DE1056217B - Wellenfuehrung zur leitungsgebundenen Fortfuehrung elektromagnetischer Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellenführung; zur leitungsgebundenen Fortführung elektromagnetischer Wellen, bestehend aus ein- oder mehrschichtigem dielektrischem Material von Stabform.

Bekannte Wellenführungen sind die sogenannten dielektrischen Antennen, das sind Stäbe aus dielektrischem Material, deren Durchmesser in Abhängigkeit von der Dielektrizitätskonstante des verwendbaren Materials so gewählt ist, daß eine Abstrahlung längs der Staboberfläche erfolgt. Bei hinreichend großem Durchmesser des Stabes läßt sich bekanntlich die Abstrahlung beseitigen und der Stab zur leitungsgebundenen Fortführung von Wellen verwenden. Bei der praktischen Anwendung derartiger Wellenführungen zeigt sich jedoch, daß die für eine möglichst verlustfreie Übertragung geeigneten Dielektrika nur unzureichend die an derartige Wellenführungen zu stellenden mechanischen Forderungen zu erfüllen in der Lage sind. Beispielsweise bei der Übertragung axialsymmetrischer Wellen kommt es nämlich nicht nur auf die Zugfestigkeit des verwendeten Materials an, sondern auch auf eine hinreichende Steifeim Querschnitt. Man könnte daran denken, zur Beseitigung dieser Nachteile — so wie in der britischen Patentschrift 420 447 in den Ausführungsbeispielen gezeigt — das dielektrische Material mit einem Metallmantel unmittelbar zu umschließen. Bei einer derartigen Lösung zeigt sich jedoch eine unerwartete Zunahme der Übertragungsverluste, was auf starken Oberflächenströmen am umgebenden Metallmantel beruhen, dürfte.

Der Erfindung liegt als Aufgabe die Lösung dieses Problems zugrunde.

Diese Aufgabe wird bei einer Wellenführung zur leitungsgebundenen Fortführung elektromagnetischer Wellen, bestehend aus ein- oder mehrschichtigem dielektrischem Material von Stabform, in der Weise gelöst, daß erfindungsgemäß bei Verwendung für die Übertragung von H-Wellen zur mechanischen Verfestigung im Stabinnern wenigstens ein Metall teil derart angeordnet ist, daß es an der Fortleitung der Wellen unbeteiligt ist oder daß bei Verwendung für die Übertragung von E-Wellen in das dielektrische Material in Leitungsrichrung verlaufende zugfeste Bänder oder Fäden aus nichtleitendem Stoff eingebettet sind.

Es sind an sich die sogenannten Drahtwellenleiter bekannt, die aus einem mit einer dielektrischen Schicht umgebenen Metalldraht bestehen. Physikalische und mathematische Berichte über solche Drahtwellenleiter zeigen aber, daß bei diesen Leitungen die elektromagnetische Welle durch den metallischen Leiter selbst geführt wird; dies geht daraus hervor, daß auf der Oberfläche des Metalldrahtes Leitungs-Wellenführung
zur leitungsgebundenen Fortführungelektromagnetischer Wellen

Anmelder:

