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Anordnung zur Ankopplung einer Hochfrequenzquelle an einen Verbraucher
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Ankopplung einer Hochfrequenzquelle
mit frequenzabhängiger innerer Reaktanz, z. B. des Ausgangskreises eines Senders,
an einen Verbraucher, etwa die Sendeantenne. Die Anordnung soll für breite Frequenzbänder,
wie sie z. B. bei Fernsehübertragung vorkommen, gleichmäßig wirksam sein.
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Bei Senderanordnungen für breite Frequenzbänder ist es im allgemeinen
nicht möglich, die Senderöhre, in deren Ausgang ein Schwingungskreis liegt, der
über eine Speiseleitung mit der Antenne gekoppelt ist, über ein breites Frequenzband
so anzupassen, daß in dem ganzen Frequenzbereich die gleiche Energie ausgestrahlt
wird. Dies liegt vor allem daran, daß der Fußpunktwiderstand der Antenne mit der
Frequenz veränderlich ist. Die auf den Senderausgang übertragene Antennenimpedanz
ändert sich infolgedessen ebenfalls stark und macht ein gleichmäßiges Arbeiten in
einem breiten Frequenzbereich unmöglich.
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Es ist bereits bei Empfangsanlagen, die nur ein schmales Frequenzband
empfangen, jedoch über einen breiten Bereich abstimmbar sein sollen, bekannt, die
Ankopplung der Antenne an den Empfängereingang über einen Transformator vorzunehmen,
und zwar so,
daß das Übertragungsmaß über den Abstimmbereich konstant
bleibt. Bei kapazitiver Abstimmung der Empfängerkreise ist es nämlich zweckmäßig,
durch die Antennenankopplung in den Eingangskreis lediglich eine Induktivität, jedoch
keine Kapazität zu induzieren, da nur dann der Gleichlauf des Eingangskreises mit
den übrigen Empfängerkreisen über den Abstimmbereich hinweg erhalten bleibt. Bei
Ankopplung über einen Transformator läßt sich diese Einkopplung einer Induktivität
verwirklichen, jedoch wird durch diese bekannte Anordnung nicht die Aufgabe gelöst,
bei fest abgestimmtem Gerät ein breites Frequenzband gleichmäßig zu übertragen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bereits vorgeschlagen worden, die Änderung der Antennenimpedanz
mit der Frequenz, die im wesentlichen eine Änderung der reaktiven Komponente darstellt,
unmittelbar an der Antenne durch zusätzliche Schwingungskreise oder Leitungsteile
zu kompensieren, so daß die Antenne in dem Frequenzbereich als ein angenähert konstanter
und rein Ohmscher Widerstand erscheint, der an die Speiseleitung angepaßt ist. Die
Speiseleitung kann in diesem Fall beliebig lang sein. Eine völlige Frequenzunabhängigkeit
der ganzen Schaltung wird aber hierdurch allein noch nicht erzielt, da im allgemeinen
auch die Reaktanz des Senderausgangskreises frequenzabhängig ist. Um die Reaktanzänderung
des Senderausgangskreises zu kompensieren, müßte man an der Senderseite ebenfalls
einen zusätzlichen Schwingungskreis vorsehen.
