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Elektromagnetische Kopplungseinrichtung Die Erfindung bezieht sich
auf eine elektromagnetische Kopplungseinrichtung zum Ankoppeln an einen elektrischen
Leiter.
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Die Erfindung ist auf die Schaffung einer elektromagnetischen Kopplungseinrichtung
gerichtet, die zur Steuerung eines Stromflusses in einem Leiter bei einer ausgeprägten
Frequenz oder ausgeprägten Frequenzen dient.
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Es ist eine elektromagnetische Kopplungseinrichtung bekanntgeworden,
die eine Spule enthält, die um einen langgestreckten Leiter gewunden ist und von
einem Kern aus einem magnetischen Material getragen wird, die Spule steht körperlich
mit dem Leiter in Verbindung. Eine solche Kopplungseinrichtung dient nur dazu, einem
Leiter Energie zuzuführen oder Energie von einem Leiter abzuleiten. Sie dient nicht
dazu, einen Stromfluß durch den Leiter zu steuern. Diese bekannte Kopplungseinrichtung
erfordert einen magnetischen Kern und hat den Nachteil, daß sie eine Abänderung
im Aufbau des Leiters erfordert, um einen elektrischen Anschluß an diesen vorzusehen,
so daß deren Stellung auf dem Leiter daher nicht in einer einfachen Weise verändert
oder eingestellt werden kann.
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Weiterhin ist eine Kopplungsvorrichtung bekanntgeworden, die um einen
Leiter gewickelt ist, jedoch körperlich nicht mit diesem Leiter in Verbindung steht.
Auch diese bekannte Kopplungseinrichtung ist nur vorgesehen, Energie einem Leiter
zuzuführen oder von diesem abzuleiten und beeinfiußt nicht die Zustände der Leitfähigkeit
in dem Leiter selbst; auch diese Einrichtung verwendet einen magnetischen Kern.
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Demgegenüber bewirkt die nachfolgend angeführte elektromagnetische
Kopplungseinrichtung eine sehr hohe Impedanz in dem Leiter gegenüber einem Stromfluß
von einer ausgeprägten Frequenz und erfordert nicht die Verwendung eines magnetischen
Kernes, daher kann diese Einrichtung sehr leicht auch bei hohen Frequenzen verwendet
werden.
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Bei einer elektromagnetischen Kopplungseinrichtung mit einer Spule,
die mehrere Windungen enthält, die bei einem elektrischen Leiter angeordnet ist,
wobei mindestens ein Teil jeder Windung der Spule sich in dichter Nähe und parallel
zu dem Leiter befindet, befindet sich gemäß der Erfindung die Spule bei der Betriebsfrequenz
in Resonanz, und jede Windung in der Nähe des Leiters weist eine Umfangslänge auf,
die kleiner als die Wellenlänge der Betriebsfrequenz ist, und der Stromfiuß bei
der Resonanzfrequenz wird in dem Leiter stark herabgesetzt.
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Auf diese Weise wird durch Anordnen der Spule dicht an dem Leiter,
so daß eine hohe Kopplung erreicht wird, und durch eine Bemessung jeder Windung
in der Nähe des Leiters, derart, daß ihre Umfangslänge klein im Vergleich mit der
Wellenlänge der genannten Frequenz ist, in dem Leiter eine hohe Impedanz für einen
Strom mit der Resonanzfrequenz erzeugt, ohne daß irgendeine bauliche Änderung an
dem Leiter erforderlich wäre. Die erfindungsgemäße elektromagnetische Kopplungseinrichtung
kann daher einfach und leicht entlang dem Leiter verschoben werden, so daß sie auf
einen hochfrequenten Strom in der gewünschten Weise einwirkt. Ferner steht die elektromagnetische
Kopplungseinrichtung im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen, da sie entweder
in einer passiven Weise oder in einer aktiven Weise verwendet werden kann.
