DE508899C - Anordnung zur reflexionsfreien Kopplung zweier Kreise verschiedener Impedanz unter bestimmter Phasenbeziehung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur reflexionsfreien Kopplung zweier Kreise verschiedener Impedanz unter bestimmter Phasenbeziehung.

Es wird häufig verlangt, Kreise miteinander reflexionsfrei unter Änderung ihrer Impedanzen zu koppeln, beispielsweise wenn an den Verzweigungsstellen bei Sendeleitungen die Anpassung der Impedanzen der verschiedenen Zweige der Leitung erfolgen soll. Bei sehr hohen Frequenzen ist es nicht einfach, die gewünschten Impedanzänderungen durch einfache Transformatorkreise zu erhalten, da infolge von Isolationsschwierigkeiten eine enge, refiexionsfreie Kopplung der Primär- und Sekundärseite nicht möglich ist. Die Verwendung eines parallelen Resonanzkreises und die Kopplung des einen Kreises an variablen Abzweigpunkten an der Induktanz macht es

ao unmöglich, Phasengleichheit in den beiden miteinander zu koppelnden Kreisen zu erhalten, und infolge der hohen Stromverluste im Resonanzkreis ist diese Kopplungsart verhältnismäßig unwirksam.

Man hat schon vorgeschlagen, eine Reihenschaltung von induktiver und kapazitiver Reaktanz mit dem einen der zu koppelnden Kreise zu koppeln und den anderen Kreis entweder an die induktive oder an die kapazitive Reaktanz zu koppeln. Diese Anordnung ist zwar zufriedenstellend, hat aber den Nachteil, daß sie eine Phasenverschiebung bedingt, deren Größe durch das Impedanzverhältnis der beiden zu koppelnden Kreise festgelegt ist.

Gemäß vorliegender Erfindung wird eine Kopplungsanordnung vorgesehen, die auch bei sehr hohen Frequenzen wirksam ist und willkürliche Impedanz- und Phasenänderung gestattet. Erfindungsgemäßwerden zur reflexionsfreien Kopplung der beiden Kreise, deren Impedanzen im bestimmten Verhältnis zueinander stehen und für welche eine. bestimmte Phasenbeziehung gefordert wird, zwei hintereinandergeschaltete Kopplungskreise, bestehend aus einer Serienschaltung von Kapazität und Selbstinduktion, verwendet. Die Kopplungskreise werden so dimensioniert, daß die Phasenverschiebungen, welche beide Kreise verursachen, zusammen die gewünschte ergeben und durch die beiden in Serie geschalteten Kreise im gewünschten Verhältnis die Impedanzen verändert werden. Soll ein Kreis der Impedanz Z₁ an einen zweiten, dessen Impedanz Z₂ zu Z₁ in einem bestimmten Verhältnis^T steht, angeschlossen werden, wobei diese Ströme in den genannten Kreisen Z₁ und Z₂ eine bestimmte Phasendifferenz D besitzen sollen, so werden also zur Kopplung zwei in Serie geschaltete Kreise verwendet. Durch den ersten Kreis wird Z₁ auf den Wert Z' = α Z₁ gebracht, wodurch eine Phasenverschiebung φ bedingt ist. Der zweite Kreis bringt dann die Impedanz Z' auf

den Wert β Z' = α β Z₁, wodurch eine Phasenverschiebung ψ verursacht wird. Die Impedanztransformationsverhältnisse α und β werden so gewählt, daß ihr Produkt α β = X dem gewünschten Verhältnis ist und daß die resultierende Phasenverschiebung φ -\- ψ = D ist. Es werden zu diesem Zweck die Serienschaltungen von zwei Kondensatoren mit dazwischenliegender Selbstinduktion und von ίο zwei Selbstinduktionen mit dazwischenliegender Kapazität derart hintereinandergeschaltet verwendet, daß der eine der zu koppelnden Kreise mit der in der Mitte liegenden Impedanz des einen Kopplungskreises, der andere mit den beiden äußeren Impedanzen des zweiten Kopplungskreises verbunden ist.

