DE890821C - Symmetrieranordnung fuer kurze Wellen - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 21. SEPTEMBER 1953

E 2366 Villa j' 2Ia*

Zusatz zum Patent 755

Das Patent 755 778 betrifft eine Symmetrieranordnung für kurze Wellen, d. h. eine Einrichtung zum Übergang einer gegen Erde unsymmetrischen (koaxialen) Hochfrequenzleitung in eine symmetrische Anordnung. Gemäß dem Hauptpatent ist, wie auch bereits an anderer Stelle bekanntgeworden, an den Außenleiter der unsymmetrischen Leitung ein Hilfsleiter angeschlossen, der mit dem Ende des Außenleiters einen Sperrkreis für die Arbeitsfrequenz bildet. Die

symmetrische Anordnung, z. B. eine Dipolantenne, wird dann an die Enden von Außenleiter und Innenleiter angeschlossen. Das Ende des Hilfsleiters wird vorzugsweise mit dem Ende des Innenleiters verbunden. Der durch den Hilfsleiter gebildete Sperrkreis verhindert, daß die auf der Innenseite der unsymmetrischen Leitung fließenden Ströme auf der Außenseite abfließen können. Sie müssen vielmehr vollständig auf den angeschlossenen Leiter der symmetrischen Anordnung

') Von der Patentsucherin sind als die Erfinder angegeben worden:

Edward Cecil Cork, Baling, Middlesex, und Joseph Lade Pawsey, Hillingdon, Middlesex (Großbritannien)

übergehen. Der Sperrkreis ist dann auf die Arbeitsfrequenz abgestimmt, wenn die Länge des Hilfsleiters ein Viertel der Arbeitswellenlänge λ oder ein ungeradzahliges Vielfaches davon beträgt. Jedoch kann nach dem Hauptpatent die (wirkliche) Länge des Hilfsleiters

λ λ

auch von — (bzw. von (ο,η + ι) · — ;n— ganze Zahl)

4 4

abweichen, insbesondere dann, wenn durch einen zusätzlichen Blindwiderstand, z. B. eine zwischen Außenleiter und Hilfsleiter eingeschaltete Kapazität die

Abstimmung und damit die elektrische Länge von —

wiederhergestellt wird.

Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung des genannten Patents, welche'bei einem vom Wellenwiderstand der unsymmetrischen Leitung abweichenden Anschlußwiderstand der symmetrischen Anordnung die Widerstände aneinander anpaßt. Im Patent 755 778 ist zwar auch eine Anordnung angegeben, bei der das

letzte — lange Ende der unsymmetrischen Leitung als

Transformationsleitung mit einem anderen Wellenwiderstand ausgebildet ist und dadurch eine Anpassung ermöglicht. Bei der Erfindung wird jedoch das gleiche Ziel auf einfachere und bequemere Einstellung ermöglichende Weise dadurch erreicht, daß die Anschlußpunkte der symmetrischen Anordnung auf Außenleiter und Hilfsleiter und die Länge und/oder der Wellenwiderstand der aus Außenleiter und Hilfsleiter gebildeten Zweidrahtleitungsschleife derart gewählt sind, daß die symmetrische Anordnung an die unsymmetrische Leitung angepaßt ist.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung kann man sich folgendermaßen erklären: Schließt man die symmetrische Anordnung nicht an die Enden von Außenleiter und Hilfsleiter, sondern in einer gewissen Entfernung davon an, so erscheint ihr Anschlußwiderstand an diesen Enden und damit am Ausgang der unsymmetrischen Leitung transformiert. Daß man eine einseitig kurzgeschlossene Zweidrahtleitung in dieser Weise als Transformator verwenden kann, ist an sich bekannt. Das Transformationsverhältnis hängt von der Lage der Anschlußpunkte und vom Wellenwiderstand der aus Hilfsleiter und Außenleiter gebildeten Zweidrahtleitung (Schleife) ab. Man kann die Anordnung so treffen, daß der Wirkanteil des transformierten Anschlußwiderstandes gleich dem Wellenwiderstand der unsymmetrischen Leitung ist. Der dabei gleichzeitig auftretende Blindanteil kann durch eine

von — abweichende Länge der durch den Hilfsleiter

mit dem Außenleiterende gebildeten Leitungsschleife ausgeglichen werden. Damit ist die Anpassung erreicht. Die Sperrkreiswirkung bleibt vollständig erhalten, da

die von — abweichende Länge des Hilfsleiters und der 4

durch den Anschluß der symmetrischen Anordnung übertragene Blindanteil sich in ihrer Wirkung auf die Abstimmung des Sperrkreises aufheben. Man kann daher sagen, daß die elektrische Länge der durch den

Hilfsleiter gebildeten Leitungsschleife nach wie vor —

beträgt.

