DE910675C - Einstelllbarer Impedanzuebertrager mit hohem UEbertragungsverhaeltnis zur Anwendung auf einem breiten Band im Gebiet der ultrakurzen Wellen - Google Patents

Description

Wellen

Die Erfindung betrifft eine einstellbare Anordnung zur Transformation von Impedanzen mit hohem Übertragungsverhältnis zur Anwendung bei einem breiten Frequenzband im Gebiet der ultrakurzen Wellen, die insbesondere zur Anpassung eines Rohres mit fortschreitender Welle an seine Eingangs- und Ausgangsleitungen bestimmt ist.

Auf dem UKW-Gebiet besteht häufig das Problem, eine beliebige Impedanz in eine andere beliebige Impedanz zu transformieren. In der Praxis beschränken die besonderen Verhältnisse, die mit jedem konkreten Fall verbunden sind, die Verallgemeinerung des so gestellten Problems und führen zur Unterscheidung von verschiedenen Übertragertypen. Jede dieser Typen ist einer bestimmten Anwendung oder einer bestimmten Gruppe von Anwendungen angepaßt, und neue Bedürfnisse führen häufig zur Entwicklung von neuen Übertragertypen.

Der den Gegenstand der Erfindung bildende Anpassungsübertrager ist u. a. zur Anwendung bei einem Rohr mit fortschreitender Welle bestimmt. Die in diesem Rohr enthaltene Verzögerungsleitung, welche die zum Energieaustausch mit dem Elektronenbündel bestimmten Wellen verlangsamen soll, besitzt im allgemeinen einen hohen Wellenwiderstand, ζ. B. in der Größenordnung der fünffachen Impedanz der koaxialen Leitungen, welchen sie angepaßt werden soll. Man benötigt daher Übertrager mit einem ziemlich hohen Übertragungsverhältnis.

Da der Wellenwiderstand der inneren Leitung des Rohres von einer Rohrtype zu einer anderen schwanken kann, muß dieses Übertragungsverhältnis in

einem gewissen Bereich regelbar sein, sofern man erreichen will, daß der Anpassungsübertrager mit verschiedenen Rohren benutzt werden kann. Schließlich muß, um die bekannte Eigenschaft des Rohres mit fortschreitender Welle, daß sie einen ausgedehnten Frequenzbereich besitzt, ausnutzen zu können, von dem Übertrager gefordert werden, daß er bei einer festen mechanischen Einstellung eine in einem breiten Frequenzband annehmbare Anpassung ergibt, ίο Die Erfindung betrifft einen Impedanzübertrager, der insbesondere für die Anpassung von Rohren mit fortschreitenden Wellen bestimmt ist und folgende Eigenschaften aufweist: i. ein sehr hohes Übertragungsverhältnis, z, B. in der Größenordnung von 5 bis 10, 2. ein Übertragungsverhältnis, das in einem gewissen Transformationsbereich einstellbar ist, 3. ein ausreichendes Frequenzband bei jeder Einstellung der Anpassungsorgane.

Die Übertrageranordnung kann unter Benutzung ao entweder von Leitungen mit zwei Leitern oder von Hohlraumleitern ausgebildet werden. Diese beiden Möglichkeiten sind auch für die Ausbildung der Verzögerungsleitung im Inneren des Rohres gegeben.

as Gemäß der Erfindung umfaßt die Übertrageranordnung eine Transformierungsleitung mit einer Länge von annähernd A/4 (λ = mittlere Wellenlänge) und mit einem Wellenwiderstand, dessen Wert zwischen dem der beiden anzupassenden Impedanzen liegt (Eingangs- oder Ausgangsleitung und Verzögerungsleitung), vorzugsweise unter ihrem geometrischen Mittelwert, eine Serienkapazität zwischen dem Ende der Transformationsleitung und der niedrigeren der beiden anzupassenden Impedanzen, durch die eine weitere Kompensation der Selektivität erzielt wird, und zwei Überbrückungskapazitäten (je eine am Eingang und am Ausgang der Anordnung), deren kapazitive Widerstände im gleichen Verhältnis stehen wie das Übertragungsverhältnis, welches der Transformierungsleitung entspricht. Die Änderung dieser Kapazitäten verändert das Übertragungsverhältnis der ganzen Anordnung.