Die Erfindung ist auf der Zeichnung in fünf Abbildungen dargestellt.

Abb. ι und 2 zeigen bekannte Kopplungskreise.

Abb. 3 ist eine Kombination bekannter Kreise gemäß der vorliegenden Erfindung. Abb. 4" ist eine Kürventafel, die sich zum Aussuchen der Kreiskonstanten eignet. Abb. 5 zeigt andeutungsweise eine Anwendung der vorliegenden Erfindung.

Abb. ι zeigt eine Anordnung zur reflexionsfreien Kopplung zweier Kreise der Impedanzen Z₁ und Z₂, bestehend aus Induktanzen 1 und Kapazität-4, die durch die Enden der Klemmen 6 mit dem einen Kreis der Impedanz Z₁ verbunden sind. Die mit dem Kondensator 4 verbundenen Klemmen 8 führen zu dem zweiten Kreis der Impedanz Z₂. Die Reaktanzwerte des Kopplungskreises sind so gewählt, daß;, wenn man sich die durch Parallelschalten der Kapazität 4 zu dem Scheinwiderstand Z₂ resultierende Impedanz durch eine ihr äquivalente Reihenschaltung von einer Kapazität C_x mit einer Impedanz von der GmBeZ₁ ersetzt denkt, die gedachte Serienkapazität C_x in Resonanz mit den Induktanzen 2 ist. Mit anderen Worten, es stellt die Impedanz Z₂ parallel geschaltet mit dem Kondensator 4 — in folgender Formel als Impedanz Cj bezeichnet — eine fiktive Impedanz Z dar, welche sich ergibt aus der Formel:

C₀ " C₄ + Z₂

Diese Impedanz wird zerlegt gedacht in zwei Größen:

Z = Z, 4-C-

wobei C_x mit den Spulen 2 in Resonanz sein soll. Da

Z₁-Zz- - — C.vist,

so folgt, daß notwendigerweise Z₁ kleiner als 2\ sein muß. Es ist offensichtlich, daß durch Verbinden des Kreises in der umgekehrten Richtung die Impedanz hinunter transformiert werden kann.

Abb. 2 ist ähnlich wie Abb. i, ausgenommen, daß die Klemmen 18 mit der induktiven Reaktanz 12 verbunden sind anstatt mit der kapazitäten Reaktanz 14. In diesem Falle kann die an die Klemmen iS angeschlossene Impedanz Z₂ mit der ihr parallel geschalteten Spule 12 als eine durch Serienschaltung einer Selbstinduktion L_x mit einer Impedanz der Größe Z₁ aufgefaßt werden, wobei die Kapazität 14 auf Resonanz mit der fiktiven Induktanz L_x gebracht wird und auf diese Weise refjexionsfreie Ankopplung erreicht wird.

In Abb. 4 zeigt die Kurve 20 die Grade der Phasenverschiebung zwischen beiden zu koppelnden Kreisen als eine Funktion des Impedanzverhältnisses beider. Es ist klar, daß Benutzung von Kreisen gemäß Abb. 1 bzw. 2 beiden symmetrischen Hälften der Kurve 20 entspricht; es sind bei einem gegebenen Impedanzverhältnis die Phasenverschiebungen bei Benutzung der Kopplungskreise nach Abb. 1 bzw. 2 gleich, aber einander entgegengesetzt gerichtet.

Abb. 3 enthält eine Kombination der Kreise nach 1 und 2 gemäß der Erfindung. Sind die entsprechenden Impedanzen der beiden Kopplungskreise gleich, so ist die resultierende Phasenverschiebung Null.

