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Einrichtung zur Übertragung elektromagnetischer Wellen
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Ho1-lenleiters mit verlustbehaftetem Mantel das verlustbehaftete Material des Mantels möglichst nahe den longitudinalen Strömen liegen soll, welche dem Wendelaufbau folgen und mit den unerwünschten Wellen verknüpft sind. Es wurde nun aber überraschenderweise festgestellt, dass eine Trennung zwischen den Wendeldrähten und dem verlustbehafteten Mantel eine grössere Dämpfungskonstante für die unerwünschten Wellen mit sich bringt und dass auf diese Weise die Umwandlungsverluste in gewendelten Wellenleitern der betrachteten Art vermindert werden.
Demgemäss zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, in einen wendelformigen Wellenleiter die Differenz der Dämpfungskonstanten für die HOl-Wellen einerseits und für parasitäre Wellenarten höherer Ordnung anderseits zu vergrössern. Ferner soll durch die Erfindung die Oberflächenimpedanz. die von dem verlustbehafteten Mantel eines wendelförmigen Wellenleiters den longitudinalen Strömen der Wendel dargeboten wird, auf einen günstigeren Wert transformiert werden. Schliesslich zielt die Erfindung noch darauf ab, den kapazitiven Abschirmeffekt der Wendeldrähte zu kompensieren.
Gemäss der Erfindung ist zwischen den metallischen Wendeldrähten und dem äusseren, verlustbehafteten Mantel einer wendelförmigen Übertragungsleitung eine impedanztransformierende Schicht aus dielektrischem Material angeordnet. Ein solches schichtartiges dielektrisches Transformationsglied bietet dem Inneren des Wellenleiters einen induktiven Blindwiderstand dar, der parallel zu dem kapazitiven Blindwiderstand der Wendeldrähte liegt. Durch geeignete Bemessung der Zusammensetzung und Dicke dieser Schicht kann auf diese Weise der kapazitive Abschirmeffekt der Wendeldrähte kompensiert werden.
Zugleich dient dieses Transformationsglied zur Änderung der vom Inneren des Wellenleiters her ge- sehenen Oberflächenimpedanz des verlustbehafteten Mantels auf einen hinsicLslich der Dämpfung unerwünschter Wellen günstigeren Wert.
Weitere Ziele und Merkmale der Erfindung sollen nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel genauer beschrieben werden.
Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Ansicht eines Endteiles einer erfindjnemassen Übertragungs- leitung. Fig. 2 ist die Seitenansicht einer Form, an welcher dsr Wellenleiter ufhan nach Fig. 1 hergestellt werden kann. Die Fig. 3A und 3B zeigen Diagramme, die zur Erläuterung der Erfindung dienen.
Der in Fig. 1 dargestellte Abschnitt einer Übertragungsleitung, die für zirkuläre elektrische Wellen, also Hol-Wellen, bestimmt ist, umfasst einen langgestreckten Teil 11, der durch einen relativ dünnen, zu einer dichten Wendel gewickelten Draht gebildet ist. Der Draht für die Wendel 11 kann beispielsweise ein emaillierter oder mit Kunststoff überzogene Kupfervolldraht sein. Die benachbarten Windungen der Wendeldrähte sind gegeneinander elektrisch isoliert, was durch freilassung eines Meinen Luftspaltes oder bei isolierten Drähten der erwähnten Art durch den isolierenden Überzug am Draht erreicht werden kann.
Die Ganghöhe der Wendel, d. h. der Abstand zwischen den Mittellinier'leachbarter Windungen, und damit der Steigungswinkel selbst sollen so klein sein, wie dies im Hinblick auf die Isolation zulässig ist. Auf alle Fälle muss dieser Abstand kleiner als eine Viertelwellenlänge sein ; vorzugsweise ist er so klein, dass der Spalt zwischen den benachbarten Windungen kleiner als der Durchmesser des Wendeldrahtes 11 ist.
Die Wendel 11 ist von mehreren Mänteln oder Hülsen umgeben, die nachfolgend genauer beschrie-
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umgeben ist. Der rechte Teil der Hülse 14 bildet ein Verbindungsstück, das einen mit Innengewinde versehenen Teil 15 zum Anschluss eines benachbarten Wellenleiterabschnittes aufweist ; hieran schliesst sich ein innen glatter Teil 16 grösseren Durchmessers an, der die Ausrichtung der Gewinde beim Einsetzen des Nachbarabschnittes erleichtert, sowie ein dritter Teil 18 mit noch grösserem Durchmesser, der einen Sitz 17 zur Aufnahme einer Ringscheibe für den dichten Verschluss der Fuge zum Naehbarelement bildet.
