DE599231C - Aus mehreren Abschnitten zusammengesetzte Kunstleitung, deren jeder Widerstand, Kapazitaet und Induktanz enthaelt - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf den Ausgleich eines langen Seetelegraphenkabels durch künstliche Liniennetze für Duplexbetrieb, und zwar besonders eines belasteten Kabels mit nicht belasteten Endabschnitten zur Milderung der strengen Ausgleicherfordernisse.

Bisher war ein erfolgreicher Ausgleich langer Seekabel meist nur bei nicht belasteten praktisch ausführbar. Bei unbelasteten Kabein war die Abschwächung so groß, daß nur mäßige Signalgeschwindigkeiten möglich waren und ein Ausgleich schon für verhältnismäßig niedrige Frequenzen erforderlich wurde. Es genügte hier im allgemeinen, den Widerstand und die Kapazität durch ein ziemlich einfaches Netz auszugleichen. Der geringe Wert der Induktanz des Kabels wurde im Widerstandskapazitätsnetz z. B. durch Einfügung einiger Induktanzspulen in der Nähe des Kopfendes der künstlichen Linie annähernd ausgeglichen.

Die neuzeitig ausgebildeten Kabel sind aber für die Zeichenübertragung mit hoher Geschwindigkeit bestimmt. Die höhere Gesch windigkeit erfordert einen im wesentlichen vollständigen Ausgleich über einen höheren und breiteren Frequenzbereich, und bei einem belasteten Kabel wird dieser Ausgleich durch den Umstand noch erschwert, daß die Eigenschaften des belastenden Materials mit der Frequenz und dem Strom veränderlich sind Auch andere Eigenschaften des Kabels, beispielsweise Reflexionen, Ableitung und dielektrische Absorption, die früher meist vernachlässigt wurde, gewinnen unter diesen Bedingungen erhebliche Bedeutung. Eine künstliche Linie der im vorhergehenden Absatz beschriebenen Art kann die Endimpedanz eines gleichförmigen Kabels ausgleichen, ermöglicht aber nicht den genauen Ausgleich der Fortpflanzungskonstante. Um bei einem belasteten Kabel mit nicht belasteten Enden den Duplexbetrieb zu ermöglichen, ist es wesentlich, daß ein Ausgleich sowohl für die durch plötzlich-Stromänderungen bedingten Impedanzen wie 4-5 auch für die Fortpflanzungskonstanten jedes Kabelteils erreicht wird. Ein solcher Ausgleich ist nötig, damit Reflexionen von Stellen, wo die Art des Kabels wechselt, in der richtigen zeitlichen Beziehung auf der künstliehen Linie aufgenommen werden.

Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben sind folgende:

Die Schaffung eines verbesserten Mittels zum Ausgleich der Kabel- sowie der See- und Erdleiterimpedanz bei Seekabeln, deren mittlere Teile am stärksten belastet sind; 'der genauere Ausgleich der Kapazität sowie der di-

599 2Bl

elektrischen Absorption des Isoliermaterials des Kabels; die Verringerung der Wirkung reflektierter Ströme auf das Empfangsinstrument um einen, größeren Betrag, als es bisher erreichbar war; der Ausgleich sowohl der durch plötzliche Stromänderungen bedingten Impedanz wie auch der Fortpflanzungskonstante der verschiedenen das vollständige Kabel bildenden Kabelarten in einer bisher nicht ίο üblichen Weise.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einer Kunstleitung aus, die in bekannter Weise aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt ist, deren jeder Widerstand, Kapazität und Induktanz enthält, wobei die Induktanzspulen in Reihe liegen und etwa in ihrer Mitte je einen Abzweigpunkt enthalten, an den die Kapazität des Abschnittes angeschlossen ist, die andererseits zu einem der Abzweigpunkte einer einseitig geerdeten Impedanz führt. Das Neue besteht darin, daß zu jedem Teilabschnitt der einseitig geerdeten Impedanz eine aus hintereinanderliegendem veränderlichem Widerstand und Induktanz bestehende Impedanz verstellbar im Nebenschluß angeordnet ist.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise veranschaulicht. In diesen zeigt

Abb. ι die Erfindung in Anwendung- auf ein Seekabel bekannter Art, dessen Hauptteil belastet und dessen Küstenenden unbelastet sind.

