DE515695C - Mit einer Parallelschaltung von Spule und Kondensator belastete Leitung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Belastungs-

systeme für Fernsprechleitungen u. dgl. und hat zum Ziel, den Scheiben widerstand oder Wellenwiderstand der belasteten Leitungen zu verbessern.

Es ist bekannt, daß die gewöhnliche belastete Leitung, die Pupinleitung, bei hinreichender Verlustfreiheit einen Wellenwiderstand hat, der praktisch ein reiner Widerstand ist, aber sich beträchtlich mit der Frequenz ändert. Diese Veränderung ist besonders ausgeprägt im Falle der belasteten Kabelkreise. Andererseits ist der Scheinwiderstand unbelasteter Freileitungen praktisch unabhängig von der Frequenz, so daß, wenn eine Art von Leitungen mit der anderen verbunden wird, beträchtliche Reflexionen entstehen. Um diese zu vermeiden und auch die Scheinwiderstandsnachbildungen bei den Verstärkern zu vereinfachen, ist es wünschenswert, daß die belasteten Leitungen als Impedanz einen praktisch von der Frequenz unabhängigen Widerstand haben.

Nach der Erfindung wird eine Freileitung oder ein Kabel periodisch mit Hilfe von Spulen und Kondensatoren belastet, die zueinander parallel in jede Ader der Leitung geschaltet sind. Diese Belastungseinheiten sind längs der Leitung mit Abständen verteilt, die etwa dieselben sind wie die der Belastungsspulen in Pupinleitungen. Wenn eine solche Leitung in der Mitte einer Belastungseinheit endet, hat das System eine Impedenz, die in dem zu übertragenden Frequenzbereich im wesentlichen ein konstanter Widerstand ist.

In einer anderen Ausführungsform enthält die Erfindung ein zusammengesetztes Belastungssystem, bei dem der oder die Abschnitte an jedem Ende gemäß der oben angegebenen Weise belastet sind, während die Zwischenabschnitte in der gewöhnlichen Weise nach dem Pupinverfahren belastet sind. Diese Kombination kann verwendet werden, weil bei Frequenzen im Übertragungsbereich die Impedanz der Leitung, die gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel belastet ist, gleich der Impedanz einer in gewöhnlicher Weise belasteten Leitung ist, wenn man beide Leitungen in der Mitte eines Belastungsfeldes oder, wie man auch sagt, mit der Anlauflänge 0,5 aufhören läßt.

Es ist bereits für andere Zwecke, nämlich um auf einer für das Fernsprechen pupinisierten Leitung oberhalb der Grenzfrequenz der Leitung Trägerfrequenzen übertragen zu können, bekannt geworden, parallel zu den Belastungsspulen Kondensatoren anzuordnen. Da pupinisierte Leitungen für in der Nähe und oberhalb der Grenzfrequenz liegende Frequenzen praktisch undurchlässig sind, sollten durch Parallelschalten von Kondensatoren zu den Pupinspulen die Spulen für höhere Fre-

quenzen überbrückt werden. Auf den Einfluß des Wellenwiderstandes dieser Leitungen wurde dabei aber keine Rücksicht genommen. Derartig belastete Leitungen besitzen nun bei richtiger Anpassung der Kapazitäten an die Belastungsspulen einen Wellenwiderstand, der in einem weiten Frequenzbereich konstant ist, wenn die Leitung mit halber Belastungseinheit endet, und einen Wellenwiderstand, der ίο praktisch gleich dem normalpupinisierter Leitungen ist, wenn die Leitung mit halber Spulenfeidlänge endet. Gemäß der Erfindung wird diese Eigenschaft der Leitungen dazu benutzt, um Pupinleitungen an homogene Leitungen anzupassen.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung näher beschrieben:

Abb. ι zeigt ein Netzwerk, das im wesentlichen einem Leitungsglied gleichwertig ist, ao worin der verteilte Reihenwiderstand und die verteilte Kapazität der Leitung durch gleichwertige, punktförmige (gehallte) Impedanzen dargesteEt sind.

Abb. 2 gleicht dem Netzwerk der Abb. ι unter Hinzufügung von Belastungsspulen. Sie stellt ein Glied dar, das in der Mitte der Spulen aufhört.

