DE955065C

DE955065C - Broadband balancing transformer with a symmetrical stepped line

Info

Publication number: DE955065C
Application number: DET6691A
Authority: DE
Inventors: Dr Rudolf Becker; Dr Walter Berndt
Original assignee: Telefunken AG
Current assignee: Telefunken AG
Priority date: 1952-09-11
Filing date: 1952-09-11
Publication date: 1956-12-27

Description

Breitband-Symmetrierungs -Transformator mit einer symmetrischen Stufenleitung Die Erfindung bezieht sich auf einen Breitband-Symmetrierungs-Transformator mit einer symmetrischen Stufenleitung zur Widerstandsanpassung zwischen einem Generatorkreis und einem Verbraucherkreis, von denen der eine erdsymmetrisch, der andere erdunsymmetrisch ausgebildet ist. Es ist bereits bekannt, für die Widerstandstransformation die Eigenschaften von Leitungen mit ortsabhängigem Wellenwiderstand. zu benutzen: Die Änderung des Wellenwiderstandes längs der Leitung kann eine stufenweise oder eine stetige sein. Die Breite des Frequenzbereiches, in welchem das Transformationsverhältnis erhalten bleiben soll, bedingt eine bestimmte notwendige Leitungslänge;, diese ist aber auch abhängig von dem Änderungsgesetz des Wellenwiderstandes. Für die technische Verwendung ist es erwünscht, mit Rücksicht auf die erforderliche Frequenzbandbreite der Transformation den Leitungstyp so . auszuwählen und das Änderungsgesetz §o zu bestimmen, daß sich die geringste Baulänge ergibt. Auf eine eingehende Darstellung. der Zusammenhänge kann hier verzichtet werden, da sich eine solche in Zeitschrift »Funk und Ton«, 1949, auf den. S. 151 bis 167 und 2o2 bis 213 in dem Aufsatz »Widerstandstransformation mit Leitungen« befindet. Es genügt, hier als Ergebnis dieser Veröffentlichung festzustellen, daB bei der Lösung technischer Transformationsaufgaben innerhalb - definierter Frequenzbereiche mit endlichen Grenzfrequenzen zweckmäßig, bemessene Stufenleitungen vor Leitungen mit stetig veränderlichem Wellenwiderstand den Vorzug verdienen, weil sie in vielen Fällen geringere Baulängen ergeben und außerdem unter einem geringeren Kostenaufwand hergestellt werden können.Broadband balancing transformer with a symmetrical step line The invention relates to a broadband balancing transformer with a symmetrical step line for resistance adjustment between a generator circuit and a consumer circuit, one of which is symmetrical to ground and the other is asymmetrical to ground. It is already known for the resistance transformation to use the properties of lines with a location-dependent characteristic impedance. to use: The change of the wave resistance along the line can be gradual or continuous. The width of the frequency range, in which the transformation ratio is to be maintained, requires a certain necessary line length, but this is also dependent on the law of change of the wave resistance. For technical use, it is desirable to use the line type in this way, taking into account the required frequency bandwidth of the transformation. and to determine the amendment law §o that results in the smallest overall length. For a detailed account. the connection can be dispensed with here, since one in the magazine "Funk und Ton", 1949, refers to the. Pp. 151 to 167 and 2o2 to 213 in the article "Resistance Transformation with Lines". As a result of this publication, it is sufficient to state here that when solving technical transformation tasks within - defined frequency ranges with finite limit frequencies, it is advisable to use dimensioned stepped lines over lines with continuously variable wave impedance, because in many cases they result in shorter overall lengths and also less Costs can be produced.

