DE1053597B

DE1053597B - Hohlleiter fuer die UEbertragung von magnetischen Rohrwellen mit elektrischem Zirkularfeld, insbesondere von H-Wellen, bei dem in Abstaenden zur Daempfung von unerwuenschten Wellenformen Wellenfilter eingeschaltet sind

Info

Publication number: DE1053597B
Application number: DES54809A
Authority: DE
Inventors: Dr Herbert Larsen; Herbert Bauhof; Dietrich Dosse
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1957-08-21
Filing date: 1957-08-21
Publication date: 1959-03-26

Description

In der leitungsgebundenen Übertragung von höchstfrequenten elektromagnetischen Rohrwellen treten die magnetischen Wellen mit elektrischem Zirkularfeld, die sogenannten H_on-Wellen, und von diesen insbesondere die H₀₁-Wellen wegen ihrer vorteilhaften Eigenschäften, mit steigender Betriebsfrequenz weniger gedämpft zu werden, immer mehr in den Vordergrund. Nachteilig für die Übertragung wirkt sich dagegen bei diesen Wellenmodi ihr instabiler Charakter aus, was besagen soll, daß bereits geringfügige Verformungen des zur Übertragung der H₀₁-Wellen vorgesehenen Hohlleiters mit kreisförmigem oder annähernd kreisförmigem Querschnitt eine Umwandlung der H₀₁-Welle in andere Wellenmodi verursachen, wodurch der Übertragungsvorgang gestört und der H₀₁-NutzwelleEnergie entzogen wird. Es müssen daher für eine störungs- und dämpfungsarme Übertragung der H₀₁-Nutzwelle besondere Maßnahmen vorgesehen werden, durch die dem Entstehen von störenden Wellenmodi vorgebeugt und die Ausbreitung der störenden Wellenmodi unterbunden wird. Hierzu ist es bereits bekannt, dem H₀₁-Hohlleiter selbst einen besonderen konstruktiven Aufbau zu geben, indem einzelne Metallringe nebeneinander angeordnet werden oder ein Leiter wendelförmig zu einem Rohr geformt wird, so daß der so gebildete Hohlleiter zirkulär oder annähernd zirkulär verlaufende Schlitze erhält.

Ferner ist es bekannt, die in einem H₀₁-Hohlleiter auftretenden störenden E- und nicht rotationssymmeirischen H-Wellen dadurch zu bedampfen, daß in Abständen Wellenfilter aus einer sternförmigen Anordnung von Dämpfungsschichten in die Hohlleiterstrecke eingeschaltet werden. An derartige Wellenfilter muß die Forderung gestellt werden, daß sie eine hohe Dämpfungsselektivität haben, d. h. daß das Verhältnis der Dämpfungen von Störwellen zur Nutzwelle möglichst groß ist, und daß durch die Wellenfilter selbst keine störenden Wellenformen erzeugt werden. Bei den bekannten Ausführungsformen von Wellenfiltern der beschriebenen Art sind diese Forderungen noch nicht im befriedigenden Maße erfüllt.

Bei einer bekannten Au sfüh rungs form bestehen die sternförmig angeordneten Dämpfungsflächen entweder aus Metall oder aus auf ihren Oberflächen leitend gemachten Isolierstoffen. Es hat sich gezeigt, daß die Anwendung von Dämpfungsflächen aus reinem Metall, die aus Stabilitätsgründen gegenüber der Eindringtiefe des elektrischen Feldes von vornherein eine verhältnismäßig große Dicke besitzen müssen, und auch die Anwendung von Dämpfungsflächen aus Isolierstoffen mit leitender Oberflächenschicht schlechthin den Nachteil mit sich bringen, daß die zur Übertragung vorgesehenen H₀₁-Wellen stark verzerrt und damit die Erzeu-Hohlleiter für die übertragung
von magnetischen Rohrwellen
mit elektrischem Zirkularfeld,
insbesondere von Hoi-Wellen,
bei dem in Abständen zur Dämpfung
von unerwünschten Wellenformen
Wellenfilter eingeschaltet sind

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dr. Herbert Larsen, Herbert Bauhof, Berlin-Spandau, und Dietrich Dosse, Berlin-Wilmersdorf,
sind als Erfinder genannt worden

gung von störenden Nebenwellen begünstigt werden. Dies hängt damit zusammen, daß die von den radial verlaufenden Metallflächen eingeschlossenen sektorförmigen Räume in sich abgeschlossene sektorförmige Teilhohlleiter bilden, in denen entsprechend den für diese sektorförmigen Hohlleiter gültigen Randbedingungen sogenannte »Sektorwellen« unter Umständen angeregt werden können, die den Übertragungsvorgang erheblich stören.