Abb. 3 zeigt schematisch einen Teil einer Übertragungsleitung, die mit den Belastüngseinheiten gemäß der Erfindung belastet ist. Abb. 4 zeigt ein Netzwerk, das einem in der Mitte der Belastungseinheiten aufhörenden Gliede der Leitung nach Abb. 3 entspricht. Abb. 5 zeigt die Wellenwiderstände eines in der gewöhnlichen Weise und eines gemäß der Erfindung belasteten Kabels in Abhängigkeit von der Frequenz.

Abb. 6 zeigt schematisch eine zusammengesetzte Art der belasteten Leitungen gemäß der Erfindung,

Wenn ein Abschnitt eines Kabels oder einer Freileitung, worin der Reihenwiderstand und die Nebenschlußkapazität die ausschlaggebenden Faktoren sind, durch die gleichwertige T-Schaltung nach Abb. 1 dargestellt wird, wobei /? der gesamte Reihenwiderstand des Abschnittes und S und C die Länge des Abschnittes und die Kapazität für die Längeneinheit sind, so daß das Produkt S C die Gesamtkapazität ist, so wird ein Abschnitt der in gewöhnlicher Weise belasteten Leitung durch das in Abb. 2 dargestellte Netzwerk wiedergegeben, worin L die gesamte Induktivität der Belastungsspule ist. In diesem Fall ist die Eigenfrequenz des Belastungsabschnittes ungefähr gegeben durch

V TV]ZLSc' ·^w

Es ist gebräuchlich;' solche Belastungsabschnitte in der Mitte des Abschnittes oder m der Mitte der Spule enden zu lassen.

BeUn ersten Fall Hegt die erste Belastungsspule vom Anfang der Leitung um eine Ent- fernung ab, die der Hälfte eines regelmäßigen Belastungsabschnittes gleich ist. Die Anlauflänge ist 0,5 S. Im anderen Falle hat man am Anfang der Leitung eine Spule, die die halbe Induktivität der regelmäßigen Spulen hat, und die erste volle Belastungsspule liegt am Ende des ersten voEständigen Leitungsabschnittes. Das Netzwerk der Abb. 2 stellt einen solchen Fall dar. Für Kabel, die mit der Mitte der Spule oder mit der Anlauflänge S/2 beginnen, sind die Wellenwiderstände im Übertragungsbereich angenähert gegeben durch

Zi z^z

bzw.

^X-|/SC

Man ersieht hieraus, daß in beiden Fällen der Wellenwiderstand nahezu ein rein Ohmscher Widerstand ist, der sich mit der Frequenz ändert.

In Abb. 5 zeigt die Kurve B den Wellenwiderstand Z eines Pupinkabels mit Beendigung m der Mitte der Spule in Abhängigkeit von der Frequenz /.

D er Widerstandmimmt mit wachsender Frequenz ab und nähert sich dem Wert Null bei der Eigenfrequenz, die in diesem Fall zu ungefähr 2800 Hz angenommen ist. Die Kurve .(4 zeigt den Wellenwiderstand für den gleichen Kabeltyp mit halber Anlauflänge; in diesem Fall wächst der Wellenwiderstand mit wachsender Frequenz und erreicht einen unendlich großen Wert bei der Eigenfrequenz. Die Kurve C zeigt den WeEenwiderstand einer nicht belasteten Freileitung von ungefähr dem gleichen Nominalwellenwiderstand. Man ersieht daraus, daß, wenn der gewöhnliche Belastungstyp benutzt und das belastete Kabel unmittelbar mit einer nicht belasteten Freileitung verbunden wird, infolge 110 ' der WeEenwiderstandsunterschiede starke Reflexionen am Verbindungspunkt auf treten werden.

Abb. 3 zeigt eine Leitung oder ein Kabel, belastet nach dem Verfahren der Erfindung, worin Gegenresonanzkreise, von denen jeder aus einer Spule parallel zu einem Kondensator besteht, die gewöhnlichen Belastungsspülen ersetzen.