Zwischen der Wendel 11 und dem Gewindeteil 15 befindet sich ein leitender Ring 19, dessen Innendurchmesser gleich dem Innendurchmesser der Wendel 11 ist ; dieser Ring schliesst das Wendelende ab und bildet eine leitende Stossfläche für den benachbarten Wellenleiterabschnitt.
Fig. 2 zeigt einen Kern, um den der in Fig. 1 dargestellte Bauteil geformt 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 Aussengewinde, einen glatten Abschnitt 25 und einen Abschnitt 26, welcher der Ausbildung der Sitzfläche 17 dient. Ein solcher Kern gewünschter Länge wird zusammen mit den beiden Formendteilen axial drehbar zwischen den Spannfuttern einer geeigneten Wickelir).". : chine eingesetzt, nach-
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dem die beiden Ringscheiben 19 montiert worden sind.
Nach Aufbringen eines das Abstreifen der Formteile erleichternden Mittels auf don Kern 21 und die Formendteile 22 wird die Kerneinheit in Rotation versetzt und die Wendel 11 mit engen Windungen zwischen den Ringen 19 aufgewickelt. Die Bewicklung kann mit einem einzigen Draht oder auch mit mehreren, gleichzeitig und parallel zugeführten Drähten erfolgen.
Über dieser Wendel wird gemäss der Erfindung eine impedanztransformierende dielektrische Schicht 12 aufgebracht. Wie bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dargestellt worden ist, wird dieser transformierende Abschnitt aus dünnen Lamellen dielektrischen Materials aufgebaut. Die dielektrische Schicht wirkt ähnlich wie eine kurze radiale Übertragungsleitung, welche die vom verlustbehafteten Mantel 13 den longitudinalen Strömen durch die Wendel 11 dargebotene Impedanz auf einen für die Dämpfung der parasitären Wellenarten günstigeren Wert bringt. Anders ausgedrückt, hat der Scheinleitwert des verlustbehafteten Mantels, vom Inneren der Wendel aus gesehen, bei Fehlen der dielektrischen Schicht eine niedrige induktive Komponente.
Zugleich wirken die benachbarten Windungen des Wendeldrahtes als Plattenkondensator und stellen somit einen kapazitiven Blindwiderstand dar, welcher die parasitären Wellenarten von dem verlustbehafteten Mantel abhält und somit deren Absorption verhindert. Die Impedanztransformation durch die dielektrische Schicht 12 dient nun dazu, die induktive Komponente des Scheinleitwertes des verlustbehafteten Mantels zu erhöhen. Diese induktive Komponente wirkt parallel zur Kapazität des Wendeldrahtes und beseitigt somit den Abschirmeffekt, wodurch eine bessere Durchdringung der Wendel durch die parasitären Wellenarten und eine Absorption derselben im verlustbehafteten Mantel ermöglicht wird.
Die dielektrische Schicht 12 besteht vorzugsweise aus einem Material mit niedriger bis mittlerer Dielektrizitätskonstante. Überdies soll die elektrische Dicke der Schicht zur Erzielung des günstigsten Betriebes innerhalb eines breiten Frequenzbandes kleiner als eine Viertelwellenlänge bei der höchsten zu übertragenden Frequenz sein. wie schon erwähnt, ist der Abstand zwischen benachbarten Windungen der Wendel 11 stets kleiner als eine Viertelwellenlänge. Für den praktischen Betrieb des gewendelten Wellenleiters wird der Abstand der Wendeldrähte so klein wie möglich gewählt und er liegt gewöhnlich wesentlich unter À/4. Ebenso wird aus praktischen Gründen die Dicke der dielektrischen Schicht gewöhnlich wesentlich grösser als der Abstand der Wendeldrähte gemacht.
Bei einem wendelförmigen Wellenleiter, bei dem für die Wendel ein isolierter Draht verwendet wird, der so gewickelt ist, dass benachbarte Windungen einander berühren, muss nämlich die dielektrische Schicht an der Aussenfläche der Wendel eine Dicke haben, die zumindest gleich dem halben Abstand der Wendeldrähte ist. Eine solche Dicke der dielektrischen Schicht reicht jedoch noch nicht aus, um die im Sinne der Erfindung gewünschte Impedanztransformation zu erzielen. Es ist demnach eine zusätzliche Ummantelung aus dielehtrischem Material konzentrisch zur Aussenfläche der Wendel 11 erforderlich. In der Praxis hat es sich als günstig erwiesen, eine dielektrische Schicht zu verwenden, deren radiale Dicke zwischen 0, 1 und 0,25 mm liegt, wenn die Erfindung bei einem wendelförmigen Wellenleiter mit einem Innendurchmesser von 5 cm angewendet wird.