AlleBestrebungen in der jüngsten Entwicklung von Wellenfiltern für H₀₁-Wellen mit sternförmig angeordneten Dämpfungsflächen gehen dahin, diese Dämpfungsflächen so' auszubilden und anzuordnen, daß kurch sie die Übertragung der H₀₁-Wellen nicht beeinträchtigt wird. Die Schwierigkeiten zur Erreichung dieses Zieles bestehen hauptsächlich darin, daß die Dämpfungsflächen einerseits möglichst dünn sein müssen, damit die H₀₁-Wellen verzerrungsfrei und ungedämpft das Wellenfilter durchlaufen können, und daß sie andererseits einen genügend hohen Widerstand besitzen, um störende Nebenwellen mit radialen elektrischen Feldstärkekomponenten ausreichend zu dämpfen.

Ein in dieser Richtung bekanntes Wellenfilter, das hinsichtlich der vorstehend beschriebenen Ausführungsform eine Verbesserung mit sich bringt, besteht im wesentlichen aus einem den Rohrquerschnitt des

809 787/404

Hohlleiters ausfüllenden zylindrischen Schaumstoffkörper mit radial eingeschnittenen Längsschlitzen, wobei die Längsschlitze mit einer Widerstandsschicht, im allgemeinen aus Graphit, ausgefüllt sind. Bei dieser Ausführungsform fällt jedoch nachteilig ins Gewicht, daß der den Querschnitt ausfüllende dielek-trische Körper störend im Sinne einer Erzeugung unerwünschter Wellenformen wirkt, falls er nicht elektrisch sehr gleichmäßig ist und genaue Zylinderform hat, und daß die widerstandsbehafteten Schichten in den Längsschlitzen für die H₀₁-Nutzwelle eine Zusatzdämpfung erzeugen, die der Dicke dieser Schichten angenähert proportional ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlleiter mit kreisförmigem oder annähernd kreisförmigem Querschnitt für die Übertragung von magnetischen Rohrwellen mit elektrischem Zirkularfeld, insbesondere von H₀₁-Wellen, bei dem in Abständen zur Dämpfung von unerwünschten Wellenformen Wellenfilter aus einer sternförmigen Anordnung von Isolierstoffolien mit Ieitender Oberflächenschicht angeordnet sind. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Wellenfilter dahingehend auszubilden, daß durch sie das Feldbild der H₀₁-Nutzwelle praktisch nicht gestört und für die H₀₁-Nutzwelle nur eine möglichst kleine Zusatzdämpfung verursacht wird. Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die möglichst dünnen selbsttragenden und aus dielektrisch hochwertigen Isolierstoffen bestehen den Isolierstoffolien mit im wesentlichen planparallelen Seitenflächen nur einseitig mit einer möglichst dünnen leitenden Schicht versehen sind und derart ausgerichtet sind, daß ihre mit der leitenden Schicht versehene Seitenfläche sich genau in radialer Richtung erstreckt.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert und sollen weitere die Erfindung vorteilhaft ergänzende Einzelheiten dargelegt werden. Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Wellenfilter gemäß der Erfindung teilweise im Querschnitt.

Gemäß dieser Zeichnung ist das in einem Rohr 1 zum Teil dargestellte Wellenfilter aus beispielsweise acht sternförmig angeordneten dünnen selbsttragenden Isolierstoffolien 2 mit planparallelen Seitenflächen aufgebaut. Die Isolierstoffolien bestehen aus einem hochwertigen dielektrischen Material, z. B. aus Glimmer, unvernetztem und gegebenenfalls gerecktem Polystyrol oder Glas. Jede Isolierstoffolie 2 ist in radialer Richtung so angeordnet, daß sie sich mit einer ihrer Seitenflächen genau in radialer Richtung erstreckt. Auf diesen sich genau in radialen Richtungen erstreckenden Seitenflächen sind die Isolierstofffolien 2 jeweils mit einer extrem dünnen leitenden Schicht 3 bedeckt, deren Dicke in der Größenordnung von Ängström- (Ä-) Einheiten liegt. Die leitenden Schichten 3 werden vorteilhaft durch Aufdampfen von Metallen, z. B. Silber, erzeugt. Sie können aber auch dadurch hergestellt werden, daß ein Lack mit einer Metallsuspension (Leitlack) auf die betreffenden Seitenflächen der Isolierstoffolien aufgesprüht wird.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel bildet das Wellenfilter aus den Isolierstoffolien 2 mit den leitenden Schichten 3 eine selbsttragende Einheit. Hierzu sind die Isolierstoffolien 2 mit den leitenden Schichten 3 an ihren zueinandergekehrten Rändern in einem oder mehreren zylindrischen Trägerkörpern 4 eingebettet. Der Trägerkörper besteht zweckmäßig aus einem Rohr mit Längsschlitzen zur Aufnahme der Isolierstoffolien, das bei eingesteckten Isolierstofffolien mit einem geeigneten Kleber ausgefüllt ist. Gegebenenfalls kann statt eines Klebers auch das für