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

^x5 Dr.-Ing. habil. Otto Zinke, Darmstadt,

und Dr. phil. HeinrichKaden₁ München-Solln,
sind als Erfinder genannt worden

ströme in Axialrichtung -fließen, die sich, durch dielektrische Verschiebungsströme fortgesetzt, in Kreisen schließen. Das dielektrische. Material soll also- bewirken, daß das sich bei einem blanken Leiter bis ins Unendliche erstreckende elektromagnetische Feld sich beim Drahtwellenleiter auf die nähere Umgebung des metallischen Leiters konzentriert. Bei der Anordnung gemäß der Erfindung, dagegen ist der metallische Draht an der Fortleiturig der elektromagnetischen Welle nicht beteiligt, weiPder Strom hier in Umfangsrichtung fließt. Damit fallen aber auch die starken Verluste, die ein metallischer Leiter bei der E-WelIe mit sich bringt, bei der-'Anordnung gemäß der Erfindung fort.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Vorteilhafte Ouerschnittsformen für die Wellenführungsanordnung gemäß der Erfindung sind beispielsweise der volle runde, ovale oder rechteckförmige Querschnitt. Die Abmessungen der Querschnittsformen sollen insbesondere so gewählt werden, daß die größte Ausdehnung der Wellenführungsänordnung, beispielsweise bei runden Wellenleiteranordnungen der äußere Durchmesser, in der Größenordnung einer Betriebswellenlänge liegt. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit eignen sich bei Anordnungen, an denen sich eine E₀₁-Welle ausbilden soll, im allgemeinen nur zugfeste, nichtleitende Fäden oder Bänder. Eine mechanisch stabile,, für die Übertragung mittels des E₀₁-Wellentyps geeignete Wellenführungsanordnung kann beispielsweise dadurch .erhalten werden, daß man in das dielektrische Material in Leitungsrichtung verlaufende zugfeste Bänder oder

90S· 508/311

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Fäden aus nichtleitenden Stoffen einbettet, die bei geringen dielektrischen Verlusten eine große mechanische Festigkeit aufweisen. Solche Stoffe stehen beispielsweise in Kunststoffbändern oder Fäden, besonders vorbehandelten Hanfseilen oder Perlonschnüren zur Verfügung. Eine andere Möglichkeit zur Vergrößerung der Zug- und Formfestigkeit besteht darin, daß man im dielektrischen Material der Wellenführungsanordnung eingebettete band- oder fadenförmige mechanisch steife Stoffe aus dielektrischem Material anordnet.

Die Fig. 1 zeigt einen dielektrischen Volleiter im Querschnitt. Da die vorzugsweise verwendeten dielektrischen Stoffe mit guten elektrischen Eigenschaften im allgemeinen ungünstige mechanische Eigenschaften besitzen, sind bei dieser Anordnung mechanisch feste Bänder oder Drähte aus nichtleitendem Material, z. B. Fäden 1, in das dielektrische Material eingebettet.

Wie eine nähere Untersuchung des Feldstärke-Verlaufes bei einer H-Welle ergibt, wird in der Leitungsachse die elektrische Feldstärke E_v (Feldstärkekomponente in einer Querschnittsebene der Leitung in Umfangsrichtung) zu Null. Diese Tatsache ermöglicht es, in die Wellenführungsanordnung gemäß der Erfindung eine Metallseele, ζ. Β. einen Stahldraht, einzuziehen, ohne daß dadurch das Feldbild der elektromagnetischen Welle merklich gestört wird. Dieser Stahldraht ist somit an der Fortführung der elektromagnetischen Welle unbeteiligt und verursacht daher keine merklichen zusätzlichen Verluste. Durch das Einziehen der Metallseele wird jedoch eine sehr zugfeste Anordnung geschaffen, so daß eine solche Anordnung insbesondere als Freileitung, z. B. an einem bereits bestehenden Telegrafengestänge oder an Hochspannungsmasten verlegt werden kann. Die für die Übertragung mittels des E₀₁-Wellentyps brauchbaren Wellenführungsanordnungen sind grundsätzlich auch für die Führung elektromagnetischer Wellen vom H₀₁-Typ anwendbar. Statt der aus dielektrischem Material bestehenden Drähte oder Bänder können hierbei jedoch auch geeignet angebrachte metallische Drähte oder Bänder zur Erhöhung der Zugfestigkeit verwendet werden.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform einer Wellenführung für H-Wellen ist in Fig. 2 dargestellt. In einem aus dielektrischem Material bestehenden Strang 2 ist die an der Fortleitung der Wellen unbeteiligte Metallseele 3 axial zur Wellenführungsanordnung verlaufend angeordnet. Die Zugfestigkeit einer Wellenführung mit vollem Querschnitt kann weiterhin dadurch erhöht werden, daß mehrere in Leitungsrichtung verlaufende, metallische Seile nach Fig. 3 vorgesehen werden. Der Durchmesser der Seile sollte allerdings gegenüber dem Durchmesser der AVellenführungsanordnung gering sein.

