Einlagige Hochfrequenzdrossel in Ultrakurzwellengeräten. Da die Windungen von einlagigen Hoch frequenzspulen nicht fest gekoppelt sind und die Kapazität verteilt ist, findet man bei den Hochfrequenzspulen nicht nur eine, sondern eine ganze Reihe von Resonanzfrequenzen.
Langgestreckte Drosseln verhalten sich ganz ähnlich wie Antennen oder Lecherleitungen. Bei solchen Drosseln ist nämlich erstens die Kopplung der Spulenteile besonders gering, zweitens überwiegt in praktischen Anordnun gen die Kapazität der Spulenteile gegen "Erde" jene der Spulenteile untereinander.
Man kann also annehmen, dass langgestreckte Drosseln über ihrer ersten Eigenwelle (f("), bei ,der ein .Spannungsknoten (und ein Strom bauch) in der Mitte der Drossel auftritt, wei tere Resonanzfrequenzen aufweisen, und zwar wie bei einer Dipol-Antenne etwa in den Ab ständen foi : f111 : f112 : f112 <B>...</B> - 1 : 2,: 3 : 4.. .
Dabei werden Leerlaufresonanzen (fol, f112...) mit Spannungsbauch und Stromknoten an den Spulenenden und Kurzschlussresonanzen (fkl, fk2...) mit Spaunungsknoten und Strombauch an den Spulenenden abwechseln. Für die Leerlaufresonanzfrequenzen erreicht der Scheinwiderstand der Spule einen Höchstwert, die Drosselwirkung ist besonders gut.
Für die gurzechlussresonanzfrequenzen wird die Drossel meist unbrauchbar, sie wirkt mehr oder weniger als Kurzschluss.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, in Ultrakurzwellengeräten angeordnete Hochfrequenzspulen gegebener Induktivität so auszubilden, dass sie in einem möglichst grossen Frequenzbereioh Mekenlos, als Hoch frequenzdrossel wirksam wird, wobei die erste Kurzschlussresonanzfrequenz möglichst hoch liegen soll. In einem grösseren Frequenz gebiet lückenlos wirksame Drosseln sind be sonders wichtig bei Messgeräten, z.
B. Mess- sendern, die meist einen grösseren Bereich überstreichen sollen als die Betriebssender. Die Erfindung geht zur Lösung der Auf gabe dabei davon aus, dass unter Beibehal tung der Windungszahl bei Verkleinerung einer gegebenen Drossel in allen Längendi mensionen (also auch Drahtdurchmesser und Drahtisolation) z. B. im Verhältnis 1 : 2 In duktivität und Eigenkapazität auf die Hälfte sinken, weil beide Grössen die Dimension einer Länge haben.
Wird darauf die Windungs- zahl bei gleichbleibenden Spulendimensionen um den Faktor #f2- erhöht, so verdoppelt sich die Induktivität wieder, erreicht also ihren alten Wert, während die Eigenkapa zität unverändert auf dem halben Ausgangs wert bleibt. Die Spulenkapazität hängt dabei in weiten Grenzen nicht von der Windungs- zahl und Drahtstärke, sondern nur von den Abmessungen der Drossel ab.
Als einlagige Zylinderspulen ausgebildete Hochfrequenzdrosseln in Ultrakurzwellen geräten, insbesondere in Dezimeterwellen- geräten, sollen daher gemäss der Erfindung durch Verwendung dünns.tmöglichen Drahtes geometrisch so klein wie möglich gebaut sein, und zwar soll der verwendete Draht so dünn gewählt sein, dass er im Betrieb infolge des die Spule durchfliessenden Gleichstromes (Heizstrom bezw. Anodenstrom der Röhre) eine Temperatur annimmt, die mindestens annähernd der höchstzulässigen Temperatur entspricht, die dieser ohne Schaden zu neh men dauernd aushält.
Für die Erwärmung ist dabei wegen der cinlagigen Wicklung nicht die Stromdichte, sondern die Verlust leistung je Oberflächeneinheit massgebend.
Um die Wärmebeständigkeit der Spule möglichst zu erhöhen benv. um die Spulen abmessungen möglichst klein halten zu kön nen, kann es zweckmässig sein, eloxierten Aluminiumdraht ztt verwenden, der eine Er wärmung bis etwa 4(#f)' C zulässt. Ebenso könnte auch blanker Kupferdraht in einem Behälter mit inaktiver Atmosphäre, z. B. mit Wasserstoff, verwendet werden, wodurch eine Erwärmung bis zur Rotglut, also etwa 800 bis 900" C, zulässig wird. Zwecks Ver kleinerung der Spulenkapazität könnte dabei die Wicklung ohne Wickelkörper freitragend ausgeführt werden.