Der gleichen Veröffentlichung ist auch zu entnehmen, daß die Baulänge unter Aufrechterhaltung der Breite des Arbeitsfrequenzbereiches herabgesetzt werden kann, wenn man am Anfang und Ende der Leitung noch zusätzliche Schaltelemente als Kompensationsglieder vorsieht. Beispielsweise kann in einer solchen Anordnung auf der niederohmigen Seite der Stufenleitung ein am Ende kurzgeschlossenes Leitungsstück parallel geschaltet sein, während auf'der höchohmigenSeite von der Leitung aus gerechnet zuerst ein am Ende kurzgeschlossenes Leitungsstück parallel geschaltet ist. Aus der genannten Veröffentlichung sind die Regeln für. die zweckentsprechende Bemessung der Wellenwiderstände der kompensierenden Leitungsstücke zu entnehmen, so daß darauf ebenfalls nicht näher eingegangen zu werden braucht.The same publication can also be seen that the overall length can be reduced while maintaining the width of the working frequency range can, if you have additional switching elements at the beginning and end of the line as Provides compensation members. For example, in such an arrangement the low-resistance side of the stepped line a short-circuited line section at the end be connected in parallel, while on the high-resistance side calculated from the line first a short-circuited line section is connected in parallel at the end. the end the mentioned publication are the rules for. the appropriate dimensioning of the wave resistance of the compensating line pieces, so that on it also does not need to be discussed in more detail.

In der Praxis tritt das Problem der Widerstandsanpassung zwischen Generator und Verbraucher häufig vereint mit der Aufgabe der Verbindung eines erdsymmetrisch ausgebildeten Kreises mit einem erdunsymmetrischen Kreise auf. Mit der Lösung dieser beiden miteinander verknüpften Aufgaben befaßt sich die Erfindung. Als Beispiel einer solchen Aufgabenstellung wird auf die Verbindung der Hochfrequenzausgangsstufe eines Senders über ein erdsymmetrisches Kabel von beispielsweise 6o S2 Wellenwiderstand mit einem erdsymmetrischen Strahler von einigen hundert Ohm Wellenwiderstand hingewiesen.In practice the problem of resistance adjustment occurs between Generator and consumer often combined with the task of connecting one balanced to the ground formed circle with an earth-asymmetrical circle on it. With the solution to this The invention is concerned with both interrelated tasks. As an an example Such a task is based on the connection of the high frequency output stage of a transmitter via a cable balanced to ground with, for example, 6o S2 characteristic impedance with a balanced radiator with a wave impedance of a few hundred ohms.

Zur Lösung dieser und ähnlicher Aufgaben ist auch bereits bekannt, aus mehreren Ao/4 langen Leitungsstücken aufgebaute symmetrische Stufen-Leitung an ihrem nilederohmigen Endre mit einer Symmetrierungsschleife von der Länge .1/4 zu verbinden (Proceeding of the I. R. E., Oktober 1947, Bd, 35, Heft 10, S. 1153, I154). Durch die Erfindung ergibt sich die Möglichkeit, die angegebene Aufgabe der Transformation und Symmetrierung unter Aufrechterhaltung eines gewünschten Transformationsverhältnisses für ein besonders breites Frequenzband zu lösen.To solve these and similar tasks, it is already known to connect a symmetrical stepped line made up of several Ao / 4-long line sections at its nile-ohmic end with a balancing loop of length .1 / 4 (Proceeding of the IRE, October 1947, vol. 35, No. 10, pp. 1153, I154). The invention makes it possible to achieve the stated task of transformation and symmetrization while maintaining a desired transformation ratio for a particularly wide frequency band.

Bei einem Breitband-Symmetrierungs-Transformator mit einer symmetrischen Stufenleitung, der an ihrem niederohmigen Ende ein kurzgeschlossenes Leitungsstück als Kompensationselement parallel und mit deren Leitern am hochohmigen Ende ein beiderseits offenes Leitungsstück in Reihe geschaltet und der an den freien Enden der genannten Leitungsstücke ein kurzgeschlossenes Leitungsstück als Kompensationselement parallel geschaltet ist, soll erfindungsgemäß das am niederohmigen Ende befindliche kurzgeschlossene Leitungsstück in an sich bekannter Weise als Symmetrierungsschleife ausgebildet sein, durch deren einen Schenkel der Innenleiber einer unsymmetrischen Leitung geführt ist; ferner soll zwischen den symmetrischen AnschluBpunxlen an der Symmetrierungsschleife und den Leitern der Stufenleitung je ein beiderseits offienes Leitungsstück als zusätzliches Kompensationselement eingeschaltet sein, und die elektrische Länge sämtlicher erwähnter Kompensationselemente soll derartig - vorzugsweise gleich lo/4 - bemessen sein, daß ihre wirksamen Reaktanzen bei der mittleren Wellenlänge ,1o mit Vorzeichenwechsel durch Null gehen.In the case of a broadband balancing transformer with a symmetrical Stepped line that has a short-circuited piece of line at its low-resistance end as a compensation element in parallel and with their conductors at the high-resistance end Line piece open on both sides connected in series and the one at the free ends of said line pieces a short-circuited line piece as a compensation element is connected in parallel, according to the invention that is located at the low-resistance end short-circuited line piece in a manner known per se as a balancing loop be formed, through one leg of the inner body of an asymmetrical Line is led; furthermore, between the symmetrical connection points on the Balancing loop and the ladder of the stepped line each one open on both sides Line piece be turned on as an additional compensation element, and the electrical length of all mentioned compensation elements should be such - preferably equal to lo / 4 - be dimensioned that their effective reactances at the mean wavelength , 1o go through zero with a sign change.