Abb. 4 zeigt eine T-Schaltung, die einem Gliede des Systems nach Abb. 3 entspricht, wobei das Glied ,in der Mitte der Belastungs-

einheit endet. Diese Belastungsart bildet wie die gewöhnliche ein Niederfrequenzfilter, und seine Grenzfrequenz ist ungefähr

fo — -

(4)

w]/L (SC + 4C₁) '

Der Nominalwellenwiderstand ist derselbe wie für Pupinleitungen

T se

Z_n

(5)

und ist unabhängig von der parallel zu den Spulen liegenden Kapazität C₁. Der Wellenwiderstand eines Kabels, das mit halber Anlauflänge endet, ist bei dieser Belastungsart für gegebenen Nominalwellenwiderstand und gegebene Grenzfrequenz sehr nahe der gleiche wie der der in gewohnter Weise belasteten Leitung, der durch Formel (3) gegeben ist. Da für halbe Anlauflänge die Abhängigkeit des Wellenwiderstandes von der Frequenz durch das ganze Frequenzband nicht geändert wird, kann daraus der Vorteil gezogen werden, daß ein reflexionsfreies, zusammengesetztes Kabel mit verschiedenartiger Belastung gebildet werden kann.

Der Wellenwiderstand des Kabels nach Abb. 3 ist, wenn es in der Mittel der Belastung aufhört, abhängig von den Kapazitäten, die parallel zu den Spulen liegen, und ist ungefähr

(6)

ι—

{f°°<

wo foo die Resonanzfrequenz des Belastungsnetzwerkes, gegeben ist durch

fco = -

(7)

Außer wenn diese Frequenz sehr nahe bei der Grenzfrequenz liegt, wird der Wellenwiderstand sehr gleichmäßig durch das ganze

Übertragungsband. ^;

Vergleicht man die Formeln (6) und (2), so sieht man, daß für die beiden Belastungsarten für und bei Endigung des Kabels in der Mitte der Belastung die Wellenwiderstände sich durch den Faktor

ι —

foo

unterscheiden und daß dieser Faktor in weiten Grenzen durch geeignete Wahl von fco geändert werden kann, d.h. durch geeignete Wahl der Kapazität der Kondensatoren. In Abb. 5 zeigt die Kurve D den Wellenwiderstand für eine gemäß Abb. 3 belastete Leitung¹, wobei die Resonanzfrequenz der Belastungseinheit i,25mal so groß ist als die Eigenfrequenz der Leitung, das ist

foo = 1,25 Z₀.

Für einen bestimmten Wert der Induktivität der Belastungsspule in jedem Belastungsnetzwerk und gegebenen Abstand dieser Netzwerke ist die Grenzfrequenz etwas tiefer als bei der gewöhnlichen Belastung, wie man aus! Gl. {4) ersehen kann. Die Verminderung der Eigenfrequenz fo der Leitung hängt von der Wahl der Resonanzfrequenz des Belastungsnetzwerkes ab. Innerhalb des Übertragungsbereiches gibt die Belastung mit Resonanzkreisen eine Fortpflanzungsgröße, die nahezu die gleiche ist wie bei der gewöhnlichen Belastung außer bei Frequenzen in der Nähe der Grenzfrequenz. Der Unterschied in den Übertragungseigenschaften kann roh angegeben werden, wenn man sagt, daß die Grenzfrequenz, verglichen mit der der gewöhnlichen Pupinleitung, etwas vermindert ist. Man kann aber dieser Wirkung durch Verminderung des Belastungsabstandes vorbeugen.

Die Fortpflanzungsgröße ist jedoch nfcht immer entscheidend, und in gewissen FäUen kann eine gewisse Einbuße in dieser Beziehung gerechtfertigt sein, wenn man einen gleichmäßigen Wellenwiderstand erhält. Dies trifft insbesondere zu, wenn Fernkabel, Einführungskabel oder Unterseekabel mit Freileitungen verbunden werden müssen, ohne daß Reflexionen an dem Verbindungspunkte entstehen.