Die Erfindung enthält auch den Sonderfall, daß als Anschlußpunkte der symmetrischen Anordnung (Antenne) die Enden von Hilfsleiter und Außenleiter selbst dienen und der Anschlußwiderstand der symmetrischen Antenne durch Wahl ihrer Lage derart gewählt wird, daß sein Wirkanteil unmittelbar gleich den Wellenwiderstand der unsymmetrischen Leitung, also der koaxialen Speiseleitung ist. Der Blindanteil des Anschlußwiderstandes wird dann durch geeignete Länge des Hilfsleiters zu Null gemacht, wobei, wie unten näher ausgeführt, in die entsprechende Bedingungsgleichung (12) auch der Wellenwiderstand (Z₁) der durch den Hilfsleiter gebildeten Zweidrahtleitung eingeht.

An Hand der als Ausführungsbeispiele dienenden Zeichnung soll die Erfindung näher beschrieben werden. In Abb. ι ist 3, 4 eine koaxiale Speiseleitung, an deren rechtes Ende beispielsweise ein Sender oder Empfänger angeschlossen ist. An dem antennenseitigen Ende der Leitung ist ein Hilfsleiter 5 angebracht, der vorzugsweise denselben Durchmesser und dieselbe Form wie der Leitungsmantel 3 besitzt. Der Hilfsleiter verläuft, wie dargestellt, zunächst im rechten Winkel zur Speiseleitung und biegt dann so um, daß er auf dem größten Teil seiner Länge parallel zur Leitung verläuft. Sein Ende liegt gegenüber dem Ende der Speiseleitung. Das freie Ende des Leiters 5 ist leitend mit dem Innenleiter 6 verbunden. Der Kabelmantel 3 und der Hilfsleiter bilden wie beim Hauptpatent eine kurzgeschlossene Leitungsschleife, welche an die Speiseleitung angeschlossen ist.

Der Verbraucher wird durch eine Dipolantenne 7, 8 gebildet, deren Strahlerelemente mit dem Mantel 3 und dem Hilfsleiter 5 an geeignet gewählten Punkten verbunden sind. Die am freien Ende der Speiseleitung auftretende Impedanz hängt einerseits von der Impedanz des Verbrauchers, andererseits von der Anschlußstelle ab. Beide Größen können so gewählt werden, daß die am Antennenende der Speiseleitung wirksame Abschlußimpedanz gleich dem Wellenwiderstand der Speiseleitung ist. Der Hilfsleiter wirkt also in Verbindung mit dem Kabelmantel als Transformator.

In Abb. 2 ist das Ersatzschaltbild der Anordnung Abb. ι dargestellt. Die Verbraucherimpedanz besteht aus dem Ohmschen Widerstand R und dem dazu parallel geschalteten Blindwiderstand. Der Verbraucher sei an den an den Punkten B, B₁ angeschlossen. Es sei nun Z₁ der Wellenwiderstand der durch den Kabelmantel 3 no und den Hilfsleiter 5 gebildeten Zweidrahtleitung. Der Wellenwiderstand zwischen Innen- und Außenleiter der Speiseleitung sei mit Z₀ bezeichnet. Dann liegt im Ersatzschaltbild zwischen den Punkten A, A₁ ein dem Wellenwiderstand der Speiseleitung entsprechender rein Ohmscher Widerstand der Größe Z₀. Um den Verbraucher an Z₀ anzupassen, ist es notwendig, die an den Punkten B₁ B₁ bei nichtangeschlossenem Verbraucherkreis wirksame Impedanz gleich einem Wirkwiderstand R parallel mit einem Blindwiderstand X zu machen. Dies erzielt man durch richtige Wahl der elektrischen Längen O₁ und O₂ der Teile A-B, B-C des Hilfsleiters. Die in Bogengraden gemessenen elektrischen Längen sind mit den Strecken A-B und B-C durch die Beziehungen verknüpft: O₁ = --^-.——- ^1S5

und Q₂ —' -

wobei λ die Wellenlänge der

Arbeitsfrequenz ist. Der Leitungsabschnitt A-B, der im Punkte A durch Z₀ abgeschlossen ist, überträgt auf B die Parallelschaltung eines Widerstandes R₁ und eines Blindwiderstandes X₁ folgender Größe:

A₁ = Z₁₁IcOS²O₁ +--ψ- sin²

/ Z \²
X₁= COs²O₁ + VH Sm²O₁,

sin² O₁ / Z₁

■ I .

