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Anordnung zur Anpassung einer Energieleitung an eine Antenne Die Erfindung
betrifft eine Übertragungsanordnung für kurze Wellen, insbesondere zur Fernsehübertragung.
Bei Kurzwellensendern wird der Ohmsche Widerstand der Antenne bekanntlich an den
Wellenwiderstand der Energieleitung zwischen Sender und Antenne angepaßt, und der
Wellenwiderstand dieser Energieleitung wird möglichst gleich dem Widerstand des
Senders gewählt.
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Sind sehr breite Frequenzbänder, z. B. Fernsehsignale, zu übertragen,
ist es unpraktisch, den Senderwiderstand an den Eingangswiderstand der Energieleitung
anzupassen, da man hierdurch nicht die gewünschte Bandbreite erzielen könnte. Der
Parallelwiderstand, der von der Antenne über das Kabel auf den Sender übertragen
wird, ist nämlich gewöhnlich sehr viel niederer als der Innenwiderstand des Senders,
damit der abgestimmte Senderkreis genügend stark gedämpft wird. Kleine Fehler oder
Schwankungen in der Antennenimpedanz beeinflussen dann den Ausgang des Senders.
Sind diese Fehler von der Frequenz abhängig, so ist die Frequenzkurve des Senders
nicht gleichmäßig, sondern ist von der Antennenimpedanz, die über die Speiseleitung
übertragen wird, abhängig. Ist die Speiseleitung lang gegenüber einer Wellenlänge
und die Antennenimpedanz nicht an den Wellenwiderstand der Speiseleitung angepaßt,
so machen sich am Senderausgang starke Impedanzschwankungen innerhalb des zu übertragenden
Frequenzbereiches
bemerkbar, die das Arbeiten des Senders störend
beeinflussen. Derartige Anpassungsfehler zwischen Antenne und Speiseleitung werden
insbesondere durch die Abhängigkeit der Antennenimpedanz von der Frequenz verursacht.
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Wenn der Blindwiderstand der Antenne an sich klein oder durch passende
Kreise kompensiert ist, kann man den durch die Antenne dargestellten Widerstand
für eine Frequenz, z. B. die Trägerfrequenz, leicht gleich dem Wellenwiderstand
des Kabels machen. Dieser Widerstand (Strahlungswiderstand) ändert sich jedoch mit
der Frequenz, so daß bei den Seitenbandfrequenzen eine Fehlanpassung auftritt. Für
diese transformieren sich die Widerstandswerte entsprechend der jeweiligen elektrischen
Länge der Speiseleitung auf den Senderausgang: Beträgt für eine bestimmte Seitenbandfrequenz
die Länge der. Leitung eine ganze Zahl von halben. Wellenlängen, so transformiert
sich der Antennenwiderstand für diese Frequenz, der z. B. um 2o °/o vom Wellenwiderstand
abweicht, naturgetreu auf den Senderausgang. Wenn wir nun annehmen, daß die Speiseleitung
für die Trägerfrequenz ebenfalls ein ganzes (natürlich ein anderes) Vielfaches einer
halben Wellenlänge lang ist, so ist. die Speiseleitung für mindestens eine Frequenz
zwischen der Trägerfrequenz und-dergenannten Seitenbandfrequenz ein ungerades Vielfaches
einer Viertelwellenlänge lang, und sie wirkt als Transformator, so daß die Impedanz
am senderseitigen Ende der Energieleitung bei diesen Frequenzen kleiner ist als
die Impedanz bei der Trägerfrequenz.
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Die Frequenzabhängigkeit der Antenne zeigt daher statt eines einfachen
Abfalls nach den äußersten Seitenbandfrequenzen hin abwechselnde Maxima und Minima.
