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Die Erfindung betrifft eine breitbandige Symmetriervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
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Eine solche Symmetriervorrichtung, die in der englischsprachigen Literatur als "balun" bezeichnet wird, ist dazu bestimmt, eine unsymmetrische Leitung der Impedanz Zd sehr breitbandig an ein symmetrisches Element der Impedanz Zs, die verschieden von Zd ist, anzukoppeln, im allgemeinen eine symmetrische, durch die Luft führende Leitung, über die eine oder mehrere Antennen gespeist werden. Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit Symmetriervorrichtungen, die einerseits, in Reihe geschaltet, einen Koaxialkabelabschnitt mit zwei Leitern von der Impedanz Zd und eine symmetrische Leitung der Länge L enthalten, die zwei Leiter aufweist und deren Impedanz sich von etwa Zd an ihrem anderen Ende ändert und dabei zwischen den Werten Zd und Zs verbleibt, und die andererseits eine Verbindung über einen Leiter zwischen dem Außenleiter des Abschnitts und der Verbindung zwischen dem Innenleiter des Abschnitts und der symmetrischen Leitung umfassen.
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Derartige Symmetriervorrichtungen sind bekannt und werden insbesondere im Rundfunk im Zehnmeter-Wellenlängenbereich eingesetzt. Wegen ihrer Abmessungen bilden sie im allgemeinen fest errichtete Anlagen, die an der freien Luft aufgestellt werden. Sie haben die Funktion, die Verbindung zwischen einer Koaxialleitung mit einer Impedanz von im allgemeinen 50 Ohm am Ausgang eines Hochleistungssenders (einige Kilowatt bis einige Hundert Kilowatt) und einer symmetrischen Luftleitung herzustellen, über welche die Antennen gespeist werden und die eine hohe Impedanz von im allgemeinen 300 Ohm aufweist.
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Die bekannten Symmetriervorrichtungen benötigen, um einen breitbandigen Betrieb bei geringen Stehwellenverhältnissen zu erreichen, in Reihe geschaltete Kompensationskondensatoren, wie in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Fig. 1 bis 3 näher erläutert wird. Die Erfahrung zeigt aber, daß die Verwendung eines Kompensationskondensators, der in Reihenschaltung in den Leistungsteilen der Anlage angeordnet ist, mit zahlreichen Nachteilen verbunden ist:
- - er ist empfindlich und anfällig gegen Klimaeinflüsse und radioelektrische Bedingungen, was zur Gefahr von Durchschlägen aufgrund des Auftretens von statischen Ladungen, Staub, Insekten u. dgl. führt, und Blitzeinschläge haben eine systematische Zerstörung zur Folge;
- - der Kondensator isoliert gewisse Teile der Symmetriervorrichtung, wodurch eine korrekte Erdung der gesamten Anlage verhindert werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verwendung eines solchen Kompensationskondensators bei der Symmetriervorrichtung der eingangs angegebenen Art zu vermeiden.
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Dies wird bei einer gattungsgemäßen Symmetriervorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Symmetriervorrichtung weist die Leitung eine solche Impedanzänderung von ihrem einen zum anderen Ende auf, daß die kapazitive Kompensation überflüssig ist.
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Einzelheiten von Ausführungsbeispielen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 und 2 bekannte Symmetriervorrichtungen;
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Fig. 3 Impedanzkurven für die Symmetriervorrichtungen nach den Fig. 1 und 2;
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Fig. 4 Impedanzkurven für die erfindungsgemäße Symmetriervorrichtung;
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Fig. 5 und 6 erfindungsgemäße Symmetriervorrichtungen, deren Impedanzkurven in Fig. 4 dargestellt sind.
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In den verschiedenen Figuren sind einander entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Die Fig. 1 und 2 sind schematische Darstellungen von zwei bekannten Symmetriervorrichtungen, die für den Außenbetrieb ohne Umschaltung und in einem sehr weiten Frequenzband von 6 bis 26 MHz (genauer 5,95 bis 26,1 MHz) vorgesehen sind. Diese Symmetriervorrichtungen enthalten einen Koaxialleitungsabschnitt 1, dessen charakteristische Impedanz gleich 50 Ohm ist und dessen eines Ende E den unsymmetrischen Anschluß der Symmetriervorrichtung bildet, der zum Anschließen an einen Sender bestimmt ist, und dessen zweites Ende einen Leiter 3 enthält, der einen Kurzschluß zwischen dem Innenleiter 11 und dem Außenleiter 10 des Koaxialabschnittes bildet, um hinlaufende Ströme auf der Außenwandung des Außenleiters des Koaxialabschnittes zu verhindern. Diese Symmetriervorrichtungen umfassen ferner eine symmetrische Leitung 2, welche die Impedanztransformation von der Impedanz 50 Ohm auf 300 Ohm innerhalb des gesamten Betriebsfrequenzbereiches durchführt. Diese symmetrische Leitung mit zwei Leitern 2 a, 2 b ist an ihren die geringere Impedanz aufweisenden Enden über ihre zwei Leiter mit den entsprechenden Leitern des zweiten Endes des Koaxialabschnittes verbunden. Das die hohe Impedanz aufweisende Ende der symmetrischen Leitung 2 bildet den symmetrischen Anschluß S der Symmetriervorrichtung, an den eine symmetrische Luftleitung zur Antennenspeisung angeschlossen ist; die 300 Ohm betragende charakteristische Impedanz dieser Luftleitung ist schematisch durch eine Lastimpedanz R dargestellt.
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Aus Kostengründen wird die symmetrische Leitung 2 möglichst kurz gewählt, unter Berücksichtigung der angestrebten Ergebnisse; bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen haben diese Leitungen eine Länge L von 28 m. Die Länge hängt von der unteren Betriebsfrequenz ab, die hier 5,95 MHz beträgt. Es ist nämlich bekannt, daß die Länge der symmetrischen Leitung nicht geringer als die halbe Wellenlänge der niedrigsten Frequenz sein darf.
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Im Falle der Fig. 1 weist die symmetrische Leitung eine kontinuierliche Impedanzänderung vom Wert Zd = 50 Ohm bis zum Wert Zs = 300 Ohm auf. Diese kontinuierliche Änderung wird durch Leiter 2 a, 2 b erhalten, die durch zwei einander gegenüberliegende Platten gebildet sind, deren Abstand von dem an den Koaxialabschnitt 1 angeschlossenen Ende zum Anschluß S hin zunimmt, während ihre Breite abnimmt. Die Kurve Z&min; 1 in Fig. 2 zeigt eine bekannte Impedanzänderung der symmetrischen Leitung 2 nach Fig. 1. Diese Kurve, die in geradlinigen ebenen Koordinaten aufgezeichnet ist, gibt die Impedanz Z in einem Punkte der Leitung 2 in Abhängigkeit der Entfernung dieses Punktes vom Koaxialabschnitt 1 an. Die Kurve Z&min; 1 ist eine stetige Kurve, die vom Punkte A (x= 0, Z = 50 Ohm) zum Punkte B (x = L = 28 m, Z = 300 Ohm) verläuft, wobei sie unterhalb der Linie AB verbleibt und zwischen den Ordinaten der Punkte A und B eine stetig zunehmende Steigung aufweist. Es handelt sich sogar in dem beschriebenen Falle, wie bei den meisten Ausführungsformen, um eine exponentielle Kurve: Z = Zo · e kx .
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Um ein Stehwellenverhältnis von weniger als 1,2 zu erhalten, zeigt es sich, daß Kompensationen am Eingang und am Ausgang der symmetrischen Leitung 2 in Fig. 1 erforderlich sind. Diese Kompensationen sind auf der Niederimpedanzseite induktiv und parallel geschaltet: Dies wird durch den Leiter 3 erreicht, dessen Länge so bestimmt ist, daß die gewünschte Impedanz erhalten wird. Diese Kompensationen sind auf der Hochimpedanzseite kapazitiv und in Reihe geschaltet: Es sind zwei Kondensatoren Ca, Cb, die jeweils in Reihe mit den zwei Leitern 2 a, 2 b der symmetrischen Leitung geschaltet sind. Die Nachteile, die mit solchen Kondensatoren verbunden sind, wurden bereits in der Beschreibungseinleitung angegeben.
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Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die symmetrische Leitung 2 aus sechs Viertelwellenlängensegmenten 20 bis 25 gebildet, die in Kaskade geschaltet sind. Die betrachtete Wellenlänge dieser Viertelwellenlängensegmente ist die mittlere Wellenlänge im Betriebsfrequenzband, d. h. 18,75 m, entsprechend einer Frequenz von @O:6¤+¤26:2&udf54; = 16 MHz. Die Kurve Z&min; 2 in Fig. 3 zeigt, wie bei der bekannten Symmetriervorrichtung nach Fig. 2 die Impedanz sich von einem Punkte der Viertelwellenlängensegment-Leitung 2 in Abhängigkeit der Entfernung dieses Punktes vom Koaxialabschnitt 1 ändert; es handelt sich um eine treppenförmige Kurve, deren sechs Treppen jeweils der charakteristischen Impedanz eines der sechs Viertelwellenlängensegmente 20 bis 25 entspricht; die zu der Kurve Z&min; 2 gehörende gemittelte Kurve, welche die Mittelpunkte der Treppenstufen miteinander verbindet, entspricht im wesentlichen der Kurve Z&min; 1.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2, wo die Impedanzänderungskurve der symmetrischen Leitung 2 der Symmetriervorrichtung die Kurve Z&min; 2 ist, zeigt sich, daß ein in Reihe geschalteter Kondensator C 10 auf der Niederimpedanzseite erforderlich ist, um die Wirkung der Parallelinduktivität aufgrund des Leiters 3 zu kompensieren. Die Kaskadenschaltung von Viertelwellenlängen- Transformatoren, welche die Segmente bilden, gewährleistet die vollkommene Transformation innerhalb des Betriebsbandes, und der in Reihe geschaltete Kondensator kompensiert den Effekt der Parallelinduktivität. Auch hier treten die Nachteile in Erscheinung, die der Verwendung eines Kondensators in der Symmetriervorrichtung anhaften.
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Fig. 4 zeigt zwei Kurven Z 1 und Z 2, welche den Impedanzänderungen der symmetrischen Leitungen bei den zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Symmetriervorrichtung entsprechen, welche in den Fig. 5 und 6 gezeigt sind; diese Symmetriervorrichtungen sind dazu bestimmt, die oben beschriebenen Vorrichtungen zu ersetzen, und sie benötigen keinerlei Kompensationskondensator. Die Kurven Z 1, Z 2 unterscheiden sich von den Kurven Z&min; 1 und Z&min; 2 in Fig. 3 hauptsächlich dadurch, daß sie nicht vollständig unterhalb des Geradenabschnitts AB liegen (A : x = 0, Z = 50; B : x = 28, Z = 300).
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Die Kurve Z 1 in Fig. 4 schneidet den Geradenabschnitt AB ungefähr in seiner Mitte und weist eine Steigung auf, die kontinuierlich etwa vom Punkte A zum Schnittpunkt mit dem Geradenabschnitt AB zunimmt und von diesem Schnittpunkt bis etwa zum Punkte B kontinuierlich abnimmt. Durch diese Impedanzänderung der symmetrischen Leitung ist es möglich, eine Symmetriervorrichtung zu bilden, die schematisch in Fig. 5 gezeigt ist und die keinerlei Kompensationskondensator benötigt, um ein Stehwellenverhältnis von 1,1 zu erreichen. Diese Vorrichtung unterscheidet sich schaltungsmäßig von der Symmetriervorrichtung nach Fig. 1 nur dadurch, daß die Kondensatoren Ca und Cb durch Kurzschlüsse ersetzt sind. Bei der Symmetriervorrichtung nach Fig. 5 besitzt der Leiter 3 eine Länge von 4,7 m, und die symmetrische Leitung entspricht den nachstehend aufgeführten Gruppen von vier Werten, worin der erste Wert die Entfernung x vom Punkt der Leitung 2 bis zum Koaxialabschnitt 1 in Metern angibt, während der zweite und der dritte Wert die Breite bzw. den Abstand der zwei Leiter der Leitung im betrachteten Punkt in Millimetern angeben und der vierte Wert die Impedanz am betrachteten Punkt in Ohm angibt:
- 0-800-138-53;
3-721-159-64
6-641-205-88;
9-562-259-114
12-483-309-144;
15-404-405-176
18-324-498-210;
21-245-490-242
24-166-487-268;
27-86-370-284
28-60-333-296.
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Es ist klarzustellen, daß die Impedanzänderung gemäß der Kurve Z 1 in Fig. 4, nach Kenntnis der Erfinder, nicht als einfache analytische Funktion angegeben werden kann.
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Die Kurve Z 2 in Fig. 4 ist aus sechs aufeinanderfolgenden Stufen gebildet und entspricht der Ausführungsform der Symmetriervorrichtung nach der Erfindung, die in Fig. 6 gezeigt ist. Das Schaltbild dieser Symmetriervorrichtung ist dasselbe wie in Fig. 2, mit der Ausnahme, daß der Kondensator C 10 durch einen Kurzschluß ersetzt wurde. Die Symmetriervorrichtung nach Fig. 6 enthält einen Leiter 3 mit einer Länge von 3 m und eine symmetrische Leitung 2, die aus sechs in Kaskade geschalteten Viertelwellenlängenabschnitten gebildet ist und deren Gesamtlänge L 28 m beträgt. Die Viertelwellenlängenabschnitte der symmetrischen Leitung 2 entsprechen jeweils, angefangen mit dem Koaxialabschnitt 1, den nachstehend aufgeführten Gruppen von vier Werten, wovon der erste Wert das Bezugszeichen des Viertelwellenlängensegmentes in Fig. 6 angibt, der zweite und dritte Wert jeweils die Breite bzw. den Abstand zwischen den zwei Platten des Viertelwellenlängensegmentes in Millimetern angeben und der vierte Wert die charakteristische Impedanz des betrachteten Viertelwellenlängenabschnittes in Ohm angibt:
- 20-740-148-60;
21-621-217-93
22-493-300-140;
23-364-485-194
24-235-489-246;
25-116-422-283.
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Wie im Fall der Kurven Z&min; 1, Z&min; 2 in Fig. 3 ist die Kurve Z 1 nach Fig. 4 im wesentlichen die gemittelte Kurve, welche die Mitten der Treppenstufen der Gruppe Z 2 verbindet.
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Auch hier ermöglicht die der symmetrischen Leitung 2 der Symmetriervorrichtung nach Fig. 6 erteilte Impedanzänderung eine Verminderung des Stehwellenverhältnisses auf Werte von höchstens gleich 1,1 innerhalb des gesamten Betriebsfrequenzbandes von 6 bis 26 MHz.
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Die Erfindung ist auf jegliche Symmetriervorrichtungen anwendbar, bei denen die Impedanzänderung der symmetrischen Leitung, in geradlinigen ebenen Koordinaten, eine Darstellung nach Art der Kurven Z 1 oder Z 2 in Fig. 4 besitzt; es handelt sich also um Leitungen, deren Impedanzänderung bzw. mittlere Impedanzänderung im Falle von Leitungen aus Viertelwellenlängenabschnitten, eine Kurve beschreibt, die auf der Niederimpedanzseite eine nach oben gerichtete Konkavität und auf der Hochimpedanzseite eine nach unten gerichtete Konkavität aufweist.
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Im Falle von Symmetriervorrichtungen, deren symmetrische Leitung aus Viertelwellenlängenabschnitten besteht, kann die Anzahl dieser Abschnitte, wie bei den bekannten Symmetriervorrichtungen, auf fünf vermindert werden, wobei noch akzeptable Ergebnisse erhalten werden, oder aber auf sieben und mehr erhöht werden, in Abhängigkeit von den gewünschten Bandbreiten.