DE973594C - Elektrische Weichenfilterschaltung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Weichenfil torschaltung. Es wurden bereits früher (Bell System Technical Journal, Bd. i6, ^IQ37> S. 178 bis 193) zwei mit endlichen Widerständen abgeschlossene Netzwerke vorgeschlagen, die bei Parallelschaltung eine elektrische Weichenfilterschaltung ergeben, deren Eingangsimpedanz theoretisch für alle Frequenzen ein konstanter Widerstand ist. In Fig. 1 der Zeichnungen ist eine Anwendung dieses Vorschlages dargestellt. In dieser Figur sind die Endpunkte und Abzweigungspunkte im ersten Netzwerk mit den Bezugszeichen 1 bis 8 und die Endpunkte und Abzweigungspunkte im zweiten Netzwerk mit den Bezugszeichen 9 bis 16 bezeichnet. Die Impedanzen O₁-X bis α._{2η + 1}·λ sind Induktanzen, und O₁/λ bis α._ζ,_{ι + 1}/λ sind Kondensatoren. Die Impedanzen in jedem der Zweige 3-4, 5-6, 11-12 und 13-14 bilden abgestimmte Kreise. Die Größen P\ bis Pf₁ stehen in enger Beziehung zu den Grenzfrequenzen der entsprechenden Kreise, λ ist ein Symbol, das jm/co₀ darstellt. Die Abschlußwiderstände eines jeden Netzwerkes der Schaltung sind auf den Wert »1« normiert. In der Darstellung der Fig. 1 ist (2κ+1) =5 gesetzt. Die Bestimmung der Werte der Größen a_x bis ^α2π + ι sowie P₁ bis P_n, auf die sich die vorliegende Erfindung nicht direkt bezieht, ist in der obenerwähnten Veröffentlichung beschrieben.

Eine Schaltung gemäß Fig. 1 ist zur Übertragung elektrischer Signale niedriger Frequenz geeignet, bei denen die Wellenlänge groß ist im Vergleich mit den räumlichen Abmessungen der

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.Schaltungskomponenten. Bei der Verwendung einer derartigen Schaltung zur Übertragung elektrischer Signale hoher Frequenz, wie dies z. B. bei Trägerfrequenz-Fernsehsendern vorkommt, treten verschiedene Schwierigkeiten auf. Beispielsweise liegen die Längsimpedanzen a₅-X und α₅Ιλ usw. an hohem Potential und sind ungeerdet, so daß Streukapazitäten zur Erde und Phantomkreise die Wirkungsweise der Schaltung" stören. Die physikalische ίο Realisierung der Längsimpedanzen vermittels Übertragungsleitungsabschnitten ist schwierig. Die Schaltungskomponenten sind schwer abgleichbar, und in der Schaltung besteht keine Möglichkeif, das Aufheben von Streukapazitäten undStreuinduktivitäten an den Verbindungspunkten zu erreichen. Weiterhin liegen in der dargestellten Schaltung die Impedanzen theoretisch an einem Punkt im Raum, eine Forderung, die man beim Aufbau einer Schaltung mittels in Abschnitte aufgeteilter Übertragungsleitungen physikalisch unmöglich erreichen kann.

Eine Verringerung dieser Schwierigkeiten kann dadurch erfolgen, daß jedes Teilfilter aus einer Folge von Übertragungsleitungsabschnitten gebildet wird, wobei Impedanzen, die gleich den Umkehrungen der Längsimpedanzen in Fig. 1 sind, zwischen die Enden aufeinanderfolgender ungeradzahliger Abschnitte der Folge und andere Impedanzen, die gleich den Querimpedanzen in Fig. 1 sind, zwischen die Enden der geradzahligen Abschnitte geschaltet sind. Wenn die Übertragungsleitungsabschnitte in an sich bekannter Weise bei einer vorbestimmten Frequenz elektrische Längen von einer Viertelwellenlänge besitzen, erscheint die Umkehrung der Impedanzen an den Enden der ungeradzahligen Abschnitte bei der fraglichen Frequenz so, daß diese Impedanzen am Eintrittspunkt des betreffenden Zweiges den entsprechenden Längsimpedanzen in Fig. 1 äquivalent sind, während die Impedanzen an den Enden der geradzahligen Abschnitte ohne \^eränderung auf den Eintrittspunkt übertragen werden. Bei einem solchen Vorschlag ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die Transformationswirkung der Übertragungs ■ leitungsabschnitte nur für eine Frequenz ganz genau und für ein verhältnismäßig schmales Frequenzband annähernd genau ist, so daß die Breitbandigkeit des in Fig. 1 dargestellten ursprünglichen Filters im beträchtlichen Atismaß verlorengegangen ist.