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Ist L die Länge der Speiseleitung und f. und f1 die Träger- und die
Seitenbandfrequenz, so ist die Anzahl der stehenden Wellen auf der Speiseleitung
bei diesen beiden Frequenzen gleich 2 fo Llc und 2 f1 L jc,
wobei c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wellen auf der Speiseleitung und annähernd
die Lichtgeschwindigkeit ist. Die Leitung sei dann als elektrisch lang definiert
(im Verhältnis zur höchsten Modulationsfrequenz), wenn 2 (f1 -
f o) L/c > z. Bei f l - f, = @ 2 MHz tritt der ungewünschte Effekt
dann auf, wenn L größer ist als 75 m. Mit einer langen Speiseleitung und einem breiten
Frequenzband ist es deshalb wichtig, daß die am Senderausgang erscheinende Impedanz
möglichst rein ohmisch über den gesamten Frequenzbereich ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Belastungsimpedanz mit dem
einen Ende eines Energieleitungsstückes verbunden, dessen Wellenwiderstand und Länge
derart gewählt sind, daß für den gewünschten Frequenzbereich eine Impedanz mit einer
konstanten Ohmschen Komponente und einer frequenzabhängigen Blindkomponente am anderen
Ende erscheint und daß der dadurch hervorgerufene Frequenzgang durch an diesem Ende
zugeschaltete Reaktanzen kompensiert ist. In Anwendung des Erfindungsgedankens auf
eine Hochfrequenzübertragungsleitung, die mit einer in ihrem Widerstand veränderlichen
Belastung abgeschlossen ist, werden die Impedanzschwankungen in Reaktanzschwankungen
umgewandelt und diese durch Zusatzreaktanzen kompensiert. Diese Umwandlung geschieht
durch einen Teil der Speiseleitung; deren Länge und deren elektrische Konstanten
geeignet gewählt sind. -Die Erfindung soll an Hand der Abbildungen näher beschrieben
werden.
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Die Abb. z zeigt ein Dipolantennensystem. Eine Reaktanz X ist an einer
Stelle in eine konzentrische Speiseleitung F eingeschaltet, deren Abstand von dem
antennenseitigen Ende der Speiseleitung mit l bezeichnet ist. In dem dargestellten
Falle hat diese Länge den Wellenwiderstand Zo, der gleich dem Ohmschen Widerstand
der Antenne bei der Trägerfrequenz ist. Zum Zwecke der Einfachheit sei angenommen,
daß die Antenne bei der Trägerfrequenz keine reaktive Komponente besitze und daß
diese Komponente über den ganzen Frequenzbereich -vernachlässigbar klein bleibe.
Mit Seitenbandfrequenzen seien im folgenden nur die oberste und die unterste Grenzfrequenz
bezeichnet, die bei der Amplitudenmodulation eines Trägers auftreten. Ändert sich
nun der Strahlungswiderstand der Antenne linear mit der Frequenz nach oben und unten,
so wird die elektrische Länge l gleich einem Achtel der Wellenlänge der Trägerfrequenz
gewählt.
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Unter der Annahme, daß die Abweichung des Ohmschen Widerstandes bei
zwei Frequenzen in gleichem Frequenzabstand vom Träger gleich a sei und daß
a
klein im Vergleich mit dem Wellenwiderstand sei, so ist die Eingangsimpedanz
der Leitung l bei E-G gleich Z =Zoae_z1o ,
wo Z, der Wellenwiderstand
des Leitungsstückes und O die elektrische Länge ist. Für jeden gegebenen Wert von
Z., 0 und a kann Z durch Konstruktion der Vektoren OP und PQ (Abb. 2), von
denen der eine gleich Zo, der andere gleich a ist, erhalten werden, wobei der Vektor
PQ um einen Winkel von 2 O in die Stellung PQl zudrehen ist. Z ist dann durch den
Vektor OQl gegeben. Man sieht daher, daß 2 0 = 9o°, d. h. 0 = q.5° sein muß, um
Schwankungen in dem Ohmschen Widerstand a in reine Reaktanzschwankungen überzuführen.
Hieraus ergibt sich eine Länge von l gleich einem Achtel der mittleren Wellenlänge.
Diese Länge kann natürlich auch um ein beliebiges Vielfaches einer halben Wellenlänge
vergrößert werden.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist in der Nachbarschaft der Trägerfrequenz
nicht geändert. Lediglich wegen der Schwankung der elliptischen Welle der Leitung
mit der Frequenz wird die Widerstandsänderung nicht in eine ganz reine Reaktanzänderung
umgewandelt. Man sieht aber, daß dieser Effekt klein ist, wenn die Leitung nur die
notwendige Länge von einer achtel Wellenlänge besitzt. Der veränderliche Strahlungswiderstand
ist in der Abb. z durch das Leitungsstück L vervollständigt, so daß das Ersatzschaltbild
aus einem konstanten Ohmschen Widerstand in Serie mit einer variablen Reaktanz besteht.
