaben der Fig. ¢ und der Gleichung q. ergibt sich für
Frequenzen von beispielsweise 135 bis 2 5Q0 für z4 eine Ohmsche Komponente, deren
Wert nur wenig mit der Frequenz abnimmt und ungefähr gleich i 340 Ohm ist. Ebenso
ergibt die Berechnung, daß z4 eine nahezu konstante und sehr kleine Reaktanzkomponente
besitzt, die vernachlässigt werden kann. z4 kann daher in genügender Weise durch
einen konstanten Widerstand von z4-R4= i 340 Ohm (i5) dargestellt werden.
-
In Fig. q. sind die Komponenten des Wellenwiderstandes der kombinierten
Leitung durch die punktierten Kurven und der Impedanz Z",S durch die vollen Kurven
dargestellt. Der nahezu gleiche Verlauf dieser Kurven zeigt, daß der Wert von i
340 Ohm für z4 eine sehr gute Abgleichung der Filter bezüglich des Wellenwiderstandes
der kombinierten Leitung für einen angemessenen Frequenzbereich ergibt.
-
Die beiden oberen Kurvenpaare zeigen die Ohmsche Komponente des Wellenwiderstandes
der Stammkreise und der kombinierten Kreise, während die beiden unteren. Kurvenpaare
die negative Reaktanzkomponente des Wellenwiderstandes dieser Kreise darstellen.
Das obere und das dritte Paar gehört demnach zu den Stammkreisen, das zweite und
das untere zum kombinierten Kreis.
-
Die Einfügung der Serienwiderstände in das Niederbandfilter und die
Einfügung des Querwiderstandes R4 bedingt eine gewisse Dämpfung für .den kombinierten
Kreis, deren Größe aber nicht wesentlich ist.