Für Spulen aus Kupferlackdraht in Luft zeigt ein Versuch, da.ss man bei nicht zu lan gen Drosseln
EMI0002.0032
eine Oberflächen belastung von 0,.1 @V'/cm= zulassen kann. Dabei wird eine L: bertemperatur von zirka 100 C und eine absolute -Temperatur von zirka 120 C erreicht.
In der folgenden Ta belle sind die danach zulässigen Ströme für verschiedene Stärken von Kupferlack (CuL)- Dra.ht berechnet:
EMI0002.0042
Durchmesser <SEP> in <SEP> mm <SEP> 0;0,3 <SEP> 0,04 <SEP> 0,05 <SEP> 0,06 <SEP> 0,08 <SEP> 0,1
<tb> Drahtlänge <SEP> in <SEP> m <SEP> je <SEP> cm' <SEP> Oberfläche <SEP> 2,3'8 <SEP> 1,92 <SEP> 1,61 <SEP> 1,33 <SEP> 1,05 <SEP> 0,8'7
<tb> Widerstand <SEP> in <SEP> Ohm/cm' <SEP> bei <SEP> 120 <SEP> C <SEP> 84 <SEP> 38 <SEP> 20,4 <SEP> <B>11,7</B> <SEP> 5,2 <SEP> 2,75
<tb> Strom <SEP> in <SEP> mA <SEP> bei <SEP> 0,4 <SEP> W/cm@-Be lastung <SEP> 6,9 <SEP> 103 <SEP> 140 <SEP> 185 <SEP> 277 <SEP> 382
<tb> Stromdichte <SEP> in <SEP> A/mm2 <SEP> 98 <SEP> 82 <SEP> 71 <SEP> 65 <SEP> 5.5 <SEP> 49 Man wird also z.
B. für eine Kathoden drossel mit 0,03 bis 0,04 CuL-Draht und für Heizdrosseln mit 0,04 bis 0,0,8 CuL-Draht auskommen.
Bei gegebener Induktivität und Draht stärke der Drossel hängt die Lage der Reso nanzfrequenzen noch von der Form der Dros- eel ab. Die relative Lage dieser Frequenzen, also ihr Verhältnis zueinander, ist dabei un abhängig von der geometrischen Grösse und Windungszahl.
Eine Drossel von gegebener Form wird bei ihren Resonanzfrequenzen ein ganz be stimmtes räumliches Bild des magnetischen und elektrischen Feldes zeigen, unabhängig von ihrer Grösse und von der Grösse,der ver- teilten Kapazität und Induktivität. Man kann also die relative Lage der Resonanzfrequenz auf Grund von Modellversuchen an grossen Drosseln bestimmen.
Eine solche Messreihe an drei Drosseln etwa. gleicher Induktivität (ca. 1,3, mH) und gleicher Drahtstärke (0a0,5- CuL) zeigen die Fig. 1 und 2 für die Formen:
EMI0003.0012
Die Induktivität wurde so gross gewählt, da mit die erste Eigenfrequenz in der Gegend 1 MHz liegt und die Drossel bis weit über diese Frequenz untersucht werden kann.
Man erhält dann für die Spule a (Fig. ja und 2a) den Durchmesser D = 25 mm und die Länge <I>L</I> = 1010 mm bei n <I>=</I> 1608 Windungen, für die Spule b (Fig. 1b und 2b) D = 32 mm, <I>L =</I> 64 mm und n <I>=</I> 1046 Windungen, wäh rend für die Spule c (F'ig. <B>je</B> und' 2e) <I>D</I> = 43 mm,<I>L = 43</I> mm und' n = 69'7 ist.
Fig. 1 zeigt die Ortskurven des Scheinleit- wertes, wobei die Frequenz in MHz als, Para meter eingetragen ist. Der erste Schnittpunkt der Kurven mit der reellen Achse ist die erste Leerlaufresonanz; sie liegt bei
EMI0003.0029
Wie zu erwarten, liegt die Frequenz desto tiefer, je kürzer die Spule ist. Doch ist der Unterschied zwischen<I>a</I> und<I>b</I> noch gering.