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Falls die Einrichtung in einer passiven Weise verwendet werden soll,
wird die Spule nur in der Nähe des Leiters befestigt und so angeordnet, daß sie
bei der ausgeprägten Frequenz in Resonanz steht. Hierdurch wird der Stromfluß in
dem Leiter bei dieser ausgeprägten Frequenz verhindert. Wenn die Einrichtung in
einer aktiven Weise verwendet werden soll, wird dieser Einrichtung Energie zugeführt
und die Einrichtung an den Leiter gekoppelt, wobei wiederum die Einrichtung eine
hohe Impedanz für Ströme mit der Resonanzfrequenz der Spule erzeugt, die entlang
dem Leiter an der Einrichtung fließen, und daher erzeugt die Energie, die der Kopplungseinrichtung
zugeführt
wird, Ströme in dem Leiter, die in den entgegengesetzten Richtungen von dem Punkt
der hohen Impedanz fließen. Die elektromagnetische Kopplungseinrichtung gemäß der
Erfindung braucht nicht den Leiter zu umgeben im Gegensatz zu den Einrichtungen,
die durch den Stand der Technik bekanntgeworden sind. Es wurde festgestellt, daß
eine erfindungsgemäße Einrichtung in der beschriebenen Weise arbeitet, wenn sie
als eine längsgerichtete Spule in der Nähe des Leiters angeordnet ist, vorausgesetzt,
daß die Spulenlänge größer als die halbe Wellenlänge der Resonanzfrequenz ist und
daß jede Windung der Spule in der Nähe des Leiters eine Umfangslänge aufweist, die
klein im Vergleich mit der Wellenlänge der Resonanzfrequenz ist.
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Wenn die Einrichtung in der aktiven Weise verwendet wird, kann die
Kopplungseinrichtung gemäß der Erfindung große Leiter erregen, so daß sie als Antennen
wirken, beispielsweise in dem Aufbau eines Geschosses oder selbst eine Erdmasse
kann durch die Kopplung erregt werden. Wenn die Einrichtung in einer passiven Weise
verwendet wird, kann die Kopplungseinrichtung beispielsweise an Stelle eines Isolators
bei ausgewählten Frequenzen benutzt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Kopplungseinrichtungen
um die elektrisch leitenden Schenkel eines Luftturmes angeordnet, so daß eine hohe
Impedanz in den Schenkeln gegenüber Strömen mit einer Resonanzfrequenz der Einrichtung
erzielt wurden. Die erfindungsgemäße Einrichtung isoliert die Antenne gegenüber
der Erde bei den ausgeprägten Frequenzen in einer wirksamen Art und Weise, ohne
daß es erforderlich wäre, den Aufbau der Schenkel durch Einsetzen eines normalen
Isolators zu ändern.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen
dargestellt. Es zeigt F i g. 1 eine Grundausführung der Erfindung, F i g. 2 eine
Anordnung der Erfindung mit Gegenwicklung, F i g. 3 eine weitere Ausführung der
Erfindung, bei der eine Reihe von Windungen parallel geschaltet ist, um eine gewünschte
Kennlinie zu erhalten, F i g. 4 die Anwendung der Erfindung bei einer großen Anlage,
F i g. 5 A bis 5 C die empfangenen Antennentrennlinien, erhalten von einer Antenne
mit und ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung, F i g. 6 die Anwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, um eine abgestimmte Antennenanordnung mit einem langen Leiter zu erzeugen,
F i g. 7 und 8 eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, um ein koaxiales
Kabel mit einem Wellenleiter zu koppeln, F i g. 9 die Anwendung der Erfindung, um
elektromagnetische Energie an eine Antenne mit mehreren Mastfüßen zu koppeln, F
i g. 10 die Anwendung einer Vielzahl von mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen,
um eine große Breitbandigkeit zu erreichen, F i g. 11 eine weitere Ausführung der
Erfindung, um Impedanzanpassung zwischen Stromkreisen vorzusehen, F i g. 12 eine
weitere Ausführung der Erfindung, bei der die Spulen abgeschirmt sind, F i g. 13
den Verlauf von Leitwerten einer besonderen erfindungsgemäßen Vorrichtung. In F
i g. 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrer einfachsten Form dargestellt.