Dieser Nachteil soll mit der Erfindung vermindert werden. Das vorgeschlagene elektrische Weichenfilter besitzt in bekannter Weise an der Verzweigungsstelle der Weichenteilfilter einen konstanten Eingangs widerstand im Bereich der Durchlaßfrequenzen dieser Teilfilter. Die Längsglieder bestehen aus beidseitig Jl/4-Transformationsleitungen aufweisenden koaxialen Stichleitungen und die Querglieder aus koaxialen Stichleitungen, die von dem durch die 2/4-Transformationsleitungen gebildeten koaxialen Leitungsstrang abzweigen. Die Erfindung liegt darin, daß die 2/4-Transformationsleitungen, deren Länge der Frequenz im Bandzwischenraum des Teilfilters entspricht, dem sie angehören, einen solchen, innerhalb eines Teilfilters verschiedenen, unter Berücksichtigung der Reaktanzen der Stichleitungen bemessenen Wellenwiderstand aufweisen, daß sowohl bei der Frequenz im Bandzwischenraum als auch bei einer zweiten Frequenz im Durchlaßbereich jedes der Teilfilter die Abweichung des Wirkwiderstandes oder die Abweichung des Blindwiderstandes vom Nennwert des Weicheneingangswiderstandes an der Verzweigungsstelle der Weichenteilfilter zu Null und bei den übrigen zu übertragenden Frequenzen auf Grund entsprechender Wahl dieser zweiten Frequenz kleiner wird als bei gleich groß bemessenen Wellenwiderständen der Λ/4-Transformationsleitungen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Wellenwiderstände der 2/4-Transformationsleitungen so bemessen, daß bei der Frequenz im Bandzwischenraum sowie bei einer zweiten Frequenz im Durchlaßbereich jedes der beiden Weichenteilfilter die Abweichung des Wirkwider-Standes vom Nennwert des Weicheneingangswiderstandes an der Verzweigungsstelle der Weichenteilfilter zu Null wird und die Weiche einen abgestimmten Kreis mit einer solchen Resonanzkurve erhält, daß der Blindwiderstandsfehler des Weicheneingangswiderstandes kompensiert ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend in Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung ausführlich erläutert.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Weichenfileerschaltung;

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Teiles von Fig. 2.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung kann verwendet werden, um die Antenne eines Fernsehsenders, der mit Einseitenbandübertragung mit Restseitenband arbeitet, zu speisen. Die zu sendenden modulierten Trägerwellensignale werden zum Eingangspunkt 46 des Filters übertragen mit Hilfe einer Speiseleitung 47, an der ein paralleler Resonanzkreis 48 angeschlossen ist, der die Form einer geschlossenen Viertelwellenlängeleitung einnimmt und dessen Funktion später erwähnt wird. Vom Verbindungspunkt 46 aus werden die Signale parallel zu zwei Aufeinanderfolgen von Übertragungsleitungsabschnitten geleitet, wobei die eine Folge die Abschnitte 49 und 50 und die andere die Abschnitte 51 und 52 enthält. Die Abschnitte 49 ... 52 haben jeder eine elektrische Länge von einer Viertelwellenlänge der Trägerfrequenz.

Eine Kapazität 53 ist parallel zum Ausgangsende des Abschnittes 49 geschaltet, und ein abgestimmter Kreis 54 liegt am Ausgangsende des Abschnittes 50. Die Kapazität hat die Form von zwei offenen Übertragungsleitungsabschnitten, wie dargestellt, während der abgestimmte Kreis die Form eines an beiden Enden kurzgeschlossenen Übertragungsleitungsabschnittes hat und an einem Zwischenpunkt mit dem Ende des Abschnittes 50 durch einen Verbindungsabschnitt 55, der eine elektrische Länge von effektiv einer Viertelwellenlänge der

Trägerfrequenz hat, \'erbunden ist. Es kann gezeigt werden, daß die Selektivität des abgestimmten Kreises, d. h. die Änderung seines Scheinleitwertes mit der Frequenz, abhängig ist von der Lage des Anzapfpunktes, wobei diese Stelle so ausgewählt ist, daß der passende Wert des Koeffizienten P (Fig. i) im äquivalenten Parallelzweig an den Enden des Abschnittes 50 erzielt wird. Die Antennenbeiastung ist am Ausgang des Abschnittes 50 angeschlossen, wobei diese Belastung nur durch einen Pfeil 56 angedeutet ist.

Eine Induktivität 57 in der Form eines kurzgeschlossenen Abschnittes liegt am Ausgang des Abschnittes 51, während ein abgestimmter Kreis 58 von ähnlicher Ausführung wie der abgestimmte Kreis 54 am Ausgang des Abschnittes 52 liegt. Ein ohmscher Widerstand, der durch den Pfeil 59 angedeutet ist, liegt ebenfalls am Ausgang des Abschnittes 52.

Die Kapazität 53 wird durch den Abschnitt 49, der eine vollkommene Transformation übernimmt, in eine Längsinduktivität am Eingangspunkt 46 verwandelt, während die Induktivität 57 in ähnlicher Weise durch den Abschnitt 51 verwandelt

as wird, so daß er am Eingangspunkt 46 als Serienkapazität erscheint. Auf diese Weise vernichtet der ohmsche Widerstand den größten Teil des oberen Seitenbandes der modulierten Trägerwellensignale, während die Antenne den Träger und das untere Seitenband ausstrahlt.

Fig. 3 stellt die äquivalente Schaltung des Filterteils der Fig. 2 links vom Eingangspunkt 46 dar, wobei eine ähnliche Bezeichnung verwendet ist wie in der Fig. 1, um darauf hinzuweisen, daß Fig. 3 als spezieller Fall eines verallgemeinerten Filters der Fig. 1 angesehen werden kann, wobei die Längsimpedanzen von Fig. 1 indessen durch ihre Umkehrungen ersetzt sind, die in jedem Fall von dem Eintrittspunkt des Filters durch die Länge einer Übertragungsleitung, die eine Viertelwellenlänge bei der Trägerfrequenz beträgt, getrennt sind. Der Teil, der in Fig. 3 punktiert ist, ist in Wirklichkeit nicht im Filter der Fig. 2 enthalten, weil der theoretische Wert von 1Ia₁I hinreichend klein ist, um ausgelassen zu werden, und keine Transformation für die Belastung 56 erforderlich ist, da diese gleich ihrem Kehrwert ist. Der Eingangs-Scheinleitwert der in Fig. 3 dargestellten Schaltung (unter Auslassung des punktierten Teiles) für ein Eingangssignal von solcher Wellenlänge, daß die elektrische Länge Θ der Abschnitte 49 und 50 um einen kleinen Winkel άΘ geringer ist als 90⁰, kann durch die folgende Gleichung:

A =

Zl

ausgedrückt werden.

In dieser Gleichung stellt Z₁ die Impedanzen 54 und 56 in Parallelschaltung, Z₂ die Impedanz von 53 und Z₀ bzw. Z₆ die Wellen widerstände der Abschnitte 49 bzw. 50 dar. Der erste Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung ist gleich dem oder ist der transformierte Wert des Eingangswirkleitwertes des entsprechenden Abschnittes der in Fig. 1 dargestellten Schaltung, je nachdem, ob Z₁₁ gleichZ_b ist oder nicht; das letztere ist in diesem Beispiel der Fall. Der zweite Ausdruck stellte den Fehler erster Ordnung dar, der durch die Abweichung von θ von 90⁰ entsteht, und ist im allgemeinen Fall von der Beschaffenheit eines Wirkleitwertes mit einem parallelen Blindleitwert. Der Wirkleitwertfehler ist klein und im vorliegenden Beispiel vernachlässigt. Um den Blindleitwertfehler zu vermindern, hat man Z_a von Z₆ verschieden gemacht und solche Werte mit Bezug auf Z₁ und Z₂ gewählt, daß der Blindleitwertfehler bei einer Frequenz in der Nähe des Bandrandes, für welchen der fragliche Teil des Filters in Frage kommt, gleich Null wird. Der Blindleitwertfehler ist auch Null, wenn dΘ gleich Null ist. Dadurch ist im gewünschten Seitenband der Blindleitwertfehler klein gemacht.

Der Teil des Filters auf der rechten Seite des Eingangspunktes kann in ähnlicher Weise analysiert werden, und dasselbe Hilfsmittel ist angewendet, um den Ausdruck für den Blindleitwertfehler erster

Ordnung zu vermindern. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Eingangsimpedanz des Filters am Eingang 46 ein im wesentlichen konstanter Widerstand innerhalb des benötigten Frequenzbereiches ist, trotz der Änderungen der elektrischen Länge der Übertragungsleitungsabschnitte mit der Frequenz. Der abgestimmte Kreis 48 wird benötigt, um einen Restfehler der Eingangsimpedanz am Eingang 46 auf ein Minimum herabzusetzen, der z. B. auf unvollkommene Beseitigung der Streuinduktivitäten und -kapazitäten an den Verbindungspunkten des Filters zurückzuführen ist. Das beschriebene Hilfsmittel zur Herabsetzung des Fehlers erster Ordnung beim Eingangs-Blindleitwert kann auch bei Filtern mit einer größeren Anzahl von Abschnitten, die Fig. 1 gleichwertig sind, angewandt werden, da die Analyse der Fig. 3 (unter Vernachlässigung des punktierten Teils) offensichtlich bei jedem derartigen Abschnitt anwendbar ist. Ferner ist es möglich, wenn der Wirkleitwertfehler erster Ordnung von Bedeutung ist, die Werte von Z_a und Z_b im Hinblick auf Z₁ und Z, so zu wählen, daß der Wirkleitwertfehler bei einer Frequenz nahe der Ecke des Durchlaßbereiches des iao betreffenden Filterteiles gleich Null wird. Er wird auch Null, wenn dO Null ist, und der Wirkleitwertfehler kann so innerhalb eines gewünschten Frequenzbereiches klein gemacht werden. Damit ist aber nicht erlaubt, Z_ß und Z_b mit Rücksicht auf eine Verminderung des Blindleitwertfehlers zu

wählen, sondern dieser Ausdruck kann dann durch Einfügung eines abgestimmten Kreises mit einem Selektivitätsverlauf zum Ausgleich dieses Fehlers vermindert werden.
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Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Elektrisches Werchenfilter mit konstantem Eingangswiderstand an der Verzweigungsstelle der Weichenteilfilter im Bereich der Durchlaßfrequenzen dieser Teilfilter, deren Längsglieder aus beidseitig /l/4-Transformationsleitungen aufweisenden koaxialen Stichleitungen und deren Querglieder aus koaxialen Stichleitungen bestehen, die von dem durch die λ/4-Transformationsleitungen gebildeten koaxialen Leitungsstrang abzweigen, dadurch gekennzeichnet, daß die 2/4-Transformationsleitungen, deren Länge der Frequenz im Bandzwischenraum des Teilfilters entspricht, dem sie angehören, einen solchen, innerhalb eines Teilfilters verschiedenen, unter Berücksichtigung der Reaktanzen der Stichleitungen bemessenen Wellenwiderstand aufweisen, daß sowohl bei der Frequenz im Bandzwischenraum als auch bei einer zweiten Frequenz im Durchlaßbereich jedes der Teilfilter die Abweichung des Wirkwiderstandes oder die Abweichung des Blindwiderstandes vom Nennwert des Weicheneingangswiderstandes an der Verzweigungsstelle der Weichenteilfilter zu Null und bei den übrigen zu übertragenden Frequenzen auf Grund entsprechender Wahl dieser zweiten Frequenz kleiner wird als bei gleich groß bemessenen Wellenwiderständen der 2/4-Transformationsleitungen.
2. 2. Weichenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenwiderstände der 2/4-Transformationsleitungen so bemessen sind, daß bei der Frequenz im Bandzwischenraum sowie bei einer zweiten Frequenz im Durchlaßbereich jedes der beiden Weichenteilfilter die Abweichung des Wirkwiderstandes vom Nennwert des Weicheneingangswiderstandes an der Verzweigungsstelle der Weichenteilfilter zu Null wird und die Weiche einen abgestimmten Kreis mit einer solchen Resonanzkurve erhält, daß der Blindwiderstandsfehler des Weicheneingangswiderstandes kompensiert ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   USA.-Patentschrift Nr. 2270416;

   britische Patentschrift Nr. 617787;

   Buch von I.Francis Reintjes, »Principles of Radar«, 1946, Kapitel 10, S. 10 bis 43;

   Buch von H. H. Meinke, »Einführung in die Technik der Dezimeterwellen«, 1944, S. 23 bis 26, bis 108, Abb. 115;

   Buch »Television«, Vol. Ill, S. 251 bis 276;

   Buch »Radio of Ultra High Frequencies«, Vol. II, 1948, S. 424 bis 431;

   Buch »A Survey of the Principles and Practice of Wave Guides«, 1947, S. 139, 171;

   Zeitschrift »Hochfrequenztechnik und Elektroakustik«, Bd. 61, 1943, S. 19 bis 28.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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