Es ist an sich zur Breitbandtransformation mit festem Übersetzungsverhältnis bekannt, eine Transformierungsleitung zu verwenden, die eine Länge von annähernd einer Viertelwellenlänge bei der mittleren Arbeitsfrequenz und einen Wellenwiderstand aufweist, dessen Wert dem geometrischen Mittelwert der beiden anzupassenden Impedanzen entspricht, und diese Transformierungsleitung am Eingang und/oder Ausgang mit festen Reihen- oder Parallelresonanzkreisen zusammenzuschalten. Eine Einstellbarkeit des Transformationsverhältnisses ist damit nicht zu erzielen. Andererseits ist der grundsätzliche Gedanke bekannt, den Transformationsbereich eines Übertragersystems j zu variieren durch Benutzung von Vierpolen mit drei einstellbaren Gliedern, ohne daß indessen dabei nähere in Richtung der Erfindung weisende Angaben gemacht sind. Die Erfindung soll jedoch nur in der besonderen Anordnung und Bemessung dreier einstellbarer Kondensatoren bei der bekannten Transformationsleitung zum Zwecke der Erlangung der angegebenen Wirkungen gesehen w'erden.

Die Aufgaben und Wechselwirkungen der verschiedenen Teile der Übertrageranordnung ergeben sich an Hand der Zeichnung aus der folgenden Beschreibung, die sich auf den Fall bezieht, wo die Verzögerungsleitung und die anzupassende äußere Leitung Leitungen mit zwei Leitern sind. Die Ergebnisse können leicht auf den Fall Anwendung finden, wo außerhalb oder innerhalb des Rohres Hohlraumleitungen benutzt werden, oder auf den Fall, wo nur eines dieser beiden Elemente eine Leitung mit zwei Leitern und das andere ein Hohlraumleiter ist. Unter diesem Vorbehalt bezieht sich die Beschreibung zugleich auf die Erfindung in der Verallgemeinerung ihrer Teile und auf eine als Beispiel gegebene praktische Ausführungsform.

Abb. ι zeigt das elektrische Schema der Anordnung; Abb. 2 bis 5 zeigen die Diagramme der Impedanzen in der komplexen Ebene;

Abb. 6 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der Anordnung gemäß der Erfindung.

Im Falle von Leitungen mit zwei Leitern, der, wie erwähnt, der Beschreibung zugrunde gelegt wird, ist die Anordnung in Abb. 1 schematisch dargestellt. Die Verzögerungsleitung mit einem Wellenwiderstand Z₂ im Inneren des Rohres ist senkrecht zur Bildebene angenommen. Zur Erläuterung (praktisch sind die Eingangs- und Ausgangsleitungen häufig senkrecht zur Achse des Rohres angeordnet) ist die äußere Impedanz Z₁ durch eine Leitung dargestellt, welche als mit ihrem Wellenwiderstand Z₁ abgeschlossen angenommen ist. Die beiden Leitungen sind durch eine Leitung mit der Länge Γ und mit dem Wellenwiderstand Z' verbunden. Zwischen Z' und Z₁ ist eine veränderliche Kapazität C eingeschaltet, während Z' und Z₂ je nachdem entweder in direkter Berührung oder elektrisch durch eine Kapazität verbunden sind, die so groß ist, daß sie gegenüber Z' eine vernachlässigbare Impedanz darstellt. Ferner ist eine regelbare Nebenschlußkapazität G₁ am Eingang von Z₁ und eine weitere regelbare Kapazität C₂ am Ausgang von Z₂ vorgesehen. In C₂ ist die Reaktanz eingeschlossen, die von der Störung beim Übergang von Z₂ auf Z' erzeugt wird und im allgemeinen einer Nebenschlußkapazität äquivalent ist.