Für die Übertragung elektromagnetischer Wellen ist auch der HE-Wellentyp geeignet. Dieser kann z. B. durch einen zur Leitungsachse senkrechten Stab oder durch einen Hohlleiter mit H-Wellen angeregt werden. Bei dem diesem Wellentyp entsprechenden Feldlinienverlauf stehen die elektrischen Feldlinien auf einer Längsschnittebene der Wellenführungsanordnung senkrecht.

Dies wird in Weiterbildung der Erfindung dahingehend ausgenutzt, daß im dielektrischen Material der Wellenführungsanordnung metallische Bänder geeignet angebracht werden, die zwar eine bestimmte Polarisationsrichtung der elektrischen Welle erzwingen, aber selbst an der Fortführung der elektro-217

magnetischen Welle unbeteiligt sind. Solche metallische Bänder können bei frei tragend verlegten Wellenführungsanordnungen mit Vorteil als eine die Wellenführungsanordnung tragende Vorrichtung verwendet werden. Bei einer solchen Ausführungsform wird somit die mechanische Belastung beispielsweise durch ein oder mehrere, vorteilhafterweise auf ihrer Oberfläche versilberte oder verkupferte Stahlbänder übernommen, während an der Fortleitung und Wellenführung nur das diese Bänder umgebende dielektrische Material beteiligt ist. Durch das Vorhandensein solcher Bänder wird die elektromagnetische Welle nur unwesentlich beeinflußt.

Als Wellenführungsanordnung gemäß der Erfindung sind für den HE-Wellentyp sämtliche im vorstehenden angeführten Ausführungsformen verwendbar. Darüber hinaus aber sind bei Verwendung von an der Fortleitung der Wellen nicht beteiligten metallischen Bändern noch andere, sehr vorteilhafte Ausführungsformen von Wellenführungsanordnungen möglich. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in der Fig. 4 dargestellt.

Die Wellenführung besteht aus einem dielektrischen Volleiter mit einem in das dielektrische Material eingebetteten metallischen Band 4.

Es kann in manchen Fällen zweckmäßig sein, die metallischen Bänder auf ihrer ganzen Länge oder wenigstens stellenweise, insbesondere an Aufhängepunkten der Wellenführungsanordnung, über die Oberflächenbegrenzung hinausragen zu lassen. Die Wellenführungsanordnung kann dann auf einfache Weise an dem aus ihr wenigstens stellenweise herausragenden metallischen Band beispielsweise durch einen metallischen Draht an Leitungsmasten frei schwebend aufgehängt werden. Ein solcher, senkrecht zu der Wellenführungsanordnung verlaufender Draht stört das elektromagnetische Feld ebensowenig wie das vom dielektrischen Material umgebene metallische Band.

Es ist unter Umständen aber auch zweckmäßig, der Wellenführungsanordnung gemäß der Erfindung eine von der rotationssymmetrischen Form abweichende Form zu geben. Günstige Übertragungseigenschaften werden nämlich auch bei Anordnungen mit ellipsen- und polygonförmigem Vollquerschnitt erzielt. Auch bei diesen, insbesondere zur Übertragung elektromagnetischer Wellen mittels des HE-AVellentyps geeigneten Wellenführungsanordnungen können nämlich zusätzliche zugfeste Bänder oder Seile aus Metall oder dielektrischem Stoff verwendet werden. Beispielsweise könnten metallische Bänder oder Drähte in das dielektrische Material an geeigneten Stellen eingebettet werden.

Es kann fernerhin vorteilhaft sein, Leitungen zu besitzen, die eine gute Durchbiegungsfestigkeit aufweisen. Dies wird durch mehrschichtige Wellenführungsanordnung erreicht, bei denen wenigstens eine Schicht aus gerecktem Material besteht. Es kann nämlich in dem den Wellenleiter bildenden Material eine mechanische Vorspannung dadurch erzwungen werden, daß man auf das gereckte Material eine Schicht nichtgereckten Materials aufträgt und durch nachträgliche Entreckung eine innere mechanische Vorspannung in dem dielektrischen Material erzeugt.