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Bekannt ist auch die sogenannte Resonanzanpassung, deren Wesen darin
besteht, reaktive Zusatzelemente zu den aneinander anzupassenden Widerständen so
zu bemessen, daß die resultierenden Wirkkomponenten einander gleich werden und die
Blindkomponenten einander aufheben. Dabei wird in einer bekannten Anordnung ein
homogenes Leitungsstück von geeignet bemessener Länge als zwischen den beiden aneinander
anzupassenden Widerständen eingeschaltetes Transformationsglied verwendet. Werden
der bekannten Lehre entsprechend die Blindkomponenten der an die Leitungsenden angeschlossenen
Widerstände getrennt durch Zusatzelemente kompensiert und sind die übrigbleibenden
Wirkkomponenten verschieden, so ist der Wellenwiderstand des Leitungsstückes gleich
dem geometrischen Mittel aus den beiden angeschlossenen Wirkwiderständen und seine
elektrische Länge gleich einer Viertelwellenlänge zu wählen. Läßt sich ein Leitungsstück
mit einem Wellenwiderstand des erforderlichen Wertes nicht herstellen, so kann nach
der bekannten Lehre durch Verwendung einer von der Viertelwellenlänge abweichenden
Leitungslänge der Bereich der realisierbaren Übersetzungsverhältnisse der Transformationsanordnung
erweitert werden, jedoch wird es dann nötig, den am Leitungseingang infolge des
komplexen Transformationsfaktors wieder in Erscheinung tretenden Blindwiderstand
zusätzlich zu kompensieren. Bei diesen bekannten, mit Leitungsstücken arbeitenden
Anpassungsanordnungen ist der gewünschte Zustand der Widerstandsanpassung nur für
eine einzige Frequenz und in Annäherung für ihre Nachbarfrequenzen erreichbar; diese
Anordnungen sind daher »schmalbandiga, d. h. nur innerhalb eines schmalen Frequenzbereiches
brauchbar. Sie erlauben auch nur die Transformation reeller Widerstände. Etwa vorhandene
Blindkomponenten müssen an beiden Leitungsenden stets getrennt kompensiert sein,
so daß an beiden Enden stets Resonanz der Blimi-iderstände besteht.
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Nun sind die relativen Änderungen in der Größe der Reaktanz des Senderausgangskreises
und der Antenne mit der Frequenz oft von der gleichen Größenordnung. In derartigen
Fällen kann man eine Breitbandwirkung auf einfache Art, also ohne die obenerwähnten
zusätzlichen Kreise oder Kompensationselemente, erreichen.
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Bei einer Anordnung zur Ankopplung einer Hochfrequenzquelle mit frequenzabhängiger
Innenreaktanz an einen Verbraucher, dessen relative Reaktanzänderung mit der Frequenz
in der gleichen Größenordnung wie die der Quelle liegt, für breite Frequenzbänder,
erfolgt erfindungsgemäß die Ankopplung über eine Leitung, deren Wellenwiderstand
und elektrische Länge derart gewählt sind, daß die Impedanzänderung des Verbrauchers
mit der Frequenz an der Hochfrequenzquelle als Reaktanzänderung erscheint, die im
entgegengesetzten Sinne liegt wie die Reaktanzänderung der Quelle selbst, so daß
sich über einen breiten Frequenzbereich die Änderungen der Impedanz der Quelle und
der Impedanz des Verbrauchers kompensieren.
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Die Erfindung ist sinngemäß auch auf eine Empfangsanlage anwendbar,
die mit der Antenne verbunden ist. Auch hierbei kann man die Anordnung so treffen,
daß die Reaktanzänderungen der Antenne und des Empfängers sich kompensieren.
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Es sei bemerkt, daß bei einer derartigen Anordnung die Leitung selbst
im allgemeinen nicht genau angepaßt ist, da sie gerade als Transformationsglied
wirken soll. Bei verhältnismäßig kurzen Leitungen ist dieser Umstand aber unwesentlich
und wird durch die große Einfachheit der Anordnung bei weitem aufgewogen. Die Leitungslänge
kann z. B. eine halbe Wellenlänge betragen.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
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In Abb. i ist der Ausgangskreis eines Senders mit der Röhre i und
dem Parallelresonanzkreis 2 über den Transformator 3 mit der Speiseleitung q. verbunden,
welche direkt mit der Dipolantenne 5 gekoppelt ist. Zur Kompensation der Reaktanzänderungen
des Kreises 2 ist die Sekundärwicklung des Transformators 3 mit Kondensatoren 6
verbunden, welche mit der Sekundärwicklung ein Resonanzgebilde darstellen. Zur Kompensation
der Änderung der Antennenreaktanz ist ein abgestimmter Reihenkreis 7 aus induktiven
und kapazitiven Elementen vorgesehen.
