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Verfahren zur Gewinnung der hinsichtlich seiner Ohmschen Komponente
richtigen Anpassung eines Widerstandes In der Hochfrequenztechnik tritt in verschiedener
Gestalt die Aufgabe auf, den Blind- und Wirkwert eines Widerstandes mittels eines
Anpassungsgliedes in einen Widerstand bestimmten Wertes zu wandeln. Handelt es sich
z. B. um die Anpassung einer Antenne an einen Kabel- oder Senderausgang, so ist
der komplexe Widerstand der Antenne in den vorgegebenen Widerstand zu wandeln, mit
dem das Kabel bzw. der Senderausgang abzuschließen ist; dieser Widerstand ist in
der Regel ohmisch und hat beispielsweise den Betrag von 6o Ohm.
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Um einen Widerstand durch Wandlung seines Blind- und Wirkwertes in
einen anderen Widerstand bestimmten Wertes überzuführen, verwendet man beispielsweise
Vierpolnetzwerke. Diese sind mit Regelgliedern ausgestattet, mit denen die jeweils
erforderliche Einstellung des Netzwerkes entsprechend dem jeweiligen Bedarfsfall
vorgenommen wird. Normalerweise sind mehrere Regelglieder bei einem solchen Anpassungsnetzwerk
vorhanden. Die Einstellung derselben ist um so langwieriger und zeitraubender, je
mehr die Einflüsse der einzelnen Regelglieder miteinander verkettet sind, so daß
nur durch empirische umschichtige Nachregulierung der Regelglieder im Näherungsverfahren
die gewünschte optimale Einstellung erreicht werden kann.
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In den angedeuteten Fällen kommt es, wie bereits erwähnt, darauf an,
mit dem Anpassungsnetzwerk bei einem gegebenen Abschlußwiderstand einen Eingangswiderstand
zu erzielen, der dem vorgegebenen Sollwert
entspricht. Die normal
ausgeführten Netzwerke sind so beschaffen, daß mit einem der vorhandenen Regelglieder
die im Eingangswiderstand- vorhandene Blindkomponente »herausgestimmt« werden kann,
d. h. daß die besagte Blindkomponente durch einen Blindwiderstand entgegengesetzter
Reaktanzeigenschaftkompensiert wird. Ein anderes der vorhandenen Regelglieder ermöglicht
die Beeinflussung der Größe der Wirkwiderstandskomponente des Eingangswiderstandes.
Bei Bedienung dieses Regelgliedes wird aber auch die Blindkomponente des Eingangswiderstandes
in irgendeiner nicht explizit bekannten Gesetzmäßigkeit verändert. Eine eindeutige
und endgültige Einstellung dieses Regelgliedes ist also nur möglich, wenn die Ohmsche
Komponente des Eingangswiderstandes des Netzwerkes unabhängig von der vorhandenen
Blindkomponente gemessen oder bestimmt werden kann. ' Gegenstand der Erfindung ist
die Lösung dieser Aufgabe; der gefundenen Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde,
daß bei richtiger Größe der Ohmschen Komponente W = Z einerseits der durch die Anschlußklemmen
am Eingang des Netzwerkes fließende Strom J', andererseits die Differenz
(D' = UI'- U2 )
einer der Eingangsklemmenspannung U' des Netzwerkes
proportionalen Spannung (U,' = k1 - U') und einer dem Strom J' proportionalen
Spannung (U,'= k2, - J') vektoriell einen Phasenwinkel von go° einschließen,
wenn zwischen den Proportionalitätsfaktoren k2 und k1 die Beziehung besteht k2
= k1 - Z.
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Es ist bereits eine Anordnung zur Überwachung von Hochfrequenzenergieleitungen
bekannt. Die bekannte Anordnung dient dem Zweck, während des Betriebes einer Anlage
den Anpassungszustand laufend zu über wachen, um gegebenenfalls bei zu starker Fehlanpassung
die Energiequelle, z. B. einen Sender, abzuschalten, damit er nicht wegen zu geringer
Leistungsentnahme Schaden erleidet. Zu diesem Zweck werden bei der bekannten Anordnung
ebenfalls an einem Punkt der Energieleitung zwei Spannungen entnommen, von denen
eine der Spannung proportional ist und die zweite dem Strom an dem genannten Punkt.
Die Proportionalität wird dabei so gewählt, daß bei Anpassung des Verbrauchers die
beiden gebildeten Spannungen gleich sind, also keine Differenzspannung vorhanden
ist. Bei eintretender Fehlanpassung entsteht eine Differenzspannung, die, sofern
sie einen vorgegebenen Wert überschreitet, z. B. dazu benutzt werden kann, den Sender
über eine Relaisanordnung automatisch auszuschalten.