Die erste Kurzschlussresonanzfrequenz ent spricht den Punkten, in denen der Scheinleit- wert sein erstes Maximum erreicht. Nach Fig. 1 erhält man für
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Es tritt also der Effekt auf, dass das Ver hältnis fkllfo, bei kurzen Spulen grösser ist als bei langen;
trotzdem liegt bei dem Mess- -beispiel die erste Kurzschlussresonanzfre- quenz bei der langen Spule am höchsten, nur die Unterschiede sind kleiner geworden.
Im übrigen ist bemerkenswert, dass das Verhält nis fk,lfol auch bei
EMI0003.0047
noch unter 2 liegt, d. h.<B>f</B> l" liegt näher als eine Oktave an f". Die Annahme der ganzzahligen Verhältnisse zwischen Grundwelle und Oberwellen gilt übrigens auch bei der Dipol-Antenne nur näherungsweise.
Wenn sich die erste Kurzschlussresonanz nur wenig von der Form der Drossel ab hängig zeigt, obwohl die in diesem Schwin gungsfall entgegenwirkenden Magnetfelder beider Spulenhälften sich bei der kurzen Drossel viel weitergehender aufheben müssen als bei der langen, so folgt daraus ein ent sprechend rasches Anwachsen der wirksamen Eigenkapazität.
Man erkennt aber aus. Fig. 1, dass die Grösse der Leitwertkreise, welche zu der ersten Kurzschlussresonanz gehören, desto kleiner wird, je kürzer die Drossel ist. Es ist auch anschaulich, dass sich die Kurz schlussresonanz bei der kurzen Drossel schlechter ausbilden kann als bei der langen.
Dieses grundsätzliche Verhalten ist auch bei den Drosseln des Ultrakurzwellen-Gebietes zu erwarten, doch werden sich in diesem Ge biet die Resonanzen sehr viel stärker aus bilden (die Kreise vergleichsweise grösser sein), weil die Güte der Spulen entsprechend höher ist.
Eigentümlicherweise zeigt die zweite KurzSChlussreSOnanZ (fk2), der der zweite Leitwertkreis der Fig. 1 entspricht, genau das umgekehrte Verhalten. Diese Resonanz bildet sich um so besser aus, je kürzer die Drossel ist.
In noch höherem Masse gilt für die höheren geradzahligen Kurzschlussreso- nanzen, die sieh bei der kurzen Drossel viel besser ausbilden als die ungeradzahligen, während bei der langen Drossel zunächst ein gleichmässiger Abfall der Resonanzgüte mit der Ordnungszahl der Kurzschlussresonanzen beobachtet wird und erst bei hohen Ordnungs zahlen, wo die Drossel in kurzen Teil stücken schwingt, wieder das typische Ver halten der kurzen Drosseln sieh ausbildet. Eine Erklärung dieses Verhaltens fehlt bisher.
Danach findet man folgende Regeln für die Wahl der Form von Hochfrequenz drosseln: 1. Wenn es möglich ist, die erste Kurzschlussresonanz der Drossel über das Arbeitsgebiet des UKW-Gerätes, z. B. des Messgerätes, zu legen, wählt man zweckmässig eine Form:
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Die Drossel länger als
EMI0004.0013
zu machen, hat wenig Wert, da die Kurzschlussresonanzfrequenz kaum mehr, der Gleichstromwiderstand dagegen rascher wächst. 2. Wenn man einige Kurzschluss- resonanzen in das Arbeitsgebiet der Drossel fallen lassen muss, z. B. weil dieses.
Gebiet sehr gross ist, so ist die Form
EMI0004.0018
am günstigsten, wie ein Blick auf Fig. 1 zeigt. Ob die Drossel für den jeweils vorliegenden Fall auch brauchbar ist, hängt somit von der Grösse ab, die möglichst gering sein soll.
Man erkennt aus Fig. 1 besonders bei Spule c, dass die Leitwertkreise nicht kon zentrisch liegen, sondern mit wachsender Frequenz nach oben in das Gebiet kapazitiver Leitwerte rücken. Die hier vorliegende Ge setzmässigkeit ergibt sich noch deutlicher . aus Fig. 2. Diese zeigt die scheinbare Kapa zität der Spule in Abhängigkeit von der Fre quenz. Als scheinbare Kapazität ist dabei sinngemäss der Quotient: <U>Imaginäre Komponente des</U> Scheinleitwertes Kreisfrequenz bezeichnet, der in einer Messbrücke unmit telbar als Kapazität abgelesen wird.
