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Runder, metallischer Hohlleiter für die Übertragung sehr kurzer elektromagnetischer
Wellen Die Erfindung bezieht sich auf einen runden, metallischen Hohlleiter für
die Übertragung sehi kurzer elektromagnetischer Wellen, insbesondere vom
Typ
der H"-Welle; der Hohlleiter besteht aus einem nahtlosen Stahlrohr mit
einer auf seiner inneren Oberfläche aufgebrachten Schicht aus gutleitendem Material
und einer auf der inneren Oberfläche dieses Materials aufgebrachten Schicht aus
dielektrischem Material. Von einem derartigen Hohlleiter werden eine sehr hohe Genauigkeit
der Kreisform des Querschnittes und eine große Festigkeit gegen mechanische Einflüsse
verlangt. Der Hohlleiter selbst soll in Längsrichtung möglichst gerade ausgebildet
sein, er darf zumindest keine periodischen Wellungen seiner Achse mit bestimmten
Perioden aufweisen.
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Bekanntlich treten in einem metallischen Hohlleiter wegen der nicht
vermeidbaren Abweichungen der geometrischen Abmessungen neben dem gewünschten Wellenmodus
(Nutzwelle) noch unerwünschte Wellenmodi auf, die insbesondere in Krümmungen einen
Leistungsverlust für die Nutzwelle hervorrufen. Um die Dämpfung der Nutzwelle in
gekrümmten runden Hohlleitern zu verringern, hat man bereits auf der inneren Oberfläche
dieser Hohlleiter eine dielektrische Schicht geringer Verluste aufgebracht. Es ist
auch bekannt, daß man bei einer bestimmten Schichtdicke des dielektrischen Materials
eine maximale Krümmung des Hohlleiters zulassen kann. Bei den zu der Erfindung führenden
Untersuchungen hat es sich aber gezeigt, daß mit zunehmender Schichtdicke des dielektrischen
Materials nicht nur die Störwellen, sondern auch die Nutzwellen stark gedämpft werden.
Bei den vielen Variationsmöglichkeiten am Aufbau des Hohlleiters mit dielektrischer
Schicht ist es aber nicht ohne weiteres möglich, auch bei Berücksichtigung der Krümmung
des Hohlleiters zu einer optimalen Bemessung zu gelangen. Es ist zwar möglich, bei
einem fertigen Hohlleiter durch Versuche zu ermitteln, wie weit dieser Hohlleiter
gekrümmt verlegt werden darf, ohne daß eine unzulässige Wellenabspaltung im Hohlleiter
auftritt; dieses Verfahren zur Feststellung der Hohlleitereigenschaften ist umständlich.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, einen
Hohlleiter so aufzubauen, daß er unter Berücksichtigung von Krümmungen bezüglich
der Übertragungseigenschaften optimale Eigenschaften aufweist.
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Bei dem neuen Hohlleiter ist erfindungsgemäß die Schichtdicke in Abhängigkeit
von dem dielektrischen Material und der Krümmung der verlegten Hohlleitung nach
der Beziehun-C
derart bemessen, daß bei möglichst geringen Verlusten für die Nutzwelle die Kopplung
mit unerwünschten Wellen in der Krümmung möglichst stark vermindert cl
wird;
in der Beziehung bedeutet d = Dicke des Belages, 2 r,
= Innendurchmesser des Hohlleiters,
R = Radius der Hohlleiterkrümmung, -, = relative Dielektrizitätskonstante
des Belages, tg b # dielektrischer Verlustfaktor des Belages, oc'(1"
= Dämpfung der E"-Welle im blanken metallischen Hohlleiter, = Dämpf ung der H"-Welle
im blanken metallischen Hohlleiter, in
Der Hohlleiter nach der Erfindung kann demnach auch so bemessen werden, daß man
für die Verlegung gewisse Abweichungen von der geraden Verlegung zulas,sen kann,
um die Verlegungsarbeiten nicht unnötig zu verteuern. In vorteilhafter Weise kann
man die Hohlleiter auch so bemessen, daß sie trotz der bei der Verlegung zulässigen
Toleranzen optimale Eigenschaften
aufweisen. Mit den Hohlleitern
nach der Erfindung können somit Hohlleiterstrecken geschaffen werden, die auch insgesamt,
also unter Berücksichtigung der Trassenführung, optimale Eigenschaften bezüglich
Dämpfung und Nebenwellenfreiheit aufweisen.