Die Abb. 2, 3 und 4 veranschaulichen Ausführungsformen von Kunstleitungsnetzen mit für die Ausgleichung der See-Erd-Leiter geeigneten Charakteristiken,

Abb. 5 zeigt eine vollständige künstliche Linie mit dem Netz nach Abb. 2.

Abb. 6 zeigt eine vollständige künstliche Linie mit dem Netz nach Abb. 3.

Abb. 7 ist ein Schema eines einfachen Netzes zum Ausgleich der dielektrischen Verluste eines langen Seekabels, wobei angenommen ist, daß die Kapazität und die Ableitung des Kabels sich nicht mit der Frequenz ändern.

Abb. 8 stellt ein Element eines Netzes dar, das eine mit der Frequenz veränderliche Charakteristik aufweist.

Abb. 9 zeigt mehrere Elementarnetze entsprechend der Abb. 8, die in Parallelschaltung miteinander und auch in Parallelschaltung mit einem größeren festen Kondensator verbunden sind, um die dielektrischen Eigenschaften des Seekabels nachzuahmen.

In den Abb. 10 und 11 ist durch die ausgezogenen Kurven der Widerstand und die Reaktanz in Übereinstimmung mit der Frequenz des Leiters sowie des See-Erd-Leiters zweier typischer Arten eines nicht belasteten Seetelegraphenkabels veranschaulicht, während die gestrichelten Kurven die Charakteristiken von äquivalenten Netzen darstellen, die in Übereinstimmung mit den Grundsätzen der Erfindung gewählt sind, um die Widerstands- und Reaktanzwerte des Kabels wiederzugeben.

Die Abb. 12 und 13 veranschaulichen in ausgezogenen Linien die Ableitungscharakteristik des Kabels und in gestrichelten Linien die Charakteristiken der einzelnen Elementarnetze, die das Netz gemäß Abb. 9 bilden, während die mit »Summe« bezeichneten gestrichelten Linien die Charakteristiken des vollständigen Netzwerkes einschließlich der drei zueinander und zu dem großen festen Kondensator parallel geschalteten Elementarnetze wiedergeben.

In Abb. ι ist das lange Seekabel als aus einem nichtbelasteten Abschnitt 1 an der Küste und einem belasteten Abschnitt 2 bestehend dargestellt. Dadurch, daß man den belasteten Teil, der sich am schwierigsten ausgleichen läßt, auf einen erheblichen Abstand \'on dem Endapparat entfernt, kann ein genauerer Ausgleich erreicht werden. Das Kabel ist für Duplexbetrieb durch eine künstliche Linie ausgeglichen, die in zwei Abschnitte unterteilt ist, von denen Abschnitt 3 für den Ausgleich des nicht belasteten Kabels ι in der Nähe der Küste und Abschnitt 4 für den Ausgleich des belasteten Kabels 2 bestimmt ist.

Der Teil 3 der künstlichen Linie enthält Netze zum Ausgleich der Impedanz des Kabels und der See-Erd-Leiter sowie der dielektrischen Verluste des Kabels. Die Ausbildung dieser Netze beruht bei der dargestellten Ausführungsform auf den in den Abb. 3 und 9 veranschaulichten Netzausführungen. Das Netz, das die Impedanz des Kabels und der See-Erd-Leiter nachbildet, ist zusammengesetzt aus Reiheninduktanzen 10 und Reihenwiderständen 11 mit Nebenschlußwegen 12. Das Netz für die Wiedergabe der dielektrischen Eigenschaften des Kabels enthält Nebenschlußkondensatoren 15 sowie zusätzliche Netze 16 im Nebenschluß zu einigen, aber nicht notwendigerweise allen Nebenschlußkondensatoren 15. Die zusätzlichen Netze 16 sind zusammengesetzt aus Elementarnetzen, von denen jedes einen Widerstand Und eine Kapazität in Reihe enthält, die parallel zueinander and zu dem festen. Nebenschlußkondensator 15 geschaltet sind. 1x5

Da der Teil 4 der künstlichen Linie so ausgebildet ist, daß der belastete Teil des Kabels ausgeglichen wird, müssen die einzelnen Abchnitte notwendigerweise einen größeren Be- ' trag an Induktanzen enthalten. Die Impedanz der See-Erd-Leiter wird durch Abschnitte nach Art des in Abb. 3 dargestellten ausgeglichen.

