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Einrichtung zur Übertragung elektromagnetischer Wellen
Die Erfindung bezieht sich auf Übertragungseinrichtungen für elektromagnetische Wellen und betrifft insbesondere eine verbesserteArtvonÜbertragungsleitungenfürzirkulare elektrische Wellen, also H-Wel- len (bzw. TE -Wellen amerikanischer Bezeichnung).
In einem Aufsatz"Helix Wave Guide" von S. P. Morgan und J. A. Young im "Bell System Technical Journal", November 1956, Seiten 1347-1384, ist ein enggewickelter wendelfölmiger Leiter beschrie - ben, dessen Durchmesser grösser als das 1, 2-fache der im freien Raum gemessenen Wellenlänge der übertragenen Energie ist und der ein zur Fortpflanzung einer in geeigneter Weise angeregten zirkularen elektrischen Welle, also einer Welle der Schwingungsart H91, geeignetes Übertragungmedium darstellt. Es wird in diesem Aufsatz gezeigt, dass ein solches Übertragungsmedium die der erwähnten Schwingungsart H 01 innewohnende Tendenz, in parasitäre Schwingungsarten, insbesondere in -Wellen (TM -Wellen)
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diesen beiden Schwingungsarten erreicht wird.
Die Wendel ist ferner von einem Mantel aus mit elektrischen Verlusten behaftetemMaterial umgeben, wodurch eine hohe Differenz der Dämpfungskonstanten für die parasitären Schwingungsarten einerseits und die Schwingungsart H anderseits erreicht wird. Infolge dieserDämpfungsdifferenz wird die erwähnteDegenerationderH-Wellen weiterhin herabgesetzt, ohne dass dabei in dem verlustbehaftetenMaterial tatsächlich ein wesentlicher Energiebetrag verlorengeht.
Der verlustbehaftete Mantel ist seinerseits von einem Schirm umgeben, um dem Gesamtaufbau eine ausreichende mechanische Festigkeit zu verleihen und zugleich als Schutz zu dienen.
Ein solches Übertragungsmedium ist in idealer Weise für die Übertragung breitbandigerSignale über lange Strecken geeignet, weil die Dämpfung der H -Wellen mit zunehmender Frequenz abnimmt. Bei Anwendung auf langen Übertragungsstrecken dient der wendelförmige Wellenleiter auch zur Aufnahme zufälliger oderbeabsichtigterBiegungen undWindungenderLeitung. Bei der Anwendung auf kurze Strecken wirkt der wendelförmige Leiter als ein Filter, welches die Energie der HOl-Wellen von parasitären Kom- ponenten, insbesondere von H-und H -Wellen, reinigt.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, solche wendelförmige Wellenleiter sowohl in elektrischer als auch in mechanischer Hinsicht zu verbessern.
Umfangreiche Forschungen und mathematische Untersuchungen haben gezeigt, dass eine verbesserte und optimale Arbeitsweise einer wendelförmigen Übertragungsleitung erhalten werden kann, wenn der mit elektrischen Verlusten behaftete, die Wendel umgebende Mantel einen spezifischen Widerstand im Bereich zwischen 1 und 10 Ohm. cm aufweist ; dieser Wert liegt wesentlich unterhalb des bisher in Betracht gezogenen Bereiches. Bei den in dem zitierten Aufsatz beschriebenen Bauformen besteht der verlustbehaftete Mantel aus einem geeigneten Kunststoff oder dielektrischen Material, in dem kleine Teilchen aus Widerstandsmaterial suspendiert sind.
Wenn als Widerstandsmaterial Kohlenstoff oder ähnliches Material verwendet wird, erweisen sich Versuche, das Kunststoffmaterial dichter zu imprägnieren, um so die Konzentration der Widerstandsteilchen zu erhöhen und den Gesamtwiderstand herabzusetzen, als unbefriedigend, weil hiebei eine wesentliche Verminderung der Festigkeit des Materials eintritt, u. zw. schon bevor ein spezifischer Widerstand von 10 Ohm. cm erreicht wird.