Als Material für den Transformationsabschnitt 12 kann zwar beliebiges Isoliermaterial mit mässiger Dielektrizitätskonstante verwendet werden, doch soll dieses Material ausser geeigneten elektrischen Eigenschaften auch bestimmte mechanische Eigenschaften aufweisen. Besonders eignen sich für diesen Zweck ein mit Glasgespinst verstärkter Kunststoff oder mit Kunststoff imprägniertes Glasgespinst. Zum Aufbringen dieser Schicht können verschiedene Methoden angewendet werden. Beispielsweise kann ein Gewebe aus Glasfäden, dessen Breite ungefähr der Wickellänge der Wendel 11 entspricht, aufgewickelt werden, wobei zwischen allen Windungen Kunststoff eingebracht wird. Anderseits kann auch ein gewebter Streifen aus Glasfäden spiralig mehrmals hin und her längs der Wendel aufgewickelt werden.
Auch kann ein Glasgarn aus etwa 50 leicht verdrillten Fäden spiralig lagenweise aufgewickelt werden, bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Bei dieser Bewicklung mit einem Garn aus leicht verdrillten Fäden verbreitert und verflacht sich das Garn, so dass jede Wicklungslage die Schichtdicke nur um wenige Fäden erhöht. Bei Verwendung eines Streifens oder Garnes kann dieses Material zuerst durch einen Behälter für flüssigen Kunststoff geleitet werden, bevor die Wicklung aufgebracht wird, oder der Kunststoff kann auf andere Weise zwischen den Windungen eingeführt werden. Die Anwendung von Webmaterial empfiehlt sich besonders für handgefertigte kurze Leitungsabschnitte, während die Streifen- oder Garnbewicklung bei Anwendung üblicher Wickelmaschinen bevorzugt wird.
In beiden Fällen soll der Glasgehalt der glasigen Schichten möglichst gleichmässig und hoch sein, etwa in der Grössenordnung von 50 bis 75% liegen, wobei die höheren Werte bevorzugt werden. Für den beschriebenen Zweck sind verschiedene Kunststoffe geeignet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein handelsübliches Epoxydharz verwendet,
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das katalytisch gehärtet werden kann, um ein wärmehärtbares Polymer zu bilden.
Die Fig. 3A und 3B zeigen graphisch die Zunahme der Dämpfungskonstanten für die unerwUnschten Eu- und Hn-Wellen. InsbesonderezeigtFig. 3dieDämpfungskonstantefürdie En-Wellen als Funktion der Frequenz bei einem wendelförmigen Wellenleiter mit und ohne dielektrische Transformation. Diese Kurven wurden bei einem Wellenleiter aufgenommen, der einen Innendurchmesser von 5 cm hatte, wobei die erfindungsgemässe dielektrische Transformationsschicht 0, 15 mm dick war und eine Dielektrizitätskonstante von 4 hatte ! In Fig. 3A gibt die Kurve 31 die Dämpfungskonstante des wendelförmigen Wellenleiters für die En-Welle bei einer aus Wendeldraht und verlustbehaftetem Mantel bestehenden Einheit an. Bei einem solchen Aufbau liegt der verlustbehaftete Mantel unmittelbar an der Wendel selbst an.
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gemäss der Erfindung. Es ist erkennbar, dass die Einfügung der dielektrischen Transformationsschicht 12 in Fig. 1 die erzielbare Dämpfung für die En- Welle erheblich vergrössert. In beiden dargestellten Fällen, d. h. mit und ohne dielektrische Transformationsschicht, ist die Dämpfungskonstante für die Hol-Welle sehr klein, nämlich in der Grössenordnung von 3. 10-6. Aus diesem Wert der Dämpfungskonstante für die HOl-Welle und aus Fig. 3A ergibt sich, dass beispielsweise bei einer Frequenz von 55 kMHz der Zuwachs in der Differenz der Dämpfungskonstanten der Hol-Welle und der En- Welle, der durch die Erfindung erzielt wird, über 400% liegt.
Fig. 3B zeigt die Dämpfungskonstanten der Zwellen als Funktion der Frequenz für einen wendelförmigen Leiter mit und ohne dielektrische Transformation. Zur Aufnahme der Kurven nach Fig. 3B wurden die gleichen Wellenleiterbauformen wie für die Aufnahme der Kurven nach Fig. 3A verwendet. Die Kurve 33 gibt die Dämpfungskonstante für die H-Welle bei einer aus Wendeldraht und verlustbehaftetem Mantel bestehenden Baueinheit an. Die Kurve 34 gibt die gleiche Grösse für eine erfindungsgemässe Baueinheit aus Wendeldraht, dielektrischer Transformationsschicht und verlustbehaftetem Mantel an. Wie im Falle der vorher behandelten Eu-Welle liegt auch hier die Dämpfungskonstante der Hol-Welle in der
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der durch die Erfindung erzielt wird, über 200% liegt.
Es ist zu beachten, dass dieser wesentliche Unterschied der Dämpfungskonstanten der gewünschten HOI- Welle einerseits und der unerwünschten parasitären Wellen, insbesondere der E -undH.., Wellen anderseits, auf einer körperlichen Trennung der die Energie fortleitenden Wendel und des die Energie absorbierenden verlustbehafteten Mantels beruht.
Es sei nun wieder auf Fig. 2 und auf die Methoden zur Herstellung des Wendelaufbaues gemäss der Erfindung mit einer dielektrischen Schicht 12 und einem verlustbehafteten Mantel 13 Bezug genommen.
In einigen Anwendungsfällen von wendelförmigen Wellenleitern sind für diese Schichten homogene Materialien mit isotropen elektrischen Eigenschaften verwendet worden. Häufig haben aber diese festen Materialien mechanische Eigenschaften, die für bestimmte Anwendungsfälle nicht geeignet sind. Als geeignetes Material für diese Bauteile kommen geschichtete, vorbehandelte Glasgespinste in Betracht.
Die Widerstandsschicht kann unter Anwendung von für die Schichtbildung geeigneten Kunststoffen und von Glasgewebe, Glasgewebestreifen oder Glasgarn hergestellt werden, wobei die einzelnen Glasfäden einen elektrisch leitenden Metalloxydüberzug jener Art aufweisen, die gewöhnlich als"irisierende" Überzüge bezeichnet werden. Oxydüberzüge, die einen elektrischen Widerstand und andere für verlustbehaftete Mäntel geeignete Eigenschaften aufweisen, können unter Anwendung eines Gemisches der Oxyde von Zinn, Titan, Kadmium, Indium und Antimon hergestellt werden. Insbesondere haben sich Kombinationen des Oxyds von Zinn und von kleinen Mengen der Oxyde von Titan und Antimon als befriedigend erwiesen.
Die Auswahl und die Beträge der andern, mit Zinnoxyd kombinierten Oxyde sowie die Dicke des Films regeln die elektrischen Eigenschaften, insbesondere den spezifischen Oberflächenwiderstand des Films ein. Das Aufbringen dieser Stoffe auf Glas aus einer Tetrachloridlösung ist in der USA- Patentschrift Nr. 2,564, 707 genauer beschrieben.
Die erfindungsgemässe Übertragungsleitung wird durch Aufbringen der Schutzhülse 14 und der Verbindungsstücke an den Leitungsenden fertiggestellt. Jedes Verbindungsstück umfasst einen gewindetragenden Teil 15, einen glatten Führungsteil 16 und einen Sitzteil 17, 18 ; diese Teile werden durch Ausfüllen der Form bis 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
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Handhabung zu verhindern.
Ein Epoxydharz, das durch Zusatz von 10 Teilen Metaphenylendiamin und 32 Teilen Polyamid zu 100 Teilen Harz gehärtet wurde, kann für diesen Zweck verwenaet werden.
Die Schutzhülse 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 Hülse 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 bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine im wesentlichen homogene, dicht gebundene Einheit erhalten. Die Dicke der Hülse 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 ergibt 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 Schwingungs- art (HOl-Wellen). bestehend aus einer durch Aufwickeln eines Leiters mit nebeneinander liegenden, gegeneinander elektrisch isolierten Windungen gebildeten Wendel und aus einem Mantel aus einem mit elektrischen Verlusten behafteten Material, welcher diese Wendel umschliesst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Wendel (11) und dem äusseren, verlustbehafteten Mantel (13) eine impedanztransformierende Schicht (12) aus dielektrischem Material angeordnet ist.