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Sind die beiden Spannungen im Anpassungsfalle gleich, so bedeutet
das aber, daß, wenn bei Übereinstimmung der Ohmschen Komponente durch das Auftreten
von Blindkomponenten eine Differenzspannung auftritt, diese, vektoriell gesehen,
senkrecht auf der dem Strom proportionalen Spannung steht.
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Dieser Fall wird in der Praxis kaum vorkommen, da sich in der Regel
sowohl die Ohmsche als auch die Blindkomponente ändern. Bei der bekannten Anordnung,
die ja nur Überwachungszwecken dienen soll, muß der Proportionalitätsfaktor deshalb
so gewählt werden, daß d e beiden Spannungen im Anpassungsfalle gleich sind, weil
ein einfaches und leicht auswertbares Kriterium für den Anpassungszustand gewonnen
werden soll, nämlich eine Spannungsdifferenz. Es ist dabei gleichgültig, ob die
Spannungsdifferenz bzw. die Fehlanpassung durch Abweichungen in den Ohmschen Komponenten
oder durch das Auftreten von Blindkomponenten entsteht. In Verbindung mit dieser
bekannten Anordnung ist die Erkenrtnis der praktischen Bedeutung dessen, daß bei
gleicher Größe der beiden Spannungen im Anpassungsfalle im Falle der Fehlanpassung
die entstehende Differenzspannung vektoriell senkrecht auf der dem Strom proportionalen
Spannung steht, nicht vorhanden gewesen, jedenfalls nicht ausgewertet worden.
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Gerade aber von der klaren Erkenntnis dieser Zusammenhänge geht, wie
oben bereits festgestellt wurde, die Erfindung aus und weist gleichzeitig den Weg
zu einem neuen Verfahren zur Gewinnung der Anpassung, das gegenüber bekannten Verfahren
wesentlich schneller zum Ziele führt.
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Es besteht darin, die elektrischen Größen zunächst so zu beeinflussen,
daß hinsichtlich der Ohmschen Komponenten Anpassung besteht, was auf Grund des Kriteriums
erkennbar ist, daß eine infolge von Blindkomponenten etwa vorhandene Differenzspannung
zwischen den beiden Spannungen senkrecht auf der dem Strom proportionalen Spannung
steht. Damit aber kann nunmehr die Blindkomponente zum Verschwinden gebracht werden,
ohne daß durch die zugehörigen Maßnahmen die bereits vorhandene Anpassung der Ohmschen
Komponenten beeinflußt wird.
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Zur Veranschaulichung des Dargelegten sei zunächst auf die Fig. =
und z verwiesen.
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Fig. i erläutert Voraussetzungen, wie sie beispielsweise für die Anwendung
der Erfindung gegeben sein können. Das mit den beiden Bedienungsknöpfen I und II
ausgestattete Antennenanpassungsgerät G ist zwischen den Ausgang des Kabels K und
die Antenne geschaltet. Es kommt darauf an, die Bedienung in möglichst kurzer Zeit
durch eine eindeutige Anzeige der richtigen Anpassung durchzuführen. Mit dem Bedienungsknopf
II kann die Ohmsche Komponente des Eingangswiderstandes des Anpassungsgerätes G
verändert werden, bei einer Bedienung von II ändert sich aber auch in nicht definierter
Weise die Blindkomponente des Eingangswiderstandes. Mit dem Regelknopf I kann die
Blindkomponente des Eingangswiderstandes kompensiert werden, so daß eine Wandlung
des Antennenwiderstandes in einen rein Ohmschen Widerstand, mit dem das Kabel K
abgeschlossen werden soll, möglich ist.
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Wie Fig. i a verdeutlicht, fließt durch die Eingangsklemmen des Anpassungsgerätes
G der Strom J'. Die Klemmenspannung an den Eingangsklemmen beträgt U'. Gemäß der
Erfindung werden diese der Messung zugänglichen elektrischen Größen in folgender
Weise für eine eindeutige Anzeige zur Einstellung des Regelknopfes II ausgewertet:
Es wird die Differenz einer der Klemmenspannung U' proportionalen Spannung U1' und
einer dem Strom J' proportionalen Spannung U2' gebildet und diese Differenzspannung
in der Phase mit dem Strom J' durch die Eingangsklemmen verglichen. Bei einem Phasenwinkel
von go° ist die richtige Größe der Ohmschen Komponente
unabhängig
von der jeweils vorhandenen Blindkomponente eingestellt; beim Phasenvergleich muß
dabei die erwähnte Proportionalität der Spannungen nach dem Sollwert der Ohmschen
Komponente in der Weise gewählt sein, daß bei rein Ohmschem Eingangswiderstand in
Höhe des Sollwertes die Differenz zwischen der Spannung U,' und U2 Null ergibt.
