DE862176C

DE862176C - Vorrichtung zur Speisung eines Verbrauchers, der aus einem offenen und einem kurzgeschlossenen Vierpol besteht, mit Wechselstrom

Info

Publication number: DE862176C
Application number: DEN2339D
Authority: DE
Inventors: Klaas Posthumus
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1943-06-01
Filing date: 1944-05-28
Publication date: 1953-01-08
Also published as: FR905411A; GB637171A; US2485773A; BE456147A; CH250782A; NL67941C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Wechselstromspeisung eines Verbrauchers, der aus zwei Vierpolen besteht, von denen der eine offene und der andere kurzgeschlossene Ausgangsklemmen aufweist, und sie ist besonders vorteilhaft anwendbar bei einem Radiosender mit einer Rhombusantenne.

Zur gerichteten Aussendung von zu übertragenden

Schwingungen kann eine Rhombusantenne benutzt

ίο werden, wobei, um das Auftreten von stehenden Wellen auf der Antenne zu vermeiden, letztere am vom Speisungsende entfernten Ende von einem

Widerstand abgeschlossen ist, dessen Größe dem Wellenwiderstand der Antenne entspricht.

Die .Erfindung hat den Zweck, ein Speisesystem zu schaffen, bei dem der Abschlußwiderstand vermieden wird. Es wird dabei an Stelle einer einfachen Rhombusantenne, wie an sich bekannt ist, ein der letzteren äquivalentes Antennensystem mit zwei Rhombusantennen angewendet, die an den Enden offen bzw. kurzgeschlossen sind.

Gemäß der Erfindung findet für die Speisung der beiden Rhombusantennen eine Briickenschaltung Anwendung, die in jedem der Brückenzweige einen

impedanzinvertierenden Vierpol aufweist, wobei die Phasenverschiebung, die zwischen Ausgangsstrom und Eingangsspannung eines der Vierpole auftritt, der entsprechenden Phasenverschiebung bei den weiteren Vierpolen entgegengesetzt ist. Die Rhombusantennen sind dabei in zwei einander gegenüber-. liegenden Winkelpunkten der Brückenschältung angeschlossen, während an die beiden anderen Winkelpunkte der Speisequelle entnommene Spannungen ίο verschiedener Größe angelegt werden.

Das Speisesystem gemäß der Erfindung kann außer zur Speisung auf die angegebene .Weise von zwei Rhombusantennen im allgemeinen zur Speisung eines Verbrauchers angewendet werden, der aus zwei Vierpolen mit offenen bzw. kurzgeschlossenen Ausgangsklemmen besteht.

Die Schaltung gemäß der Erfindung ist einer Schaltung gleichwertig, bei der der durch die beiden Vierpole zusammen gebildete Verbraucher unmittelbar zwischen den Speiseklemmenpaaren liegt.

Als impedanzinvertierende Vierpole werden vorzugsweise auf die Betriebswellenlänge abgestimmte, symmetrische π-ZelIen angewendet, wodurch für die Betriebswellenlänge in den Speisepunkten der Brückenschaltung eine Ohmsche Belastung auftritt und außerdem die Brückenschaltung selbst mit einer ■■ geringen Anzahl von Teilen verwirklicht werden .kann. Die Erfindung wird jetzt an Hand der Zeichnung näher erläutert.

In Fig. ι ist eine Schaltung einer günstigen Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung nebst einem aus zwei Rhombusantennen bestehenden Verbraucher dargestellt. ' "

In den Fig. 2 und 3 sind Ersatzschaltbilder für die Rhombusantennen bzw. die Schaltung nach Fig. 1 dargestellt, die zur Erläuterung der Wirkung der Vorrichtung gemäß der Erfindung dienen.

In Fig. ι besteht der zu speisende Verbraucher aus zwei Rhombusantennen 1 und 2, von denen die 'eine am freien Ende offen und die andere am entsprechenden Ende kurzgeschlossen ist. Die Antennen werden aus einem Sender 3 unter- Zwischenschaltung einer Brükkenschaltung 4 gespeist, deren Zweige durch impedanzinvertierende Vierpole 5 bzw. 6, 7, 8 gebildet werden, die als auf die Betriebswellenlänge abgestimmte, symmetrische π-Zellen ausgebildet sind. Die Quer- und Längsreaktanzen dieser Vierpole bestehen aus Reaktanzen entgegengesetzten Vorzeichens und besitzen die in der Figur angegebenen Werte. Die Längsreaktanzen der Vierpole 5, 6 und 7 sind induktiv, während die Längsreaktanz des Vierpols 8 kapazitiv ist, so daß die Phasenverschiebung zwischen Ausgangsstrom und Eingangsspannung bei . den erstgenannten Vierpolen der entsprechenden Phasenverschiebung beim letztgenannten Vierpol ent-, gegengesetzt ist.