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Sind nun die Änderungen in der Größe der Reaktanzen, welche durch
die obigen Anordnungen kompensiert werden, von gleicher Größenordnung, so wird gemäß
der Erfindung an Stelle der Verwendung der abgestimmten Kombinationen 3, 6, 6 und
7 die Länge der Speiseleitung so gewählt, daß die reaktive Änderung der Antenne
an der Stelle, wo die Speiseleitung mit dem Sender verbunden ist, die Wirkung eines
abgestimmten Serienkreises besitzt. Dementsprechend ist in Abb. 2 die Antenne 5
über eine Leitung q.' mit
Anzapfungen der Induktivität 3' des Kreises
2 verbunden,wobei die Induktivität 3' als Autotransformator wirkt. Abb. 3 zeigt
das Ersatzschaltbild für diesen Fall. Der Kreis 2 der Abb. 2 ist durch einen abgestimmten
Kreis dargestellt, der aus der Induktivität L und der Kapazität C besteht. L1, Cl
und R1 bezeichnen die Ersatzelemente für die Speiseleitung und die Antenne. Diese
Schaltung bildet einen Konstant-K-Bandpaß, wenn die Bedingungen
erfüllt sind, worin a), die Kreisfrequenz entsprechend der Mittelfrequenz f, des
Bandes ist. Die Impedanz des Kreises, welcher die Elemente L1, Cl und R1 enthält,
muß daher sein:
worin d f der Betrag ist, um welchen die Frequenz von der Mittelfrequenz
f, abweicht.
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Es sei nun die Eingangsimpedanz der Leitung betrachtet, die mit der
Antennenimpedanz abgeschlossen ist. Wenn die Antenne auf die Mittelfrequenz f. abgestimmt
ist, so ist die Antennenimpedanz für irgendeine Frequenz innerhalb des Bandes gegeben
durch:
worin RA der Reihenwiderstand bei der Mittelfrequenz und XA die Antennenreaktanz
ist, welche bei der Mittelfrequenz den Wert Null besitzt.
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Die Eingangsimpedanz der Leitung bei irgendeiner gegebenen Frequenz
erhält man aus dem Vektordiagramm der Abb. q., worin die Linie 0-0' die vektorielle
Darstellung des Wellenwiderstandes der Leitung ist, welcher gleich RA gewählt ist.
Der Vektor 0'-P stellt die resultierende Änderung der Impedanz gemäß den Inkrementen
des Widerstandes RA und der Reaktanz XA der Antenne dar, wenn die Signalfrequenz
von der Mittelfrequenz des Bandes um den Betrag d f abweicht.
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Die Eingangsimpedanz der Leitung von der Länge 0, welche mit der Impedanz
Z" abgeschlossen ist, wird aus der Impedanz ZA, gegeben durch den Vektor
0-P,
durch Drehung des Vektors 0'-P um den Winkel - 20 erhalten. Wenn 20 so
gewählt ist, daß 0'-P in eine Lage gedreht wird, in der es im rechten Winkel zu
0-0' steht, so erscheint die Änderung der Antennenimpedanz gegenüber dem Ohmschen
(abgestimmten) Wert als eine Reaktanz von der Größe 0'-P'. Der Winkel 20 ist durch
die Gleichung gegeben:
Die Antennenimpedanz, vom Sender aus gesehen, ist dann durch den Ausdruck gegeben
Gleichung (3) genügt der Bandpaßbedingung, die in Gleichung (z) gegeben ist, wenn
Nun ist für einen
Dipol, dessen abgestimmte Impedanz bei der Mittelfrequenz 72 Ohm beträgt,
annäherungsweise und ist näherungsweise
worin ZoA der Wellenwiderstand der Antenne ist. Der Wert von ZoA kann dann für einen
gegebenen Wert von C bestimmt werden, und die für die entsprechende Drehung des
Vektors 0-P erforderliche elektrische Länge der Leitung ist durch die Gleichung
(3) in folgender Schreibweise gegeben:
worin n irgendeine ganze Zahl einschließlich Null bedeutet. Man sieht aus der Form
der Gleichung, daß die gleiche geometrische Länge der Leitung die Gleichung näherungsweise
über ein ganzes Frequenzband erfüllt.
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Als Beispiel sei angenommen, daß für C =zog pF der Wellenwiderstand
der Antenne ZoA gleich 72 Ohm und für C = 44o pF Z", gleich 400 Ohm ist.
Dies sind angenähert die Grenzen, innerhalb deren die Änderungen der Antennendaten
üblicherweise liegen.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die geometrische Länge der Leitung,
welche erforderlich ist, um der Gleichung (5) zu genügen, nur wenig von der Frequenz
abhängig ist, da die erforderliche elektrische Länge konstant ist. In der Praxis
wird deshalb eine Leitung einer bestimmten Länge nicht bei allen Frequenzen innerhalb
eines Bandes streng gleichmäßig wirksam sein. Die Länge wird vorteilhaftenveise
so bestinnnt, daß der Eingangswiderstand mit veränderlicher Frequenz durch einen
stationären Wert hindurchgeht. Die dadurch gegebenen Grenzen für die Anwendung der
Erfindung rücken um so enger zusammen, j e größer die Länge der Leitung ist, d.
h. je mehr ganze Wellenlängen auf der Leitung vorhanden sind. Die beste Anwendungsmöglichkeit
ergibt sich daher bei Sendern, deren Leitung zwischen Sender und Antenne kurz ist,
wie z. B. bei einem Flugzeugsender.
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Interessant sind besondere Spezialfälle der Anwendung der Erfindung.
Wenn z. B. die Änderung des Ohmschen Widerstandes mit der Frequenz
Null
oder vernachlässigbar klein gegenüber der Änderung antennenanordnung,
so kann die obige Gleichung (4.)
ist, wie beispielsweise bei einer verkürzten Richtauf die folgende Form vereinfacht
werden:
Die elektrische Länge der Leitung ist dann gegeben durch e - n
. 18o', worin n irgendeine ganze Zahl einschließlich Null ist. Der einfachste
Fall ist dann der, daß n und infolgedessen auch B Null ist; in diesem Falle wird
also der Sender direkt mit der Antenne verbunden. Wenn jedoch eine direkte Verbindung
nicht möglich ist, kann auch eine Leitung von der Länge einer halben oder ganzen
Wellenlänge zwischengeschaltet werden. Dieser Fall hat Bedeutung bei der Kompensation
eines Belastungswiderstandes mit einer gewissen übrigbleibenden Reaktanz.
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Es wurde bisher angenommen, daß durch die beschriebene Kopplungsanordnung
die Wirkung eines Konstant-K-Bandpasses erzielt werden soll. In vielen Fällen werden
jedoch auch Filter von anderer Art vorteilhaft sein, z. B. solche, welche zwei Übertragungsmaxima
besitzen. Die Bedingungen für die Anwendung der Erfindung können auf die beschriebene
Weise für viele besondere Fälle bestimmt werden. Die Erfindung ist in allen den
Fällen anwendbar, in welchen es möglich ist, durch die transformierende Wirkung
eines Leitungsstückes die Änderung des Fußpunktwiderstandes einer Antenne in eine
Reaktanzänderung der gewünschten Größe und Richtung umzuformen. Bei der beschriebenen
Anordnung ist die Speiseleitung so bemessen, daß zwischen der Eingangsimpedanz der
Leitung und dem abgestimmten Antennenwiderstand Anpassung herrscht. Wenn die Anlage
auf eine andere Impedanz arbeiten soll, kann eine nichtangepaßte Leitung benutzt
werden, welche den geeigneten Wellenwiderstand und die geeignete elektrische Länge
besitzt, so daß sie als Transformationsglied arbeitet und die gewünschte Filterwirkung
erzeugt. Die Erfindung ist nicht nur bei Sendern, sondern auch bei Empfängern anwendbar.