DE1929996C3 - Filter für elektrische Schwingungen - Google Patents

Description

r =

e⁰· - 1

haben; hierin bedeutet Z den Wellenwiderstand des Filters und a_v die maximal zu entzerrende Verlustdämpfung.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (r) unterschiedliche Werte haben, derart, daß ihre Parallelschaltung etwa den

Wert y ergibt

3. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß einer der Widerstände (r) den Wert Unendlich hat, während der zweite den Wert r/2 hat

4. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das aus den Widerständen (r) gebildete Kreuzglied der Kettenschaltung mehrerer Vierpole (1, Γ; 2, 2") parallel geschaltet ist

35

Die Erfindung bezieht sich auf ein Filter für elektrische Schwingungen, das als erdsymmetrische Schaltung mit je einem Filterglied in jedem Zweig ausgebildet ist und bei dem die Filterglieder in den Quer- oder Längszweigen erdsymmetrisch angeordnete, verlustbehaftete Reaktanzen aufweisen.

Filter der vorbezeichneten Art werden beispielsweise in Sendeumsetzern für Trägerrundfunksysteme eingesetzt und sind dort insbesondere als Tiefpaßschaltungen ausgebildet, die für Frequenzen oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz eine relativ hohe Dämpfung aufweisen. Innerhalb des Durchlaßbereiches einer derartigen Tiefpaßschaltung, der sich beispielsweise über einen Frequenzbereich von O bis etwa 15 kHz erstreckt, sollen dabei die auftretenden Schwankungen der Durchlaßdämpfung den Wert von etwa einem hundertstel Neper nicht überschreiten, weshalb Schaltungen zur Ebnung der durch die Verluste der Schaltelemente verzerrten Durchlaßdämpfung erforderlich sind. Zur Ebnung der Dämpfungsschwankungen im Durchlaßbereich ist es bekannt, dem Filter einen Dämpfungsentzerrer in Kette zu schalten. Solche Dämpfungsentzerrer müssen in der Regel eine verhältnismäßig große Anzahl von Schaltelementei. haben, wodurch der für das gesamte Filter, d. h. also für die aus Filter und Entzerrer bestehende Kettenschaltung, ein verhältnismäßig großer technischer Aufwand erforderlich wird. Weiterhin ist es z. B. durch die Arbeit von Nai-Ta Ming, »Zur Theorie der Realisierung linearer Vierpolschaltungen mit vorgeschriebener Betriebsübertragungsfunktion bei Vorhandensein von Verlustschaltelementen« in der Zeitschrift »Hochfrequenztechnik und Elektroakustik«, Band 68, 1960, Seiten 190 bis 193, bekannt, eine Dämpfungsentzerrung mit Hilfe einer sogenannten Vorverzerrung durch Stoßdämpfung zu erreichen. Diese Art der Dämpfungsentzerrung beruht darauf, daß durch bewußt eingeführte Fehlanpassung die Dämpfung beispielsweise im frequ-nztieferen Durchlaßbereich eines Tiefpasses angehoben wird, während sich diese Fehlanpassung auf den frequenzhöheren Durchlaßbereich nahezu nicht auswirkt, so daß im frequenzhöheren Durchlaßbereich im wesentlichen die durch die Verluste der Schaltelemente bewirkte Dämpfung wirksam ist Diese Methode hat jedoch den Nachteil, daß die Anpassungsverhältnisse zunächst im frequenztieferen Durchlaßbereich zwingend verschlechtert werden müssen, oder anders ausgedrückt, daß die Reflexionsdämpfung durch diese Methode verringert wird. Zusätzlich tritt noch der Nachteil auf, daß «Jerartige Schaltungen gegenüber Inkonstanzen bzw. Toleranzen der Schaltelemente verhältnismäßig empfindlich sind, da die Fehlanpassung verhältnismäßig genau eingehalten werden muß, wenn nicht die Funktion der gesamten Schaltung in Frage gestellt werden solL

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend erwähnten Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen; es soll der Aufbau einer Filterschaltung angegeben werden, bei der zur Komoen-sation der durch die Verlustwiderstände bedingten Dämpfungsschwankungen eine möglichst geringe Anzahl zusätzlicher Schaltelemente erforderlich ist und die gleichzeitig eine Ebnung der Durchlaßdämpfung auch bei solchen Filterschaltungen erlaubt, die einen verhältnismäßig breiten Durchlaßbereich haben müssen.

Ausgehend von einem Filter für elektrische Schwingungen, das als erdsymmetrische Schaltung mit je einem Filterglied in jedem Zweig ausgebildet ist und bei dem die Filterglieder in den Quer- oder Längszweigen erdsymmetrisch angeordnete, verlustbehaftete Reaktanzen aufweisen, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß wenigstens einem Filterglied ein aus zwei Widerständen gebildetes Kreuzglied parallel geschaltet ist und daß die Widerstände des Kreuzgliedes etwa den Wert

r = —

e"· - 1

haben; hierin bedeutet Z den Wellenwiderstand des Filters und a* die maximal zu entzerrende Verlustdämpfung.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.

Es zeigt in der Zeichnung die

Fig. la eine prinzipielle Schaltung gemäß der Erfindung, die

Fig. Ib ein zur Schaltung nach der Fig. la äquivalentes elektrisches Ersatzschaltbild, die

Fig.2a eine weitere Filterschaltung gemäß der Erfindung, die

Fig.2b ein zur Fig.2a äquivalentes elektrisches Ersatzschaltbild, die

F i g. 3 eine mehrgliedrige Tiefpaßschaltung in Fortbildung der in F i g. 2 gezeigten Schaltung, die

Fig.4 Meßkurven eines nach Fig.3 realisierten Tiefpasses.

Die Schaltung nach F i g. 1 zeigt eine erdsymmetrische Tiefpaßschaltung, deren Längszweige aus den von

A_6n Spulen / und den Kondensatoren c gebildeten Pfcrallelresonanzkreisen bestehen. Zur Berücksichtige ji_er Spulenverluste sind in den Längszweigen der Schaltung die Widerstände λ eingezeichnet Die Spulen tsjnd wie dies auch in der Praxis der Fall ist als fest ineinander gekoppelte Spulen dargestellt Zur Komnensation der durch die Verlustwiderstände /·, verursachten Dämpfungsschwankungen ist dem von den Pai-aflelresonanzkreisen /und cund den Querkapazitäten K, K.'gebildeten Filterglied, dessen Eingangr.klemmen mit 1 und I' und dessen Ausgangsklemmen mit 2 und 2' bezeichnet sind, ein Kreuzglied parallel geschaltet, das aus zwei gleichartigen Widerständen r in der Fig.2b noch das zur Schaltung nach Fig.2a elektrische Ersatzschaltbild unter der Voraussetzung fester Kopplung zwischen den Spulen A, h, h entsprechend der Beziehung

l/A + I//2 + I//3 = 0

in erdunsymmetrischer Form dargestellt Es ergibt sich ein vermaschtes Netzwerk, in dessen Eingangs- und Ausgangsquerzweig jeweils die Widerstände r des Kreuzgliedes erscheinen. Parallel zum Eingangsquerzweig r liegt die Serienschaltung aus dem Verlustwiderstand 2r_sl, dem Sparübertrager t/mit der Primärinduktivität *

Bei der Erfindung wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß durch die Parallelschaltung solcher Widerstandskreuzglieder zu erdsymmetrischen Vierpolen negative Widerstände im Innern des Filters erzeugt werden, die die Wirkung der Verlustwiderstände der Schaltelemente kompensieren. Physika'isch läßt sich dies dadurch erklären, daß ein symmetrisches Kreuzelied mit Widerständen der Größe r in den Diagonalzweigen unter der Voraussetzung, daß die Widerstände in den Längszweigen den Wert Unendlich annehmen, äquivalent ist einem Vierpol, in dessen Längszweig eine ideale Differentialspule liegt an deren Mittelanzapfung im Querzweig ein Widerstand der Größe r/2 angeschaltet ist Wie sich weiterhin zeigen läßt ist dieser Vierpol äquivalent einem π-Glied, in dessen Querzweigen jeweils ein Widerstand mit dem Wert r und in dessen Längszweig ein Widerstand mit dem Wert - 2r liegt.

Die kompensierende Wirkung des Widerstandskreuzgliedes bei einem Filterglied nach Fig. la ist unter Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen Schaltungsäquivalenzen anhand des erdunsymmetrischen elektrischen Ersatzschaltbildes nach Fig. Ib zu erkennen. Es ergibt sich ein π-Glied, in dessen Querzweigen jeweils die Widerstände r und die Kapazitäten K, K' liegen, während der Längszweig aus der Serienschaltung der Spule /und dem Verlustwiderstand 2r₅ besteht, denen der Widerstand -2r und die Kapazität c/2 parallel geschaltet sind.
Aufgrund der bekannten Beziehung und dem Übersetzungsverhältnis

dem Verlustwiderstand 2r_a und der Schwingkreiskapazität c'. Die Klemmen des Sparübertragers sind mit B, A und D bezeichnet Die Anzapfung A des Sparübertragers ist mit dem Widerstand r im Ausgangsquerzweig sowie dem Kompensationswiderstand — 2r verbunden,

dessen zweiter Anschluß an der Eingangsklemme 1 liegt Da ein geeigneter Teil des zwischen den Übertragerklemmen A und B liegenden Kompensationswiderstandes — 2r an die Klemmen A und D transformiert werden kann, werden die Verlustwider-

stände 2/_S| und 2ra bei einer beliebigen Frequenz entsprechend den Ausführungen zur Fig. Ib kompensiert.

Damit die Grunddämpfung des entzerrten Filters im gesamten Durchlaßbereich etwa mit der maximal zu entzerrenden Verlustdämpfung übereinstimmt, ist es erforderlich, den Widerstand r des Kreuzgliedes zumindest näherungsweise nach der Formel

<f~ - T

^rp ~

kann der dem Serienverlustwiderstand 2r_s entsprechende Parallelverlustwiderstand r_p bei jeder beliebigen Frequenz ~ kompensiert werden.

Die Fig.2a zeigt eine weitere erdsymmetrische, ebenfalls als Tiefpaßschaltung ausgebildete Schaltung, in deren Längszweigen die Induktivitäten /1 und /3 liegen. Zur Berücksichtigung der Spulenverluste ist jeweils der Verlustwiderstand r_st in den Längszweigen eingezeichnet. Im Querzweig liegt ein erdsymmetrisch ausgebildeter Serienresonanzkreis, der von den Spulen I₂ und dem Kondensator c' gebildet wird. Zur Berücksichtigung der Verluste sind in Serie die beiden Verlustwiderstände T₅₂ eingezeichnet. Auch bei dieser Schaltung entsteht ein Filterglied, dessen Eingangsklemmen mit 1 und Γ und dessen Ausgangsklemmen mit 2 und 2' bezeichnet sind. Parallel zu diesem Vierpol liegt wiederum das aus den beiden gleichartigen Widerständen r gebildete Kreuzglied, das, wie beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1, die Kompensation der Verluste bewerkstelligt. Zur Erläuterung der elektrischen Wirkungsweise ist zu bemessen. Hierbei bedeutet Zden Wellenwiderstand des Filtergiiedes und a, die maximal zu entzerrende Verlustdämpfung.

Wird die Kompensation innerhalb eines Filters an mehreren Filtergliedern durchgeführt dann müssen die den einzelnen Gliedern zugeordneten Widerstände η bis r„ so bemessen sein, daß ihre Parallelschaltung ungefähr den Wert rergibt.

50 Von besonderer Bedeutung ist, daß die Reflexionsdämpfung a_r durch die Kompensation nur entsprechend der Größe der Entzerrungswiderstände beeinflußt wird, d. h., sie nimmt z. B. bei Tiefpässen bei der Frequenz den Wert

= InI I + 2r/

an, wobei W₍₀) den Betriebswiderstand des Filters bei der Frequenz Null bedeutet. Daraus ist ersichtlich, daß bei den üblicherweise auftretenden Dämpfungsverzer-

60 rungen die Reflexionsdämpfung im wesentlichen erhalten bleibt.

Die Lehre nach der Erfindung wird auch dann erfüllt, wenn die Widerstände runterschiedliche Werte r_a und r& annehmen. Dabei muß lediglich die Bedingung erfüllt

65 werden, daß ihre Parallelschaltung den Wert r/2 ergibt. Im Grenzfall kann somit einer der Widerstände r des Kreuzgliedes den Wert Unendlich annehmen, wenn man gleichzeitig dem zweiten Widerstand den Wert r/2

gibt. Von dieser Maßnahme ist in der erdsymmetrischen Tiefpaßschaltung nach der Fig.3 Gebrauch gemacht, die aus der Kettenschaltung mehrerer Glieder nach F i g. 2a besteht. Die Spulen dieses Tiefpasses sind mit Ll bis L7 bezeichnet, die zur Ergänzung zu Serienresonanzkreisen erforderlichen Kondensatoren mit Cl bis C7. Zur Ersparnis von Schaltelementen sind die in der Schaltung nach Fig. 2a mit /ι, /2 und I₃ bezeichneten Spulen bei der Schaltung nach der Fi g. 3 als gekoppelte Spulen L1 bis L 7 ausgebildet, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Parallel zu den Eingangsklemmen a 1 und b 1 liegt der Kondensator C8, parallel zu den Ausgangsklemmen a 2, b 2 liegt der Kondensator c9. Die der Fig.2a entsprechenden Vierpolklemmen 1,1', 2 und 2' sind für das von der Spule L 2 und dem Kondensator c2 gebildete Glied in die Schaltung nach F i g. 3 eingetragen. Zur Kompensation der Verlustwiderstände dieses Gliedes sind die Widerstände R1, R 2 eingeschaltet, die nach den vorerwähnten Regeln bemessen sind. Der zwischen den Punkten 2 und Γ gestrichelt eingezeichnete Widerstand R 2 hat bei der praktisch realisierten Schaltung den Wert Unendlich. In gleicher Weise sind auch in zwei weiteren nachfolgenden Tiefpaßgliedern, nämlich in den von den Spulen L 4 und L 5 gebildeten Gliedern, die der Verlustkompensation dienenden Widerstände A3 unc R 4 vorgesehen.

Es läßt sich nach der vorstehend beschriebener Methode eine Kompensation der Verluste auch dadurcl erreichen, daß das aus den Widerständen r gebildete Kreuzglied einer Schaltung parallel geschaltet wird, die aus der Kettenschaltung mehrerer in den F i g. 1 a und 2i mit 1, 1', 2 und 2' bezeichneten Filtergliedern besteht Die elektrische Wirkungsweise der Kompensator

ίο wurde anhand von Tiefpaßschaltungen erläutert. Sie läßt sich in anaolger Weise auch auf andersartige Filterschaltungen anwenden.

In F i g. 4 sind Meßkurven eines nach F i g.': realisierten Tiefpasses gezeichnet, und zwar ist die Durchlaßdämpfung a_b in Abhängigkeit von der Fre quenz /"aufgetragen. Die Kurve £ zeigt den Verlauf de: Durchlaßdämpfung des nichtentzerrten Tiefpaßfilters während die Kurve F den Verlauf der Durchlaßdämp fung bei Anwendung der erfindungsgemäßen Kompen sation zeigt. Wie anhand der Kurve E zu erkennen ist beträgt die Dämpfungsänderung im Durchlaßbereicl etwa 0,2 Neper, während bei Anwendung dei Kompen sation die Durchlaßdämpfung im gesamten Durchlaßbe reich bei etwa 0,23 Nepern liegt und die Dämpfungs Schwankungen etwa ±0,01 Neper betragen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   L. Filter für elektrische Schwingungen, das als erdsymmetrische Schaltung mit je einem Filterglied in jedem Zweig ausgebildet ist und bei dem die Filterglieder in den Quer- oder Längszweigen erdsymmetrisch angeordnete, verlustbehaftete Reaktanzen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem Filterglied ein aus zwei Widerständen (r) gebildetes Kreuzglied, parallel geschaltet ist und daß die Widerstände (r) des Kreuzgliedes etwa den Wert