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Transformator, vorzugsweise für sehr hohe Frequenzen Insbesondere
in der Technik der sehr hohen Frequenzen bereitete bisher das Problem der gegenseitigen
Ankopplung verschiedener Systeme teilweise erhebliche Schwierigkeiten. Beispielsweise
bei der Ankopplung von symmetrischen Systemen an unsymmetrische war man bei Anwendung
der Mittel, die die Technik bisher zur Verfügung stellte, vielfach zu Kompromißlösungen
gezwungen, welche der gewünschten Lösung je nach dem angewendeten Materialaufwand
größtenteils nur mehr oder weniger mangelhaft oder nur innerhalb enger Grenzen der
Anwendung entsprachen.
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Die prinzipiellen Forderungen, denen ein solches Kopplungsglied genügen
sollte, sind aus den folgenden Betrachtungen erkennbar: In erster Linie müssen die
gegenseitigen elektrischen und magnetischen Kopplungen der Kopplungsglieder völlig
symmetrisch sein. Bei Ankopplung symmetrisch zu speisender Verbraucher, z. B. Antennen,
an erdunsymmetrische Speiseleitungen ist hierauf besonderer Wert zu legen. Um ferner
Systeme beliebiger elektrischer Dimension reflexionsfrei miteinander verkoppeln
zu können, ist es notwendig, Kopplungsglieder mit entsprechender beliebiger Widerstandstransformation
herstellen zu können. Schließlich sei noch auf die Wünsche nach Frequenzunabhängigkeit,
der Möglichkeit der Übertragung großer Leistungen und auf die Möglichkeit, die zu
verkoppelnden Systeme hochspannungsmäßig gegeneinander zu isolieren, hingewiesen.
Diese Forderungen sollen von einem Kopplungsorgan erfüllt werden, das eines möglichst
geringen Materialaufwandes bedarf.
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Die bisher in der Ultrahochfrequenztechnik diesen Zwecken dienenden
Organe und Schaltungen vermögen diese Forderungen keineswegs zu erfüllen.
Bekannt
sind sogenannte Schlitzübertrager, bei denen der Mantel des koaxialen erdunsymmetrischen
Speisekabels in einem Abstand einer Viertelwellenlänge von seinem Ende mit einem
Schlitz versehen ist, an dessen beiden Seiten ein erdsymmetrisches System, beispielsweise
eine Leitung oder eine Antenne, eingeschlossen werden kann. Bei einem Symmetrieübertrager
ähnlicher, ebenfalls bekannter Ausführung wird das unsymmetrische Speisungskabel
in zwei Kabelenden gegabelt. Ist hierbei das eine Kabelende um den Betrag einer
halben Wellenlänge länger als das andere, so bilden die beiden herausgeführten Mittelleiter
eine erdsymmetrische Leitung.
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Diese beiden Anordnungen sind sehr einfach im Aufbau, ihre Anwendung
ist jedoch in einem Falle nur auf eine bestimmte Frequenz begrenzt, während die
andere Anordnung keine Übersetzungsverhältnisse zuläßt, die größer als i : i sind.
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Es gelang zwar bisher auch auf andere Weise, Übersetzungsverhältnisse
zu erzielen, die größer als i : i sind, aber diese Möglichkeit ließ sich nur mit
einem relativ großen Aufwand an Schaltmitteln erkaufen, eine Maßnahme, die sowohl
unwirtschaftlich als auch platzraubend ist. Zudem ist auch eine solche Anordnung
jeweils nur für eine bestimmte Frequenz anwendbar.
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Demgegenüber gelingt es bei Anwendung der vorliegenden Erfindung,
einen Symmetrieübertrager zu bauen, der trotz seines einfachen Aufbaues, seines
geringen Raumbedarfs und der Möglichkeit seiner billigen Herstellung allen obengenannten
Forderungen weitestgehend Genüge tut.
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Dieser Übertrager ist erfindungsgemäß so aufgebaut, daß der Mantel
koaxialer Zuleitungen in die Windung bzw. Windungen des Transformators übergeht
und die Transformation durch die von einem Speisepunkt mit Auftrennung des Mantels
ausgehenden Mantelströme dieser Windung(en) bewirkt wird. Der Übergang des Stromes
von der Innenseite des Mantels der Windung(en) auf seine Außenseite wird bei zumindest
teilweiser Weiterführung des jeweiligen Innenleiters der Zuführungsleitungen) durch
die Transformatorwindung(en) durch einen oder mehrere Schlitze herbeigeführt. Zweckmäßig
ist es hierbei, den Transformator völlig symmetrisch aufzubauen, den Symmetriepunkt,
der meist mit dem Zuführungspunkt einer Zuleitung zusammenfällt, zu erden oder an
ein bestimmtes Bezugspotential zu legen.