Wie das Vektorbild der Fig. 2 veranschaulicht, ist im Falle des Vorhandenseins einer
Blindkomponente iin Eingangswiderstand des Anpassungsnetzwerkes die Differenz der
Spannung U1' und UZ eine Spannung, deren Phasenlage sich gegenüber derjenigen von
Uz' um 9o° unterscheidet.
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Die Hochfrequenztechnik kennt verschiedene Verfahren, um eine Phasendifferenz
von go° zweier elektrischer Größen anzuzeigen. Fig.3 zeigt das Schaltbild einer
Anordnung, deren Anzeigemittel eine Kathodenstrahlröhre K ist, deren Ablenkplattenpaare
6, 7 bzw. 8, g die Abszisse a bzw. die Ordinate o auf dem in Fig. 3 a dargestellten
Schirm zugeordnet sind. Die der Eingangsklemmenspannung U' proportionale Spannung
U,' wird durch den kapazitiven Spannungsteiler 3, 4 gewonnen. Der durch den Ohmschen
Widerstand io abgeschlossene Stromwandler 5 leitet eine dem Strom J' proportionale
Spannung an die beiden Ablenkplatten 6, und 7. An dem Ablenkplattenpaar 8 und g
liegt eine Spannung, die sich aus U1' und U2 zusammensetzt, und zwar nach Voraussetzung
derart, daß diese Spannung die Differenz U,'-U2' darstellt. Beträgt die Phasendifferenz
zwischen diesen beiden Ablenkspannungen 9o°, so beschreibt der Kathodenstrahl bei
Vorhandensein irgendeines Blindanteils im Eingangswiderstand des Anpassungsgerätes
eine Ellipse, deren Hauptachsen mit den Ordinaten a und o zusammenfallen
(g, Fig. 3a); dieses ist, wie dargelegt, das Kriterium dafür, daß die Ohmsche
Komponente des Eingangswiderstandes dem Sollwert entspricht. Weicht dagegen die
Ohmsche Komponente noch von ihrem Sollwert ab, so differiert auch die Phase der
beiden Ablenkspannungen um einen von go° verschiedenen Winkel, was sich dadurch
äußert, daß die Hauptachsen des Ellipsenbildes f mit den Ordinaten a und o irgendeinen
Winkel einschließen.
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Fig. 4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem zur Anzeige
der hinsichtlich seiner Ohmschen Komponente richtigen Anpassung des Eingangswiderstandes
eine Kathodenstrahlröhre verwendet ist, die mit Ablenksystemen ausgestattet ist,
deren zugeordnete Achsen einen Winkel von 45° einschließen. Die Ablenksysteme bestehen
einerseits aus dem Ablenkplattenpaar 11,-i2 und aus dem magnetischen Ablenksystem,
dessen angedeutete Spulen mit 13 und 14 bezeichnet sind. Wie das zugehörige Vektorbild
der Fig.4a erläutert, ist es bei einer solchen Kathodenstrahlröhre möglich, die
Differenzbildung U,'- U2' ohne Zusammenschluß der Spannungsquellen von U,' und U2
zu erzielen. Zu diesem Zweck wird dem Ablenksystem 13, 14 eine EMK zugeleitet, die
das y z -fache von U2' beträgt, so daß sich eine vektorielle Komponente in der Größe
U2' sowohl in der Abszissenals auch in der Ordinatenachse ergibt. In der Ordinatenachse
liegen die Ablenkplatten 11, 12, an denen die Spannung U1' liegt. Die Polung ist
dabei sinngemäß so gewählt, daß sich die in der Ordinatenrichtung ergebende Ablenkung
des Kathodenstrahles proportional D' = U1' - U2' ergibt. Inder Abszissenachse
ist die Ablenkung proportional U2', so daß im Prinzip wiederum dieselben Verhältnisse
vorliegen wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 und 3 a.
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Soll die hinsichtlich seiner Ohmschen Komponente richtige Anpassung
des Eingangswiderstandes mittels eines gewöhnlichen Meßinstrumentes angezeigt oder
die richtige Anpassung etwa durch eine entsprechende gesteuerte Vorrichtung selbsttätig
durchgeführt werden, so läuft die zu lösende Aufgabe auf die Erzeugung einer EMK
hinaus, die bei richtiger Abstimmung eine bestimmte Größe hat, vorzugsweise den
Wert Null annimmt. Ein Ausführungsbeispiel für die Erzeugung einer solchen EMK veranschaulichen
Fig. 5 und 5 a. Das Prinzip der Schaltung besteht darin, daß der absolute Betrag
der Spannung Ui verglichen wird mit demjenigen der Differenzspannung U1"
= 2 U,'- U1'. Das Kriterium, das U2' und D
einen Phasenwinkel von 9o°
einschließen, ist, wie das Vektorbild der Fig. 5 a ohne weiteres erkennen läßt,
gleichbedeutend mit .der Bedingung, daß 1 U1' - U1" Null wird.