(2)

Der kurzgeschlossene Leitungsabschnitt B-C überträgt auf B den Blindwiderstand X₂ der Größe:

X₂ = Z₁IgQ₂. (3)

Die Bedingungen zur Abstimmung und zur Anpassung sind:

¹ =0- (4)

X X₁

R₁ = R. (5)

Zur Befriedigung dieser beiden Bedingungsgleichungen stehen die drei wählbaren Größen Q₁, Q₂ undZ_t zur Verfügung.
Aus den Gleichungen (i) und (5) erhält man:

sm^a 0, =

(6)

Für einen gegebenen Wert des Verbraucherwirkwiderstandes und des Wellenwiderstandes Z₁ der durch 3 und 5 gebildeten Zweidrahtleitungsschleife bestimmt die Gleichung (6) O₁ und hieraus erhält man den Abstand von A, an welchem der Verbraucher angeschaltet werden muß. Setzt man diesen Wert von Q₁ in Gleichung (2) ein, so findet man den Wert von X₁ bei B, B₁. Durch diesen Wert und durch Einsetzen von X in Gleichung (4) findet man X₂ und aus Gleichung (3) den Wert von Q₂, die Länge B-C. Damit ist auch die gesamte Länge der Schleife für den angenommenen Wert Z₁ bestimmt. Eine nähere Betrachtung der Gleichung (6) zeigt, daß R zwischen den Grenzen Z₀ und

~ liegen muß, da sin² 0, zwischen 0 und 1 schwankt.

In der obigen Ableitung wurde der Wert des Wellenwiderstandes Z₁ der Schleife beliebig angenommen und

O₁ + Q₂= — bestimmt. Ein besonderer Fall liegt vor, wenn Q₁ -f- Q₂, mit anderen Worten, wenn die Länge

A-C = — der Arbeitswellenlänge ist. In diesem Falle 4

haben Q₁ und Z₁ bestimmte Werte. Es müssen also dann Anschlußstelle und Schleifenwellenwiderstand geeignet gewählt werden. Wenn der Verbraucher die Impedanz:

r + Jx = Z₀ cos² Q₁ — JZ₁ ■ cos Q₁ sin Q₁ (7)
besitzt und an den Punkten B, B₁ in dem elektrischen Abstand Q₁ vom Ende A angebracht ist, läßt sich zeigen, daß die Impedanz am Ende rein ohmisch ist und den Wert Z₀ besitzt, falls Q₁ die Gleichung erfüllt:

cos² Q-, =

und Z₁ gegeben ist durch

Xo

cos O₁ sin O₁

(8)

(9)

In den obigen Formeln sind die Verluste in dem Hilfsleiter 5 vernachlässigt, was bekanntlich bei den in Frage stehenden Hochfrequenzen keine beträchtlichen Fehler bedingt.

Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Abb. 3 gezeigt, in welcher die zwei Antennenhälften mit dem freien Ende des Mantels 3 und des Hilfsleiters 5 verbunden sind. Die A±>b. 3 stellt den Fall dar, in welchem Q₁ = 0 ist. Es sei r + jx die Impedanz der Antenne. Der äquivalente Wirkwiderstand R und der Blindwiderstand X der entsprechenden Parallelschaltung sind bekanntlich gegeben durch:

R.

r² + x²

r H

10

Um R = Z₀ zu machen, muß χ durch Veränderung der Antennenlänge passend eingestellt werden. Die Änderung der Antennenlänge hat einen sehr großen Einfluß auf x, aber einen relativ kleinen Einfluß auf r. Die Länge muß, wie aus Gleichung (10) für R = Z₀ folgt, derart eingestellt werden, daß x^z = r (Z₀ — r). Die resultierende Parallelreaktanz X der Antenne ist dann