Wenn anderseits ein stärker leitfähiges Material, wie Eisenpulver, verwendet wird, führt eine Erhöhung der Teilchenkonzentration, durch welche die Wi-
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derstandsteilchen einander genähert werden, zu einer Erhöhung der Kapazität zwischen diesen Teilchen, wodurch die Dielektrizitätskonstante des Materials so stark ansteigt, dass die hochfrequente Energie in das Material nicht mehr eindringen kann, um in diesem gedämpft zu werden. Am andern Ende der Widerstandsskala liegen die kontinuierlichen Oberflächen oder leitenden Filme aus Metallen oder deren höheren Widerstand zeigenden Oxyden, doch haben alle diese Überzüge spezifische Widerstände, die wesentlich unter 1 Ohm. cm liegen.
Gemäss der Erfindung wird dieser offensichtliche Mangel an einem geeigneten Widerstandsmaterial dadurch überwunden, dass für den verlustbehafteten Mantel Glasfasern verwendet werden, die mit einem Metalloxydüberzug versehen sind. Gegenstand der Erfindung ist demnach eine Einrichtung zur Übertragung elektromagnetischer Wellen der ziehbaren elektrischen Schwingungsart, die aus einer durch Aufwickeln eines Leiters mit nebeneinanoerliegenden, gegeneinanderelektriscii isolierten Windungen gebildeten Wendel, einem diese Wendel umgebenden.
Mantel aus mit elektrischen Veflusten behaftetem Ma- terial und einer zwischen der Wendel und dem Mantel angeordneten Zwischenschicht aus dielektrischem Material besteht und dadurch gekennzeichnet ist, dass der verlustbehaftete Mantel Glasfasern enthält, die mit einem Metalloxydüberzug versehen sind. Der tatsächliche ohmsche Widerstand eines solchen Metalloxydfilms liegt zwar erheblich unterhalb des angegebenen Bereiches, doch lisst sich zeigen. dass der effektive Widerstand, der von dem Mantel den parasitären Wellen dargeboten wird, gut durch das Verhältnis von Widerstandsmaterial zu dielektrischem Material im Mantel eingeregelt werden kann.
Das Glasfasermaterial mit einem dünnen Überzug aus Metalloxyd kann mit KUi1sí. sto (f, etwa Epoxydharz, ge-
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nach üblichen Verfahren herstellbar ; er hat überdies den Vorteil, da. E nach eine m weiteren Merkmal der
Erfindung zusätzliche Schichten ausGlasfasermaterial undKunststoffals homogene Einheit über dem ver- lustbehafteten Mantel aufgebaut werden können, um so eine Schutzhülle zu bilden, die gewünschte Ab- messungen hat, gegen Beeinflussungen durch Feuchtigkeit, Korrosion usw. sehr beständig ist und dem Ge- samtaufbau eine Biegesteifigkeit verleiht, c ! ie der Biegesteifigkeit von angeschlossenen Wellenleitern der metallischen Bauart angeglichen werden kann.
Ferner kann bei dieser Bauweise nach einem anderweitigen
Vorschlag zwischen der Wendel und dem widerstandsbehaftetenManteleine dielektrische Schicht einge- fügt werden, falls noch eine weitere Verbesserung der Arbeitsweise etwünschi-ist.
Die angegebenen und weitere Ziele und Merkmale der Erfindung sollen nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Ausfuhrungsbeispielen genauer beschrieben werden. Fig. l ist ein Schnitt durch einen
Endteil einer Übertragungsleitung gemäss der Erfindung und Fig. 2 stellt im Längchnitt den Formkern dar, auf dem der Bauteil nach Fig. 1 aufgebaut werden kann.
Die in Fig. l im Teilschnitt dargestellte Übertragungsleitung ist für zirkuläre elektrische Wellen be- stimmt. Sie besteht aus einem langgestreckten leitenden Teil 11, der von einer Wendel gebildet wird, welche mit einem relativ dünnen isolierten Draht eng gewickelt ist. Der Wendeldraht kann beispielsweise ein emaillierter oder mit Kunststoff isolierter Kupfervolldraht mit einem Gesamtdurchmesser vonO, 12 mm sein. Durch die Isolation wird ein gleichmässiger, zweckentsprechender Abstand zwischen den aufeinan- erfolgenden Windungen der Wendel gesichert.