Die Rhombusantennen ι und 2 sind in einander gegenüberliegenden Winkelpunkten der Brückenschaltung angeschlossen, während die beiden anderen Winkelpunkte durch Vermittlung von (in Wirklichkeit vorzugsweise gleich langen) Leitungen 9, 10 mit dem Ausgangskreis des Senders 3 derart gekoppelt sind, daß in den Speisewinkelpunkten Spannungen mit voneinander abweichenden Amplituden auftreten. Zwischen diesen beiden Speisespannungen ist dabei ein entsprechend den Abmessungen der Rhombusantennen gewählter Phasenunterschied aufrechtzuerhalten.

Die Wirkung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird nun an Hand der Fig. 2 und 3 näher erläutert. Bei den im nachstehenden zur Unterscheidung der verschiedenen Ströme und Spannungen benutzten Indizien verweist stets die erste Indexziffer auf die Rhombusantenne 1 oder 2, während die zweite Indexziffer angibt, ob die betreffenden Ströme und Span-. nungen der später erläuterten, weiterhin hingehende Welle genannten Welle (Index 1) oder der reflektierten Welle (Index 2) entsprechen.

Wie im vorstehenden bereits erwähnt wurde, können an Stelle einer einfachen Rhombusantenne, in der fortschreitende Wellen auftreten, zwei am freien Ende offene bzw. kurzgeschlossene Rhombusantennen angewendet werden. Diese beiden Rhombusantennen müssen in diesem Fall derart erregt werden, daß in ihnen um 90⁰ in der Phase verschobene, stehende Wellen auftreten. Die stehende Welle in jeder der beiden Rhomben kann in zwei entgegengesetzt gerichtete, fortschreitende Wellen zerlegt gedacht werden, wie in Fig. 2 durch J_n, J₁₂ und J₂₁, J₂₂ angegeben ist. In der am freien Ende (rechts in der Figur) offenen Rhombusantenne 1 tritt eine von links nach rechts fortschreitende Welle auf zufolge einer am Speiseende (links in der Figur) aufgedrückte Spannung F₁₁ mit einem Strom J₁₁, wobei am freien Ende eine Spannung Fi₁ und ein Strom Ji₁ auftreten. Außerdem tritt eine von rechts nach links durch Reflexion entstandene fortschreitende Welle auf zufolge der am freien Ende herrschenden Spannung Fi₂ und des Stromes Ji₂, wodurch am Speiseende F₁₂ und J₁₂ auftreten. Es müssen dabei die am freien, offenen Ende auftretenden Ströme gleich und in Gegenphase sein, also JJ₁ = — Ji₂ und die entsprechenden Spannungen müssen gleich und in Phase sein, also Fi₁ = V₁₂.

Es gilt ferner, wenn J? den Wellenwiderstand der Rhombusantenne darstellt, daß

V₁₁ = J? J₁₁
F₁₂ =-A

Das auf diese Weise durch den Wellenwiderstand bestimmte Verhältnis und die gegenseitige Phase der entsprechenden Spannungen und Ströme gelten längs der ganzen Rhombusantenne. Infolge der Dämpfung ist

F₁₁ > FJ₁ = FJ₂ > F₁₂.

Zwischen den Spannungen F₁₁ und F₁₂ besteht ein von der Länge der Antenne abhängiger Phasenunterschied. In Fig. 2 sind die besprochenen Spannungen und Ströme als Vektoren dargestellt.

Auf ähnliche Weise treten in der am" freien Ende kurzgeschlossenen Rhombusantennen 2 infolge einer am Speiseende aufgedrückten Spannung F₂₁ eine von links nach rechts fortschreitende Welle J₂₁ und eine in entgegengesetzter Richtung fortschreitende Welle J₂₂ auf. Die am kurzgeschlossenen Ende auf-

tretenden Spannungen F₂₁ und F₂₂ sind wiederum gleich, jetzt aber in Gegenphase, und die Ströme sind gleich und in Phase.

Falls der Wellenwiderstand der Rhombusantenne 2 ebenfalls R ist, gelten die folgenden Bezeichnungen:

(4)

	ferner	F₂₁	= R	-Z₂₁
und	F₂₂	= —	R ■
und

F₂₁ > Fi₂ = - F₂₂ > F₂₂.

Die verschiedenen Vektoren sind ebenso wie bei der Rhombusantenne ι in der Figur angegeben.

Wenn nun die Spannungen F₁₁ und F₂₁ gleich und in Phase sind, sind F₁₂ und F₂₂ zwangsläufig in Gegenphase, also

F₁₁ = F₂₁ * (5)

und F₁₂ = — F₂₂ (6)

Längs des ganzen Antennensystems sind dann außerdem in entsprechend liegenden Punkten die Ströme Z₁₂ und Z₂₁ in Phase und die Ströme Z₁₂ und Z₂₂ in Gegenphase, was zur Folge hat, daß bei Superposition der beiden Rhombusantennen die von rechts nach links fortschreitenden Wellen sich ausgleichen und lediglich die von links nach rechts fortschreitenden Wellen wirksam sind, was gerade erwünscht ist.

Die im vorstehenden beschriebenen Strom- und Spannungsverhältnisse entstehen zwangsläufig, ,wenn den Speisenden Ströme oder Spannungen mit der richtigen Amplitude und Phase zugeführt werden.

Im nachstehenden wird lediglich die in Fig. 1

angewendete erste Alternative besprochen; die andere Möglichkeit braucht dann nähere Erläuterung.

Falls für die impedanzinvertierenden Vierpole 5, 6, 7 und 8 in Fig. 1 bei der Betriebsfrequenz ω gilt, daß

ω L =

co C

so besteht bekanntlich zwischen der Eingangsspan-. nung F₁ und dem Eingangsstrom Z₁ und zwischen der Ausgangsspannung V_n und dem Ausgangsstrom I_n bei den Vierpolen 5, 6 und 7 der folgenden Zusammenhang

V₁ = j RoJn und V_n=- JR₀I₁ (7)

während für den Vierpol u gilt:

F₁ = - / R₀ I_n und V_n = +j R₀I₁. (8)

Mit Rücksicht auf das Vorstehende kann für die in Fig. ι dargestellte Brückenschaltung das in Fig. 3 dargestellte Ersatzschaltbild gezeichnet werden. Wenn die in den Speisewinkelpunkten a, b der Brückenschaltung auftretenden Speisespannungen F_a bzw. Fj betragen, so ist

V_a = JR₀I₁₁ = JR₀I₂₁ (9)

v_b = — / Zi₀ Z₁₂ = + / R₀1₂₂. (10)

Der im Speisepunkt α auftretende Strom ist aus vier Komponenten Z₀₁₁, Z₀₁₂, Z_a22 und Z₀₂₁ zusammengesetzt, die F₁₁ bzw. F₁₂, F₂₁, F₂₂ entsprechen. Gemäß (7) ist nun

¹OU

11

. F

12

R_n

Z₀ 21 = /

-Ό22 — 1

V₂₂, ist
~ -Ό22 ⁼ υ

R_n

Da gemäß (6) F₁₂ =

Z(J 1.2

und beträgt der in α auftretende resultierende Strom

'012

7
Ro

(F₁₁ +- F₂₁)

oder im Zusammenhang mit (5):

= ²

F₁.

Da aus (1) und (9) folgt, daß

F₁₁ =

(12)

wird, nach Substitution des vorhin erwähnten Wertes von F₁₁ im (11) der resultierende Strom in a

V lau + Z„₂₁ ^{= 2} ' T^₂"

der also mit F₀ in Phase ist.

Der im Speisepunkt δ auftretende Speisestrom ist ebenfalls aus vier Komponenten zusammengesetzt,· die durch Zj₁₁, Z₆₁₂, Z₅₂₁ und Z₆₂₂ angegeben werden und F₁₁ bzw. F₁₂, F₂₃, F₂₂ entsprechen.

Gemäß (7) und (8) ist

/ _ j J_iL ■

hm = + /

R_n

21

.R_n

R_n

Da gemäß (5) F₁₁ = F₂₁, ist

^i)₁₁ + Z₆₂₁ = U

und beträgt der in b auftretende resultierende Strom ₁₀₀

j Ib 12 + Z₆₂₂ == -^- (—· F₁₂ + F₂₂)

oder im Zusammenhang mit (6)

? τ/

Z₆₁₂ +

^L&22

Zi_n

Aus (4) und (10) folgt, daß

F22 = —

R
Wo

V_h.

(14)

(15)

Dieser Wert für F₂₂ in (14) substituiert, ergibt

V 7? Z_S12 + Z₆₂₂ = — 2 · -^ (16)

Der resultierende Strom in b ist also in Gegenphase 115 mit der Spannung, was bedeutet, daß dem Punkt b entnommene Energie dem Sender 3 zugeführt wird. Die zwischen den Speisepunkten α und b der Brückenschaltung anfallende Leistung W beträgt, wie sich aus (13) und (16) ergibt 120

Von jeder der beiden Rhomben wird, wie aus (1), (2), (3) und (4) in Vereinigung mit (12) und (15) 125 abgeleitet werden kann, die Hälfte der insgesamt

verbrauchten Leistung ausgestrahlt, wie bezweckt wurde.

Es wurde im vorstehenden stillschweigend vorausgesetzt, daß zwischen den Spannungen F„ und F₆ in den Speisewinkelpunkten der Brückenschaltung die richtige Phasenverschiebung herrscht. Um die erforderliche Phasenverschiebung genau einstellen zu können, ist vorzugsweise die Phase einer, der Speisespannungen mit Hilfe an sich bekannter Mittel regelbar. Es ist dabei zu berücksichtigen, daß das Verhältnis der Amplituden dieser Spannungen V_a und F₆ nur von der Dämpfung in der Schaltung abhängig ist, so daß bei der Einstellung der Phase die Amplituden von F₀ und F₆ ungeändert aufrechterhalten werden können müssen. Im Zusammenhang damit kann die in der Phase regelbare Speisespannung einem Drehfeld entnommen werden oder kann beispielsweise die Länge der Speiseleitung 10 einstellbar gemacht werden, wobei dann nötigenfalls besondere

ao Mittel zum Regeln der Amplitude der Speisespannung F₆ Anwendung finden können. Die Länge der Speiseleitungen 9, 10 wird vorzugsweise derart gewählt, daß die am Speiseende dieser Leitungen auftretenden Spannungen in Phase oder in· Gegenphase sind; die Leitungen können in diesem Fall unmittelbar mit dem Ausgangskreis des Senders 3 verbunden sein.

Ein besonderer Vorteil der dargestellten Vorrichtung

liegt noch darin, daß durch einfache gegenseitige Umwechselung der Speiseenden einer der Rhombusantennen 1 oder 2 die Hauptstrahlungsrichtung des Antennensystems geändert werden kann. In der Projektion auf die Ebene einer der Rhomben gesehen, ist die nach Umpolung erhaltene Hauptstrahlungsrichtung der ursprünglichen Hauptstrahlungsrichtung entgegengesetzt.

Es sei schließlich bemerkt, daß bei Änderung der Betriebswellenlänge die invertierenden Vierpole selbstverständlich auf die neue Betriebswellenlänge abgestimmt werden müssen und daß in diesem Fall außerdem die Phasenverschiebung zwischen den Speisespannungen zu. ändern ist. Das Auftreten der richtigen Phasenverschiebung zwischen den Speisespannungen läßt sieh mit Hilfe von Mitteln zur Bestimmung der ausgestrahlten Leistung feststellen, die in diesem Falle einen äußerst hohen Wert besitzt

Claims

Patentansprüche:

ι. Vorrichtung zur Wechselstromspeisung eines aus einem offenen und einem kurzgeschlossenen Vierpol bestehenden Verbrauchers, gekennzeichnet durch eine Brückenschaltung, die in jedem der Brückenzweige einen impedanzinvertierenden Vierpol aufweist, wobei die Phasenverschiebung, die zwischen Ausgangsstrom und Eingangsspannung eines der Vierpole auftritt entgegen- gesetzt der entsprechenden Phasenverschiebung der anderen Vierpole ist, wobei die Verbrauchervierpole in zwei einander gegenüberliegenden Winkelpunkten an dieser Brückenschaltung angeschlossen sind, während die beiden anderen Winkelpunkte mit der Speisequelle derart verbunden sind, daß in ihnen Speisespannungen verschiedener Größe wirksam sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Vierpole des Verbrauchers aus einer Rhombusantenne besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Brückenzweigen liegenden Vierpole aus auf die Betriebswellenlänge abgestimmten, symmetrischen π-Zellen bestehen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Regeln des zwischen den Speisespannungen herrschenden Phasenunterschiedes vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmfrequenz der in den Brückenzweigen liegenden Vierpole einstellbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur gegenseitigen Umwechselung der Anschlußklemmen eines der Verbrauchervierpole vorgesehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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