Den Leitwertkreisen entsprechen dabei Schwan kungen der scheinbaren Kapazität, die nicht symmetrisch zur Nullachse liegen, sondern um einen festen Wert herumpendeln, der gleiehzeitig der Grenzwert der scheinbaren Kapazität bei hohen Frequenzen ist. Dieser als "innere Kapazität" Ci bezeichnete Be trag verhält sieh also so, als wäre er der Spule parallel geschaltet. Es handelt sich aber dabei nicht etwa. um die Klemmenkapa- zität, denn diese wurde sorgfältig bestimmt und abgezogen.
Die "innere Kapazität" ist vielmehr die wirksame Summe der Teilkapa zitäten der Spulenteile gegeneinander und dementsprechend wesentlich von der Form der Spule abhängig.
Da die Spule einseitig geerdet gemessen wurde - wie es auch der praktischen An wendung entspricht - muss man zu der "innern Isapazität" noch etwa 1/2 (genau 0,45) der statisch gemessenen Kapazität der Spule gegen Erde addieren. Man erhält dann die wirksame Gesamtkapazität richtig, d. h. so, da.ss sie zusammen mit der niederfrequent gemessenen Spuleninduktivität die erste Eigenresonanzfrequenz richtig ergibt. Der Faktor 0,45 ist durch die ungleichförmige Spannungsverteilung an der Spule bedingt.
Dies zeigt die folgende Tabelle:
EMI0005.0001
Induktivität <SEP> "Innere" <SEP> Stat. <SEP> Kap. <SEP> Wirksame <SEP> 1. <SEP> Eigenresonanzfrequenz
<tb> Spule <SEP> bei <SEP> 1000 <SEP> Hz <SEP> Kapazität <SEP> gegen <SEP> Erde <SEP> Kapazität
<tb> mH <SEP> PF <SEP> pF <SEP> PF <SEP> berechnet <SEP> gemessen
<tb> <I>ca</I> <SEP> 12,8 <SEP> 0,4 <SEP> 1,7 <SEP> 1,15 <SEP> 1,8.1 <SEP> 1,30
<tb> c <SEP> 13,2 <SEP> 0,75 <SEP> 1,6 <SEP> 1,47 <SEP> .
<SEP> 1,14 <SEP> 1,17
<tb> b <SEP> 13,7 <SEP> 1,4 <SEP> 1,5 <SEP> 2,08 <SEP> 0,94 <SEP> 0,93 Die Annahme, dass die Spulenkapazität, die sich wie eine die Klemmen der Spulen überbrückende Kapazität verhält und als "innere" Spulenkapazität bezeichnet sein möge und im wesentlichen durch die Reihen schaltung der Einzelkapazitäten C, von Windung zu Windung gegeben sei, trifft hier nicht zu. Wäre dies der Fall, dann würde sich ihr Wert im wesentlichen ergeben als Quotient
EMI0005.0008
wobei n die Windungszahl ist.
Cw hängt nur vom Umfang (Durchmesser D) der Spule ab. Die Messung ergibt für 0,0,5 CuL-Draht den Wert
EMI0005.0014
Für eine Spule mit dem Durchmesser <I>D = 25</I> mm und der Länge<I>L -</I> 100, mm erhält man z. B. bei der gegebenen Tndukti- vität L" = 12,8 mH
EMI0005.0019
während die innere Kapazität Ci =<I>0,4</I> pF beträgt.
Es zeigt sich also, dass die Kapazität von Windung zu Windung bei Spulen mit grosser Windungszahl überhaupt keine Rolle spielt, nur die Kapazität über ganze Win- dungsgruppen, z. B. erstes gegen letztes Spulenviertel, ist massgebend. Daraus folgt aber, dass die Spulenkapazität praktisch un abhängig von der Windungszahl, Draht stärke und Drahtisolation sein muss und nur von der absoluten Grösse und von der Form der Spule abhängt.
Um die Schlussfolgerung, dass die Spulen kapazität praktisch unabhängig von der Windungszahl und Drahtstärke ist, nachzu- prüfen, wurden die drei Modellspulen mit stärkerem Draht (0,1 CuL) bewickelt und nochmals gemessen. Die Ergebnisse zeigen Fig. 3 und 4.
Fig. 3 enthält die Ortskurven des Schein leitwertes. Ein Vergleieh mit Fig. 1 ergibt eine bis in die Einzelheiten gehende Über einstimmung des Kurvenverlaufes. Die Kur ven unterscheiden sich nur im Massstab und in den Parameterwerten der Frequenz.
Fig. 4 zeigt die scheinbare Kapazität und bringt den Beweis, dass die Spulenkapazität praktisch unabhängig von Windungszahl und Drahtstärke ist.
Bildet man das Verhältnis der entspre chenden Resonanzfrequenzen der zugehörigen Spulen, die in den Fig. 2 und 4 angegeben sind, so muss sich für jede Spulenform eine Konstante ergeben, :die der Wurzel aus dem Induktivitätsverhältnis entspricht, wenn die Kapazität der entsprechenden Spulen gleich geblieben ist. Wie weit dies der Fall ist, zeigt ,die folgende Tabelle. Der aus dem In duktivitätsverhältnis errechnete Sollwert ist dabei als relativ ungenau zu betrachten, da bei der L-Messung bei 1000 Hz der Wider stand weit überwiegt.
Die Resonanzfrequenzen sind dabei als jene Punkte der Ortskurve definiert, in denen die Kurve parallel zur imaginären Achse verläuft (also nicht als Schnittpunkte mit der reellen Achse, die bei hohen Ordnungszahlen nicht mehr auftreten).
Es sind dies gleich zeitig jene Frequenzen, bei denen die schein bare Kapazität (Fig. 2 und 4) gleich der "innern" Kapazität Cl wird.
EMI0006.0001
Ordnungszahl <SEP> der <SEP> Resonanzfrequenzverhälinis
<tb> Resonanzfrequenz <SEP> Spule <SEP> 1 <SEP> Spule <SEP> 2 <SEP> Spule <SEP> 3
<tb> 01 <SEP> 1,734 <SEP> 1,906 <SEP> 1,
f56
<tb> k1 <SEP> 854 <SEP> 88e9 <SEP> 945 <SEP> 0X <SEP> <B>...</B> <SEP> X-te
<tb> 02 <SEP> 833 <SEP> 98'4 <SEP> <B>935</B> <SEP> Leerlaufresonanz
<tb> k2 <SEP> 842 <SEP> 894 <SEP> 938
<tb> 03 <SEP> 834 <SEP> 894 <SEP> 999 <SEP> Ii1...X-te
<tb> k3 <SEP> <B>859</B> <SEP> 9 <SEP> 884 <SEP> 914 <SEP> Isurzschlussresonanz
<tb> 04 <SEP> 850 <SEP> 896 <SEP> 946
<tb> k4 <SEP> 842 <SEP> 892 <SEP> 949
<tb> 05 <SEP> 850 <SEP> 952 <SEP> 9,64
<tb> k5 <SEP> 855 <SEP> 9'05 <SEP> 964
<tb> 06 <SEP> 844 <SEP> 895 <SEP> 954
<tb> k<U>6 <SEP> 850</U> <SEP> 91<U>5 <SEP> 958</U>
<tb> j/L.ILö <SEP> 1,772 <SEP> 1,834 <SEP> 1,909 Hochfrequenzdros,seln gemäss der Erfin dung sind beispielsweise in den Fig. 5 und 6 dargestellt.
Die Fig. 5 zeigt eine Drossel ohne tragenden gern und Fig. 6 eine auf einem Tragkörper, z. B. einem Keramikkörper, auf gebrachte Drossel. Die Längenabmessung L der Drossel, die aus dünnem Kupferlack draht von z. B. 0,04 mm Durchmesser ge wickelt sein kann, soll dabei z. B. kleiner als 10 mm sein. Das Verhältnis von Spulen länge<I>L</I> zu Spulendurohmesser <I>D</I> ist dabei vorzugsweise zwischen etwa 3 und 4 zu wäh len. Es kann jedoch auch gegebenenfalls zweckmässig sein, für das Verhältnis einen kleineren Wert zu wählen.
So ist es vorteil haft, das Verhältnis zu etwa 2 zu wählen, wenn einige Kurzsahlussresonanzen in das Arbeitsgebiet der Drossel fallen können, z. B. könnte die Länge L = 3 mm und der Durchmesser D - 1,5 mm sein.