Die Wendel 11 ist von mehreren Schichten oder Hülsen umgeben, die nun im einzelnen beschrieben werden sollen. Unmittelbar an die Wendel 11 kann eine dielektrische Hülse 12 aus Glasfasern aufgebracht werden, die mit einem Kunststoff oder Kunstharzmaterial imprägniert sind. Hierauf folgt eine verlustbe- haftete Hülse 13 aus Glasfasern, die mit einem dünnen Film aus Metalloxyd ilberzogen und in ähnlicher
Weise mit Kunststoff imprägniert sind.
Die Hülse 13 ist ihrerseits von einer weiterenhülse 14 aus impräg- nierten Glasfasern umgeben. Der rechte Teil der Hülse 14 bildet ein Verbindungsstück, das aus einem mit i Innengewinde versehenen Abschnitt 15 für den Anschluss eines benachbarten Wellenleiters, einem innen glatten Abschnitt 16 grösseren Durchmessers zur Führung des benachbarten Wellenleiters beim Einsetzen und Einschrauben und schliesslich einem Abschnitt 18 noch grösseren Durchmessers besteht, der einen Sitz zur Aufnahme einer Ringscheibe zum dichten Verschliessen der Fuge zwischen den beiden benachbarten
Wellenleiterabschnitten bildet.
Ein zwischen der Wendel 11 und dem Gewindeteil 15 angeordneter Kup- ferring 19, dessen Innendurchmesser gleich dem Innendurchmesser der Wendel 11 ist, schliesst die Enden der Wendel ab und bildet zugleich eine leitende Stossfläche für den benachbarten Wellenleiter.
Fig. 2 zeigt einen Kern, auf dem der Bauteil nach Fig. 1 hergestellt werden kann. Der Teil 21 ist ein glattpolierter Zylinder, auf den die Wendel 11 gewickelt wird, während der Teil 22 die Ausbildung eines von zwei Formenden zeigt, die in geeigneter Weise auf Gewindebolzen 23, die an den beiden Enden des
Teiles 21 vorgesehen sind, aufgeschraubt werden können. Der Teil 22 umfasst-einen Abschnitt 24 mit
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glattenche 17 dient. Ein solcher Kern gewünschter Länge wird zusammen mit den beiden Formendteilen axial drehbar zwischen den Spannfuttern einer geeigneten Wickelmaschine eingesetzt, nachdem die beiden Ringscheiben 19 montiert worden sind.
Nach Aufbringen eines das Abstreifen der Formteile erleichternden Mittels auf den Kern 21 und die Formendteile 22 wird die Kerneinheit inRotation versetzt und die Wendel 11 mit engen Windungen zwi- schen denRingen 19 aufgewickelt. Die Bewicklung kann mit einem einzigen Draht oder auch mit mehreren, gleichzeitig und parallel zugeführten Drähten erfolgen.
Über dieser Wendel wird geschichtet eine erste dielektrische Hülse 12 aufgebracht. Diese dient zur Transformation der Oberflächenimpedanz, welche vom verlustbehafteten Mantel 13 den longitudinalen Strömen durch die Wendel 11 dargeboten wird; sie wirkt ferner als eine Induktivität, die parallel zu der Kapazität der Wendel liegt und dadurch den Abschirmeffekt, den die Wendel sonst gegenüber parasitärer Wellen ausübt, kompensiert.
Als Material für die Hülse 12 wird ein mit Glasfasern verstärkter Kunststoff oder ein mit Kunststoff imprägniertes Glasfasermaterial verwendet. Zum. Aufbringen dieser Schicht haben sich verschiedene Methoden bewährt. Beispielsweise kann ein aus Glasfasern gewebter Stoff, dessen Breite gleich der Länge der Wendel ist, über die Wendel 11 gewickelt werden, wobei zwischen jede Stoffage Kunststoff eingebracht wird. Anderseits kann auch ein aus Glasfasern gewebter Streifen mehrmals spiralig hin und her längs der Wendel aufgewickelt werden. Ebenso kann ein garnartiges Vorgespinst aus Glasfasern, das mehrere leicht verdrillte Fäden von 15 bis 20 Glasfasern enthält, spiralig hin und her mehrmals bis zur ge- wUnschten Dicke aufgewickelt werden.