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Um einen Hohlleiter mit einem dielektrischen Belag zu bauen, der zugleich
für vorgegebene Trassenkrümmungen optimal sein soll, ist es gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung vorgesehen, die Eigenschaften und die Dicke des dielektrischen Belages
nach der Prassenführung zu wählen. Mit x,'-" sei die Dämpfung der H.",-Wellen
im blanken metallischen Rohr, mit ö a[.", die Erhöhung der durch den dielektrischen
Belag bewirkten Dämpfung der H.,.-Wellen bezeichnet. Für die E.",-Wellen gelten
die entsprechenden Bezeichnungen und 3 Für dünne Schichten gelten folgende
Formeln:
In den Beziehungen bedeutet j,n" die n-te Nullstelle der Besselfunktion J#, in
ist A.. die Hohlleiterwellenlänge und in
ist f# (.") die Grenzfrequenz von H. .; ferner bedeutet f die Betriebsfrequenz,
er die relative Dielektrizitätskonstante des Belages, tg ö den dielektrischen
Verlustfaktor des Belages, d die Dicke des Belages sowie r, den Hohlleiterradius.
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Um die optimalen Eigenschaften für eine in einem vorgeschriebenen
Radius R verlegte Leitung ermitteln zu können, werden noch die folgenden Größen
bestimmt, nämlich die Phasenmaßverschiebung öß, die infolge des Belages zwischen
den H"- und E"-Wellenhervorgerufenwird,gegebendurchdieBeziehung
die Kopplung k zwischen Ho,- und E"-Wellen in der Krümmung mit Radius R,
gegeben durch die Beziehung
in der A, die Vakuumwellenlänge ist, und die Gesamtdämpfung der H"-Welle
in der Krümmung mit Radius R, gegeben durch die Beziehung
Hieraus kann man erkennen, daß in der Krümmung um so weniger an H"-Energie verlorengeht,
je größer ö fl gemacht wird (dicker Belag), daß aber andererseits
der Verlust an Energie mit der E"-Dämpfung wächst. Um die Bedingung für ein Optimum
finden zu können, formt man die letzte Gleichung unter Zuhilfenahme der ersten Gleichungen
um und erhält: x5 - rx 3 -px -p = 0; in dieser Gleichung ist
für den optimalen Fall, während die Koeffizienten folgende Bedeutung haben:
Beispielsweise kann man hieraus die optimale Schichtdicke eines Lackes mit er
= 3,15, tg 3 = 0, 1
für R = 250 m, 2 r,
= 70 mm und 90 GHz als oberste Frequenz bestimmen. Man findet
als Lösung x = 1,8 - 10-3 oder d = 64 #t. Die
resultieiende Dämpfung der H"-Welle in der Krümmung beträgt oc' l] = 0,086
N/km. Selbst diese enge Krümmung (0
wird mit relativ geringer Dämpfung durchlaufen.
Es könnte aber in einem anderen Fall auch gefordert werden, die Schichtdicke so
zu bestimmen, daß die Gesamtdämpfung #xio 11 in der Krümmung ein Minimum
werde, wobei die H"-Zusatzdämpfung 3 cc12 einen gegebenen Wert haben soll.
Alle diese Forderungen lassen sich durch Anwendung eines oder mehrerer Beläge mit
großem Verlustfaktor in relativ dünnen Schichten erfüllen. Durch richtige Bemessung
läßt sich die Leitung sogar für geländegerechte Verlegung optimal geeignet machen.
Von besonderem Vorteil kann auch die kombinierte Anwendung von Schichten mit niedrigen
dielektrischen Verlusten und solchen mit großen dielektrischen Verlusten sein.
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Auf der äußeren Oberfläche des Stahlrohres wird vorteilhafterweise
eine Korrosionsschutzschicht angeordnet. Sehr vorteilhaft ist die Umwicklung des
Stahlrohres mit einem in Bitumen eingebetteten Kunststoffband; darüber kann man
schließlich noch einer) Kunststoffmantel aufbringen.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in der Figur dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Der in der Figur dargestellte runde, metallische Hohlleiter besteht
aus dem nahtlosen Stahlrohr 1.
Die Wandstärke des Stahlrohres kann so gewählt
werden, daß es auch starken Überbeanspruchungen standhalten kann, beispielsweise
hohen Belastungen durch Stein- oder Erdverschiebungen. Die Länge der Stahlrohre
wird man möglichst groß wählen, beispielsweise so lange, daß sie mit Straßentransportfahrzeugen
noch transportiert werden können. Auf der inneren Oberfläche des Stahlrohres ist
eine Kupferplattierung 2 aufgebracht, deren Dicke beispielsweise in der Größenordnung
von 1/" mm liegen kann. Diese Kupferplattierung ist mit einem Film aus dielektrischem
Material, z. B. aus lufthärtendem streichbarem Harz, überzogen. Die Dicke dieses
Filmes kann in der Größenordnung von 1/" mm liegen. Auf der äußeren Oberfläche des
Stahlrohres ist eine Korrosionsschutzschicht 4 aufgebracht, die in an sich bekannter
Weise ausgebildet sein kann. Diese Korrosionsschutzschicht wird man verschieden
ausbilden, je nachdem, in
welcher Form der Hohlleiter verlegt
werden soll. Sowohl die dünnwandige Plattierung mit Kupfer als auch die Anbringung
der dielektrischen Schicht an der Innenwand sind relativ einfache und billige Arbeitsgänge.
Als gutleitendes Material kann insbesondere auch Silber benutzt werden.