Das Anwachsen des Ohmschen Widerstandes für die eine Seitenbandfrequenz wird durch
eine Zusatzreaktanz mit bestimmten Vorzeichen ausgeglichen, und der Abfall des Ohmschen
Widerstandes bei der anderen Seitenbandfrequenz wird durch eine Reaktanz mit anderem
Vorzeichen neutralisiert. Auf diese Weise
können die Reaktanzschwankungen
durch die Einschaltung von geeigneten Zusatzreaktanzen an der Stelle E-G neutralisiert
werden.
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Eingangs wurde angenommen, daß die Änderung des Strahlungswiderstandes
linear mit der Frequenz vor sich gehe, so daß auch die resultierende Reaktanzänderung
linear ist. Diese Reaktanzänderungen können dann in der Nachbarschaft der Trägerfrequenz
durch eine Reihenschaltung einer Induktivität und einer Kapazität, die an der Stelle
E-G in den Innenleiter einzuschalten ist, kompensiert werden, wobei dieser Reihenkreis
auf die Trägerfrequenz abgestimmt ist. Das Verhältnis Induktivität zu Kapazität
wird so gewählt, daß die Frequenzabhängigkeit der Reaktanz gleich und entgegengesetzt
derjenigen Reaktanz ist, die kompensiert werden soll.
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Besitzt die Antenne ebenfalls eine nicht zu vernachlässigende Reaktanz,
die beispielsweise linear mit der Frequenz ansteige und bei der Trägerfrequenz durch
Null gehe, so ist das Ersatzschaltbild der Antenne ein konstanter Ohmscher Widerstand
in Reihe mit einer Impedanz, die einen mit der Frequenz linear veränderlichen Phasenwinkel
besitzt. Diese Impedanz ist in Abb. 3 für eine Frequenz durch den Vektor PQ dargestellt.
Unter Anwendung der allgemeinen Überlegungen der Abb. 2 auf die Abb. 3 sieht man,
daß die frühere Länge l vergrößert werden muß auf L' entsprechend
dem Winkel 2 0' der Abb. 3.
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In einem praktischen Zahlenbeispiel sei nun angenommen, eine Antenne
habe bei den folgenden Frequenzen die folgenden Konstanten:
| Frequenz Ohmscher Widerstand Reaktanz |
| MHz Ohm Ohm |
| 43 82 0 |
| 45 75 0 |
| 47 82 0 |
Durch Anwendung des Erfindungsgedankens kann die Länge des Leitungsstückes so gewählt
werden, daß der Eingangswiderstand konstant und gleich 75 Ohm bei den obengenannten
Frequenzen ist und daß die Reaktanz bei 45 MHz durch Null geht. Dies erreicht man
durch Verwendung einer Leitung mit 75 Ohm Wellenwiderstand, die bei 45 MHz angepaßt
ist.
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Betrachtet man wiederum die Abb. 2, so stellt der Vektor PQ die Veränderung
des Ohmschen Widerstandes bei 43 und 47 MHz dar. Die Leitungslänge wird so gewählt,
daß unter Berücksichtigung der Differenz der elektrischen Länge bei 43 und 47 MHz
der Vektor PQ in dem einen Falle in die Stellung PQl und in dem anderen Falle in
die Stellung PQ2 gedreht wird. Die Leitung muß dann bei beiden Frequenzen von 43
und 47 MHz ein ungerades Vielfaches einer Achtelwellenlänge lang sein. Um außerdem
die Transformation in eine positive und eine negative Reaktanz bei den beiden Frequenzen
durchzuführen, muß die Differenz der elektrischen Längen bei beiden Frequenzen eine
Viertelwellenlänge betragen. Damit die Reaktanz bei 43 MHz kapazitiv ist, so daß
sie durch einen bei 45 MHz abgestimmten Parallelschwingungskreis kompensiert werden
kann, der bei Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz induktiv ist, muß die elektrische
Länge der Leitung um eine Achtelwellenlänge größer sein als eine halbe Wellenlänge.