Der Endapparat des zusammengesetzten Kabel systems nach Abb. ι ist schematisch durch einen Sender 20 veranschaulicht, der an Erde und an die Verbindung der Brückenzweige 21 und 22 angeschlossen ist, während der Empfangsapparat 23 in üblicher Weise an den Eckpunkten der Brücke liegt.

Die bei Entwurf der künstlichen Linie gemäß der Erfindung in Frage kommenden Grundsätze mögen nunmehr wie folgt entwickelt werden:

Die Fortpflanzungskonstante kann wie folgt beschrieben werden:

V(R +jeoL) (G+ jcoC)

und die durch plötzliche Stromänderungen bedingte Impedanz

R + jcoL

G + j co C '

Der Ausdruck R + j co L gibt den Ohmschen Widerstand und die Reaktanz des Kupferleiters sowie des See-Erd-Leiters und der Ausdruck G + j ω C die Ableitung und Kapazi-₂g tätsreaktanz des Isoliermaterials wieder. Dabei bedeutet R Widerstand, L Induktanz, G Ableitung, C Kapazität, ω das 271-fache der Frequenz und ;' ]/— 1 .

Damit sowohl die Fortpflanzungskonstante wie auch die durch plötzliche Stromänderungen bedingte Impedanz in jedem gegebenen Kabelabschnitt oder für jede Kabelart ausgeglichen werden, ist es wesentlich, daß die Werte von R + j ω L und G + j co C in jedem Kabelabschnitt richtig ausgeglichen werden. Jeder der Werte R, L, G und C ändert sich in ihnen etwas mit der Frequenz. Die Art, in der G und C sich ändern, wird als dielektrische Absorption bezeichnet. Bei den bisher üblichen künstlichen Linien zum Ausgleich "nicht belasteter Kabel wurden Fehler, die durch unrichtige Ausgleichung der Induktanz entstanden, teilweise durch unrichtige Ausgleichung der Kapazität sowie der Absorption kompensiert.

Aus den Abb. 10 und 11 ergibt sich, wie Widerstand'und Reaktanz des Kabels und des See-Erd-Leiters eines Seekabels sich mit der Frequenz ändern. Die Abb. 12 und 13 zeigen, wie sich die Kapazität des Kabels und seine Ableitung gleichfalls mit der Frequenz ändern. Zusätzlich zum Widerstand enthält ein nicht belastetes Kabel noch induktive Reaktanz, für die bisher eine sorgfältige Ausgleichung im allgemeinen nicht erforderlich war. Es hat sich herausgestellt, daß diese Reaktanz durch ein Netz einfacher Ausführung ausgeglichen werden kann, das man leicht in die künstliche Linie einfügen kann. Das Netz ist in seiner einfachsten Form in Abb. 2 veranschaulicht.

Die Art und Weise, in der die Elemente dieses Netzes so bestimmt werden können, daß sie sich Widerstand und Reaktanz des Kabels sowie des See-Erd-Leiters möglichst nähern, ergibt sich aus dem Folgenden:

Die Impedanz des Netzes gemäß Abb. 2 ergibt sich bei Verwendung der oben benutzten Symbole wie folgt:

I₂ +JwL₂. .(i)

R₁ + JmL₁ '

Zerlegt man diesen Ausdruck in seine realen und imaginären Komponenten und teilt jede durch die Länge/, so daß die Werte für eine Einheitslänge des Kabels gelten, so ergibt sich:

^Rc =

^2>

R\

(2)

(3)

worin R₀ und X_c die realen und imaginären Teile der Leiterimpedanz bezeichnen.

Differenziert man die Ausdrücke (2) und (3) nach der Frequenz, so erhält man:

_AncoLfR\

I [

(Rf

+ L₂ ==.

(5)

Diese Ausdrücke mögen der Einfachheit halber mit A und B bezeichnet werden.

