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Kopplungseinrichtung für eine Hochfrequenzdoppelleitung mit einem,
im wesentlichen schleifenförmig ausgebildetenKopplungsleiter Es ist bekannt, Kopplungseinrichtungen
für eine Hochfrequenzleitung derartig auszubilden, daß sie auf fortschreitende Wellen
in den beiden möglichen Fortpflanzungsrichtungen verschieden ansprechen, besonders
aber auf Wellen in der einen der beiden Richtungen gar nicht ansprechen. Während
für in der einen Richtung laufende Wellen ein mit der Stärke der Welle eindeutig
zusammenhängender endlicher Energieanteil in den Ankopplungskreis übertragen wird;
kann dieser Energieanteil für jede in der entgegengesetzten Richtung laufende Welle
praktisch gleich Null gemacht werden. Derartige Einrichtungen erlauben daher neben
arideren Anwendungsmöglichkeiten besonders die richtige Einstellung und Überwachung
von Leitungsanlagen, welche mit fortschreitenden Wellen betrieben werden sollen,
durch die getrennte Messung der hin- und zurücklaufenden Energieanteile auf der
Leitung. Beispielsweise kann der Anpassungszustand am Verbraucherende der Leitung
durch getrennte Bestimmung des zurücklaufenden, also des reflektierten Wellenanteiles,
leicht überwacht werden. In der Fachliteratur sind Kopplungseinrichtungen dieser
Art vielfach unter der Bezeichnung »Richtkoppler« bekanntgeworden.
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Eine für Meß- und Überwachungszwecke besonders geeignete bekannte
Art solcher Richtkoppler ist in Abb. 1 dargestellt. (Man vergleiche auch »Electrical
Communication«, Vol. 24, Nr.1, März 1947, S.94
bis zoo). Es sei
angenommen, daß von dem links angedeuteten Hochfrequenzgenerator über das dargestellte
Stück einer koaxialen Hochfrequenzleitung zu dem mit dem Wellenwiderstand Z abgeschlossenen
Verbraucherende der Leitung fortschreitende Wellen laufen. Die Ankopplungseinrichtung
wird durch einen im wesentlichen schleifenförmig ausgebildeten Kopplungsleiter von
gegenüber einer Wellenlänge vergleichsweise kleinen Ausmaßen gebildet, welcher an
seinem einem Ende mit dem einen Leiter, im vorliegenden Falle mit dem Außenleiter
der Hochfrequenzleitung, über einen vorzugsweise ohmschen Widerstand R verbunden
ist. Es sei M der gemeinsame Anteil der Induktivitäten des Stückes der Doppelleitung
und der Koppelschleife, und es sei C die wirksame Koppelkapazität mit der Schleife;
beide können mit Rücksicht auf die geforderte Kleinheit der räumlichen Ausmaße dieser
Schleife im Vergleich mit der Wellenlänge als konzentrierte Elemente angenommen
werden. Die Leitungsspannung und der Leitungsstrom stehen bekanntlich in einem Verhältnis
zueinander, welches durch den Wellenwiderstand Z der Leitung gegeben ist; J = Z.
Für den Fall der verlustlosen Leitung ist Z bekanntlich ein von der Frequenz unabhängiger
reeller Widerstand.
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Von der Leitungsspannung E und vom Leitungsstrom J werden über das
entsprechende elektrische und magnetische Feld in dem Kopplungsleiter die Teilspannungen
e1 und e2 induziert, für welche unter den erwähnten Voraussetzungen und für R C
,
-j-c die Beziehungen gelten
Die Wirkung der bekannten Anordnung als Richtkoppler ergibt sich nun auf Grund einer
derartigen Bemessung der räumlichen Anordnung sowie der durch diese bedingten Werte
von C und M bei geeigneter Wahl des Richtungssinnes von M und der Größe von R, daß
e1 = - e2 und e1 -f- e2 = 0 für eine der beiden Fortschreitungsrichtungen
auf der Leitung ist. Man erhält für diese Bemessung ohne weiteres die Beziehung
C R F_ = - M J oder C RZ _ -M. Bei Einhaltung dieser Bemessung heben
sich also für eine in der Pfeilrichtung fortschreitende Welle die durch die magnetische
und die elektrische Kopplung in der Kopplungsschleife auftretenden Spannungen e,
und e2 gegenseitig auf, während sich zeigen läßt, daß für eine in entgegengesetzter
Richtung laufende Welle die beiden Teilspannungen sich zu einem endlichen, von der
Stärke der Welle abhängigen Betrag zusammensetzen.
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Wenn auch die Theorie solcher Kopplungseinrichtungen zu einfachen
und übersichtlichen Beziehungen für die Bedingung ihrer Verwendung als Richtkoppler
gelangt, so bot die praktische Verwirklichung doch noch erhebliche Schwierigkeiten.
Diese waren damit begründet, daß es bei der in Abb. r dargestellten Anordnung mit
den bekannten Einrichtungen nicht ohne weiteres möglich war, durch eine einfache
Justierung der Schleife die Abgleichbeziehung
für- beliebige vorbestimmte Wertepaare von M und C zu erfüllen. Bei einer der bekannten
Einrichtungen war in der Meßstellung die Kopplungsschleife mit dem Innenleiter stets
koplanar angeordnet. Bei einmal festgelegten Schleifenabmessungen sollte der Abgleich
durch Einstellung der Größe von C erfolgen. Zu diesem Zweck war an der Schleife
eine besondere Kapazitätsplatte befestigt. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß
durch die Anwesenheit und die Bewegung einer derartigen Kapazitätsplatte im Innenraum
der Leitung nicht nur das elektrische Feld, sondern auch im allgemeinen das magnetische
Feld durch auf der Platte induzierte Ströme eine Veränderung erfährt. Daher war
bei dieser bekannten Anordnung praktisch keine Änderung von C durch die in der Nähe
der Kopplungsschleife angeordnete und gegenüber dieser oder dem Innenleiter bewegliche
Platte ausführbar, ohne daß gleichzeitig M mitgeändert wurde.
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Bei einer anderen bekannten Anordnung erfolgte die Einstellung zur
Erfüllung der Abgleichbeziehung durch eine Drehung der Schleifenebene um eine die
Symmetrieachse einer Hohlleitung senkrecht . schneidende Drehachse, also vorwiegend
durch eine Änderung von M. In einer Beschreibung dieser Anordnung (brit. Patentschrift
604 987) wurde auch erwähnt, daß mit der auf diese Weise bewirkten Änderung der
magnetischen Kopplung keine gleichzeitige Änderung der elektrischen Kopplung verknüpft
sei. Untersuchungen von Richtkopplern haben gezeigt, daß diese Annahme für die bekannten
Anordnungen allgemein unzutreffend ist. Jede Drehung der Kopplungsschleife um einen
beliebigen Winkel bringt nicht nur die Schleifenebene in eine geänderte Lage gegenüber
dem magnetischen Leitungsfeld, sondern sie bringt im allgemeinen auch den Schleifenleiter
in eine geänderte Lage zu dem elektrischen Leitungsfeld bzw. in dem hier, interessierenden
Falle ' einer Hochfrequenzdoppelleitung, besonders Koaxialleitung, in einen geänderten
mittleren Abstand von dem im wesentlichen linearen Gegenleiter und hat mithin außer
der gewünschten Änderung von Mauch eine unerwünschte Änderung von C zur Folge. Diese
Verknüpfung j eder M-Änderung mit einer C-Änderung erschwert die praktische Verwendung
des Richtkopplers ganz wesentlich, was aus der in veränderter Form geschriebenen
Abgleichbedingung - M = C R Z ohne weiteres abzulesen ist, in welcher nun
beide Seiten eine Funktion des Drehwinkels enthalten, anstatt daß - wie gewünscht
- die rechte Seite eine Konstante bildete. Die Abgleichbedingung wird zwar durch
unendlich viele Wertepaare von M und C erfüllt, bei denen die resultierende Kopplung
mit der in der einen Richtung laufenden Welle Null ist, jedoch erfordert es die
praktische Verwendbarkeit des Richtkopplers in Mießanordnungen, daß dieser Abgleich
auch für eine vorbestimmte resultierende Kopplung mit der in der entgegengesetzten
Richtung laufenden Welle, also für ein bestimmtes Wertepaar M, C, erzielt werden
kann. Diese Forderung läuft praktisch darauf hinaus, für einen vorbestimmten und
im ersten Schritt der Einstellung festgelegten
Wert von C die Abgleichbedingung
durch Ändern von M, aber ohne jegliche mitlaufende Änderung von C, welche zu einem-
anderen Wertepaar führen würde, zu erfüllen.
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Versuche haben bestätigt, daß ohne besondere Vorkehrungen die bei
bekannten Ausführungen derartiger Richtkoppler mit der M-Änderung einhergehenden
C-Änderungen hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Einstellschwierigkeiten keineswegs
vernachlässigbar sind. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die eigentliche Meßgröße
des Richtkopplers die reflektierte Welle ist, deren Energie bei der in neuzeitlichen
Nachrichtenanlagen zur Vermeidung von Echostörungen vorgeschriebenen Güte der Anpassung
nur wenige Prozent der Energie der in entgegengesetzter Richtung laufenden Welle
betragen kann. Zur Erzielung hinreichender Meßempfindlichkeit und Genauigkeit ist
es daher außerdem exakten Abgleich auf Nullkopplung für die hinlaufende Welle erforderlich,
auf eine genügend große Kopplung mit der reflektierten Welle einzustellen. Daher
sind im allgemeinen keine beliebig kleinen Schleifen und beliebig großen Abstände
der Schleife vom Innenleiter anwendbar, welche geringere Kapazitätsänderungen bei
der Schleifendrehung erwarten lassen.
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Auf Grund dieser durch eingehende Versuche gewonnenen Erkenntnisse
ist für praktisch ohne Einschränkung zur Überwachung des Anpassungszustandes neuzeitlicher
Nachrichtenanlagen verwendbare Richtkoppler die Forderung zu erheben, daß die bei
einem -Abgleich durch Drehung der Kopplungsschleife eintretenden Änderungen der
kapazitiven Kopplung in allen einstellbaren Lagen des Kopplungsleiters gegenüber
den bei bekannten Anordnungen zu beobachtenden Änderungen wesentlich herabgesetzt
werden. Zu diesem Zweck soll erfindungsgemäß der Kopplungsleiter an der seinem elektrischen
Gegenpol zugekehrten Seite einen flächenhaften Leiterteil (Kapazitätsfläche) von
vorzugsweise radialsymmetrischer Ausbildung in bezug auf die genannte Achsrichtung
aufweisen, dessen Kapazität gegenüber dem den genannten Gegenpol bildenden Leiter
der Hochfrequenzleitung die elektrische Kopplung im wesentlichen bestimmt; ferner
soll auf der dem elektrischen Gegenpol abgewendeten Seite des flächenhaften Leiters
die von dem magnetischen Leitungsfeld durchsetzte Kopplungsschleife angeordnet sein,
deren wirksame Windungsfläche unter der elektrostatischen Schirmwirkung des flächenhaften
Leiters ohne Änderung der elektrischen Kopplung einstellbar ist.
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Besonders einfach im Aufbau und zuverlässig in der Reproduzierbarkeit
der einmal gefundenen Einstellungen ist eine Ausführungsform der Kopplungseinrichtung
nach der Erfindung, in welcher die Kopplungsschleife, vorzugsweise sogar der ganze
Kopplungsleiter einschließlich der Kapazitätsfläche, an einem Führungsteil befestigt
ist, welcher um eine die Mittellinie des elektrischen Gegenpoles schneidende Achse
drehbar ist, wobei die Kapazitätsfläche als vorzugsweise vollständige Drehfläche
mit der genannten Achse als Drehachse ausgebildet ist, beispielsweise in der Form,
einer Kreisscheibe oder eines Kreisringes. In Abb.2 ist eine Kopplungseinrichtung
dargestellt, welche entsprechend dem Erfindungsgedanken ausgeführt ist und gleichzeitig
auch die erwähnten Merkmale der besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiele zeigt.
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In Abb. 2 ist i der Außenleiter und 2 der Innenleiter einer koaxialen
Hochfrequenzleitung, von welcher nur ein kurzes Teilstück dargestellt ist. An einem
seitlichen rohrförmigen und zur Leitung senkrecht stehenden Ansatz am Außenleiter
ist mittels der hülsenförmigen Teile 3 und 5 eine Führung gebildet, durch welche
der Führungsteil 5 sowohl axial in der Richtung auf den Innenleiter 2 verschoben
werden kann, als auch um die den Innenleiter senkrecht schneidende Achse gedreht
werden kann. Bei der axialen Verschiebung gleiten die Teile 3 und 5 aufeinander,
wobei die Bewegung in axialer Richtung durch das in eine Nut eingreifende Ende der
Klenunschraube 15 begrenzt und eine Drehbewegung der Teile 3 und 5 gegeneinander
verhindert wird.
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Bei der Drehbewegung gleitet Teil 3 innerhalb des rohrförmigen Ansatzes
des Außenleiters i, wobei axiale Verschiebungen durch einen angedrehten Bund und
den übergreifenden. Ring q. verhindert werden. Der Führungsteil 5 trägt mittels
der Bodenplatte 6, den Kopplungsleiter; welcher aus den seitlichen Leiterteilen
7 und 8 sowie der diese miteinander verbindenden Kapazitätsplatte 9 besteht. Zpr
mechanischen Abstützung ist zwischen der Bodenplatte 6 und der Kapazitätsplatte
9 eine zylindrische Stütze io aus Isolierstoff vorgesehen. An der Bodenplatte 6
ist die Glocke ii leitend befestigt. Zwischen dem freien Ende der Glocke ix und
dem Leiterteil 7 ist der Widerstand i2 eingesetzt; dieser bildet hier den Widerstand
R der Abb. i. Die Bodenplatte 6 wird von der Koaxialleitung =3 durchdrungen, deren
Außenleiter mit der genannten Bodenplatte und deren Innenleiter mit dem Leiterteil
8 verbunden ist. Die Leitung 13 verläßt die Kopplungseinrichtung an der der Bodenplatte
6 gegenüberliegenden Seite.
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Wenn die Klemmschraube 15 nicht angezogen ist, kann der Führungsteil
5 in Richtung seiner Drehachse und des elektrischen Gegenpoles -2 der von ihm getragenen
Kapazitätsfläche 9 verschoben werden. Ist ein geeigneter Wert der Koppelkapazität
C zwischen 9 und 2 eingestellt, so kann durch Anziehen der Schraube 15 der-
Führungsteil gegen weitere Axialbewegungen gesichert werden.
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Weitere Axialbewegungen sind nur nach Lösen dieser Feststellvorrichtung
möglich, jedoch werden Drehbewegungen des Führungsteiles 5 um die genannte Achse
durch diese Feststellvorrichtung nicht verhindert. Durch Drehen des Führungsteiles
5 kann nun die Gegeninduktivität M auf den für den Abgleich geeigneten Wert gebracht
und danach der Führungsteil durch Anziehen der Klemmschraube 1q. gegen weitere Drehbewegungen
verriegelt werden. Da die Kapazitätsfläche in bezug auf die Drehachse zikularsymmetrisch
ist und die Drehachse gleichzeitig die Mittelliüie der Windungsebene der Kopplungsschleife
bildet, tritt praktisch durch die Drehung keine merkliche Kapazitätsänderung ein.
Um eine einmal
aufgefundene Einstellung leicht wiederfinden zu können,
sind zweckmäßigerweise an geeigneten Steller. der beiden Paare 3, 5 und 3, 4 der
gegeneinander beweglichen Teile Strichmarken bzw. Meßteüungen für die axiale Verschiebung
und die Drehung angebracht.
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Die Abbildungen 3 und 4 zeigen die Ausbildung der Kapazitätsfläche
g als Kreisscheibe oder als Kreisring. Wenn nur kleine Drehwinkel für den Abgleich
von M erforderlich sind, würde es mit Rücksicht auf die längs gestreckte Form der
Gegenbelegung 2, insbesondere bei der Wahl eines geringen Abstandes, genügen, die
in der Längsrichtung des Gegenleiters liegenden Oberflächenteile als Sektoren einer
Drehfläche auszubilden. Der Bereich des durch die Verwendung einer Drehfläche gebotenen
Vorteiles wird also nicht dadurch verlassen, daß die bei den notwendigen Einstellbewegungen
nur in unwesentlichem Maße mit dem Gegenleiter in kapazitives Zusammenwirken kommenden
Oberflächenteile von der Drehflächenform abweichen.