die Isolierstoffolien vorgesehene Kunststoffmaterial verwendet werden, das durch Erwärmung verflüssigt und in den freien Raum des Rohres gegossen wird.

Für die erfindungsgemäße Ausbildung eines Wellenfilters sind die folgenden Gesichtspunkte wesentlich:

Die Dämpfungsschichten bei einem Wellenfilter müssen, damit die unerwünschten Wellenmodi, insbesondere die stark störende E₁₁-Welle, genügend gedämpft werden, einen ausreichend hohen Flächenwiderstand R = -|- (ρ = spezifischer Widerstand, d = Dicke der Dämpfungsschichten) aufweisen. Nun erfährt aber, was bereits eingangs erwähnt wurde, die H₀₁-Nutzwelle durch die widerstandsbehafteten Dämpfungsschichten eine Zusatzdämpfung, die der Dicke d der Dämpfungsschichten angenähert proportional ist. Es muß also einerseits aus Gründen einer geringen Dämpfung der H₀₁-Nutzwelle die Dicke d der Dämpfungsschichten möglichst klein gehalten werden und andererseits der Flächenwiderstand R der Dämpfungsschichten einen genügend hohen Wert besitzen, damit die störenden Wellenmodi ausreichend stark gedämpf t werden. Dementsprechend handelt es sich bei dem Aufbau der Dämpfungsschichten um die Aufgabe, den erforderlichen Flächenwiderstand R mit einer möglichst geringen Dicke d der Dämpfungsschicht zu erhalten.

Die Graphitschichten, welche bei den bekannten Wellenfiltern gewöhnlich als Dämpfungsschichten verwendet werden, haben einen spezifischen Widerstand von etwa ρ = 3 Ohm · cm. Eine Fläche mit einem gewünschten Flächenwiderstand von beispielsweise R = 300 0hm müßte damit eine Dicke von 0,01 cm aufweisen. Ein aus acht Flächen bestehendes Wellenfilter nimmt dann eine Gesamtdicke von 0,08 cm ein und erzeugt beispielsweise für eine H₀₁-Welle bei einer Rohrwellenlänge von etwa λ = 18 mm eine Dämpfung von 3680· IO^-5 N/cm und für eine störende E₁₁-Welle eine Dämpfung von etwa83000-10-⁵N/cm. Das hierbei auftretende Verhältnis der Dämpfungen

von Stör- zur Nutzwelle = 22,6 hat einen un

ci (H₀₁)

günstig niedrigliegenden Wert. Verwendet man dagegen gemäß einem Merkmal der Erfindung statt einer Graphitschicht eine extrem dünne leitende Schicht, ζ-. B. Silberschicht, so hat man bei einer Schichtdicke von 10 Ä. einen spezifischen Widerstand

15 · 1,62 ■ IO-⁶ Ohm ■ cm = 24 · IO-⁶ Ohm · cm,

der etwa ISmal größer als der normale Wert ist. Mit diesem spezifischen Widerstand ergibt eine 10 Ä dicke Schicht einen Flächen wider standi? von etwa 240 Ohm, also einen Widerstand, der in der gewünschten Größenordnung liegt. Derartige Dämpfungsschichten verursachen für die H₀₁-Nutzwelle nur eine verschwindend kleine Zusatzdämpfung.

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau eines Wellenfilters aus selbsttragenden dünnen Isolierstoffolien können die leitenden Schichten in der gewünschten geringen Dicke in einfacher Weise, beispielsweise durch Aufdampfen eines Metalls auf eine Seitenfläche der Isolierstoffolie, erzeugt werden. Ferner wird durch den besonderen Aufbau erreicht, daß die dünnen leitenden Schichten sich stets exakt in radialer Richtung erstrecken, so daß sie die zirkuläre elektrische Feldstärke der H₀₁-Welle genau in senkrechter Richtung schneiden und damit keine Verzerrung des Feldes der H₀₁-Welle verursachen.

Darüber hinaus wird bei dem Wellenfilter gemäß der Erfindung durch die Verwendung von dünnen

Claims

1 selbsttragenden, dielektrisch hochwertigen. Isolierstoffolien als Träger für die leitenden Schichten dem Gesichtspunkt Rechnung getragen, daß die praktisch unumgängliche Anwendung von dielektrischen Trägern möglichst geringe dielektrische Verluste für die H01-Nutzwelle verursacht. Da bei dem erfindungsgemäßen Wellenfilter die dünnen leitenden Schichten für die H01-Nutzwelle eine verschwindend kleine Zusatzdämpfung hervorrufen, so ist die Dämpfung der H01-Nutzwelle praktisch nur durch die dielektrischen Verluste in den Isolierstoffolien bestimmt. Werden diese dielektrischen Verluste bei einem Wellenfilter gemäß der Erfindung berücksichtigt, das beispielsweise aus acht Isolierstoffolien mit einer Dicke von 0,2 mm und einem dielektrischen Verlustwinkel tg<5 = 4 · 10—1 aufgebaut ist und bei dem die Isolierstoffolien mit einer IOA dicken Silberschicht bedeckt sind, so erhält man für die H01-Nutzwelle bei einer Rohrwellenlänge 2=18 mm eine Dämpfung α (H01) = 6,7 · ΙΟ-6 N/km und bei einer Rohrwellenlänge 2 = 6 mm eine Dämpfung Gt(H01) =1,9-10—5N/km. Die entsprechenden Werte für eine StorendeE11-Welle lauten «(E11) = 82 500· IO-6 N/km bzw. 70000· 10-« N/km. Bildet man hieraus die Verhältnisse der Dämpfungen von Stör- zur Nutzwelle — . so erhält man die ~5 a (Hm) Verhältniszahlen 12300 bzw. 3680. Vergleicht man diese Zahlen mit der vorstehend angegebenen Verhältniszahl 22,6 bei einem bekannten Wellenfilter aus Graphitschichten, bei deren Berechnung ebenfalls acht Dämpfungsschichten mit annähernd denselben Flächenwiderständen zugrunde gelegt wurden, so erkennt man, in welchem erheblichen Maße durch die Erfindung die Dämpfungsselektion verbessert wird. Die Folge dieser verbesserten Dämpfungsselektion ist, daß man die Filter in relativ geringen Abständen in der Hohlleiterstrecke anbringen kann, ohne daß dadurch die Dämpfung der H01-Nutzwelle allzusehr erhöht wird. Bei einer Rohrwellenlänge von 2=6mm hat ein Kupferrohr von 50 mm Durchmesser für die H01-Nutzwelle eine Dämpfung Ct(H01) =0,13 N/km. Ist beispielsweise alle 20 m ein Wellenfilter von 10 cm Länge in der Hohlleiterstrecke eingeschaltet, so ergibt sich für die H01-Nutzwelle eine Dämpfung von 0,14 N/km und für eine E11-Storwelle hingegen eine Dämpfung von 35 N/km. Die Verringerung der Wellenfilterabstände, die mit dem erfindungsgemäßen Aufbau der Wellenfilter erreicht werden kann, ist wichtig, da bei engeren Abständen der Wellenfilter die Baugenauigkeit der Hohlleiterstrecke ermäßigt werden kann. Man muß z. B. auch damit rechnen, daß eine im Erdboden verlegte Rohrleitung durch später eintretende Bewegungen im Erdboden in ihrem geradlinigen Verlauf gestört wird. Dagegen kann man sich mit dem erfindungsgemäßen Wellenfilter ohne weiteres dadurch schützen, daß die Abstände der Wellenfilter auf Reserve geringer gewählt werden, als entsprechend der ursprünglichen Genauigkeit der Hohlleiterstrecke erforderlich wäre. Zu der Ausführung der Träger für die dünnen leitenden Schichten als dünne selbsttragende Isolierstofffolien mit planparallelen Seitenflächen ist noch zu bemerken, daß mit Rücksicht auf das Feldlinienbild der H01-Welle es an sich wünschenswert ist, daß sich nicht nur die mit der dünnen leitenden Schicht bedeckte Seitenfläche jeder Isolierstoffolie genau in radialer Richtung erstreckt, sondern auch die andere Seitenfläche, d. h. daß beide Seitenflächen mit Äquipotentialflächen des elektrischen Transversalfeldes möglichst 597 zusammenfallen sollten. Daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung und Ausbildung der Isolierstofffolien sich nur die mit der leitenden Schicht bedeckten Seitenflächen der Isolierstoffolien genau in radialer Richtung erstrecken, hat folgende Gründe: Bei einem Hohlleiter-Innenradius von 25 mm und einer Foliendicke von nur" 0,2 mm in Abstand von 3 mm von der Achse des Hohlleiters würde bei radialer Ausrichtung beider Seitenflächen der Isolierstoffolien die Foliendicke am Mantel des Hohlleiters schon 1,67 mm betragen, d. h., die mittlere Dicke einer Isolierstoffolie betrüge dann rund 0,95 mm. In diesem Fall hätten beispielsweise acht Isolierstoffolien zusammen eine mittlere Dicke von rund 7,46 mm, d. h. von rund-9,5% des mittleren Umfanges (78,5 mm) des Hohlleiters. Dies würde zu erhöhten dielektrischen Verlusten führen und damit die Dämpfungsselektivität vermindern. Außerdem wären bei einer derartigen Ausbildung der Isolierstoffolien diese schon so schwer, daß sie sich durch ihr eigenes Gewicht verbögen. Eine Herabsetzung der Foliendicke am Trägerkern und damit auch längs ihrer ganzen radialen Erstreckung verbietet sich aus demselben Grund. Es muß daher darauf verzichtet werden, alle Seitenflächen der Isolierstoffolien radial auszurichten. Macht man statt dessen gemäß einem Merkmal der Erfindung die Isolierstoffolien planparallel und dünn (etwa 0,2 bis 0,3 mm dick), ordnet man sie so an, daß nur eine ihrer Seitenflächen genau radial steht, und benutzt man nur diese eine Seitenfläche als Träger einer dünnen leitenden Schicht, so beträgt die gesamte Trägerschichtdicke nur 1,6 bis 2,4 mm, d. h. rund 2 bis 3 % des mittleren Umfanges des Hohlleiters. Zugleich wird damit erreicht, daß die leitende Schicht senkrecht von den elektrischen Feldlinien der H01-Nutzwelle durchsetzt wird. Außerdem sind solche Isolierstoffolien so leicht, daß sie ihre ebene Form beibehalten, wenn sie an einem Ende, z. B. wie in der Zeichnung an einem Trägerkern 4, eingespannt werden. Erwähnt sei noch, daß das in der Zeichnung dargestellte Wellenfilter eine bevorzugte Ausführungsfo >rm der Erfindung ist, indem es sich dadurch auszeichnet, daß es in sich eine selbsttragende Einheit bildet und an beliebiger Stelle in den Hohlleiter eingeschoben werden kann. Die Erfindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Es ist z. B. möglich und unter Umständen auch zweckmäßig, für jedes Wellenfilter ein besonderes Rohrstück mit Verbindungsflanschen vorzusehen, mit dessen Wandung die Isolierstoffolien mit den leitenden Schichten z. B. durch punkt- oder strichförmige Verklebung fest verbunden sind. Die Isolierstoffolien stoßen dabei in der Rohrachse zusammen und sind dort, beispielsweise ebenfalls durch punkt- oder strichförmige Verklebung, fest zusammengehalten. Es empfiehlt sich ferner, die Isolierstoffolien beispielsweise in der Weise zu tapern, daß sie die Form oder annähernd die Form eines Trapezes haben, dessen längerer Rand der Rohrwandung zugekehrt ist. Hierdurch erhält das Wellenfilter an seinen beiden Seiten einen annähernd konischen Verlauf, wodurch eine bessere elektrische Anpassung erreicht wird. Patentansprüche:

1. Hohlleiter mit kreisförmigem oder annähernd kreisförmigem Querschnitt für die Übertragung von magnetischen Rohrwellen mit elektrischem Zirkularfeld, insbesondere von H₀₁-Wellen, bei dem in Abständen zur Dämpfung von unerwünschten Wellenformen Wellenfilter aus einer stern-