Um die besten Werte der Konstanten des Netzes festzustellen, bestimmt man die Werte von R_c, X_c, A und B nach den ausgezogenen Kurven der Abb. 10 oder 11. Die Werte werden bei der Frequenz abgelesen, die hinsichtlich der Betriebsfrequenz des Kabels als wichtigste anzusehen ist. Diese Werte setzt man in die Gleichungen (2), (3), (4) und (5) ein, wodurch sich die Werte L₁, R₁, L₂ und R₂ durch Rechnung ergeben.

Die gestrichelten Linien in den Abb. 10 und 11 veranschaulichen die Charakteristiken von äquivalenten Netzen, die zur Wiedergabe der Werte von R_c und X_c gewählt sind. Die Werte der Induktanz und der Reduktanz des Netzes sind in den Abbildungen gegeben. Es ergibt sich, daß die Charakteristiken des Netzes mit denen des Kabels im wesentlichen über den ganzen Frequenzbereich des besonderen, der Darstellung zugrunde gelegten Kabels nahe übereinstimmen.

Die relative Bedeutung von Widerstand und Reaktanz eines nicht belasteten Leiters ist proportional der Höhe der ausgezogenen Kurven der Abb. 10 und 11. Es zeigt sich also, daß die Reaktanz bei den niedrigeren

Frequenzen von verhältnismäßig geringer Bedeutung ist, daß sie aber bei den höheren Frequenzen zunehmende Bedeutung gewinnt. Das bedeutet, daß eine höhere prozentuale Genauigkeit der Einstellung der Reaktanz bei den höheren Frequenzen erforderlich ist. Bei allen Frequenzen ist aber ein genauer Ausgleich des Widerstandes eines nicht belasteten Leiters im allgemeinen wichtiger als ein genauer Induktanzausgleich, d. h. die prozentuale Genauigkeit des Widerstandsausgleichs muß viel größer sein als die prozentuale Genauigkeit der Reaktanznachbildung.

Ein anderes Netz, das hinsichtlich der Charakteristiken identisch ist, aber eine für die Praxis bequemere Ausbildung zeigt, ist in Abb. 3 dargestellt. Der Ausdruck für die Impedanz dieses Netzes ist derselbe wie im Falle der Abb. 2, wo folgende Beziehungen bestehen:

Rt = Ri₊^ R₃ =

JLo

Abb. 4 ist auch unter den folgenden Bedingungen hinsichtlich der Charakteristiken identisch:

R₀ = R₂.

L_a —-=— (L₁ + L₂).

Jedes dieser drei oder anderer äquivalenter Netze kann für den Zweck benutzt werden, den die praktischen Erwägungen vorschreiben.

Das Netz nach Abb. 2 erhält, wenn es in

eine voll künstliche Linie eingefügt wird, die in Abb. 5 gezeigte Ausbildung, bei der entsprechende Teile dieselben Bezugszeichen haben. Die Kondensatoren C₁, C₁, C₁ geben die Kapazität des Kabels wieder.

Dementsprechend enthält das Netz gemäß Abb. 3, wenn es in eine künstliche Linie eingefügt wird, die in Abb. 6 veranschaulichte Form.

Es war bisher üblich, hochwertige Glimmer- oder Papierkondensatoren zum Ausgleich der Kapazität von langen Ozeankabeln zu benutzen. Obgleich einige geringe Verluste in solchen Kondensatoren auftreten, weisen sie gewöhnlich eine beständigere Kapazität auf als die im Kabel herrschende. Infolgedessen gleichen sie das Kabel hinsichtlich gewisser Verlustcharakteristiken des Kabeldielektrikums nicht aus. Diese Charakteristiken haben die Natur eines Absorptionsverlustes und sind mit der Frequenz veränder-Hch. Aus den oben angegebenen Gründen werden diese Charakteristiken zweckmäßig in Rechnung gezogen und in der künstlichen Linie ausgeglichen, um den bestmöglichen Ausgleich zu erhalten.

