DE907544C - Anordnung zum Zusammenschluss einer koaxialen Hochfrequenzenergieleitung mit einer symmetrischen Hochfrequenzenergieleitung - Google Patents

Description

(WiGBI. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 25. MÄRZ 1954

L 4098 Villa/2i a*

(Ges. v. 15.7.51)

In der Hochfrequenztechnik ist oft die Aufgabe gestellt, an eine Einrichtung, in der die Schwingungsvorgänge erdsymmetrisch sind, eine andere Einrichtung anzuschließen, in der die elektrischen Schwingungsvorgänge erdunsymmetrisch verlaufen. Das Problem tritt z. B. auf beim Anschluß eines Dipolantennensystems an einen Verstärker bzw. an ein erdunsymmetrisches Energiekabel. Vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Schaffung einer Anordnung für den Zusammenschluß einer koaxialen und damit unsymmetrischen Hochfrequenzenergieleitung mit einer symmetrischen,, und zwar insbesondere für Meter- und Dezimeterwellen. Die erfindungsgemäße Lösung der angedeuteten Aufgabe besteht darin, daß der Außenleiter der unsymmetrischen, am Ende abgeschlossenen Koaxialleitung durch einen Ringspalt aufgetrennt, die symmetrische Leitung zu beiden Seiten des Spaltes an den Außenleiter angeschlossen und daß zugleich der Außenleiter zu beiden Seiten des Spaltes von einer mit dem Außenleiter verbundenen Abschirmhülle umgeben wird, die für die auf beiden Spaltseiten auf die Außenhaut des Außenleiters austretenden Ströme zwei gegen Erde gleich große Widerstände darstellt.

Es ist bekannt, einen innerhalb eines Reflektorhohlraumes angeordneten Dipol, also ein erdsymmetrisch schwingendes System, über eine koaxiale Leitung an ein Gerät anzuschließen, und zwar derart, daß die koaxiale Leitung in den Reflektorhohl-

raum geführt und dort der Mantelleiter durch einen Spalt aufgetrennt wird, so daß ein Hochfrequenzstromfluß von der innenhaut zur Außenhaut der Mantelleiterteile und umgekehrt möglich ist; die Reflektorenschirmwändle verhindern bei dieser bekannten Anordnung ein Abfließen der Hochfrequenzströme entlang des Mantelleiters außerhalb des Reflektorhohlraumes.

Die Wirkungsweise einer Anordnung gemäß der

ίο Erfindung sei in einer für Dezimeterwellen geeigneten Darstellungsart zunächst an Hand der Fig. ι erörtert. Die Koaxialleitung, die aus dem Außenleiter U und dem Innenleiter V besteht, sei rechts an einen erdunsymmetrisch arbeitenden Hochfrequenzgenerator angeschlossen. Der Außenleiter U ist durch einen Spalt Sp unterbrochen. An den beiden Rändern des Spaltes ist die symmetrische Leitung S an den Außenleiter U angeschlossen. Die Hülle H ist als koaxialer Mantel ausgebildet und elektrisch an beiden Enden mit dem Außenleiter U verbunden. Innerhalb der Hülle H ist der Koaxialaußenleiter rechts mit U_r und links vom Spalt mit Ui bezeichnet. Der Innenleiter V ist links vom Spalt mit dem Außenleiter U durch die Scheibe W elektrisch verbunden. In einer Koaxialleitung ist bekanntlich der Strom, der auf dem Innenleiter fließt, gleich dem Strom auf der Innenhaut des Außenleiters. Infolge der Unterbrechung des Außenleiters durch den Spalt Sp findet zwangsläufig eine Ableitung des auf der Innenhaut des Mantelrohres fließenden Stromes I₁ auf die im Zeichenbild rechte Ader der symmetrischen Leitung 5* (J₁) und auch auf die Außenhaut des Mantelrohres U_r (I₂) statt. Wenn die Größe des auf dem Innenleiter V fließenden Stromes mit / angegeben wird, so wird I — I₁ + I₂ sein. Wird der Spalt hinreichend klein, d. h. wesentlich kleiner als die Wellenlänge, gewählt, so muß aus Kontinuitätsgründen der Strom / auf dem Innenleiter bei seinem Eintritt in den Kabelteil £7₍ gleich dem bei U_r austretenden Innenleiterstrom J sein. Der Strom / findet sein Äquivalent in dem Strom, der auf der Innenhaut des Mantelrohres Ui fließt. Analog den beschriebenen Vorgängen am rechten Spaltenrand bewirkt der linke Rand des Spaltes eine Ableitung des Stromes auf der Innenhaut von U_x auf die im Zeichenbild linke Ader der Symmetrieleitung S (I₁) und ebenfalls auch auf die Außenhaut ^jdes Mantelrohres Uι (I₂'). Die geschilderte Stromverzweigung bedeutet nichts anderes, als daß der unsymmetrisch fließende Hochfrequenzstrom des Koaxialkabels symmetrisch in der Symmetrieleitung OV, an die, wie angenommen sein " möge, der Verbraucher angeschlossen ist, weiterfließt. Der Strom J₂ bzw. J₂' fließt innerhalb der Hülle H und stellt einen Nebenstromfluß zu dem Stromfluß durch die Symmetrieleitung dar.

Im Prinzip ist die Wirkungsweise der Anordnung frequenzunabhängig. Eine nur mangelhafte Erreichung der. Symmetrieverhältnisse der Leitung S könnte dadurch bedingt sein, daß der Strom I, der am rechten Spaltrand aus dem Innenleiter austritt, nicht gleich dem Strom I' ist, der am linken Spaltrand in dem Innenleiter weiterfließt, da der Innenleiter V einen Widerstand aufweist. Ein weiterer Grund für die Störung der angestrebten Symmetrie könnte eine kapazitive Verkopplung des Innenleiters mit der symmetrischen Leitung S durch den Spalt Sp hindurch sein, da sich ja die Spannung auf dem Innenleiter entlang der Leitung ändert. Beide genannte Einflüsse lassen sich jedoch durch eine Verengung des Spaltes weitgehend verringern, so daß sie praktisch nicht mehr in Erscheinung treten.

Darüber hinaus läßt sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung jeder gewünschte Grad der Symmetrierung dadurch erreichen, daß man in sinnentspreehender Weise zwei Symmetrieanordnungen hintereinanderschaltet. -Das kann dadurch geschehen, daß die an die koaxiale Leitung angeschlossene symmetrische Leitung als geschlossene Schleife ausgebildet, jeder der zur symmetrischen! Leitung gehörigen Leiter durch eine koaxiale Ummantelung als eine koaxiale Leitung ausgebildet und daß erst an den durch den Spalt aufgetrennten und mit der Abschirmhülle umgebenen Außenleiter dieser als Schleife ausgebildeten koaxialen Leitung die eigentliche symmetrische Energieleitung angeschlossen wind;, wobei darauf zu achten ist, daß die koaxiale Leitungsschleife möglichst spiegelbildlich symmetrisch ausgeführt und der erwähnte zweite Spalt in die symmetrische Linie der Anordnung gelegt wird.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel dieser Anordnung.

Die Energien werden, wie angenommen sei, durch die Koaxialleitung U₁ V erdunsymmetrisch der Anordnung zugeführt. Der Außenleiter U ist durch den Spalt Sp unterbrochen. An den Spalträndern wird ähnlich, wie in der Anordnung nach Fig. 1, die Energie symmetrisch abgenommen. Die beiden Leiter bilden jetzt jedoch eine InnenleiterschleifeV einer neuen Koaxialleitung U', V. Der Außenleiter U' ist nun wiederum durch einen Spalt Sp' aufgetrennt, so daß an dessen Rändern jetzt sehr genau eine symmetrische Spannung gegen Erde abgenommen werden kann, da entsprechend der symmetrischen Gesamtanordnung am Spalt Sp' von vornherein eine weitgehend symmetrische Strom- und Spannungsverteilung vorhanden ist. Aus Einfachheitsgründen ist bei dem dargestellten Anordnungsbeispiel eine einheitliche Hülle H zur Ummantelung und Abschirmung der einzelnen Leiter vorgesehen.

Der Vorteil der erftndungsgemäßen Anordnung besteht grundsätzlich darin, daß es durch geeignete Dimensionierung der einzelnen Anordnungsteile möglich ist, die Widerstandsverhältnisse der zusammengeschlossenen Energieleitungen einander anzupassen, ja darüber hinaus, wie weiter unten noch erläutert wird, die Widerstandsanpassung für ein verhältnismäßig großes Frequenzspektrum nahezu frequenzunabhängig zu machen.

Zur Erläuterung dieser vorteilhaften Möglichkeiten mögen folgende Betrachtungen dienen. Entsprechend der Anordnung nach Fig. 1 sei die sym-

metrische Leitung in der Nähe des Spaltes durch den Widerstand R abgeschlossen. Parallel zu R liegt nun der Gesamtwiderstand, der durch die Abschirmhülle H dargestellt wird. Laut Voraus-Setzung besteht der Gesamtwiderstand aus den beiden in Reihe liegenden, an ihrem Verbindungspunkt geerdeten und im Prinzip gleich großen Teilwiderständen. Die Hülle H bildet zusammen mit den Außenleitern U₁. und Ui je einen Koaxialkreis, ίο Ist 2; die Länge der Hülle H, so beträgt der parallel zu R liegende Gesamtwiderstand dieser Koaxialkreise

/.2.Z₁-Ig-^-.

Der Wellenwiderstand Z₁ des Hüllenkoaxialkreises ist dabei anzusetzen mit

Z₁ = 138 · log -j-

²

d ist gleich dem Durchmesser der Hülle H, d₂ ist gleich dem Außendurchmesser des Außenleiters U. 138 ist eine Konstante, die für alle konzentrischen Rohrleitungen dieselbe ist. Der Wellenwiderstand einer derartigen Rohrleitung hängt lediglich von dem Logarithmus des Verhältnisses der beiden Durchmesser ab.

In die Betrachtung weiter einzubeziehen ist der Widerstand, den die Koaxialleitung, bestehend aus Ui und W links vom Spalt, darstellt. Dieser Widerstand hängt von der Länge dieses Leitungsstückes und der Art des Abschlusses und dem Wellenwiderstand Z₂ (gegeben durch d_% und d₄) ab. d₃ ist gleich dem inneren Durchmesser des Außenleiters Ui und d_i gleich dem Durchmesser des Innenleiters V.

In Fig. 3 ist das Ersatzschaltbild der Anordnung nach Fig. 4 dargestellt, bezogen auf die Punkte a, b, c und d, wie sie in der Fig. 4 angegeben sind. Die Besonderheit der Anordnung nach Fig. 4 besteht darin, daß die Koaxialleitung auf der linken Seite des Spaltes als die Koaxialleitung abschließende Stromresonanzimpedanz ausgebildet ist. Ferner ist angenommen, daß durch entsprechende Ausbildung der Abschirmhülle die dargestellten beiden gegen Erde im Prinzip gleich großen Widerstände Spannungsresonanzkreise sind, die im Ersatz-• Schaltbild als ein einziger Parallelresonanzkreis eingezeichnet sind. Der parallel zu R liegende Widerstand, nämlich der Parallelresonanzkreis, ist identisch mit einer kurzgeschlossenen, eine Viertelwellenlänge langen Koaxial- oder Lecherleitung. Der zwischen den Punkten d und c liegende Widerstand, nämlich der Serienresonanzkreis, ist identisch mit einer offenen, eine Viertelwellenlänge langen Koaxial- oder Lecherleitung.

Gemäß dem weiterentwickelten Erfindungsgedanken kann nun eine innerhalb eines Spektrums weitgehend frequenzunabhängige Weiterleitung der Hochfrequenzenergie von der einen Leitung auf die andere dadurch erreicht werden, daß das den Stromresonanzkreis darstellende eine (linke) Ende der Koaxialleitung sowie die die beiden Spannungsresonanzkreise darstellende Abschirmhülle auf die mittlere Frequenz des Spektrums abgestimmt werden.

Wie bereits erwähnt, lassen sich die einzelnen Teile der erfindungsgemäßen Anordnung so dimensionieren, daß die Widerstandsverhältnisse der zusammengeschlossenen Leitungen für ein Frequenzspektrum verschieden frequenter Hochfrequenzenergie weitgehend frequenzunabhängig günstig einander angepaßt werden können. Aus den folgenden Betrachtungen ist zu ersehen, wie sich verschiedene Dimensionierungen auf ,die Widerstandsanpassung der Leitungen auswirken. Die günstigen Anpassungsverhältnisse sind dadurch bedingt, daß sich bei Frequenzänderuntgen der Widerstand des Parallelresonanzkreises und der Widerstand des Serienresonanzkreises gegenläufig ändern. Aus der Diagrammdarstellung der Fig. 5 ist zu ersehen, welcher Widerstandswert an den Punkten a und b wirksam wird, wenn an den Punkten c und d ein veränderlicher Ohmscher Widerstand liegt. Die Diagrammdarstellung bezieht sich auf zwei Dimensionierungsfälle. In beiden Fällen ist die Länge der Hülle H

gewählt; das (linke) Ende der Koaxialleitung ist — lang und am Ende offen. (x₀ ist die Wellenlänge

der mittleren Frequenz des zu übertragenden Spektrums.) Auf der Ordinate des Koordinatensystems sind die Blindwiderstandswerte und auf der Abszisse die Ohmschen Widerstandswerte aufgetragen. Der Parameter der Kurven ist das Verhältnis f : f₀, wobei / die Augenblicksfrequenz und f₀ die mittlere Frequenz des Frequenzspektrums ist. Die mit kleinen Kreisen gekennzeichnete Kurve gilt für die Dimensionierung Z₁=4 Z₂, die mit kleinen Kreuzen gekennzeichnete Kurve gilt für die Dimensionierung Z₁ =2,25 Z₂. Aus der Darstellung ist ersichtlich, daß es möglich ist, für einen Frequenzbereich ± 20% den Widerstand der Symmetrieleitung weitgehend frequenzunabhängig in die unsymmetrische Leitung zu übertragen, wobei nur ein Reflexionsfaktor von 2,5 °/o auftritt, wenn in sinngemäßer Anwendung unter Reflexionsfaktor, wie in der Leitungstheorie üblich, der Wert des Verhältnisses

R-Z

R+Z

verstanden wird, wobei R den die Leitung abschließenden Widerstand und Z deren Wellenwiderstand bzw. Charakteristik bedeutet.

Anordnungen des Typs nach Fig. 4 übertragen im Prinzip den symmetrisch angeschlossenen Widerstand R im Verhältnis 1:1. Mit den aus Fig. 6 und 7 ersichtlichen Abwandlungen dieser Anordnungsart läßt sich nun auch eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses erreichen. In dem Anordnungsbeispiel nach Fig. 6 ist der Wellenwiderstand der Koaxialleitung kleiner gewählt als der Wellenwiderstand des durch Stromresonanz ab-

geschlossenen (linken) Kabelendes, so daß ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis für den Widerstand R erzielt wird; nach Fig. 7 wird ein höherer Widerstand der Symmetrieleitung an einen niedrigen Wellenwiderstand der Koaxialleitung angepaßt, indem die Symmetrieleitung; nicht unmittelbar am Spalt dies Koaxialaußenleiters angeschlossen ist, sondern zu beiden Seiten des Spaltes in einer entsprechenden Entfernung von diesem. Am Spalt fließt ein großer Strom, die Spannung ist jedoch sehr gering; an den gezeigten Abgriffspunkten ist das Spannungs-Stromverhältnis ein anderes: der Strom ist geringer und die Spannung größer.

Für längere Wellen, beispielsweise 3 bis 10 m, würde die erfindungsgemäße Anordnung sehr große Dimensionen annehmen. Zur Vermeidung dieses Nachteiles ist es zweckmäßig, statt entsprechender Längenabmessungen der Koaxialkreise diese wenigstens zum Teil durch Schaltelemente, wie Kondensatoren und Selbstinduktionsspulen, sinngemäß zu ersetzen. Ein Ausführungsbeispiel ist aus Fig. 8 zu ersehen. Die die koaxiale Leitung abschließende Stromresonanzimpedanz ist zum Teil durch den Kondensator C₂ und die Selbstinduktionsspule L₂

gebildet. Parallel zum Spalt ist der Kondensator C₁ gelegt, mit dessen Hilfe der Abschirmhüllenkreis elektrisch verlängert ist. Durch die geschilderte zweckmäßige Bemessung des Wellenwiderstandes der Kreise Z₁ und Z₂ ist auch bei dieser Aus-

führungsart die Widerstandsanpassung der zusammengeschlossenen Leitungen weitgehend frequenzunabhängig für ein Frequenzband zu machen.

Claims (8)

1. PaTENTANSPKÜCHE:

   i. Anordnung zum Zusammenschluß einer koaxialen Hochfrequenzenergieleitung mit einer symmetrischen Hochfrequenzenergieleitung, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter der unsymmetrischen, am Ende abgeschlossenen koaxialen Leitung durch einen Ringspalt aufgetrennt, die symmetrische Leitung zu beiden Seiten des Spaltes an den Außenleiter an-

   ⁴S geschlossen und daß ferner der Außenleiter zu beiden Seiten des Spaltes von einer mit dem Außenleiter verbundenen Abschirmhülle umgeben ist, die für die auf beiden Spaltseiten auf die Außenhaut des Außenleiters austretenden Ströme zwei gegen Erde gleich große Widerstände darstellt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxiale Leitung auf der dem Speisepunkt abgewandten Seite des Spaltes als abschließende Stromresonanzimpedanz ausgebildet ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Ausbildung der Abschirmhülle die durch sie dargestellten beiden gegen Erde gleich großen Widerstände Spannungsresonanzkreise sind.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das den Stromresonanzkreis darstellende eine Ende der koaxialen Leitung sowie die die beiden Spannungsresonanzkreise darstellende Abschirmhülle auf die mittlere Frequenz des Spektrums der zu übertragenden Hochfrequenzenergie abgestimmt sind.
5. 5. Anordnung nach Anspruch^ dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwiderstand des den Stromresonanzkreis darstellenden Endes der koaxialen Leitung derart kleiner ist als der Wellenwiderstand der die beiden Spannungsresonanzkreise darstellenden Abschirmhülle, daß für einen großen Frequenzbereich (± 20%) nur ein vernachlässigbar kleiner Reflexionsfaktor (2,5%) auftritt.
6. 6. Anordnung nach wahlweise einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein gegenüber dem Wellenwiderstand der koaxialen Leitung höherer Wellenwiderstand der symmetrischen Leitung an den Wellenwiderstand der koaxialen Leitung in der Weise angepaßt ist, daß die symmetrische Leitung zu beiden Seiten des Außenleiterspaltes mehr oder weniger entfernt von diesem angeschlossen ist.
7. 7. Anordnung nach wahlweise einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der das eine Ende der koaxialen Leitung go abschließende Stromresonanzkreis zum Teil aus konzentrierten Wechselstromimpedanzen (C₂, L₂) gebildet und der Spalt durch einen Kondensator (C₁) überbrückt ist.
8. 8. Anordnung nach wahlweise einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kaskadenschaltung, derart, daß der den Spalt aufweisende Teil der nachgeschalteten Symmetrieeinrichtung durch einzelne Ummantelung und Schleifenbildung der symmetrisehen Leiter und Auftrennung der Ummantelung durch einen Spalt gebildet ist.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   5861 3,54