Hieraus ergibt sich, daß die mechanische Länge derart gewählt werden muß, daß die
elektrische Länge bei 43 MHz (4n + I) 2/8 und bei 47 MHz (4)a + 3) 1'8 beträgt,
wo A, und A,' die entsprechenden Wellenlängen sind. Es gilt also die Bedingung
die durch n --- 4I/8 erfüllt ist. Da außerdem n gleich einer ungeraden ganzen Zahl
sein muß, wählt man fz gleich 5, was einer Leitungslänge von 2,75 Wellenlänge bei
45 MHz entspricht.
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Die Abb. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Ende A
einer konzentrischen Leitung mit dem Innenleiter I und dem Außenleiter 2 sei an
die Antenne angeschlossen. Der Wellenwiderstand dieser Leitung betrage 75 Ohm. An
einem Punkt B im Abstande von 2,75 Wellenlänge bei der mittleren Frequenz ist ein
Kompensationskreis angeschlossen, der die Form eines vorspringenden Leitungsstückes
C hat, dessen Länge gleich einer Viertelwellenlänge ist und dessen Wellenwiderstand
56,6 Ohm beträgt. Innen- und Außenleitung dieses Leitungsstückes sind auf der einen
Seite mit dem Innen- und Außenleiter der Energieleitung verbunden, auf der anderen
Seite kurzgeschlossen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt die Abb. 5. Hier dient zur
Kompensation eine Serienschaltung, die aus sich überlappenden Teilen des Innenleiters
besteht. Da bei diesem Korrektionskreis die Reaktanz durch Null hindurch bei wachsender
Frequenz algebraisch wächst, so muß die Änderung der Eingangsreaktanz der Speiseleitung
an dem Verbindungspunkt der Reihenschaltung mit der Frequenz kleiner werden. Dies
erreicht man durch Verwendung eines Leitungsteiles, dessen Länge von der obengenannten
Länge um eine Viertelwellenlänge abweicht, d. h. drei Wellenlängen beträgt. Wie
in der Abb. 5 gezeigt, besteht das Leitungsteil aus einem Innenleiter von der Länge
3 A, bei der mittleren Frequenz. Das eine Ende dieses Innenleiters überlappt das
Ende des Innenleiters der Speiseleitung, dessen Querschnitt über eine Länge von
einer Viertelwellenlänge verkleinert ist. Die innere Oberfläche der Röhre AZ bildet
mit dem verjüngten Teil ein offenes Leitungsstück von der Länge einer Viertelwellenlänge,
welches sich ähnlich verhält wie eine abgestimmte Serienschaltung aus Induktivität
und Kapazität, die zwischen den Punkten X und Y liegt. Diese Kompensationseinrichtung
muß denselben Reaktanzverlauf haben (mit entgegengesetztem Vorzeichen) wie die zu
kompensierende Reaktanz. Dies erreicht man durch geeignete Wahl des Wellenwiderstandes
des Leitungsteiles YY und der Anzahl der Vielfachen einer Viertelwellenlänge dieser
Leitung.
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Sind die Impedanzschwankungen nicht rein ohmisch, sondern enthalten
sie eine reaktive Komponente, so muß die notwendige Länge der Leitung entsprechend
abgeändert werden.
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Ein weiterer Fall tritt auf, wenn die Änderungen des Ohmschen Widerstandes
bei 43 und 47 MHz nicht einander gleich sind und auch, wenn die Änderungen der Reaktanz
bei diesen Frequenzen ungleich sind,
während die Änderungen der
Impedanz der Größe nach gleich, aber mit verschiedenen Phasenwinkeln versehen sind.
Die Impedanzschwankungen entsprechen dann dem Vektor PQ in Abb. 3. Auch in diesem
Falle kann man die Leitungslänge so wählen, daß die Impedanzschwankungen in der
Größe nach gleiche und entgegengesetzte Reaktanzschwankungen umgewandelt werden,
welche dann, wie oben beschrieben, kompensiert werden können.
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In dem erstgenannten Falle, in welchem die Impedanzschwankungen bei
gleichen Frequenzschwankungen ungleich sind, kann der Erfindungsgedanke derart angewandt
werden, daß diese Schwankungen in ungleiche Reaktanzschwankungen umgewandelt werden.
Eine Kompensation dieser Reaktanzschwankungen erfordert dann kompliziertere Zusatzreaktanzen
als die genannten einfachen Serien- und Parallelkreise.
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Die Anordnungen der Abb. 4 und g können für spezielle Zwecke gemeinsam
angewandt werden, wenn die Reaktanzwerte nicht symmetrisch sind. Außerdem kann ein
feiner Abgleich dadurch erzielt werden, daß die Anpassung zunächst gemäß der Erfindung
grob erfolgt und hierauf nochmals dieselbe erfindungsgemäße Methode zum Feinabgleich
verwendet werden.