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Eine beispielsweise Ausführung eines erfindungsgemäßen Transformators
-neigt in schematischer Form die Fig. i der Zeichnungen. Die mittlere Windung i
der drei Windungen i, 2, 3 ist in ihrer %-Iitte, im Punkt :I, an dem auch die unsymmetrische
Speiseleitung 5 zugeführt wird, geerdet. Der Mittelleiter 6 der Koaxialleitung 5
ist mit dem Mittelleiter 7 der einen Windungshälfte verbunden, der wiederum an den
benachbarten Endpunkten der Windung i mit dem Mantel der anderen Windungshälfte
verbunden ist. Die Windungen 2 und 3 sind dann oberhalb und unterhalb der Windung
i angeordnet. An ihren Endpunkten liegt ein symmetrisch gespeister Verbraucher,
hier beispielsweise eine erdsymmetrische Lecherleitung B.
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Zur weiteren Veranschaulichung sei in Fig. 2 ein Schnitt durch die
Windung i der Fig. i mit entsprechender Ziffernkennzeichnung wiedergegeben. Die
Existenz des nicht angeschlossenen Mittelleiters 9 der einen Windungshälfte ist
an sich nicht notwendig; er läßt sich jedoch beispielsweise durch Verbindung des
Mittelleiters 7 mit ihm durch Anschluß geeigneter Schaltelemente in vorteilhafter
Weise für die Zwecke der Korrektur des Scheinwiderstandes ausnutzen. Es erscheint
deswegen als zweckmäßig, diesen Mittelleiter an irgendeiner Stelle zugänglich zu
machen oder herauszuführen. Entsprechendes gilt für die Mittelleiter der anderen
Windungen.
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Verbindet man z. B. den Mittelleiter 7 (Fig. 2) nicht, wie es dargestellt
ist, mit dem Mantel der anderen Halbwindung, sondern mit deren Mittelleiter und
schaltet am Symmetriepunkt zwischen dem Mittelleiter 9 und dem Mantel ein geeignetes
Schaltelement ein, so kann bei günstiger Wahl desselben eine dem jeweiligen Betriebsverhältnis
entsprechende Korrektur des Scheinwiderstandes in an sich bekannter Weise erzielt
werden.
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Dieses Beispiel stellt einen Übertrager mit dem Windungsverhältnis
i : 3 dar. Da sich in der Praxis Streuungen weitgehend vermeiden lassen, kann hiermit
eine Widerstandstransformation von nahezu i : 9, beispielsweise 6o: 5oo Ohm erzielt
werden.
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Dieser dem Erfindungsgedanken entsprechende Transformator gewährleistet
eine absolute Symmetrie der elektrischen und magnetischen Kopplungen. wenn er in
seinen räumlichen Abmessungen oberhalb und unterhalb des Symmetriepunktes der gespeisten
Windung gleich aufgebaut ist.
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Fig.3 zeigt ein weiteres entsprechendes praktisches Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Übertragers mit einem Windungsverhältnis i :5, bei dem oberhalb
und unterhalb der mittleren Windung je zwei Windungen eingebracht sind.
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An der Stelle io ist hierin wiederum der mit dem Mittelleiter der
Speiseleitung verbundene Mittelleiter der einen Hälfte der mittleren Windung mit
dem Mantel seiner anderen Hälfte verbunden.
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Im folgenden ist ein weiteres sehr wichtiges und vorteilhaftes Anwendungsgebiet
erwähnt, dessen Problematik prinzipiell an der Fig. .I erkennbar ist.
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Die Ausbreitungseigenschaften ultrakurzer elektromagnetischer Wellen
bedingen bekanntlich, daß die Antennen, die der Ausstrahlung solcher Energie dienen,
möglichst hoch über dem Erdboden aufgestellt werden. Um nun Kosten für die Errichtung
hoher Maste zu ersparen, errichtet man diese Antennen in den meisten Fällen auf
bereits vorhandenen, möglichst hohen Baulichkeiten, insbesondere auf Sendetürmen,
die dem Zwecke der Ausstrahlung von Lang- oder Mittelwellen dienen.
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Fig. q. zeigt zunächst einen solchen Antennenmast i i, auf dem eine
UKW-Antenne 12 errichtet ist, die beispielsweise aus einer Anzahl von Dipolen
besteht.
Der Außenmantel der vorzugsweise koaxialen Speiseleitung 13 für die UK\\'-Atitetine
12 befindet sich wie die Antenne 12 selbst auf dem Potential der Langwellenantenne
i i. Der Außenmantel der Zuführungsleitung 14 dagegen liegt an Erde. Die Ankopplung
der Leitung 13 an die Leitung i4 erfolgt mit Hilfe einer Schaltungsanordnung am
Fuße des Antennenmastes. Sie ist hier durch einen Kasten 15 angedeutet.
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Die einwandfreie Funktion einer solchen Anordnung war nun aber bei
Verwendung bisher bekannter Mittel keineswegs gewährleistet, da die gegenseitige
Entkopplung der Eigenwellen der beiden miteinander kombinierten Systeme nicht hinreichend
gelang. Stets traten mehr oder minder starke Übersprecherscheinungen auf, die ihre
Ursache in den unsymmetrischen, insbesondere kapazitiven Kopplungen innerhalb des
Ankopplungstransformatorgliedes 1,9 zwischen den Leitungen 13 und 14 (Fig.4) finden.
Dabei gelangt einerseits Energie des Mittel- oder Langwellensenders in den UKW-Sender
und andererseits UKW-Energie in den Antennenmast. Besonders untragbar werden die
Verhältnisse hierbei dann, wenn der Antennenmast Stellen aufweist, die für die ultrahochfrequente
Schwingung ganz oder nahezu einen offenen Kurzschluß darstellen. Bei dem Versuch
der Behebung dieser schädlichen Erscheinungen stößt man besonders auch insofern
auf erhebliche Schwierigkeiten, als man gleichzeitig wegen des _\uftretens sehr
hoher Spannungen für eine gute Isolation sorgen muß.
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Bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Transformators mit zwei gegeneinander
isolierten Windungen, der symmetrisch aufgebaut ist, aber einen unsymmetrischen
Eingang und Ausgang aufweist, lassen sich nun diese beschriebenen schädlichen Erscheinungen
in sehr einfacher Weise vermeiden.
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Die beiden Koaxialleitungen 13 und 14, die denen der Fig. 4. entsprechen,
münden in je eine Windung aus Koaxialleitung 16 und 17, die transformatoricch miteinander
gekoppelt sind. Die Mittelleiter dieser Windungen 16 und 17 sind an der Einführungsstelle
derLeitungen 13 und 14 unterbrochen und jeweils einseitig mit den Mittelleitern
der Leitungen 13 bzw. 14 verbunden. Die Mäntel der Windungen 16 und 17 zeigen
ebenfalls je eine Unterbrechung (Schlitz) 18 hzw. i9. Diese liegen jedoch jeweils
den Einführungen der Leitungen 13 bzw. 14 diametral gegenüber.
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Man erkennt, daß sich mit Hilfe einer solchen Anordnung einerseits
eine nahezu völlige gegenseitige Entkopplung der Frequenzen beider kombinierter
Svsteme erzielen und andererseits auch leicht eine Isolation der auftretenden Spannungen
erreichen läßt.
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Geringe noch auftretende Kopplungen durch die Schlitze 18 und i9 lassen
sich auf das Mindestmaß beschränken, wenn man, wie in Fig.5, die Windungen derart
anordnet, daß jeweils eine Leitungseinführung der einen Windung einem Schlitz der
anderen `Findung gegenüberliegt. Die schädlichen Kopplungen sind dagegen völlig
vermeidbar bei eitler Ausbildung der Schlitze entsprechend Fig. 6, bei der sich
die Mäntel überdecken.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sich praktisch
jedes gewünschte Übersetzungsverhältnis erzielen läßt. Werden beispielsweise äußere
Windungen kleiner gemacht, so wird die Streuung vergrößert und damit die Widerstandsübersetzung
verringert.
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-Man kann sogar daran denken, die Kopplung auf irgendeine Weise variabel
zu machen, beispielsweise durch gegensinnig laufende Stromabnahmeorgane, z. B. Schleiffedern,
die um die Mittelachse des üll)ertragers schwenkbar angeordnet sind. Ebenfalls eine
Ausschwenkbarkeit oder eine sonstige Möglichkeit der gegenseitigen Entfernung oder
Annäherung von Windungen läßt sich zum Variieren der Kopplung ausnutzen.
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Zum Zwecke der Erhöhung der Induktivität besteht auch für Transformatoren
der erfindungsg ern.i ßen Ausführung die Möglichkeit, Stoffe erhöhter Permeabilität,
beispielsweise Massekerne, zu verwenden.
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In jedem Falle empfiehlt es sich, den Transformator in einem abschirmenden
Gehäuse unterzubringen, das zweckmäßig geerdet und in seiner Form syniinetrisch
zur Mittelachse des Übertragers ist. Auf diese Weise erzielt man genau definierte
Kapazitäten. und die Fuktion des Transformators wird von dein Ort seiner Aufstellung
unabhängig.