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Durch die Diode 28 wird ein Richtstrom erzeugt, der proportional ist
der Spannung U,'. Der durch die Diode 32 fließende Richtstrom ist proportional der
Differenzspannung U1", die Richtstromkreise beider Dioden werden durch das Instrument
36 geschlossen. Die Richtungen beider Richtströme sind einander entgegengesetzt,
so daß sich die Ströme, wenn sie einander gleich sind, aufheben, was sich in der
Nullanzeige des Instrumentes äußert. Die Spannung U1' wird durch die kapazitive
Spannungsteilung mittels des Kondensators 21 und des abgleichbaren Kondensators
22 von der Klemmenspannung U' abgeleitet. Die Spannung U2' wird in der Größe 2 U2
durch den mittels des Ohmschen Widerstandes 3o abgeschlossenen Stromwandler 29 von
dem Anschlußleiter i abgeleitet. Die beiden Spannungsquellen U1' und 2U2 sind mittels
eines von dem Schaltungspunkt 24 ausgehenden Verbindungsleiters hintereinandergeschaltet,
und zwar in der Polung, daß sich für die Diode 32 die Differenzspannung
2 U2'-Ul' ergibt. 26 bzw. 34 sind die Entladewiderstände der Dioden, 31 bzw.33
die der Gleichstromsperrung dienenden Kondensatoren. Der Kondensator 35 überbrückt.
das Meßinstrument 36 zwecks Glättung des Instrumentenstromes.
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Um auf die an Fig. i angeknüpften Erläuterungen zurückzukommen, sei
zusammengefaßt, daß die geschilderten Anzeigevorrichtungen dazu dienen, den Regelknopf
Il in kürzester Zeit eindeutig und endgültig optimal einzustellen. Wie bereits angedeutet,
kann die in einer Anordnung gemäß Fig. 5 erzeugte EMK auch dazu herangezogen werden,
eine motorische Einstellung des Regelgliedes 1I zu steuern, so daß die Einstellung
von II selbsttätig erfolgt. Es bleibt zur richtigen Anpassung des das Gerät G abschließenden
Widerstandes an den Ausgang des Kabels K nur noch übrig, mittels des Regelgliedes
I die noch im Eingangswiderstand von G enthaltene Blindkomponente auf den Wert Null
zu bringen. Wie leicht einzusehen,
können die geschilderten erfindungsgemäßen
Anzeigevorrichtungen zusätzlich auch für die richtige Einstellung des Regelknopfes
I verwendet werden. Bei Erreichung des Sollwertes des Eingangswiderstandes ist die
Spannung U1' gleich der Spannung U,', d. h., der Eingangsstrom J' ist in Phase mit
der Klemmenspannung U' an den Eingangsklemmen. Dieser physikalische Sachverhalt
wirkt sich auf den Anzeigeschirm der Kathodenstrahlröhren in der Weise aus, daß
die Ablenkung in der einen Richtung (nach Fig. 3 a in der Ordinatenrichtung) zu
Null wird. Der Kathodenstrahl beschreibt also bei Erreichung des Sollwertes des
Eingangswiderstandes nur einen Strich auf der Abszissenachse. Die Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 5 wird durch Öffnung des Schalters 27, etwa einer Druckknopftaste, für
die Anzeige zur Einstellung des Regelgliedes I verwendbar gemacht. Durch Öffnen
des Schalters 27 wird nämlich die Überbrückung des abgleichbaren Kondensators 23
aufgehoben; zu gleicher Zeit wird der Gleichstromkreis der Diode 28 unterbrochen.
Am Schaltungspunkt 24 entsteht demgemäß gegen die Eingangsklemmen 2 eine höhere
Spannung, und zwar ist der Wert des abgleichbaren Kondensators 23 so gewählt, daß
sie die Spannung gegenüber vorher verdoppelt. Demgemäß beträgt die Eingangsspannung
für die Diode32 2 UI'-2 U2 . NachVoraussetzung muß bei Erreichung
des richtigen Sollwertes des Eingangswiderstandes U1' gleich werden U2', demnach
muß auch der absolute Betrag von 2 U,' demjenigen von 2 U2 gleich werden, und die
Differenz der beiden Spannungen muß den Nullwert annehmen, was sich in der Nullanzeige
des Instrumentes 36 äußert.
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Vorstehende, sich auf die Anpassung eines Widerstandes beziehende
Darlegungen gelten sinngemäß auch dann, wenn infolge der Ausbildung des Anpassungsnetzwerkes
die Aufgabe in der Wandlung des Blind- und Wirkanteils eines Leitwertes in eine
Admittanz vorgegebener Größe zu sehen ist.