Das Verfahren der Nachbildung der dielekirischen Absorption in der künstlichen Linie gestaltet sich wie folgt:

Würde die Kapazität des Kabels und die Ableitung sich nicht mit der Frequenz ändern, so könnte sie durch das einfache in Abb. 7 dargestellte Netz wiedergegeben werden, das eine reine Kapazität C und eine Ableitung G in Parallelschaltung enthält, um die Verluste wiederzugeben. Messungen des Dielektrikums eines wirklichen Kabels, das als Netz nach Abb. 7 behandelt wird, ergeben einen verschiedenen Wert von C und G für jede Frequenz, indem die reine Kapazität sich nicht gemäß der voll ausgezogenen Kurve der Abb. 12 ändert,' während die Ableitung, als Induktanz ausgedrückt, sich nach der ausgezogenen Kurve der Abb. 13 ändert. Es ist deshalb erwünscht, der Kapazität der künstlichen Linie die gleichen frequenzveränderlichen Charakteristiken zu geben. Dies kann mit Hilfe des in Abb. 7 dargestellten Netzes allein nicht geschehen, da in den mathematischen Gleichungen für sie ein Frequenzausdruck fehlt.

Gewisse Arten \^ron einfachen Netzen haben sich jedoch als mit der Frequenz veränderlich ergeben. Prüft man das Netz nach Abb. 8, so ergeben sich für seine äquivalente Kapazität und Leitfähigkeit folgende Ausdrücke:

C -

(8)

(9)

Schaltet man dies Netz parallel zu einem anderen Kondensator, der einigemal so groß ist, so ist es möglich, eine rohe Annäherung an die Ableitung und Kapazität (d. h. die dielektrische Absorption) eines wirklichen Kabels über den ganzen wesentlichen Frequenzbereich zu erzielen.

Erheblich bessere Ergebnisse lassen sich aber erzielen, wenn die drei Stromkreiselemente nach Abb. 8 parallel zueinander und auch parallel zu einem größeren festen Kondensator geschaltet werden. Das sich ergebende Netz ist in Abb. 9 veranschaulicht. Die Gleichungen der Charakteristiken jedes Einzelnetzes entsprechen den obigen Gleichungen (8) und (9). Die Charakteristiken des Gesamtnetzes kann man durch einfache Addierung der Charakteristiken der Einzelnetze erhalten. Für die Einzelnetze sollen die Pro- 12» dükte C y<iR voneinander verschieden sein. Im allgemeinenkannpraktisch dieKapazität C₄

20- bis 4omal so groß sein als die kombinierten Kapazitäten von C₁, C₂, C₃.

Die durch ein solches Netz zu erzielenden Ergebnisse sind in den xA.bb. 12 und 13 veranschaulicht. Von diesen Kurven zeigen die gestrichelten Linien ^i, B und C die Charakteristiken der drei Netze -Ki-C₁, R₂-C₂ bzw. A₃-C₃. Die mit »Summe« bezeichneten gestrichelten Linien geben die Charakteristiken des gesamten den Kondensator C₄ der Abb. 9 enthaltenden Netzes wieder. Es leuchtet ein, daß dies Netz eine große Annäherung an die dielektrischen Eigenschaften des Kabels selbst ergibt, wie durch die ausgezogenen Linien angedeutet.

Nötigenfalls könnte ein noch genauerer Ausgleich dadurch erreicht werden, daß .man vier oder mehr Widerstandskapazitätsnetze anstatt der in Abb. 9 dargestellten drei be-

ao nutzt. Würde in dem Kabel eine Ableitung vorhanden sein, die sich nicht mit der Frequenz änderte, so könnte ein Nebenschlußwiderstand, der nicht in Reihe mit der Kapazität liegt, dem Netz parallel geschaltet werden.

Die Werte dieser Kapazitäten und Widerstände hätte man unmittelbar berechnen können; das Verfahren ist aber langwierig und kompliziert, während das Verfahren der allmählichen Annäherungen bei gewisser Erfahrung eine ganz genaue Wiedergabe der Kabelkapazitäten ergibt.

Das dargestellte Netz hat sich als für den Ausgleich der dielektrischen Absorption als befriedigend herausgestellt. Natürlich kann irgendeine gleichwertige Netzart statt dessen benutzt werden.