In dem allgemeineren Fall wird das Erfordernis für ein gewünschtes Impedanzverhältnis — begleitet von einer gewünschten Phasenverschiebung — dadurch befriedigt, daß zwei Kreise kombiniert werden, bei denen das Produkt der Impedanzveränderungsfaktoren gleich dem gewünschten Verhältnis und die algebraische Summe der Phasenverschiebungen die gewünschte ist. Liegt beispielsweise die Aufgabe vor, ein bestimmtes 'Impedanzverhältnis zwischen den Außenkreisen unter Phasenverschiebung Null auszugleichen, so wird die Änderung der Impedanzen in beiden Kreisen so vorgenommen, daß die damit verbundenen Phasenverschiebungen sich aufheben. Da, wie obenerwähnt, die Kurve 20 (Abb. 4) symmetrisch ist, d. h. Änderungen der Impedanzverhältnisse, welche unter Phasenvoreilung und Phasennacheilung gleicher Größe durch die beiden Kreise hervorgerufen werden, auch gleich sind, so folgt in diesem. Falle, daß die Änderung der Impedanzverhältnisse durch jeden der beiden Kreise gleich der Wurzel des gewünschten Verhältnisses ist. Soll z. B. die Impedanz des ersten Kreises Z₁ auf den Wert α Z₁ gebracht werden unter Phasenverschiebung Null, so werden die beiden in Serie geschalteten Kopplungskreise so gewählt, daß der erste unter Phasenvorauseilung von der Größe ψ Z₁ auf den Wert

Ya Z₁ bringt, der zweite Kreis wird so gewählt, daß durch ihn unter Phasennacheilung von der Größe desselben Winkels Φ ) a Z₁ nun auf CiZ₁ gebracht wird.
In Abb. 4 sind die Kurven 22, 24, 26 und. 28 nach demselben Ordinaten- und Abseisscnmaljstab wie die Kurve 20 entworfen, zeigen aber das Gcsamtimpedanztransformationsverhältnis als eine Funktion der Gesamtphasenverschiebung bei Verwendung des kombinierten Kreises nach Abb. 3. Die Kurve 22 wird dadurch erhalten, daß man annimmt, daß das Impedanztransfonnationsverhältnis durch einen der Kreise 0,2 und in Serie zu diesem ein zweiter Kreis angeordnet ist. dessen Impedanztransformationsverhältnis alle Werte zwischen, ο bis 1 durchläuft. Durch Zusammenwirken dieser beiden Kreise ergibt sich dann bei einem bestimmten Wert für das Verhältnis der Impedanzen der zu koppelnden Kreist- die aus der Kurve zu entnehmende Phasenverschiebung. Die Kurve 24 wird analog dadurch erhalten, daß man annimmt, daß das Impedanztransformationsverhältnis des einen der Kreise 0,4 ist und daß man verschiedene Werte für den anderen Kreis nimmt. In gleicher Weise werden die Kurven 26 und 28 für ein Impedanzverhältnis von o, C bzw. 0,8 der zu koppelnden Kreise erhalten.

Die Kurventafel wird folgendermaßen gebraucht.

Ein Punkt, der das gewünschte Impedanzverhältnis und die gewünschte Phasenverschiebung darstellt, wird auf der Tafel aufgesucht, beispielsweise Punkt 30 bei Impedanzverhältnis 0,4 und Phasenverschiebung 30⁰ Nacheilung. Der Punkt 30 wird auf einer Linie 32 verfolgt, angenähert von der nächstliegenden Kurve, bis sie die Kurve 20 schneidet, die die Phasenverschiebung und das Impedanztransformationsverhältnis für einen der zu koppelnden Kreise auf 48° und 0,45 anzeige. Das Impedanztransformationsverhältnis des anderen der Kreise kann dadurch erhalten werden, daß das gewünschte Verhältnis durch das für den ersten Kreis gefundene Verhältnis dividiert wird, was 0,89 ergibt. Man kann auch die gewünschte Phasenver-Schiebung von der von dem ersten Kreis hervorgerufenen Phasenverschiebung subtrahieren, um die Phasenverschiebung in dem zweiten Kreis, nämlich 18° Voreilung, zu erhalten ; das Impedanztransformationsverhältnis für diese Phasenverschiebung auf Kurve 20 ergibt etwas weniger als 0,9, welches das eigentliche Resultat sein sollte.