Die Gesamtheit der Werte Z', Γ, C₁ C₁ und C₂ ist so gewählt, daß die Anpassung zwischen Z₁ und Z₂ erreicht wird. Da die Anpassung von zwei Impedanzen grundsätzlich ein Problem mit zwei Parametern ist, ergibt sich eine unendliche Mannigfaltigkeit von solchen, mit den fünf angegebenen Parametern herstellbaren Transformationen. Diese Transformation wird an Hand der Abb. 2 für zwei verschiedene Ausführungen unter Benutzung der üblichen Darstellung von Impedanzen in der komplexen Ebene beschrieben. Das Bild der als reell angenommenen Impedanz Z₂ befindet sich auf der reellen Achse Oi? des Diagramms der Abb. 2. Die Wirkung der Nebenschlußkapazi- iao tat C₂ erscheint durch eine Verschiebung längs eines Kreises, der durch das Bild Z₂ der reellen Impedanz und den Ursprung O geht und dessen Mittelpunkt auf OR liegt. Diese Verschiebung Z₂ P₁ ist durch den Wert von C₂ definiert. Die Transformation längs Z' ist dargestellt durch eine Verschiebung P₁P₂ auf einem

Kreis, dessen Mittelpunkt sich auf OR befindet, wobei der Mittelpunkt und der Radius durch die gegebene Lage der Punkte Z' und P₁ bestimmt sind, während die Verschiebung P₁P₂ ^von der Länge V abhängt. Der Punkt P₂ stellt dann die Impedanz dar, welche an dem dem Rohr entgegengesetzten Ende von Z' hergestellt ist. Die Reihenschaltung von C bewirkt die Verschiebung P₂P₃. Der Nebenschluß der Kapazität C₁ vervollständigt die Transformation und muß zu dem Z₁

ίο darstellenden Punkt durch eine Verschiebung P₃Z₁ längs eines Kreises führen, der durch O und Z₁ geht und dessen Mittelpunkt auf 07? liegt. Eine dieser Transformation ähnliche zweite Ausführung ist ebenfalls in Abb. 2 gestrichelt dargestellt.

is Die überzähligen Parameter, über die man verfügt, ergeben die Möglichkeit, noch die weiteren Bedingungen zu befriedigen, die diesem Anpassungsübertrager auferlegt sind. Aus¹ Gründen des Aufbaues strebt man eine Lösung an, bei welcher Z' und V

ao angepaßte, aber feste Werte haben und die Änderung des Transformationsverhältnisses ausschließlich durch Veränderung der Kapazitäten C₁, C₂ und C vorgenommen wird.
Um die Einflüsse jedes dieser Parameter besser

as erkennen zu können, wird zunächst C₁ = C₂ = O angenommen. Die Abb. 3 zeigt dann für eine mittlere Frequenz f₀ die durch eine Transformierungsleitung Z' von der Länge V bewirkte Transformation auf eine reelle Impedanz Z₂ (Transformation Z₂ P₂) mit einer nachfolgenden Transformation P₂ P₄, die durch eine Serienkapazität C bewirkt wird.

Bei einer Frequenz f_lt die kleiner ist als /"„, vermindert sich die elektrische Länge V, und folglich wird die durch die Leitung Z' herbeigeführte Transformation durch eine Verschiebung dargestellt (Abb. 3), welche kleiner ist als Z₂ P₂', während die senkrechte Verschiebung, welche von der Kapazität C herrührt, zunimmt, was durch eine Verlängerung von P₂Pi erscheint. Das Umgekehrte geht bei einer Frequenz f₂ vor sich, die f₀ übersteigt (Punkte P₂" und P₄").

Wie ersichtlich, ist in der Anordnung eine

gewisse Kompensation der Selektivität vorhanden.

Sie beruht darauf, daß die Richtung der senkrechten Verschiebung, welche der Serienkapazität entspricht, in Abhängigkeit von der Frequenz der Verschiebung der zu TT' parallelen Komponente (welche die größte ist) der der Transformationsleitung entsprechenden Verschiebung entgegengesetzt ist. Die Kurve P₄", P₄, P₄', P₄'", der Ort des Endes des die Eingangsimpedanz der Anordnung darstellenden Vektors, tangiert die senkrechte Tangente TT' des Transformationskreises und nähert sich asymptotisch der anderen senkrechten Tangente TT'. Bei einer zweckmäßigen Wahl der Impedanz Z₁ der äußeren Leitung unterscheidet sich der Vektor, welcher die am Ende dieser Leitung transformierte Impedanz darstellt, nicht viel von dem Vektor OZ₁ bei Frequenzen in der Nähe von f₀.

Bei einer kleineren Kapazität C kann man die genaue Anpassung im Punkt Z₁ bei der Frequenz f₀ durchführen, jedoch wird das Durchgangsband in diesem Falle kleiner (vgl. die gestrichelte Kurve der Abb. 3). Vermindert man nämlich die Kapazität C zur Herstellung der genauen Anpassung für eine bestimmte Frequenz f₀, so ist ersichtlich, daß man den Punkt P₄'" durch P₅'" ersetzen muß. Für die entsprechende Frequenz/"/ wird der AbstandZ₁P₈'" dann größer als sein ursprünglicher Wert Z₁Pl". Das bedeutet, daß für f_x' der Übertragungskoeffizient durch die Veränderung von C vermindert worden ist. Aus diesem Grunde wird man im allgemeinen die Absicht der Herstellung einer genauen Anpassung bei einer Frequenz dem Bestreben opfern, eine ausreichende Anpassung in einem ausgedehnten Band zu erreichen, selbst wenn die genaue Anpassung niemals verwirklicht wird.

Im allgemeinen kann man die Übertragungseigenschaft des Anpassungsübertragers durch Angabe der Übertragungskurve kennzeichnen, d. h. der Kurve, welche die Änderungen des Übertragungskoeffizienten t in Abhängigkeit von der Frequenz darstellt:

t =

4-P (P + i

wobei:

P =

+ (OP · OP*)

-V + [OP · OP*)]² — [OZ₁)² (OP + OP*)*

(OZ₁)(OP +OP*)

Dabei ist O P der Radiusvektor eines Punktes P, der längs der Kurve veränderlich ist, welche alle Punkte enthält, die sich aus der Transformation in der komplexen Ebene der Impedanzen ergeben (Punkte P₄, P₄', P₄", P₄'" usw. der Abb. 3). Das Ubertragungsband ist durch den Bereich bestimmt, in welchem der Übertragungskoeffizient sich von der Einheit nur durch einen Wert unterscheidet, der unterhalb des Grenzwertes liegt.

Umgekehrt ergibt sich, wenn man die Impedanzen Z₁ und Z₂ als gegebene Größen betrachtet, für jede Transformierungsleitung, deren Impedanz kleiner ist als Yz₁ Z₂ eine Kapazität C, die in einem gewissen Frequenzbereich um f₀ eine Eingangsimpedanz herstellt, die von Z₁ nicht zu sehr abweicht. Je mehr Z' den Wert Yz₁Z₂ unterschreitet, um so breiter wird dieser Bereich, jedoch um so größer die Impedanzänderung in diesem Bereich. Die Wahl der drei Werte Z', V, C definiert demnach bei einer gegebenen ImpedanzZ₂ das Frequenzband und die Änderung der Übertragungskurve.

Es sei nun der Einfluß der Kapazitäten C₁ und C₂ betrachtet. Da der elektrische Abstand zwischen diesen beiden Kapazitäten ungefähr λ/4 beträgt, korn- iao pensieren sich ihre Einflüsse auf das System wechselweise, wenn ihre Reaktanzen in einem Verhältnis stehen, das ungefähr dem Transformationsverhältnis des Übertragers gleich ist. Unter der Annahme, daß C₁ und C₂ zwei solche Werte sind, gibt Abb. 4 das Schema der resultierenden Transformation. Eine

genaue Untersuchung des Problems zeigt, daß die Anwesenheit der Kapazitäten C₁ und C₂ die Qualitäten der Übertragung, entweder durch Verminderung des Bandes oder indem sie die Anpassung ungenauer machen, herabsetzt, wobei diese Herabsetzung um so geringer ist, je kleiner die Kapazitäten sind, aber keine qualitative Änderung des- in Abb. 3 veranschaulichten Verfahrens in sich schließt. Der geometrische Ort der Punkte P₄ zeigt die gleiche Kompensation der Selektivität um eine gewisse Frequenz f₀.

Schließlich sei der Fall einer möglichen Änderung der inneren Impedanz Z₂ ins Auge gefaßt, d. h. besonders der Fall einer Auswechslung des Rohres. Es sei zunächst angenommen, daß bei einer mittleren Frequenz f₀ und mit Kapazitäten Ci, C2» welche bei einer mittleren Einstellung ziemlich klein sind und andererseits in einem Verhältnis stehen, welches dem Übertragungsverhältnis gleich ist, die Anpassung bei einer mittleren inneren Impedanz Z₂ gemäß der Transformation Z₂, P₁, -P₂, P₃, Z₁ der Abb. 5 durchgeführt wird.

Für eine höhere innere Impedanz z» ergibt die Transformation Z_2-, (P₁), (P₂), (P₃), (P₄). welche den gleichen Werten C₁, C₂, C entspricht, nicht die Anpassung an Z₁. Die Anpassung ist jedoch gut durchführbar mit Kapazitäten C₁ und C₂, die etwas größer sind, und mit einer etwas kleineren Kapazität C₁ ohne daß die Transformierungsleitung Z', V geändert werden müßte. Diese die Anpassung von Za ^an -^i ergebende Transformation ist in Abb. 5 durch die Transformation Z₂, P₁, P₂, P₃, Z₁ dargestellt, bei welcher die Kapazitäten C₁ und C₂ im gleichen Verhältnis stehen wie bei der Transformation Z₂, P₁, P₂, P₃, Z₁, bei welcher eine frequenzabhängige Kompensation der

Änderungen der C₁ und C₂ entsprechenden Reaktanzen gegeben ist.

Die Kapazitäten C₁ und C₂ liefern demnach das ■ Mittel, um einen gewissen Bereich von inneren Impedanzen Z₂ der äußeren Impedanz Z₁ bei einer mittleren Frequenz f₀ anzupassen. Man gibt ihnen solche Werte, daß ihre Änderungen sich bei einer Änderung der Frequenz um f₀ gegenseitig annähernd ausgleichen. Man gibt der Transformierungsleitung solche Werte von Z' und Γ, daß bei der mittleren inneren Impedanz Z₂ die Übertragungseigenschaften in dem gewünschten Band ein Optimum haben. Bei inneren Impedanzen, die von der mittleren Impedanz Z₂ verschieden sind, verwirklicht man optimale Übertragungseigenschaften durch eine Einstellung der Kapazitäten C₁, C₂, C gemäß den obigen Ausführungen. In diesem Falle werden die Übertragungseigenschaften in einem gewissen Maße verändert. Diese Veränderung bleibt um so kleiner, je geringer die relative Änderung der inneren Impedanz bleibt.

Infolge der Wirkung der Serienkapazität C ist die beschriebene Anordnung einem einfachen Anpassungsübertrager überlegen, der durch eine einzige Viertelwellenleitung gebildet wird. Man kann nämlich eine ausreichende Anpassung in einem weiteren Frequenzbereich durchführen. Durch das Vorhandensein der Kapazitäten C₁ und C₂ erreicht man eine Verbesserung hinsichtlich der Möglichkeit, eine veränderliche innere Impedanz in einem gewissen Bereich anzupassen. Wie zu bemerken ist, sind die beiden Aufgaben der Anordnung aneinander gebunden, so daß nach einer an den Kapazitäten C₁ und C₂ vorgenommenen Regelung eine Korrektion an C die Übertragungseigenschaften verbessert.

In allgemeiner Weise ist das Frequenzband an eine gute Einstellung von C gebunden, während die vollständigste Übertragung der Leistung durch Einstellung der Kapazitäten C₁ und C₂ angestrebt werden muß.

Ein einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Abb. 6 dargestellt. In einem zylindrischen Außenleiter A, der der ganzen Anordnung gemeinsam ist, befindet sich der innere Leiter B, welcher der Leitung mit dem hohen Wellenwiderstand Z₂ entspricht, und der innere Leiter C, welcher die Leitung mit kleinem Wellenwiderstand Z₁ bildet. Ein Teil D ist auf C verschiebbar angeordnet, so daß es eine einstellbare Verlängerung des Leiters C bildet. Die Transformierungsleitung mit einer dazwischenliegenden Impedanz Z' und mit der Länge Γ ist bei E dargestellt. Dieses Teil ist in A durch einen Isolierträger F zentriert und befestigt, welcher aus einem Dielektrikum mit sehr geringer Dielektrizitätskonstante besteht und unter Verwendung von möglichst wenig Dielektrikum, um Störungen zu vermeiden. Ein ähnlicher Träger C- zentriert und befestigt das Teil D in einem Rohr H, welches in dem Außenleiter A verschiebbar ist.

Durch Verschiebung der Teile D, G, H kann man den Abstand zwischen D und E verändern, wodurch die veränderliche Serienkapazität C hergestellt wird. Diese letztere Verschiebung erfolgt mittels der Stange L, die mit H fest verbunden und in dem Schlitz / verschiebbar ist, der in dem Außenleiter A angebracht ist, und mittels der Schraube M, die in H eingeschraubt ist und in dem Schlitz / gleitet.

Durch mehr oder weniger tiefes Einschrauben dieser Schraube M gegen den Leiter D kann man die Nebenschlußkapazität, welche die Rolle von C₁ spielt, verändern. Eine ähnliche Schraube N spielt die Rolle der veränderlichen Nebenschlußkapazität C₂.

Für gewisse Anwendungen ist es vorteilhaft, eine oder beide Kapazitäten durch seitliche Kolben mit kapazitiver Eingangsimpedanz zu ersetzen, beispielsweise, um über einen Ausgang verfügen zu können, der es ermöglicht, einen Gleichstrom in einem der inneren Leiter zu verändern.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Anordnung zur einstellbaren Impedanztransformation in einem breiten Frequenzband des UKW-Gebietes, durch welche eine erste Impedanz einer zweiten von beträchtlich verschiedenem Wert angepaßt wird, unter Verwendung einer für feste Transformationen üblichen Transformationsleitung mit einer Länge von annähernd einer Viertelwellenlänge bei der mittleren Arbeitsfrequenz und mit einem Wellenwiderstand, dessen Wert zwischen dem der beiden anzupassenden Impedanzen, vorzugsweise unter ihrem geometrischen Mittelwert, liegt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Transformationsleitung mit drei

   einstellbaren Kondensatoren verbunden ist, von denen einer zwischen dem Ende der Transformationsleitung einerseits und der niedrigeren der beiden anzupassenden Impedanzen andererseits in Reihe geschaltet und so bemessen ist, daß die in dem Kreis auftretende Blindkomponente im wesentlichen kompensiert wird, während die beiden anderen parallel zu je einer der anzupassenden Impedanzen an deren Anfang angeordnet und so bemessen sind, daß ihre Reaktanzen im wesentlichen in demselben Verhältnis stehen wie die zugeordneten anzupassenden Impedanzen.
2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationsleitung von koaxialer Bauart ist, wenn es sich um die Anpassung von zwei durch zwei Übertragungsleitungen koaxialer Bauart gebildete Impedanzen handelt, und daß die Transformationsleitung einen mit den beiden Übertragungsleitungen gemeinsamen Außenleiter besitzt.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder beide der einstellbaren und in Parallelschaltung angeordneten Kondensatoren in Form einer den Außenleiter der Transformationsleitung durchsetzenden Schraube ausgebildet sind.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide der einstellbaren Parallelkapazitäten in Form einer Stichleitung (Kolben) mit kapazitiver Eingangsimpedanz ausgebildet sind.

   Angezogene Druckschriften:

   H. Meinke, Einführung in die Technik der Dezimeterwellen, München 1947, S. 96; Elektrotechnik, Bd. 2, Mai 1948, S. 137 bis 142.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   I 9515 4.