Wenn z. B. ein Einführungskabel benutzt wird, um eine Freileitung mit einem Verstärker zu verbinden, der Verstärker eine Grenzfrequenz von 2600 Hz hat und die Nenngrenzfrequenz des Kabels bei 7200 Hz liegt, werden nur 360/0 des Durchlässigkeitsbereiches des Kabels benutzt. Der Wellenwiderstand des in der gewöhnlichen Weise belasteten Kabels wird, wie aus den Kurvend und B in Abb. 5 hervorgeht, immer noch beträchtlich von dem der Freileitung verschieden sein, der durch die Kurve C gegeben ist. Wenn jedoch die Gegenresonanznetzwerke an Stelle der gewöhnlichen Belastung verwendet werden, wobei die gleichen Belastungsspulen und derselbe Abstand und ferner Kondensatoren solcher Kapazität gebraucht werden, daß foo= 1,5 f₀ ist, wird die Grenzfrequenz des Kabels 5400 Hz betragen und der Wellenwiderstand praktisch der gleiche sein wie der der Freileitung im ganzen wirksamen Übertragungsbereich. Auch die Fortpflanzungsgröße ist praktisch mit der des in gewöhnlicher Weise belasteten Kabels identisch.

Abb. 6 zeigt eine zusammengesetzte, be-

lastete Leitung, wobei einige Abschnitte mit voneinander verschiedenen Resonanznetzwerken und andere in der gewöhnlichen Weise belastet sind. Diese Anordnung ist möglich,, weil die Wellenwiderstände für eine Anlauflänge gleich dem halben Belastungsfeld bei beiden Arten der Belastung sehr nahe gleichgemacht werden können, indem man die gleichen. Grenzfrequenzen und Nominalwellenr

ίο widerstände verwendet. Der besondere Vorteil dieser zusammengesetzten Leitung ist, daß der gleichmäßige Wellenwiderstand in erster Linie an den Enden der Kabelteilstrecken, d. h. an den Verstärker- und Endpunkten^ gewünscht wird. Indem man einige Abschnitte an jedem Ende der Kabelteüstrecke mit Belastungseinheiten gemäß der Erfindung belastet, kann der Scheinwiderstand der Kabelteüstrecke nahezu zu einem konstanten Wert gemacht werden, so daß sie an Endapparate oder Verstärker ohne Reflexionsverluste angeschlossen werden kann.

Es kann natürlich Fälle geben, wo die Dämpfung· der Leitung innerhalb der Grenzfrequenz wichtig ist, um störende Frequenzen, die aus äußeren Quellen stammen, auszuschließen; da die Resonanznetzwerke Dämpfungen haben, die oberhalb der Grenzfrequenz scharf ansteigen wie bei dem entsprechenden Typ von Niederfrequenzfiltern, so kann die neue Belastungsart von diesem Standpunkte aus von beträchtlichem Wert sein.

Es können etwa die Abschnitte dieser Art, die in das Kabel eingeschaltet sind, als Belastung Parallelschaltungen gemäß der Erfindung von verschiedenen Resonanzfrequenzen haben, so daß die Dämpfung in einem größeren Gebiet oberhalb der Grenzfrequenz hochgehalten wird.

Bei der Belastung von Vierer- und Stammkreisen in Mehrfachsystemen mit Resonanznetzwerken haben die Kondensatoren der Stammnetzwerke keine Wirkung im Viererkreis und umgekehrt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Mit einer Parallelschaltung von Spule und Kondensator belastete Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Induktivitäten und Kapazitäten der Belastungseinheit so gewählt sind, daß ein

- wesentlich konstanter Wellenwiderstand innerhalb eines großen Teiles des Übertragungsbereich.es bei Beginn mit halber Belastungseinheit besteht.

2. Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß . sie nach Anspruch 1 belastete und nur mit

Pupinspulen belastete Glieder enthält. ßo

3. Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Pupinleitung und einem oder mehreren an ihren Enden untergebrachten

. Gliedern bzw. Halbgliedern der nach Anspruch ι belasteten Leitung besteht.

4. Leitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie in gewöhnlicher Weise nach Pupin und mit Parallelschaltungen nach Anspruch 1 von verschiedenen Resonanzfrequenzen belastete Abschnitte, vorzugsweise an beiden Enden der Leitung, enthält. ■

Hierzu ι Blatt Zeichnungen