Fernerhin empfiehlt es sich in manchen Fällen die Anordnungen nach der Erfindung mit einer wasserdichten oder wasserabweisenden Hülle aus nichtleitendem Material zu umgeben.

Durch die deutsche Patentschrift 757 665 ist es bekannt, in einem Koaxialkabel die Seele mit einer ■' Stahleinlage zu versehen. Die Stahlseele ist hierbei

Claims (6)

jedoch gegen das elektromagnetische Feld abgeschirmt im Gegensatz zu einer Wellenführung nach der Lehre der Erfindung. Zwischen der bekannten Anordnung und dem Erfindungsgegenstand sind somit grundlegende physikalische Unterschiede sowohl im Aufbau als auch in der Wirkungsweise gegeben. Ähnliche Überlegungen gelten auch für eine in der österreichischen Patentschrift 135 946 beschriebenen Anordnung, bei der die Zugfestigkeit der als Abstandshalter dienenden Stoffe in einem Fernmeldekabel durch Einlagen aus einem Stoff höherer Zugfestigkeit erhöht ist. In der deutschen Patentschrift 943 134 ist außerdem ein Drahtwellenleiter beschrieben, der, wie die Fig. 7 a und 7 b dieser Patentschrift zeigen, mit einer inneren Stahlseele versehen ist. Diese bekannte Anordnung unterscheidet sich vom Erfindungsgegenstand jedoch schon allein in der physikalischen Wirkungsweise grundsätzlich, so daß ein unmittelbarer Vergleich zwischen dem Erfindungsgegenstand und dieser bekannten Anordnung ausscheidet. In einer Arbeit von Chandler in der Zeitschrift »Journal of applied physics«, Bd. 20, Heft 12, Dezember 1949, S. 1188 bis 1192, ist bereits der Vorschlag gemacht, einen dielektrischen Stab als Wellenführung zu benutzen. Diese Arbeit gibt jedoch keinen Hinweis auf die erstmalig durch die Erfindung aufgezeigte Möglichkeit einer vorteilhaft einfachen Erhöhung der Festigkeit einer dielektrischen Wellenführung. Ein Referat über die Arbeit von Chandler ist in der Zeitschrift »Funk und Ton«, Heft 7 (1951), auf den S. 386 bis 388 erschienen. Patentansprüche:

1. Wellenführung zur leitungsgebundenen Fortführung elektromagnetischer Wellen, bestehend aus ein- oder mehrschichtigem dielektrischem Material von Stabform, dadurch gekennzeichnet, daß bei

Verwendung für die Übertragung von H-Wellen zur mechanischen Verfestigung im Stabinnern wenigstens ein Metallteil derart angeordnet ist, daß es an der Fortleitung der Wellen unbeteiligt ist, oder daß bei Verwendung für die Übertragung von E-Wellen in das dielektrische Material in Leitungsrichtung verlaufende zugfeste Bänder oder Fäden aus nichtleitendem Stoff eingebettet sind.

2. Wellenführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallteil drahtförmig ausgebildet und in Längsrichtung des Stabes verlaufend im Stabinnern eingebettet ist.

3. Wellenführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise bei drahtförmiger Ausbildung das Metallteil ähnlich einer Kabelseele im Stabinnern verlaufend angeordnet ist.

4. Wellenführung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallteil als Bandleiter ausgebildet ist.

5. Wellenführung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallteil wenigstens teilweise aus der Oberfläche des dielektrischen Stabes hervorstehend ausgebildet ist.

6. Wellenführung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Oberfläche des dielektrischen Stabes hervorstehende Metallteile zur mechanischen Befestigung, vorzugsweise zur Aufhängung des Stabes, vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 943 134, 757 665;
österreichische Patentschrift Nr. 135 946;
Zeitschrift »Das Elektron«, September 1950, Jg. 4, H. 9, S. 315;

Zeitschrift Funk und Ton, Nr. 7, 1951, S. 386 bis 388;

Zeitschrift Journal of applied physics, Bd. 20, H. 12, 1949, S. 1188 bis 1192.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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