Die Länge des Hilfsleiters ist derart gewählt, daß er eine Reaktanz — X besitzt. Ist Q die elektrische Länge wie in Gleichung (3), so ergibt sich:

tgfl = ·

12

Da R größer ist als r, ist die Anordnung nach 3 nur durchführbar für r kleiner als Z₀. Dies ist der Fall, der in der Praxis nicht vorkommt, da der Strahlungswiderstand r eines Dipols sehr rasch mit einer Längenabnähme abnimmt (und zwar von einem Höchstwert von etwa 70 Ohm bei einer Halbwellenlängenantenne), während der Wellenwiderstand Z₀ der Speiseleitung gewöhnlich 100 Ohm beträgt. Bei der Anordnung der Abb. ι liegen die Grenzen für den wirksamen Parallel-

wirkwiderstand R bei Z₀ und -^- . In Abb. 4 ist ein

anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei welchem die Antenne und die Verbindungspunkte zwischen den Leitungen 3 und 5 gegenüber der Anordnung nach Abb. 1 vertauscht sind. Die Teile 7 und 8

der Antenne sind mit den freien Enden des Mantels r und des Hilfsleiters 5 verbunden, während der Innenleiter 4 durch einen Leiter 6 an einer geeigneten Stelle nach außen geführt und mit dem Hüfsleiter 9 verbunden ist. Mit Hilfe dieser Anordnung kann eine Antenne mit weit abseits liegendem Wirkwiderstand und beliebigem Blindwiderstand angepaßt werden. Die Anordnung genügt auch für Verbraucher, deren Wirkwiderstand im normalen Bereich liegt, deren Blindwiderstand jedoch größer ist. Das äquivalente Ersatzschaltbild ist in Abb. 5 dargestellt. Die einzelnen Werte werden wie oben berechnet.

In der Praxis ist es lediglich notwendig, den Anschlußpunkt B, B₁ so zu wählen, daß der Parallelwirkwiderstand bei B, B₁ bei Fehlen einer Verbindung zwischen B₁ und dem Innenleiter gleich Z₀ ist. Die Länge B-C wird dann so gewählt, daß der Parallelwirkwiderstand Null wird. ■*

Eine zweckmäßige Ausbildung der Anordnung nach Abb. 4 zeigt 6. Ein Teil des Kabelmantels 3, der ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge lang ist und daher als Transformator mit dem Übertragungsverhältnis ι: ι wirkt, ist verschiebbar mit den Leitern 3° und 5 verbunden, welche eine Leitung mit dem Wellenwiderstand Z₁ bilden. Der Abstand A-B wird so lange verändert, bis der Parallelwiderstand bei B gleich der Leitungsimpedanz Z₀ wird. Ein Kurzschlußglied 9, welches dem senkrechten Teil des Hilfsleiters 5 in den Abb. 1,3-, 4 entspricht und das an geeigneter Stelle festgeklemmt wird, wird dann so lange verschoben, bis kein Parallelblindwiderstand mehr erscheint.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Symmetrieranordnung für kurze Wellen, bei der an den Außenleiter der unsymmetrischen Leitung ein Hüfsleiter angeschlossen ist, der mit dem Ende des Außenleiters einen Sperrkreis für die Arbeitsfrequenz bildet nach Patent 755 778, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem vom Wellenwiderstand der unsymmetrischen Leitung abweichenden Anschlußwiderstand der symmetrischen Anordnung die Anschlußpunkte der symmetrischen Anordnung auf Außenleiter und Hüfsleiter und die Länge und/oder der Wellenwiderstand der aus Außenleiter und Hüfsleiter gebüdeten Zweidrahtleitungsschleife derart gewählt sind, daß die symmetrische Anordnung an die unsymmetrische Leitung angepaßt ist.
2. 2. Symmetrieranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Anschluß-Widerstand der symmetrischen Anordnung, dessen Wirkanteü (R) gleich der Wellenwiderstand (Z₀) der unsymmetrischen Leitung ist, der aber gleichzeitig einen Blindanteil (X) enthält, die symmetrische Anordnung (7, 8) an die Enden von Hüfsleiter (5) und Außenleiter (3) angeschlossen ist und daß die Länge und der Wellenwiderstand der Zweidrahtleitungsschleife (3, 5) derart gewählt sind, daß der Blindanteü (X) des Anschlußwiderstandes der symmetrischen Anordnung kompensiert wird (Abb. 3).
3. 3. Symmetrieranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter (3) und der Hüfsleiter (5) über die Stelle, an der der Innenleiter (4) der unsymmetrischen Leitung mit dem Hüfsleiter verbunden ist, hinaus verlängert sind und daß die symmetrische Anordnung (7, 8) an die Enden der Verlängerungen von Außenleiter und Hüfsleiter angeschlossen ist (Abb. 4).
4. 4. Symmetrieranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Verlängerung des Außenleitefs (3) ein längs des oberen Teües des Außenleiters gleitbarer Leiter (3^ffi) dient und daß der Hüfsleiter (5) mit dem Außenleiter (3) bzw. dem gleitbaren Teü (3⁰) durch eine verschiebbare Kurzschlußbrücke (9) verbunden ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   I 5427 0.53