Bei Verwendung eines solchen Garnes haben die leicht verdrillten Fasern die Tendenz, sich seitlich zu verbreitern und zu verflachen, so dass jede Windung die Schicht nur um die Dicke weniger Fasern verstärkt. Bei Verwendung eines Streifens oder Garnes der erwähnten Art kann dieses Material zuerst durch einen Behälter geleitet werden, der flüssigen Kunststoff enthält, bevor die Bewicklung erfolgt, doch kann der Kunststoff auch auf andere geeignete Weise zwischen den Windungen eingebracht werden. Die Anwendung gewebter Stoffe der erwähnten Art ist bei handgemachten kurzen Leitungsstücken vorzuziehen, während die Verwendung der erwähnten Streifen oder Garne in Verbindung mit üblichen Wickelmaschinen zweckmässig ist.
In allen Fällen soll der Glasgehalt der einzelnen Schichten auf einen gleichmässigen und hohen Wert, etwa im Bereich zwischen 50 und 75 Tc gehalten werden, wobei die höheren Werte bevorzugt werden. r
Für die Zwecke der Erfindung sind verschiedene Kunststoffe geeignet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein handelsübliches Epoxydharz verwendet, das katalytisch gehärtet werden kann, um ein wärmehärtbares Polymer zu bilden. Als Katalysator kommen Amine, Amide oder Kombinationen dieser beidenStoffe in Betracht. Es empfiehlt sich, einen so rasch wirkenden Katalysator zu verwenden, dass die entstehende exotherme Wärme den Härtevorgang unterstützt.
Es hat sich aber gezeigt, dass die Reaktion ohne unerwünschte Schrumpferscheinungen gefördert werden kann, wenn die exotherme Härtung von einer mässigen äusseren Wärmezufuhr begleitet wird. Besonders gut hat sich ein Zusatz von 20 Teilen m-Phenylendiamin auf 100 Gew.-Teile bewährt. Anderseits kann aber auch eines der billigeren thermoplastischen Polyesterharze verwendet werden. Allgemein sind im vorliegenden Zusammenhang alle jene Massnahmen und Materialien anwendbar, die auch bei andern Zwecken dienenden, mit Glasfasern ver - stärkten Kunststoffen Anwendung finden. Es sei deshalb bezüglich weiterer Einzelheiten und hinsichtlich anderer Kunststoff auf das Buch"Glas Reinforced Plastics"von Philipp'Morgan, veröffentlichtvonder Phi- losophical Library, Inc., USA, verwiesen.
Nunmehr wird'die Widerstandsschicht 13 in Lamellenform aufgebracht, wozu Kunststoffe und Glasgewebe, Glasgewebestreifen oder Glasgarne der beschriebenen Art mit einem elektrisch leitenden Metalloxydüberzug, d. h. einem sogenannten irisierenden Überzug, verwendet werden. Es ist bekannt, dass Glas oder glasartige keramische Körper, die erhitzt und mit bestimmten Metallsalzen in Form von Dämpfen oder von fein versprühten Lösungen in Berührung gebracht werden, an der Oberfläche festhaftende Schichten eines Metalloxydes erhalten. Die so hergestellten Körper irisieren infolge der Interferenzen von Lichtwellen, welche von deridanneno-xydfilmen reflektiert werden.
Oxydüberzüge, die einen für die vorliegende Erfindung geeigneten elektrischen Widerstand und andere elektrische Eigenschaften haben, können unter Anwendung von Gemischer. derOxyde von Zinn, Titan, Kadmium, Indium und Antimon hergestellt werden. Besonders bewährt hat sich die Kombination des Oxyds von Zinn und kleiner Mengen der Oxyde von Titan und Antimon. Die Auswahl und die Menge der mit Zinnoxyd kombinierten Stoffe ist zusammen mit der Dicke des Films für den spezifischen Obsrflächenwiderstand des Films massgeblich. Das Aufbringen dieser Stoffe auf Glas aus einer Tetrachloridlösung ist genauer in der USA-Patentschrift Nr. 2,564, 707 beschrieben.
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Die Zusammensetzung und Dicke des auf diese Weise gebildeten Films lässt sich genauer nach der Funktion erläutern, welche der widerstandsbehaftete Mantel 13 in der Übertragungsleitung zu erfüllen hat.
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wobei der wendelförmige Wellenleiter entweder als Filter oder als Übertragungsmedium für dieH -Welle dient. Ein Hauptteil des zirkularen Stromes dieser Welle wird über die Wendel längs der Windungen fortgeleitet. Da die Steigung der Wendel klein ist, stellt diese Komponente praktisch den mit der Welle ver- knüpften Gesamtstrom dar. Der Welle wird dabei durch die Diskontinuität zwischen benachbarten Windungen nur ein kleiner Blindwiderstand dargeboten, der die Phasengeschwindigkeit nur wenig ändert.
Es verläuft daher nur ein sehr geringer Teil des Gesamtstromes der Hel-Welle durch das Widerstandsmaterial des Mantels 13 und daher wird die Dämpfungskonstante der Hu-Welle praktisch nicht beeinflusst.
Bei der E 11 -Welle überwiegt der longitudinale Strom längs des Wellenleiterweges und dieser Strom wird durch die Diskontinuität zwischen den benachbarten Windungen der Wendel 11 stark beeinflusst. Es wird nicht nur die Phasenkonstante dieser Wellenart durch den von dieser Diskontinuität herrührenden Blindwiderstand erhöht, sondern es werden auch die longitudinalen Ströme gezwungen, durch das T : erlust-
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der H 01 -Welle in parasitäre Wellen herabgesetzt. Für die H -und H -Wellen besteht anderseits nur ein beschränkter Bereich der Werte des spezifischen Widerstandes des Mantels 13, in dem diese Wellenarten
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grösser H 01 -Wellen. Die Rechnungsgrundlagen, welche zu diesem Ergebnis führen, sind in dem zitierten Aufsatz enthalten.
Dieser beschränkte Bereich des diese Wellenarten dämpfend beeinflussenden spezifischen Widerstandes reicht von 1 bis 10 Ohm. cm.
Nach einem besonderen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird nun infolge des geschichteten Aufbaues des Mantels 13 der der Wellenenergie dargebotene Widerstand nicht der gleiche sein wie der messbare Widerstand der Metallfilme am Glas. Dieser letztere Widerstand sollte deshalb als der"spezifische ohmsche Widerstand" und der der Welle dargebotene als der "spezifische effektive Widerstand"bezeichnet werden. Durch die Schichtung des Widerstandsfilmes mit dielektrischem Material im Sinne der Erfindung ist es möglich, ein Material zu verwenden, dessen spezifischer ohmisrher Widerstand mehr als 1000-fach niedriger als der erforderliche spezifische effektive Widerstand ist.
Es können somit Metallund Metalloxydfilme mit dem zusätzlichen Vorteil verwendet werden, dass die Dielektrizitätskonstante des zusammengesetzten Materials niedrig bleibt, im Gegensatz zu der hohen Dielektrizitätskonstante eines zusammengesetzten Materials, das isolierte Metallteilchen enthält.
Um diese Prinzipien zu verdeutlichen, sollen nun genauere Daten eines Ausführungsbeispiels der Erfindung angegeben werden. Es sei angenommen, dass ein spezifischer effektiver Widerstand in der Grössen- ordnung von 2 Ohm. cm bei einer Dielektrizitätskonstante in der Grössenordnung von 10 gewünscht wird. Zu diesem Zweck werden 0,12 mm dicke Schichten (Dicke des Glasfasermaterials) mlt einem Metalloxydüberzug aus einem Material mit einem spezifischen ohmischen Widerstand von ungefähr 0, 002 Ohm. cm bis zu einer Gesamtdicke von 1, 0 mm aufgebracht.
Die Metalloxydüberzüge können bei diesem Ausführungsbeispiel eine Dicke in der Grössenordnon von 3000 Ä-Einheiten haben, wobei sich ein spezifischer Oberflächenwiderstand von 50 Ohm je Flächenquadrat ergibt. Fü : andere Ausführungsformen können gleichwertige Parameter empirisch ermittelt oder auch unter Anwendung der Gleichungen errechnet werden, die für mehrschichtige Übertragungsleitungen von E. L Hawthorne in dem Aufsatz "Electromagnetic Shieldung with Transparent Coated Glass" den"Proceedmgs of the Institute of Radio Engineers", Band 42 [1954], S. 548, angegeben worden sind.
Sobald die verlustbehaftete Hülse 13 auf diese Weise aufgebaut worden ist, wird die Übertragungsleitung gemäss der Erfindung durch Aufbringen einer Schutzhülle 14 und der Verbindungsstücke an den beiden Leitungsenden vervollständigt. Jedes Verbindungsstück umfasst einen gewindetragendenTeil 15, einen glatten Führungsteil 16 und einenSitzteil 17, 18 ; diese Teile werden durch Ausfüllen derpormbis zum Aussendurchmesser des Ringes 19 mit Wickeln oder Schichten nach einem Verfahren hergestellt, das ähnlich dem für die dielektrische Schicht 12 beschriebenen Verfahren ist. Es empfiehlt sich, für diese Teile Vorgespinste oder Garne aus Glasfäden bzw.
Glasgewebestreifen und ein Kunstharz zu benutzen, das etwas Elastizität und Duktilität aufweist, um ein Splittern dieser Teile während der Handhabung zu verhindern. Deshalb wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Epoxydharz verwendet, das durch Zusatz von 10 Teilen Metaphenylendiamin und 32 Teilen Polyamid zu 100 TeilenHarz gehärtet wurde.
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Die Schutzhülle 14 wird schliesslich über den widerstandsbehafteten Mantel 13 und über das Gewinde und die Sitzflächen der Teile 15,16, 17 und 18 aufgewickelt. Abgesehen von ihrer grösseren Dicke kann die Hülle 14 identisch mit der dielektrischen Schicht 12 sein. Gegebenenfalls können hiefür auch etwas stärkere Glasfasern bzw. Glasfäden verwendet werden. Im Hinblick auf die übereinstimmende mechanische Ausführung der Hülsen 12,13 und 14 wird eine im wesentlichen homogene, dicht gebundene Einheit erhalten. Die Dicke der Hülle 14 wird so gewählt, dass die Gesamtdicke der lamellierten Baueinheit eine Biegesteifigkeit erhält, die ungefähr gleich jener der metallischen Wellenleiter ist, die allenfalls im gleichen System verwendet werden.
Diese strukturelle Gleichmässigkeit längs der Leitung ist erforderlich, um im Falle einer Wärmedehnung eine gleichmässige serpentinenartige Deformation der gesamten Leitung zu gewährleisten ; andernfalls würde am schwächsten Punkt der Leitung eine starke Krümmung auftreten, wodurch sich eine unerwünschte Umwandlung der Wellenarten ergäbe. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel ergab eine Wandstärke von 1, 59 cm ein hinreichend starkes Trägheitsmoment, um den grösseren Elastizitätsmodul des Kupfers in einem genormten Wellenleiter mit 5 cm Innendurchmesser auszugleichen.
Der fertiggestellte Wellenleiter wird sodann nach den üblichen Kunststoff-Behandlungsverfahren gehärtet, wobei sich der Kern 21 weiterhin dreht. Es hat sich gezeigt, dass eine geringe Temperaturerhöhung zwecks Verkürzung des Härtevorganges zulässig ist. Im Anschluss hieran können die Formendteile 22 entfernt und der Kern 21 kann abgezogen werden.
PATENTANSPRÜCHE ;
1. Einrichtung zur Übertragung elektromagnetischer Wellen der zirkularen elektrischen Schwingungsart
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Zwischenschicht aus dielektrischem Material, dadurch gekennzeichnet, dass der verlustbehaftete Mantel Glasfasern enthält, die mit einem Metalloxydüberzug versehen sind.