Die Widerstand und Kapazität berichtigenden Zweige brauchen nicht in demselben Maße wie die Hauptkapazitäten C₄ verteilt zu werden. Es genügt im allgemeinen, die dielektrische Absorption in den Einheitsabschnitten zu korrigieren, deren Längen von etwa 15 Meilen bis zu einigen hundert Meilen schwanken können. Da die drei Zweige unabhängig voneinander arbeiten, können sie unabhängig über den Abschnitt je nach Wunsch verteilt werden. Jeder Zweig der Korrektion kann entweder als T-Abschnitt oder als π-Abschnitt benutzt werden.

Die Merkmale der Erfindung sind unter besonderer Bezugnahme auf nicht belastete sowie auf ungleichförmig belastete Kabel be- * schrieben. Natürlich erstreckt sich aber ihre Anwendbarkeit auch auf gleichförmig belastete Kabel. Der Unterschied besteht nur hinsichtlich der Induktanz.

Es ist bekannt, daß elektrische Wellen, die auf Diskontinuitäten in einem Leiter treffen, reflektiert werden. Ein Kabel weist häufig geringfügige Unregelmäßigkeiten auf, die auf Verschiedenheiten in der Herstellung benachbarter Abschnitte oder auf anderen Gründen beruhen. Bei Ausführung einer künstlichen Ausgleichlinie werden in der künstlichen Linie ähnliche Unregelmäßigkeiten an Stellen untergebracht, die den Stellen der Unregelmäßigkeiten des wirklichen Kabels entsprechen. Wenn man jedoch den Abschnitt des Kabels zwischen der Unregelmäßigkeit und Jo dem Sendeende der künstlichen Linie nicht genau trifft, so weichen die beiden reflektierten Wellen in der Größe und in der Ankunftszeit etwas voneinander ab, so daß die Neutralisierung keine vollständige ist und dem Empfangsinstrument eine störende Spannung aufgedrückt wird. Bei dem Kabel nach Abb. 1 wird der Übergang von dem nichtbelasteten zu dem belasteten Teil durch ganz allmähliche Erhöhung des Belastungsgewichtes herbeigeführt. Trotzdem können geringfügige Reflexionen eintreten, die bei den benutzten hohen Geschwindigkeiten und den niedrigen Stromwerten die ankommenden Zeichen beeinträchtigen können.

Werden jedoch ähnliche Diskontinuitäten in der künstlichen Linie an genau entsprechenden Stellen nachgebildet, so können die Reflexionswirkungen dadurch auf ein zu vernachlässigendes Maß verringert werden. So werden etwa auftretende reflektierte Wellen sowohl im Kabel wie in der künstlichen Linie auf denselben Grad abgeschwächt und verzögert.

Wenn eine künstliche Linie, die normalerweise für den genauen Ausgleich der primären Konstanten R, L und C eines langen Seekabels entworfen ist, sowohl verfeinerte Mittel zum Ausgleich der geringeren Werte wie der dielektrischen Absorption und der Induk* tanz von nicht belasteten Teilen unter Berücksichtigung der Frequenzveränderlichkeit jedes Wertes enthält, so wird natürlich der allgemeine Ausgleich erheblich verbessert. Bei Anwendung dieser verfeinerten Mittel erreicht die Signalgeschwindigkeit in jeder Richtung einen Höchstwert.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   i. Aus mehreren Abschnitten zusam- 1x0 mengesetzte Kunstleitung, deren jeder Widerstand, Kapazität und Induktanz enthält, wobei die Induktanzspulen in Reihe liegen und etwa in ihrer Mitte je einen Abzweigpunkt enthalten, an den die Kapazität des Abschnittes angeschlossen ist, die andererseits zu einem der Abzweigpunkte einer einseitig geerdeten Impedanz führt zum Ausgleich von insbesondere im mittleren Teil am stärksten belasteten Seekabeln innerhalb des Signalfrequenzbereiches, dadurch gekennzeichnet, daß zu

   599 2B1

   jedem Teilabschnitt der einseitig geerde- ι ten Impedanz (ii in Abb. i) eine aus hintereinanderliegendem veränderlichem Widerstand (13) und Induktanz (14) bestehende Impedanz (12) verstellbar im Nebenschluß angeordnet ist.

   ·■ 2. Kunstleitung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Stromkreise (16), die in einer Anzahl der Abschnitte Ohmschen Widerstand und Kapazität in Reihe, aber im Nebenschluß zu den Kapazitäten (15) enthalten.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen