DEC0009788MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 12. August 1954 Bekanntgemacht am 5. April 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

In der Höchstfrequenztechnik ist es häufig erforderlich, den Refiexionskoeffizienten in einem verhältnismäßig breiten Frequenzband auf einem möglichst geringen Wert zu halten. Dies trifft beispielsweise bei Wanderfeldröhrenverstärkern in den Relaisstationen von Funkstreckenverbindungen zu. In diesem Falle sollten die Welligkeiten (Amplitudenverhältnis der stehenden Wellen) in den Eingangs- und Ausgangskabeln oder Hohlleitern in einem Band von 120 MHz mit der Mittelfrequenz 3600 MHz den Wert 1,1 nicht überschreiten.

Nun ist bei Übertragungsleitungen mit erheblicher elektrischer Länge im Falle eines verhältnismäßig breiten Frequenzbandes der am Eingang gemessene Reflexionskoeffizient eine komplexe Zahl, und die aus seinem Argument sich ergebende Phasenverschiebung ändert sich sehr stark mit der Frequenz. Diese Änderung erfolgt um so rascher, je langer die Leitung im elektrischen Sinne ist.

Wenn man nämlich beispielsweise annimmt, daß in einer Wanderfeldröhre, die als Verzögerungsleitung dienende Wendel zwischen ihrem gedämpften Teil und dem Röhreneingang eine Länge I hat und wenn \K\ der Modul des Reflexionskoeffizienten bei der Reflexion am gedämpften Teil der Wendel ist, so besitzt der Reflexionskoeffizient K am Eingang der

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Röhre denselben Modul \K\, weist jedoch einen Phasenverschiebungswinkel

Anlfnf

auf. Hierbei ist f die Frequenz, c die Lichtgeschwindigkeit und m das Verzögerungsverhältnis der Wendelleitung für die Frequenz f.

Bei einer relativen Bandbreite —jh- ist die Änderung A ψ des Phasenwinkels am Eingang gleich:

Δ,πΙ

A ψ =

Af.

Wenn beispielsweise: I = io cm; m = io; • Af = 150 MHz ist, so wird A ψ = 2 π.

Beim gegenwärtigen Stand der Technik kennt man kein Anpassungsglied, das am Eingang der Röhre angeschaltet werden könnte und den Reflexions-

ao koeffizienten eines so stark von der Frequenz abhängigen Kreises kompensieren könnte.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine solche Kompensation möglich zu machen. Sie bezieht sich auf eine Übertragungsleitung von verhältnismäßig großer elektrischer Länge, deren Anpassung in einem verhältnismäßig breiten Frequenzband mittels einer Hilfsleitung verbessert werden soll, und kennzeichnet sich im wesentlichen dadurch, daß die Leitung zwei Stichleitungen enthält, deren jede eine elektrische Länge hat, die derjenigen der zu kompensierenden Leitung ungefähr gleichkommt, und eine verhältnismäßig geringe Dämpfung von einigen Dezibeln, beispielsweise 5 bis 10 db, besitzt, wobei die Entfernung zwischen den Achsen der beiden Stichleitungen gleich einem Viertel derjenigen Wellenlänge ist, welche der mittleren Frequenz des Frequenzbandes entspricht, während die Länge einer Stichleitung diejenige der anderen um ein Viertel der erwähnten Wellenlänge übertrifft und die beiden Stichleitungen in gleicher Weise, vorzugsweise lose, an die betrachtete Leitung angekoppelt sind. ^;

Weitere Kennzeichen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung. Hierin zeigt

Fig. ι ein Schaltbild zur Erklärung des Erfindungsgedankens,

Fig. 2 in schematischer Weise ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel in etwas weniger schematischer Weise und

Fig. 4 die Ortskurve des Reflexionskoeffizienten. Es sei zuerst der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Anpassung geschildert.

Es sei eine Leitung 1 (Fig. 1) gegeben, die eine Länge/ und ein Verzögerungsverhältnis m hat und durch eine komplexe Impedanz 2 abgeschlossen ist. Ihr Reflexionskoeffizient hat die Form

K ■ e-i

\nlmf

Diese Leitung ist im Punkt 3 mit einer Hilfsleitung 3_O verbunden, die ein Verzögerungsverhältriis in der Größenordnung von ι aufweist. Hat diese Hilfsleitung eine Länge I₀, so ist der Reflexionskoeffizient K_m auf der Leitung 3_a gegeben durch:

ν _ v.„-i 4n{ml + I₀) f

wenn die beiden Leitungen denselben Wellenwiderstand haben.

Wenn man bei 3_a in die Leitung 1 eine Gruppe von Hindernissen einschaltet, deren Gesamtreflexionskoeffizient stets · gleich — K_m ist, tritt vor diesen Hindernissen eine Kompensation auf und die Anpassung bleibt stets gewährleistet, falls nur | K | verhältnismäßig klein ist, beispielsweise kleiner als 0,3. Unter dieser Voraussetzung kann den folgenden Betrachtungen der Absolutbetrag des Reflexionskoeffizienten K am Abschlußwiderstand 2 zugrunde gelegt werden, zumal dessen Argument nicht sehr ·: stark von der Frequenz abhängt.

Nach dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Hohlleiter 4 durch eine Höchst-; frequenzquelle, beispielsweise ein Klystron 5' gespeist. Der Hohlleiter 4 ist mit Hilfe eines Impedanztransformators 5 und einer Sonde 6 an die Wendelleitung 7 einer teilweise dargestellten Wanderfeldröhre 8 ange-, koppelt. ;

Erfindungsgemäß. enthält der Hohlleiter 4 zwei Stichleitungen. 9 und 10.

Die erste Stichleitung 9 ist mit Hilfe einer Sonde g_a mit regelbarer Eintauchtiefe. an den Hohlleiter 4 angekoppelt. Sie enthält eine Wendelleitung 11 mit demselben geometrischen Aufbau wie der Abschnitt 12 der Wendel 7, d. h. der Abschnitt zwischen demjenigen Ende der Wendel 7, an das die Sonde 6 angekoppelt ist, und dem gedämpften Abschnitt 13 derselben Wendelleitung. An die Wendel 11 schließt sich ein koaxialer Abschnitt 14 an, der durch einen Kurzschluß 15 abgeschlossen wird. Die Wendel ist mit einer Vorrichtungv/versehen, welche eine Dämpfung um etwa 5 db bewirkt.

Die Stichleitung 10 stimmt mit der Stichleitung 9 überein, indessen hat der koaxiale Abschnitt I4_O eine Länge, die diejenige des Abschnitts 14 um λ/4 übertrifft. Wie erwähnt, ist der Abstand zwischen den Achsen der beiden Stichleitungen 9 und 10 gleich λ\\. Es handelt sich immer um diejenige Wellenlänge, hch welcher der Mittelfrequenz' des verwendeten Bandes entspricht. .

Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung. In diesem Beispiel soll die Reflexion auf einer gewöhnlichen Übertragungsleitung, die koaxial oder ein Hohlleiter sein kann und schematisch bei 16 angedeutet ist, in der koaxialen Leitung 17 kompensiert werden. In letztere sind zwei Stichleitungen 18 und 19 in ähnlicher Weise wie die Stichleitungen 9 und 10 eingeschaltet. Die Verzögerungsleitungen 20 und 21 dieser Stichleitungen haben eine elektrische Länge, die gleich derjenigen der Leitung 16 ist. Wenn letztere beispielsweise 10 m lang ist und das Verzögerungsverhältnis der Leitungen 20 und 21 gleich 20 ist, müssen diese eine Länge von 50 cm aufweisen.

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Die Stichleitungen 18 und 19 sind durch Kolben 22 und 23 kurzgeschlossen. Diese Kolben sind miteinander verbunden und ihre Entfernung senkrecht zur ^}- Koaxialleitung 17 ist gleich einer Viertelwellenlänge . 5 Sbei der mittleren Frequenz. Die gleichzeitige Verschiebung der Kolben 22 und 23 gestattet eine Abstimmung der Korrekturvorrichtung, während die Sonden [24 und 25 ebenfalls gleichzeitig verschoben werden können, so\ daß der Kopplungsgrad geregelt werden kann. _; \■

Die Serienimpedanz der verwendeten Stichleitungen soll gering sein. Mari könnte indessen auch parallel geschaltete Stichleitungen mit erheblicher Impedanz verwenden. Die folgenden Rechnungen gestatten eine genaue Übersicht über das Verhalten des erfindungsgemäßen Anpassungsgliedes.

Es sei L₈ die gedämpfte Stichleitung, L die erfin-. dungsgemäß kompensierte Leitung und α², der Kopplungskoeffizient der beiden Leitungen.
γ sei die komplexe Fortpflanzungskonstante längs L₃, Z₀ der· Wellenwiderstand von L und Z'_o der Wellenwiderstand von L₃. Dann hat der Serienwiderstand Z₃ der im Punkt M₀ mit der Leitung L in Serie geschalteten Stichleitung den folgenden Wert:

Der Reflexionskoeffizient, welcher Z₈ entspricht, ist:

wobei &² eine Konstante darstellt.

Wenn man an die Leitung L in einem Punkt M₁, der von M₀ in Richtung auf die Stromquelle den Abstand einer Viertelwellenlänge hat, eine zweite Leitung L'₈ ankoppelt, die sich von L₃ nur durch die Hinzüfügung eines normalen koaxialen Leitungsabschnittes von einer Viertelwellenlänge unterscheidet, ergibt sich die Serienimpedanz, die in M₁ durch diese zweite Leitung mit L verbunden ist, zu:

7' — 7

£2

Der entsprechende Reflexionskoeffizient ist:
K' = —

In M₁ ergibt sich also der gesamte Reflexionskoeffizient (Abschlußimpedanz und Leitungen L ₈ und .50 L') zu:

Man kann nun setzen:

2 γ l_s

-K₀

und:

iJs

A ist eine reelle Größe, die in einem sehr breiten Frequenzband praktisch unabhängig von der Frequenz ist und gleich der Gesamtdämpfung in Neper in einer der Leitungen L_s bzw. L'_s ist. '

m_s ist das Verzögerungsverhältnis in der Leitung L₈ bzw. L'_s bei der Frequenz f (m_s ist ungefähr gleich m).

Der Reflexionskoeffizient K₀ besitzt, wie eine einfache Rechnung zeigt, eine Ortskurve, welche durch eine Ellipse dargestellt wird. Ihre kennzeichnenden Größen sind in Fig. 4 gezeigt. In dieser Figur ist

in Ordinatenrichtung und

in Abszissen-

richtung aufgetragen. Wenn man die Leitungen so einstellt, daß die elektrische Länge m₈, l_s von L₈ gleich ml + I₀ i^s^> kann man schreiben:

K_T =

©in (A + j Θ)

-\K\_e-

Für eine gewisse Frequenz f ist Θ ein ganzes Vielfaches von 2 und es ergibt sich

k²

ä η ± 1)

©in A

(Kt),

^{Kt)

Sof A

~ τ) ^α

Für Zwischenwerte von© liegt der Modul von zwischen

2,2

©in A

■\K\ und \K\

i,2

Θ = 2ηπ und Θ

2 η -j- — I π .

©in A

0,27
©in ι

■0,2 = 0,03 .

Wenn die Frequenz sich derart ändert, daß Θ um-π zu- oder abnimmt, findet man:

Der Modul ist also in beiden Fällen der gleiche, ebenso findet man, wenn sich die Frequenz derart

ändert, daß Θ um — zu- oder abnimmt:

Da die exakte Kompensation nicht für alle Frequenzwerte bzw. für alle© möglich ist, schließt man einen Kompromiß. Man setzt beispielsweise fest, daß der Absolutwert K derselbe ist für:

Hieraus folgt die folgende Beziehung zwischen \K\, ² und A:

pA

'"' ©in2^ ■

Wenn \K\ = 0,2, A = 1 ist, (Dämpfung auf jeder Korrekturleitung etwa 4,5 db), findet man: k² = 0,27 und der Maximalwert von Kt ist gleich:

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Die Welligkeit ρ, die vor der Korrektur, auf L gemessen, etwa 1,5 betrug, nimmt nach der Einschaltung des Korrektionsgliedes den Wert 1,06 an.

Wenn | K | — 0,33 ist, (ρ = 2) findet man mit demselben Wert von A: k² — 0,45 und der maximale Reflexionskoeffizient nach der Korrektur wird gleich:

0,05 (ρ = ι,ι).

ίο Diese Zahlen zeigen genügend den Vorteil der Vorrichtung, die für verhältnismäßig breite Bänder (von etwa ± io% Relativwert) verwendet werden kann. Es ist klar, daß die Korrektur auf Kosten der an die Abschlußimpedanz gelieferten Energie stattfindet; die einfallende Energie wird zum Teil in den Leitungen L_s und L'_s verbraucht. Eine erhöhte Dämpfung (A groß) setzt den Reflexionskoeffizienten erheblich herab, aber die im Korrekturglied verloren-

■ gehende Energie ist erheblich. Umgekehrt liefert eine geringe Dämpfung (A klein) eine weniger gute Verbesserung, aber die absorbierte Energie ist sehr gering.

Man muß also einen Kompromiß schließen. Folgende Tabelle liefert einige Anhaltspunkte und erleichtert die Wahl der Werte von A :

Welligkeit ρ vor der Korrektur	i,5	i,5	i,5	2	2
A (in Dezibel)	2,2	4,5	9	2,2	4,5
Welligkeit ρ τ nach Korrektur	1,17	1,06	1,02	i,3	1,1
Im Korrek tionsglied verlorene Energie (in %)	7	IO	30	20	25

Man sieht, daß ein Wert von 4,5 db (A = 1 Neper) eine erhebliche Verminderung des Reflexionskoeffizienten bei einem sehr kleinen Energieverlust gestattet.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Verbesserung der Anpassung einer Leitung mit erheblicher elektrischer Länge in einem verhältnismäßig breiten Frequenzband mittels einer vorgeschalteten Hilfsleitung, dadurch gekennzeichnet, daß in die Hilfsleitung (4) zwei Stichleitungen (9, 10) eingeschaltet sind, deren jede eine elektrische Länge hat, die derjenigen der Leitung, deren Reflexion kompensiert werden soll, ungefähr gleichkommt, und eine geringe Dämpfung von einigen Dezibeln, beispielsweise 5 bis 10 db, besitzt, wobei der Achsenabstand der beiden Stichleitungen gleich einem Viertel derjenigen Wellenlänge ist, welche der mittleren Frequenz des Durchlaßbandes entspricht, während die Länge einer Stichleitung diejenige der anderen um ein Viertel derselben Wellenlänge übertrifft und die beiden Stichleitungen in gleicher Weise, vorzugsweise verhältnismäßig lose, an die Hilfsleitung (4) angekoppelt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stichleitungen an ihren Enden durch zwei mechanisch miteinander ver- 70· bundene Kolben (22,23) kurzgeschlossen sind.

(Fig. 3).

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsglieder der beiden Stichleitungen mit der zu kompensierenden Leitung mechanisch miteinander verbunden sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die zu kompensierende Leitung mit einer Wanderfeldröhre gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stichleitungen in gleicher Weise aufgebaut sind, wie derjenige Abschnitt (12) der Verzögerungsleitung dieser Röhre, der sich zwischen dem an die Leitung angeschlossenen Ende und dem gedämpften Abschnitt (13) der Verzögerungsleitung erstreckt (Fig. 2). 85,

Angezogene Druckschriften:
Funk und Ton, 1953, S. 459 bis 461.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen