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System zur Übertragung von Signalen eines breiten Frequenzbandes Die
Erfindung bezieht sich auf ein Signalübertragungssystem insbesondere zur Übertragung
von Signalen eines breiten Frequenzbandes. Es ist häufig erwünscht, solche Signale
von einem Erzeuger zu einem Verbraucher zu übertragen, die unterschiedliche Impedanzen
aufweisen, z. B. von einer Modulatorröhre zu einem Trägerwellenverstärker. Bekanntlich
findet die größte Energieübertragung nur dann statt, wenn Erzeuger und Verbraucher
die gleiche Impedanz besitzen. Bei einer Modulatorröhre und einem Trägerwellenverstärker
ist dies gewöhnlich aber nicht der Fall. Die Folge davon ist eine Verminderung der
Energieübertragung und, was in vielen Fällen noch nachteiliger ist, daß die Übertragung
für die verschiedenen Signalfrequenzen sehr verschieden ist. Dies führt zu unerwünschten
Verzerrungen. Die Anpassung der Widerstände durch einen Transformator begegnet häufig
Schwierigkeiten, vor allem, wenn es sich um die Übertragung sehr breiter Frequenzbänder
von q. oder mehr Megahertz, wie beim Fernsehen, handelt.
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Die Erfindung schlägt daher zur Beseitigung der genannten Mängel einen
anderen Weg vor.
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Als Kopplung zwischen den beiden Kreisen unterschiedlicher Impedanz
wird eine Induktivität angewendet. Der Widerstand und die kapazitive Reaktanz in
dem Erzeugerkreis und dem Verbraucherkreis werden so bemessen, daß sie bei der oberen
Frequenzgrenze
gleich sind, während die induktive Reaktanz der
kopplungsinduktivität so bemessen wird, daß sie gleich der Hälfte der Summe der
Widerstände ist. So bemessen ergibt die Kopplung ein im wesentlichen konstantes
Verhältnis zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung und eine konstante Übertragungszeit
für alle Frequenzen bis zur oberen Frequenzgrenze. Eine solche Anordnung eignet
sich insbesondere zur Kopplung von Modulationsstufen bei Fernsehsendern und von
Bilddetektoren mit nachgeschalteten Bildsignalverstärkern.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt in einer Anordnung zur Konstanthaltung
der Übertragungszeit bis herunter zu einer niedrigen Frequenzgrenze. Bei einer Kraftverstärker-
oder Modulatorröhre mit Anodenspeisung über eine Drossel wird hierfür parallel zu
dieser Drossel die Reihenkombination eines Widerstandes und einer Kapazität geschaltet.
Sowohl der Widerstand als auch die Kapazität werden bei der unteren Frequenzgrenze
gleich der Hälfte der induktiven Reaktanz der Drossel bemessen, so daß die Übertragungszeit
bei der unteren Frequenzgrenze Null und bei den darüberliegenden Frequenzen im wesentlichen
konstant ist.
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Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.
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Gemäß Fig. i wird ein Kraftverstärker, der mit den beiden in Gegenkontakt
arbeitenden Röhren io und ii ausgerüstet ist, von einem (in der Zeichnung nicht
dargestellten) Hochfrequenzschwingungserzeuger gespeist und liefert verstärkte Hochfrequenzschwingungen
über die Spule 27 an die Antenne 12. Die Röhren io und ii erhalten ihre Betriebsspannung
von der Spannungsquelle 13 über die Modulationsdrossel 14. Der Spannungsabfall über
dieser Drossel wird über die Röhre 15 moduliert entsprechend Signalen, die von einer
(in der Zeichnung nicht dargestellten) Signalquelle dem Steuergitter 31 der Röhre
15 zugeführt werden. Diese Signale können z. B. die Bildsignale einer Fernsehsendung
sein.
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Der Kraftverstärker bekannter Bauart umfaßt den Eingangstransformator
16, dessen Sekundärwicklung an die Steuergitter 17, 18 angeschlossen ist. Die Kathoden
der beiden Röhren io und ii sind geerdet und ferner über den Widerstand ig mit Parallelkondensator
2o an die Mitte der Sekundärwicklung des Transformators 16 angeschlossen. An die
Anoden 22 und 23 ist der aus Induktivität 21 und Abstimmkondensator 24 bestehende
Ausgangskreis angeschlossen. 25 und 26 sind die bekannten Neutralisationskondensatoren.
Die Kathode 29 der Röhre 15 ist über den Kathodenwiderstand 39 geerdet, während
die Anode an den Verbindungspunkt der Modulationsdrossel 14 und der Hochfrequenzdrossel
28 angeschlossen ist. Der Zweck der Drossel 28, die an die Mitte der Induktivität
21 angeschlossen ist, wird noch näher erläutert.
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Wird kein Signal dem Steuergitter zugeführt, so erhalten die Röhren
io und ii eine bestimmte Spannung und die Ausstrahlung der Antenne bleibt konstant.
Sind dagegen Signale vorhanden, so ändert sich der Stromfluß durch die Röhre 15
und damit der Spannungsabfall über der Induktivität 14 und damit die Betriebsspannung
der Röhre io und ii. Die Folge davon ist, daß sich die Verstärkung der Röhren io
und ii entsprechend den Signalen ändert und entsprechend auch die Ausstrahlung der
Antenne 12 in ihrer Stärke schwankt.
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Um den Wert des Signalstromes, der durch die parallele, zum Ausgang
des Kraftverstärkers liegende Drossel 14 fließt, niedrig zu halten, sollte die Impedanz
der Drossel 14 bei der niedrigsten Signalfrequenz das Mehrfache des Wertes der Impedanz
des Belastungswiderstandes, den der Kraftverstärker darstellt, betragen;- z. B.
liefert ein zwanzigfacher Wert befriedigende Ergebnisse.
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Wenn auch hierdurch die Modulation verbessert wird, so ist doch die
Übertragungszeit von der Röhre 15 auf den Kraftverstärker für Signale niedriger
Frequenz unerwünscht größer als für Signale größerer Frequenz. Die Änderung der
Übertragungszeit kann durch die Serienkombination eines Widerstandes 3a eines Kondensators
33 parallel zur Induktanz 14 kompensiert werden. Dabei wird bei der niedrigsten
Frequenz, für die eine gleichmäßige Übertragungszeit gewünscht wird, die Reaktanz
des Kondensators 22 gleich der Hälfte der Reaktanz der Induktivität 14 gemacht.
Damit der Widerstand des Kreises bei dieser niedrigsten Modulationsfrequenz ohmisch
wird, wird der Wert des Widerstandes 32 gleich der Hälfte der Reaktanz der Induktivität
14 oder gleich der Reaktanz des Kondensators 33, bei dieser niedrigsten Signalfrequenz,
die übertragen werden soll, gemacht. Dies ist der höchste zulässige Wert, bei dem
für die Signale der tiefsten Frequenz die Übertragungszeit Null erreicht werden
kann, während bei höheren Werten kein Wert der Kapazität 33 gefunden werden kann,
bei dem diese Bedingung noch erfüllt werden kann.
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Es können zwar noch geringere Werte des Widerstandes 32 zur Erreichung
der Übertragungszeit Null benutzt werden, wenn die Größe des Kondensators 33 passend
gewählt wird. Dies ist jedoch unerwünscht, da in diesem Fall der Modulator mehr
Energie verbraucht, die damit dem Verbraucherkreis verlorengeht. Wenn jedoch aus
zwingenden Gründen der Widerstand 32 kleiner gewählt wird, so muß der Kondensator
33 so bemessen werden, daß die Bedingung erfüllt ist
wo C die Kapazität des Kondensators 33, L die Induktivität der Drossel 14 und R
die Größe des Widerstandes 32 bedeutet.
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Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der Übertragungszeit von der Frequenz,
und zwar Kurve 34 ohne, Kurve 35 mit Parallelschaltung des Widerstandes 32 und des
Kondensators 33. Wie ersichtlich, ist die Übertragungszeit in letzterem Falle im
wesentlichen konstant und fällt erst bei einer Frequenz von 6o Hz auf Null ab. Die
Daten in dem gewählten Beispiel sind folgende Belastungswiderstand des Kraftverstärkers
. . . . . . . . . . . . . . . . . gleich 2 490 Ohm Anodenwiderstand der Röhre 15
gleich goo Ohm Induktivität 14 .. . . . . . . . . . . . . . gleich 132 Henry Kondensator
33 ..... . ... gleich o,io7 Mikrofarad Widerstand 32 ... .... .... gleich 24900
Ohm Wie bereits erwähnt, ist es für eine maximale Energieübertragung erforderlich,
die Widerstände von Erzeuger
und Verbraucher gleichzumachen. Bei
Gleichheit der Widerstände ist auch die Übertragungszeit von Schwingungen aller
Frequenzen leicht konstant zu halten.
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Bei einem modulierten Verstärker, wie dem Kraftverstärker mit den
Röhren io und ii, sind nun gewöhnlich die Streukapazitäten gegen Erde sehr verschieden
gegenüber den Streukapazitäten einer Modulatorröhre, wie der Röhre 15 und ebenso
sind die damit verbundenen Widerstände verschieden. Es hat sich herausgestellt,
daß im allgemeinen einem kleinen Widerstand eine große Kapazität und umgekehrt einem
großen Widerstand eine kleine Kapazität zugeordnet ist. Die Reaktanzen und Impedanzen
einer Modulatorröhre und eines daran angeschlossenen modulierten Verstärkers sind
im allgemeinen so verschieden, daß es schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist, die
entsprechenden Widerstände auf solche Werte zu bringen, daß sich für alle Frequenzen
gleiche Übertragungszeiten ergeben und dabei die Modulationsfähigkeit der Modulationsröhre
so weit erhalten bleibt, daß der Kraftverstärker genügend durchmoduliert wird. Wird
am Modulator oder am Kraftverstärker der kapazitive Widerstand durch Zuschalten
von Kapazitäten ausgeglichen, um für alle Frequenzen eine konstante Übertragungszeit
zu erhalten, so wird das Verhältnis der Signalspannung am Kraftverstärker zu der
Signalspannung am Modulatorrohrbei den oberen Signalfrequenzen viel zu klein.
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Diese Schwierigkeiten können erfindungsgemäß dadurch überwunden werden,
daß eine Induktivität 28 zwischen Modulator und Kraftverstärker vorgesehen wird.
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Die am Modulator auftretenden Streukapazitäten mögen mit 36 und 37,
die am Kraftverstärker auftretende Streukapazität mit 38 bezeichnet werden.
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Die Kapazität 38 betrug in dem gewählten Beispiel 25,6 Picofarad.
Dem entspricht bei einer oberen Signalfrequenz von 4. Megahertz eine Reaktanz von
156o Ohm.
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Erfindungsgemäß wird nun zunächst die Widerstandskomponente des Belastungskreises
des Kraftverstärkers mindestens so klein wie die Reaktanz der Streukapazität 38
des Kraftverstärkers bei der oberen Grenzfrequenz der Signale, die übertragen werden
sollen, gemacht, d. h. auf mindestens 156o Ohm herabgesetzt.
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Die Herabsetzung des Widerstandes des Kraftverstärkers kann durch
einen Parallelwiderstand zur Kapazität 38 erreicht werden. Es ist jedoch, um Energieverluste
zu vermeiden, vorzuziehen, die Betriebsspannung für den Kraftverstärker passend
zu wählen, dabei aber den Anodenstrom auf seinem maximalen Wert durch passende Kopplung
zwischen den Spulen 21 und 27 zu halten. Auf diese Weise werden unnötige Verluste
vermieden.
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Bei dem hier behandelten Ausführungsbeispiel betrugen die Kapazitäten
36 und 37 der Modulatorröhre zusammen 47 Picofarad. Ein so großer Wert der Streukapazität
macht es unmöglich, die Übertragungszeit und das Verhältnis der Signalspannungen
an Modulatorröhre und Kraftverstärkerröhre für alle Frequenzen konstant zu halten.
Die Zuschaltung des Widerstandes 32 und des Kondensators 33 vergrößert noch die
Ungleichheit der Streukapazitäten, so daß die Schwierigkeiten noch wachsen.
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Dadurch, daß erfindungsgemäß die Induktivität 28 vorgesehen wird,
wird es möglich, derart ungleiche Streukapazitäten in Kauf zu nehmen und trotzdem
eine gleichmäßige Übertragungszeit und ein konstantes Spannungsverhältnis bei Signalfrequenzen
bis zu einer oberen Übertragungsgrenze zu erhalten. Zu diesem Zweck wird auch der
Widerstand der Röhre 15 analog wie beim Kraftverstärker - auf einen Wert gebracht,
der gleich der Reaktanz der Streukapazitäten 36 und 37 bei der oberen Signalfrequenzgrenze
ist. In dem gewählten Beispiel ist diese Reaktanz bei q. Megahertz gleich 85o Ohm.
Erfindungsgemäß wird daher der äquivalente Anodenwiderstand der Röhre 15 gleich
850 Ohm gemacht. Dies kann durch passende Einstellung des Kathodenwiderstandes
39 geschehen.
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Durch die Einschaltung der Induktivität 28 wird, wie ersichtlich,
die Gesamtanordnung in zwei Teile getrennt, wobei in jedem Teil der Widerstand und
die kapazitive Reaktanz so bemessen sind, daß sie bei der obersten Signalfrequenz
gleich sind.
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Bei dieser Anordnung kann eine konstante Übertragungszeit und ein
konstantes Übertragungsverhältnis bis zu einer oberen Übertragungsgrenze erhalten
werden, wenn die Induktivität 28 bei dieser Frequenz eine Reaktanz erhält, die gleich
der Hälfte der Summe der Widerstände in beiden Teilen der Anordnung ist. In dem
gewählten Beispiel war der Wert der Induktivität 28 gleich 48 Mikrohenry, bei q.
Megahertz ist ihre Reaktanz also gleich 1205 Ohm, d. h. gleich dem Mittel
aus den Widerstanden von Modulator- und Kraftverstärkerteil.
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Erfindungsgemäß sind also folgende Bedingungen einzuhalten
Darin bedeutet Ri den auf der Eingangsseite der Drossel 28 liegenden Widerstand
der Röhrenanordnung 15, R2 den Widerstand der auf der Ausgangsseite der Drossel
28 liegenden Widerstand der Röhrenanordnung io, ii, C, die freie Kapazität auf der
Eingangsseite und C2 die Streukapazität auf der Ausgangsseite der Drossel 28 und
schließlich L den Wert der Induktivität der Drossel 28 und f, die obere Grenzfrequenz,
die noch übertragen werden soll.
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Aus diesen Beziehungen lassen sich die in Fig. 2 und 3 dargestellten
Kurven errechnen. Kurve 40 gibt das Verhältnis der Signalspannungen vor und hinter
der Drossel 28 in Abhängigkeit von dem Frequenzverhältnis f : f, an. Wie
ersichtlich, bleibt das Spannungsverhältnis bis oberhalb der oberen Übertragungsfrequenz
konstant.
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Kurve 41 gibt den Phasenwinkel und Kurve 42 die Übertragungszeit in
Abhängigkeit vom Frequenzverhältnis an. Danach nimmt der Phasenwinkel gleichmäßig
zu, während die Übertragungszeit bis 2o °/o über
die obere Übertragungsfrequenz
hinaus konstant bleibt.
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Fig.4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens
den Teil eines Fernsehempfängers. Ein Diodengleichrichter 5o erhält als zweiter
Detektor des Empfängers über den Transformator 51 die Zwischenfrequenzschwingungen,
die entsprechend den Bildsignalen moduliert sind. Der durch die Diode gleichgerichtete
Strom fließt durch einen Stromkreis, der die Sekundärwicklung des Transformators
51, die Induktivität 52 und den Widerstand 53 umfaßt. Zur Überbrückung der Zwischenfrequenz
ist der Kondensator 57 parallel zur Spule 52 und dem Widerstand 53 vorgesehen. Der
Widerstand 53, an dem die Bildsignalspannungen auftreten, liegt zwischen Gitter
54 und Kathode 55 der Verstärkerröhre 56, die die Bildsignale verstärkt.
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Bei dieser Anordnung spielt die Spule 52 die gleiche Rolle wie die
Drossel 28 bei der Anordnung gemäß Fig. i. Es werden nun gemäß der Erfindung folgende
Maßnahmen getroffen. Zunächst wird der auf der Eingangsseite der Spule 52 wirksame
Widerstand bestimmt, der im wesentlichen durch den inneren Widerstand der Diode
5 gebildet wird. Nun wird die Größe des Kondensators 57, der auch alle Streukapazität
einschließt, so bemessen, daß seine Real-,tanz bei der obersten zu übertragenden
Signalfrequenz gleich dem inneren Widerstand der Diode 5o wird. Damit ist Gleichung
(i) erfüllt.
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Die zweite Maßnahme besteht darin, die wirksame Kapazität auf der
Ausgangsseite der Spule 52 zu bestimmen. Diese Kapazität, die im wesentlichen durch
die innere Kapazität der Röhre 56 gebildet wird"ist mit 58 bezeichnet. Der Widerstand
53 wird nun gleich der Reaktanz der Kapazität 58 bei der obersten zu übertragenden
Signalfrequenz gewählt. Damit ist Gleichung (2) erfüllt.
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Als dritte Maßnahme wird die Induktivität der Spule 52 so bemessen,
daß ihre induktive Reaktanz bei der obersten Signalfrequenz gleich dem Mittel aus
den am Eingang und Ausgang der Spule 52 wirksamen Widerständen ist. Damit ist auch
Gleichung (3) erfüllt, und es ergeben sich die in den Kurven 40, 41 und 42 dargestellten
Verhältnisse.