Bei dem Breitband-Symmetrierungs-Transformator nach der Erfindung wird nicht nur das am niederohmigen Ende vorhandene kurzgeschlossene Leitungsstück zugleich als Symmetrierungsschleife verwendet, sondern es ist auch in das Zusammenwirken mit drei weiteren Kompensationselementen einbezogen. Durch Messungen an einer Anzahl von nach der Erfindung ausgeführten Transformatoren wurde festgestellt, daß sich durch die Erfindung eine ganz wesentliche, in ihrem Ausmaß überraschende Ausdehnung der Bandbreite ergeben hat. Bei den Transformatoren nach der Erfindung sind insgesamt vier in einander spiegelbildlich entsprechenden Anordnungen auf Eingang und Ausgang der Stufenleitung verteilt. Als wesentlich für die erzielte Verbesserung hin-' sichtlich der Bandbreite kann angesehen werden, daß die Reaktanzen aller Kompensationselemente bei AD mit Vorzeichenwechsel durch Null gehen, so daß bei dieser mittleren Arbeitswellenlänge durch die Kompensationselemente keine zusätzlichen Blindwiderstände eingeführt werden. Beiderseits dieser mittleren Wellenlänge ändern sich an beiden Enden der Leitung die Blindwiderstände der vorgesehenen Kompensationselemente in entgegen= gesetztem Sinne, so daß sich ein breiter Bereich ergibt, in welchem der Transformationskoeffizient praktisch unverändert bleibt.In the broadband balancing transformer according to the invention is not only the short-circuited line section at the low-resistance end at the same time used as a balancing loop, but it is also in the interaction with three other compensation elements included. By taking measurements on a number of transformers designed according to the invention have been found that through the invention a very substantial expansion, surprising in its extent the bandwidth has resulted. The transformers according to the invention are total four mirror-inverted arrangements on input and output distributed by the senior management. As essential for the improvement achieved the bandwidth can be seen as the reactances of all compensation elements at AD go through zero with a change in sign, so that at this mean working wavelength no additional reactances are introduced by the compensation elements. Both sides of this mean wavelength change at both ends of the line the reactances of the intended compensation elements in opposite = opposite Sense, so that there is a broad area in which the transformation coefficient remains practically unchanged.

Die Ausnutzung des Frequenzbereiches beider- i seits der Resonanzstellen der Kompensationsleitungsstücke, deren Blindwiderstandskomponente an diesen Stellen mit entgegengesetztem Richtungssinn durch Null gehen, kann bei den Transformatoren nach der Erfindung zu einer Verbreiterung des ausnutzbaren Transformationsbereiches gegenüber bekannten Anordnungen bei Einhaltung 'des gleichen Grenzwertes der Fehlanpassung -und bei gleichen Baulängen oder zur Herabsetzung der notwendigen Baulänge bei sonst gleichen Leistungen benutzt werden. Die Frequenz f(" welche der Wellenlänge A, entspricht, ist im allgemeinen gleich dem arithmetischen Mittelwert aus den Grenzfrequenzen des geforderten Arbeitsfrequenzbereiches zu wählen, jedoch sind Abweichungen von :dieser Regel möglich, ohne daß dadurch der Bereich des Erfindungsgedankens verlassen wird. Wesentlich #ist jedoch, daB f o eine mittlere Frequenz des Arbeitsfrequenzbereiches bildet und der erwähnte Vorzeichenwechsel der Blindwiderstandskomponente der kompensierenden Leitungsstücke mithin innerhalb dieses Arbeitsfrequenzbereiches stattfindet.The utilization of the frequency range on both sides of the resonance points of the compensation line pieces, their reactance components at these points Go through zero with the opposite sense of direction in the case of the transformers according to the invention to a broadening of the usable transformation range compared to known arrangements when adhering to the same limit value of the mismatch -and with the same overall length or to reduce the necessary overall length with otherwise the same services can be used. The frequency f ("which corresponds to the wavelength A, is generally equal to the arithmetic mean of the limit frequencies of the required working frequency range, however, deviations from : this rule is possible without leaving the scope of the inventive idea will. It is essential, however, that f o is a mean frequency of the working frequency range forms and the aforementioned change in sign of the reactance component of the compensating Line pieces therefore takes place within this working frequency range.

Es ist besonders bemerkenswert, daß die nach der Theorie zu fordernden Kompensationselemente für eine Stufenleitung in der Form von kurzgeschlossenen bzw. offenen Leitungsstücken bestimmter Länge technisch exakt verwirklicht werden können und daher die praktisch ausgeführten Leitungstransformatoren mit sehr großer Genauigkeit die vorausberechneten Eigenschaften aufweisen. Dies steht im Gegensatz zu den Verhältnissen bei der Anwendung von Exponentialleitungen, welche als Kompensationselemente bekanntlich konzentrierte Blindwiderstancaselemente rein induktiver bzw. kapazitiver Natur erfordern. Solche reinen Induktivitäten und Kapazitäten können jedoch technisch nicht verwirklicht werden; bei genügend hoher Frequenz verursachen die unvermeidliche Kapazität einer Spule und die Induktivität eines Kondensators eine so weitgehende Abweichung von dem geforderten Verhalten, daß allein dadurch der mit einer Exponentialieitung als Transformator zu übertragende Frequenzbereich wesentlich eingeschränkt wird.It is particularly noteworthy that the theory is to be challenged Compensation elements for a stepped line in the form of short-circuited respectively. open pipe sections of a certain length can be realized technically exactly and therefore the practically executed line transformers with very high accuracy have the properties calculated in advance. This is in contrast to the ratios when using exponential lines, which are known as compensation elements require concentrated reactance capacitor elements of a purely inductive or capacitive nature. However, such pure inductances and capacitances cannot be realized technically will; if the frequency is high enough, the inevitable capacitance will cause a Coil and the inductance of a capacitor such a large deviation from the required behavior, that only because of this, the one with an exponential line as Transformer frequency range to be transmitted is significantly restricted.

Bei der Anordnung nach der Erfindung tritt, wie schon .erwähnt, seine solche Abweichung von den vorausbestimmten Eigenschaften nicht ein. Das kompensierende Leitungsstück am niederohmigen. Ende ermöglicht dabei gleichzeitig die Verbindung mit dem erdunsymmetrischen Kabel, so daß es eine doppelte Aufgabe als Kompensationselement und als Symmetrieranordnung erfüllt.In the arrangement according to the invention, as already mentioned, his such a deviation from the predetermined properties does not occur. The compensating Line section on the low-resistance. At the same time, the end enables the connection with the unbalanced cable, so it does a double job as a compensation element and fulfilled as a balancing arrangement.

In Abb. i ist ein einfaches Ausführungsbeispiel eines Breitband-Symmetrierungs-Transformators nach der Erfindung dargestellt. Mit i und 2 sind die beiden Leitereiner erdsymmetrischen Stufenleitung bezeichnet, welche beispielsweise aus Blechstreifen mit einander parallel gegenüberliegenden Flächen gebildet sein können. Die stufenweise Änderung des Wellenwiderstandes kann durch Änderung der Breite oder dies gegenseitigen Abstandes der bandförmigen Leiter von einem Abschnitt zum anderen bewirkt werden oder auch durch Änderung beider genannten Größen. In der Zeichnung ist der einfachen Darstellungsmöglichkeit wegen eine Änderung des Abstandes angedeutet. Man erkennt, daß das linke Leitungsende das niederohmige, das rechte das hochohmige ist: Die Leitung kann mehrere, beispielsweise fünf Abschnitte von untereinander verschiedenen Wellenwiderständen aufweisen. Sie ist in der Mitte unterbrochen gezeichnet, und von allen Abschnitten sind lediglich Teile der Endabschnitte dargestellt, welche an die Symmetrierungs- bzw. Kompensationsmittel angeschlossen sind, da die mittleren Abschnitte in an sich bekannter Weise ausgebildet und für eine vorbestimmte Abstufung der Wellenwiderstände bemessen sein können.In Fig. I is a simple embodiment of a broadband balancing transformer shown according to the invention. With i and 2, the two conductors are symmetrical to earth Stepped line denotes which, for example, made of sheet metal strips parallel to each other opposite surfaces can be formed. The gradual change of the wave resistance can by changing the width or this mutual spacing of the ribbon-shaped Ladder from one section to another can be effected or by changing both mentioned sizes. The drawing is because of the ease of representation a change in the distance indicated. You can see that the left end of the line the low resistance, the right one is the high resistance: The line can have several, for example have five sections of mutually different wave resistances. she is drawn interrupted in the middle, and of all sections are only Parts of the end sections shown, which are attached to the balancing or compensation means are connected, since the middle sections are formed in a manner known per se and can be dimensioned for a predetermined gradation of the characteristic impedances.

Am niederohmigen Leitungsende sind die beiden Leiter i und 2 der Stufenleitung mit je einem A./4 langen, an beiden Seiten offenen Leitungsstück verbunden, welches als .1o4 langes Stück einer Koaxialleiturig mit den Mantelleitern 13 bzw. 14 dargestellt ist. Die Mantelleiter sind mit den Leitern i und 2 des Endabschnittes der Stufenleitung unmittelbar verbunden und zweckmäßigerweise an ihre Außenfläche angelegt. Die Innenleiter der Koaxiallaitungsstücke 13 und 14 sind mit dem Mantel 3 und dem Innenleiter 4 des erdunsymmetrischen Kabels verbunden. In an sich bekannter Weise ist der Innenleiter 4 auch mit einem parallel zum Mantelleiter 3 geführten Hilfsleiter 5 verbunden, der mit dem Mantelleiter 3 über einen Kurzschlußschieber 9 in Verbindung steht.The two conductors i and 2 of the stepped line are at the low-resistance end of the line each connected with an A./4 long pipe section open on both sides, which as .1o4 long piece of a Koaxialleiturig with the sheathed conductors 13 and 14 respectively is. The sheathed conductors are connected to conductors i and 2 of the end section of the stepped line directly connected and expediently applied to their outer surface. The inner ladder the coaxial line pieces 13 and 14 are connected to the jacket 3 and the inner conductor 4 of the unbalanced earth cable. The inner conductor is in a manner known per se 4 also connected to an auxiliary conductor 5 that runs parallel to the sheathed conductor 3, which is connected to the sheathed conductor 3 via a short-circuit slide 9.

Am hochohmigen Leitungsende sind die Leiter i und 2 der Stufenleitung mit den Außenleitern der Ao/4 langen Koaxialleitungsstücke r' und 2' verbunden, deren Innenleiter 6 und 7 zu dem Verbraucherwiderstand 8 führen. Die Innenleiter 6 und 7 werden außerdem durch ein am Ende kurzgeschlossenes Q10/4 langes Leitungsstück 15 überbrückt, welches als Stück einer offenen Paralleldrahtleitung dargestellt ist.At the high-resistance end of the line are conductors i and 2 of the stepped line connected to the outer conductors of the Ao / 4 long coaxial line pieces r 'and 2', the inner conductors 6 and 7 of which lead to the consumer resistor 8. The inner ladder 6 and 7 are also connected by a short-circuited Q10 / 4 line piece at the end 15 bridged, which is shown as a piece of an open parallel wire line is.

Abb. 2 zeigt nur das hochohmige Ende der Leitung. An Stelle der in Abb. i gezeigten offenen Leitungsschleife 15, welche als Querglied zwischen den Leitern 6 und 7 eingeschaltet ist, verwendet die Anordnung nach Abb. 2 an jedem der Leiter 6 und 7 je ein 1./4 langes, am Ende kurzgeschlossenes Koaxiälleitungsstück 15' bzw. i5"; der@Kurzschluß ist durch die Schraffur der Endflächen angedeutet. Der Innenleiter jedes Koaxialleitungsstückes ist mit dem Leiter 6 bzw. '7 unmittelbar verbunden, während der Mantel 15' bzw. 15" mit dem Mantel des auf der gleichen Seite liegenden 'offenen go/4 langen Rohrleitungsstückes verbunden ist. Zu bevorzugen ist eine Anordnung, in welcher die Mantelteile 15" und i5" nicht, wie - in Abli. 2, zu der Leitungsrichtung senkrecht stehen, sondern eine solche, in der diese Mantelteile an den Außenflächen der den Endabschnitt der Stufenleitung bildenden Bandleiter oder an den Mantelteilen der offenen lo/4 langen Rohrleitungsstücke anliegen.Fig. 2 only shows the high-resistance end of the line. Instead of the open loop 15 shown in Fig. I, which is connected as a cross member between the conductors 6 and 7, the arrangement according to Fig. 2 uses a 1./4 long coaxial line piece short-circuited at the end on each of the conductors 6 and 7 15 ' or i5 "; the @ short circuit is indicated by the hatching of the end faces. The inner conductor of each coaxial line piece is directly connected to the conductor 6 or' 7, while the jacket 15 'or 15" with the jacket of the same Side lying 'open go / 4 long pipe section is connected. An arrangement is preferred in which the jacket parts 15 ″ and 15 ″ are not, as - in Abli. 2, are perpendicular to the line direction, but one in which these casing parts rest on the outer surfaces of the strip conductors forming the end section of the stepped line or on the casing parts of the open lo / 4-long pipe sections.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Broadband balancing transformer with a symmetrical stepped line that has a short-circuited line section as a compensation element in parallel at its low-resistance end and a line section open on both sides with its conductors at the high-impedance end. connected in series and a short-circuited line piece is connected in parallel as a compensation element at the free ends of said line pieces, characterized in that the short-circuited line piece located at the low-resistance end is designed as a symmetry loop (3, 5, 9) in a manner known per se , through whose one leg (3) the inner conductor (4) of an unbalanced line is passed, that furthermore between the symmetrical connection points on the balancing loop and the "conductors (i, 2) of the stepped line a mutually open line piece (i3, 14) as additional compensation element is switched on and that the electrical length of all mentioned compensation elements is dimensioned in such a way - preferably equal to A014 - that their effective reactances at the mean wavelength io go through zero with a change in sign.

2. Arrangement according to claim i, characterized characterized in that the stepped line is at least partially parallel to each other ribbon-shaped conductors (i, 2) with one section. on the other hand changed width and / or changed spacing is built.

3. Arrangement according to claim i or 2, characterized in that 2, the wavelength corresponding to that frequency is, which is the arithmetic mean of the cutoff frequencies of the working frequency range results.

4. Arrangement according to one of claims i to 3, characterized in that between the symmetrical connection points on the balancing loop and open line sections (13, 14) provided for the conductors (i; 2) of the stepped line be formed by a xo / 4 long piece of a coaxial line.

5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the jacket parts of said Ao / 4 long pieces of coaxial line directly with the conductors (i, 2 or i ', 2') of the Step conduit are connected and preferably on the outer surfaces of the end section the strip conductors (i, 2 or i ', 2') forming the stepped line are in contact.

6. Arrangement according to one of claims i to 5, characterized in that on each conductor (6, 7) of the symmetrical circle an Ao / 4 long piece of a coaxial, short-circuited at the end Pipeline is attached, the inner conductor of which with the named conductor (6 or 7) and its jacket (15 'or 15 ") with the jacket of the open Aol4 long pipe section is connected, and that the jacket parts (15 ', 15 ") of the short-circuited A, 14 long Pipeline sections on the outer surfaces of the end section of the stepped pipeline Strip conductor (i ', 2') or on the jacket parts of the open A./4 long pipe sections issue. Considered publications: "Funk und Ton", 1949, p. 151 bis 167 and 2o2 to 213; Proceedings of the I. R. E., October 1947, Vol. 35, p. 1153, 1154.