So stellen in Abb. 4 die Linien 34 und 36 das Impedanztransformationsverhältnis und die Phasenverschiebung für einen der Kreise dar, während die Linien 38 und 40 das Impedanztransformationsverhältnis und die Phasenverschiebung für den anderen der Kreise darstellen. Man erkennt, daß die Phasenverschiebung sich um 3O^U unterscheidet und daß das Produkt der Impedanzverhältnisse, wie gewünscht, 0,4 ist. Die dargestellte Kurventafel dient nur für Werte, die innerhalb der Grenzen der Kurve 20 liegen, denn es war angenommen, daß die beiden koppelnden Kreise Phasenverschiebungen vom entgegengesetzten Sinne hervorrufen und Impedanztransf ormationsverhältnisse von gleichem Sinne halien, was der gewöhnlichere Fall ist. Naturgemäß kann jedoch die Tafel so ausgedehnt werden, daß sie allgemeinere Fälle enthält, indem die Kurven 22, 24, 26 und 28 fortgesetzt werden; dieses geschieht dadurch, daß man Impedanztransformationsverhältnisse für den zweiten Kreis nimmt, die größer als die Einheit sind. Eine solche Kurve ist die Kurve 22 in Abb. 4. Um größere Impedanztransformationsverhältnisse als die Einheit zu erhalten, wird einer der Kopplungskreise in Abb. 3 umgedreht. ■

Eine Anwendung zu vorliegender Erfindung zeigt Abb. 5, in der 102 und 104 Antennen, 106 und 108 Reflektoren sind, die durch die Leitungen 11 ο und 112 gespeist werden, die ihrerseits durch eine Leitung 114 gespeist wer- go den. Wenn die Leitungen 11 ο und 112 der Leitung 114 ähnlich sind, ist ihre kombinierte Impedanz gleich der Hälfte der Impedanz von Leitung 114, und es müssen deshalb die Impedanzen an dem Verbindungspunkt 116 zusammengepaßt werden. An diesem Verbindungspunkt ist eine Phasenverschiebung nicht schädlich, so daß die älteren bekannten Kopplungsanordnungen verwendet werden können. Dagegen ist an den Punkten 118 und 120, wo die Leitungsimpedanzen gleichfalls zusammengepaßt werden müssen, die relative Phase der den Antennen 102 und 106 zugeführten Energien von großer Wichtigkeit, da ihre Phasenverschiebung gleich der natürliehen Phasenverschiebung der Welle im Raum sein muß an Punkten, die um den Abstand zwischen Antenne 102 und Reflektor 106 entfernt sind. Zu diesem Zwecke kann die erfindungsgemäße Kopplungseinrichtung an den Punkten 118 und 120 und für die andere Antenne an den Punkten 122 und 124 angewendet werden.

Claims (1)

1. Patentanspruch: H5

   Anordnung zur reflexionsfreien Kopplung zweier Kreise verschiedener Impedanz unter bestimmter Phasenbeziehung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kopplung die Serienschaltung von zwei Kondensatoren mit dazwischenliegender Selbstinduk-

   tion und die von zwei Selbstinduktionen mit dazwischenliegender Kapazität derart hintereinandergeschaltet vorgesehen sind, daß der eine der zu koppelnden Kreise mit der in der Mitte liegenden Selbstinduktion bzw. der Kapazität des einen Kopplungskreises, der Ausgang dieses Kreises mit der Kapazität bzw. Selbstinduktion des anderen und der Ausgang dieses letzteren Kopplungskreises mit dem zweiten der zu koppelnden Kreise verbunden ist und daß die Schaltungselemente der beiden Kopplungskreise so dimensioniert sind, daß jedes in solchem Maße Impedanz und Phasenverschiebung überträgt, daß das Produkt ihrer Impedanztransformationsverhältnisse gleich dem gewünschten Impedanzverhältnis und die algebraische Summe ihrer Phasenverschiebungen gleich der gewünschten ist. ao

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen