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Einrichtung zur Verbesserung der Anpassung einer Leitung mit erheblicher
elektrischer Länge in einem verhältnismäßig breiten Frequenzband In der Höchstfrequenztechnik
ist es häufig erforderlich, den Reflexionskoeffizienten in einem verhältnismäßig
breiten Frequenzband auf einem möglichst geringen Wert zu halten. Dies trifft beispielsweise
bei Wanderfeldröhrenverstärkern in den Relaisstationen von Funkstreckenverbindungen
zu. In diesem Falle sollten die Welligkeiten (Amplitudenverhältnis der stehenden
Wellen) in den Eingangs- und Ausgangskabeln oder Hohlleitern in einem Band von z2o
MHz mit der Mittelfrequenz 3600 MHz den Wert i,z nicht überschreiten.
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Nun ist bei Übertragungsleitungen mit erheblicher elektrischer Länge
im Falle eines verhältnismäßig breiten Frequenzbandes der am Eingang gemessene Reflexionskoeffizient
eine komplexe Zahl, und die aus seinem Argument sich ergebende Phasenverschiebung
ändert sich sehr stark mit der Frequenz. Diese Änderung erfolgt um so rascher, je
länger die Leitung im elektrischen Sinne ist.
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Wenn man nämlich beispielsweise annimmt, daß in einer Wanderfeldröhre,
die als Verzögerungsleitung dienende Wendel zwischen ihrem gedämpften Teil und dem
Röhreneingang eine Länge l hat und wenn I KI der Modul des Reflexionskoeffizienten
bei der Reflexion am gedämpften Teil der Wendel ist, so besitzt der Reflexionskoeffizient
K am Eingang der
Röhre denselben Modul 1 K 1, weist jedoch einen
Phasenverschiebungswinkel
auf. Hierbei ist f die Frequenz, c die Lichtgeschwindigkeit und m das Verzögerungsverhältnis
der Wendelleitung für die Frequenz f.
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Bei einer relativen Bandbreite
ist die Änderung d y des Phasenwinkels am Eingang gleich:
Wenn beispielsweise: l = io cm; m = io; d f = 150 MHz ist, so wird
d y = 2 n.
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Beim gegenwärtigen Stand der Technik kennt man kein Anpassungsglied,
das am Eingang der Röhre angeschaltet werden könnte und den Reflexionskoeffizienten
eines so stark von der Frequenz abhängigen Kreises kompensieren könnte.
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Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine solche Kompensation möglich
zu machen. Sie bezieht sich auf eine Übertragungsleitung von verhältnismäßig großer
elektrischer Länge, deren Anpassung in einem verhältnismäßig breiten Frequenzband
mittels einer Hilfsleitung verbessert werden soll, und kennzeichnet sich im wesentlichen
dadurch, daß die Leitung zwei Stichleitungen enthält, deren jede eine elektrische
Länge hat, die derjenigen der zu kompensierenden Leitung ungefähr gleichkommt, und
eine verhältnismäßig geringe Dämpfung von einigen Dezibeln, beispielsweise 5 bis
io db, besitzt, wobei die Entfernung zwischen den Achsen der beiden Stichleitungen
gleich einem Viertel derjenigen Wellenlänge ist, welche der mittleren Frequenz des
Frequenzbandes entspricht, - während die Länge einer Stichleitung diejenige der
anderen um ein Viertel der erwähnten Wellenlänge übertrifft und die beiden Stichleitungen
in gleicher Weise, vorzugsweise lose, an die betrachtete Leitung angekoppelt sind.
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Weitere Kennzeichen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung. Hierin zeigt Fig.
i ein Schaltbild zur Erklärung des Erfindungsgedankens, Fig.2 in schematischer Weise
ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 3 ein zweites
Ausführungsbeispiel in etwas weniger schematischer Weise und Fig.4 die Ortskurve
des Reflexionskoeffizienten. Es sei zuerst der Grundgedanke der erfindungsgemäßen
Anpassung geschildert.
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Es sei eine Leitung i (Fig. i) gegeben, die eine Länge l und
ein Verzögerungsverhältnis m hat und durch eine komplexe Impedanz 2 abgeschlossen
ist. Ihr Reflexionskoeffizient hat die Form
Diese Leitung ist im Punkt 3 mit einer Hilfsleitung 3" verbunden, die ein
Verzögerungsverhältnis in der Größenordnung von i aufweist. Hat diese Hilfsleitung
eine Länge 1a, so ist der Reflexionskoeffizient K",, auf der Leitung 3" gegeben
durch:
wenn die beiden Leitungen denselben Wellenwiderstand haben.
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Wenn man bei 3" in die Leitung i eine Gruppe von Hindernissen einschaltet,
deren Gesamtreflexionskoeffizient stets gleich - K". ist, tritt vor diesen Hindernissen
eine Kompensation auf und die Anpassung bleibt-stets gewährleistet, falls nur J
K 1 verhältnismäßig klein ist, beispielsweise kleiner als 0,3.
Unter dieser
Voraussetzung kann den folgenden Betrachtungen der Absolutbetrag des Reflexionskoeffizienten
K am Abschlußwiderstand 2 zugrunde gelegt werden, zumal dessen Argument nicht sehr
stark von der Frequenz abhängt.
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Nach dem in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Hohlleiter
4 durch eine Höchstfrequenzquelle, beispielsweise ein Klystron 5' gespeist. Der
Hohlleiter 4 ist mit Hilfe eines Impedanztransformators 5 und einer Sonde 6 an die
Wendelleitung 7 einer teilweise dargestellten Wanderfeldröhre 8 angekoppelt.
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Erfindungsgemäß enthält der Hohlleiter 4 zwei Stichleitungen 9 und
io.
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Die erste Stichleitung 9 ist mit Hilfe einer Sonde 9a mit regelbarer
Eintauchtiefe an den Hohlleiter 4 angekoppelt. Sie enthält eine Wendelleitung ii
mit demselben geometrischen Aufbau wie der Abschnitt i2 der Wendel 7, d. h. der
Abschnitt zwischen demjenigen Ende der Wendel 7, an das die Sonde 6 angekoppelt
ist, und dem gedämpften Abschnitt 13 derselben Wendelleitung. An die Wendel ii schließt
sich ein koaxialer Abschnitt 14 an, der durch einen Kurzschluß i5 abgeschlossen
wird. Die Wendel ist mit einer Vorrichtung versehen, welche eine Dämpfung um etwa
5 db bewirkt.
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Die Stichleitung io stimmt mit der Stichleitung 9 überein, indessen
hat der koaxiale Abschnitt 14" eine Länge, die diejenige des Abschnitts 14 um A,/4
übertrifft. Wie erwähnt, ist der Abstand zwischen den Achsen der beiden Stichleitungen
9 und io gleich @/4. Es handelt sich immer um diejenige Wellenlänge, welcher der
Mittelfrequenz des verwendeten Bandes entspricht.
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Fig.3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Anordnung. In diesem Beispiel soll die Reflexion auf einer gewöhnlichen Übertragungsleitung,
die koaxial oder ein Hohlleiter sein kann und schematisch bei 16 angedeutet ist,
in der koaxialen Leitung 17 kompensiert werden. In letztere sind zwei Stichleitungen
18 und i9 in ähnlicher Weise wie die Stichleitungen 9 und io eingeschaltet. Die
Verzögerungsleitungen 2o und 21 dieser Stichleitungen haben eine elektrische Länge,
die gleich derjenigen der Leitung 16 ist. Wenn letztere beispielsweise io m lang
ist und das Verzögerungsverhältnis der Leitungen 2o und 2= gleich 2o ist, müssen
diese eine Länge von 50 cm aufweisen.
Die Stichleitungen
18 und ig sind durch Kolben 22 wund 23 kurzgeschlossen. Diese Kolben sind miteinander
verbunden und ihre Entfernung senkrecht zur Koaxialleitung 17 ist gleich einer Viertelwellenlänge
bei der mittleren Frequenz. Die gleichzeitige Verschiebung der Kolben 22 und 23
gestattet eine Abstimmung der Korrekturvorrichtung, während die Sonden 2¢ und 25
ebenfalls gleichzeitig verschoben werden können, so daß der Kopplungsgrad geregelt
werden kann.
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Die Serienimpedanz der verwendeten Stichleitungen soll gering sein.
Man könnte indessen auch parallel geschaltete Stichleitungen mit erheblicher Impedanz
verwenden. Die folgenden Rechnungen-gestatten eine genaue Übersicht über das Verhalten
des erfindungsgemäßen Anpassungsgliedes.
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Es sei L, die gedämpfte Stichleitung, L die erfindungsgemäß kompensierte
Leitung und a2 der Kopplungskoeffizient der beiden Leitungen.
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y sei die komplexe Fortpflanzungskonstante längs LS, Z, der
Wellenwiderstand von L und Zö der Wellenwiderstand von Ls. Dann hat der Serienwiderstand
Z, der im Punkt Mo mit der Leitung L
in Serie geschalteten Stichleitung
den folgenden Wert:
Der Reflexionskoeffizient, welcher Zs entspricht, ist
wobei k2 eine Konstante darstellt.
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Wenn man an die Leitung L in einem Punkt Ml, der von Mo in Richtung
auf die Stromquelle den Abstand einer Viertelwellenlänge hat, eine zweite Leitung
L' ankoppelt, die sich von L, nur durch die Hinzufügung eines normalen koaxialen
Leitungsabschnittes von einer Viertelwellenlänge unterscheidet, ergibt sich die
Serienimpedanz, die in Ml durch diese zweite Leitung mit L verbunden ist, zu:
Der entsprechende Reflexionskoeffizient ist:
In M1 ergibt sich also der gesamte *Reflexionskoeffizient (Abschlußimpedanz und
Leitungen L, und Ls) zu:
Man kann nun setzen:
und:
A ist eine reelle Größe, die in einem sehr breiten Frequenzband praktisch unabhängig
von der Frequenz ist und gleich der Gesamtdämpfung in Neper in einer der Leitungen
L" bzw. Ls ist.
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ms ist das Verzögerungsverhältnis in der Leitung L3 bzw. L' bei der
Frequenz f (ms ist ungefähr gleich m).
Der Reflexionskoeffizient K,
besitzt, wie eine einfache Rechnung zeigt, eine Ortskurve, welche durch eine Ellipse
dargestellt wird. Ihre kennzeichnenden Größen sind in Fig. q. gezeigt. In dieser
Figur ist
in Ordinatenrichtung und in Abszissen-
richtung aufgetragen. Wenn man die Leitungen so einstellt, daß die elektrische Länge
ms, 1s von L, gleich ml -j- 1o ist, kann man schreiben:
Für eine gewisse Frequenz f ist O ein ganzes Vielfaches von 2 und es ergibt sich-
Wenn die Frequenz sich derart ändert, daß 0 um n zu- oder abnimmt, findet man:
Der Modul ist -also in beiden Fällen der gleiche, ebenso findet män, wenn sich die
Frequenz derart ändert, daß 0 um
zu- oder abnimmt:
und:
Für Zwischenwerte von 0 liegt der Modul von KT zwischen
Da die exakte Kompensation nicht für alle Frequenzwerte bzw.. für alle O möglich
ist, schließt man einen Kompromiß. Man setzt beispielsweise fest, daß der Absolutwert
K derselbe ist für:
Hieraus folgt die folgende Beziehung zwischen J KJ , k2 und A:
Wenn I K j = o;2, @ A = i ist, (Dämpfung auf jeder Korrekturleitung etwa 4,5 db),
findet man: k2 = 0,27
und der Maximalwert von KT ist gleich
Die Welligkeit o, die vor der Korrektur, auf L 'gemessen, etwa
1,5 betrug, nimmt nach der Einschaltung des Korrektionsgliedes den Wert i,o6
an.
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Wenn 1 K' = 0,33 ist, (O = 2) findet man mit demselben Wert
von A : k2 ='o,45 und der maximale Reflexionskoeffizient nach der Korrektur wird
gleich 0,05 (C = 1,i).
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Diese Zahlen zeigen genügend den Vorteil der Vorrichtung, die für
verhältnismäßig breite Bänder (von etwa 31 io °/o RelativwArt) verwendet werden
kann. Es ist klar, daß die Korrektur auf Kosten der an die Abschlußimpedanz gelieferten
Energie stattfindet; die einfallende Energie wird zum Teil in den Leitungen L, und
L', verbraucht. Eine erhöhte Dämpfung (A groß) setzt den Reflexionskoeffizienten
erheblich herab, aber die im Korrekturglied verlorengehende-Energie ist erheblich.
Umgekehrt liefert eine geringe Dämpfung (A klein) eine weniger gute Verbesserung,
aber die absorbierte Energie ist sehr gering.
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Man muß also einen Kompromiß schließen. Folgende Tabelle liefert einige
Anhaltspunkte und erleichtert die Wahl der Werte von A
| Welligkeit @o |
| vor der |
| Korrektur 1,5 1,5 1,5 2 2 2 |
| A (in. Dezibel) 2,2 4,5 9 2=2 4,5 9 |
| Welligkeit @@T |
| nach |
| Korrektur 1,17 i,o6 i,o2 1,3 1,1 1,03 |
| Im Korrek- |
| tionsglied |
| verlorene |
| Energie |
| (in 0/0) 7 io 30 20 25 50 . |
Man sieht, daß ein Wert von 4,5 db (A = i Neper) eine erhebliche Verminderung des
Reflexionskoeffizienten bei einem sehr kleinen Energieverlust gestattet. Die Erfindung
ist nicht - auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.