Sie besteht aus einer Vielzahl von Kopplungsschleifen 12 eines elektrischen Leiters,
die in Reihe geschaltet sind, wobei die Schleifen parallel zu einer Übertragungsleitung
oder einem Leiter 14 liegt. Die Schleifen in der Vorrichtung gemäß F i g.
1 sind toroidförmig ausgebildet und bei der Betriebsfrequenz in Resonanz. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung kann Eigenresonanz haben oder ein Schaltungselement aufweisen, z. B.
einen Kondensator 16, der mit den Anschlußklemmen 18 und 20 verbunden
ist, um Resonanz zu erreichen. Der Kondensatorwert und die Anzahl der Windungen
hängen von der Frequenz, dem gewünschten Kopplungsfaktor und der verteilten Kapazität
zwischen den Windungen ab. Die Vorrichtung dient dazu, dem Stromzufluß im Leiter
14 bei Resonanz Widerstand auf Grund der eng gekoppelten Schleifen entgegenzusetzen.
Um größte Kopplungswirksamkeit zu erreichen, muß der Teil der Schleife, der in geringem
Abstand parallel zum Leiter liegt, klein sein im Verhältnis zu der Frequenz der
Wellenlänge, die gekoppelt wird, und der Umfang der Spule muß klein sein im Vergleich
zu der Wellenlänge oder deren Vielfaches.
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Bei einer wirksamen Kopplungsvorrichtung steht bei resonanter Frequenz
ein hoher Impedanzwert an den Anschlußklemmen 18 und 20 zur Verfügung. Ein geringer
Impedanzwert steht bei der Resonanzfrequenz dann zur Verfügung, wenn die Anschlußklemmen
über weniger Windungen verbunden sind. Der Grundgebrauch der Anordnung in F i g.
1 ist die Anwendung als Sperrkreis bei einer Antennenanlage und als Bandsperrfilter
in koaxialen Leitungen. Der mittlere Leiter bleibt auf diese Weise strukturell unverletzt
und besorgt dennoch wirksames Koppeln und Einschließen des Magnetfeldes.
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Will man an einen Leiter solcher Größe koppeln, daß die gesamte Länge
der Kopplungselemente, die erforderlich sind, den Leiter zu umgeben, sich der Eigenresonanz
zu nähern beginnen, kann eine parallelgeschaltete gegengewickelte Anordnung von
Kopplungsschleifen gemäß F i g. 2 verwendet werden. In diesem Fall können die schleifenbildenden
Leiter 22 aus flachem Band bestehen, das auf eine isolierende Spulenform 24 gewickelt
wird, die aus Kunststoff od. dgl. bestehen kann. Die Spule wird mit zwei gegengewickelten
Abschnitten26a, 26b ausgeführt, die wie die Anschlußklemmen 28 und 30 parallel geschaltet
sind. Ein Kondensator 16 kann zwecks Abstimmung parallel zu den Anschlußklemmen
28 und 30 geschaltet werden. Diese Anordnung sieht eine maximale Trennung der Zuführungsklemmen
vor, die bei Anwendung hoher Energie gewünscht wird. Ferner kann die erfindungsgemäße
Vorrichtung bei einem Gebilde beträchtlicher Größe verwendet werden. Eine Ausführungsform
dieser Anordnung zeigen F i g. 3 und 4. Bei Parallelschaltung vieler Abschnitte
kann ein Körper, z. B. ein Geschoß 34, mit einem Umfang oder mit Abmessungen größer
als eine Wellenlänge, angemessen erregt werden. In diesem Fall, wie auch im Fall
der Anwendung bei kleineren Körpern, ist die Vorrichtung ebensogut ein Mittel, den
Körper selbst zu speisen, wie auch ein Mittel, ein störend erregtes System zu erzeugen.
Es hat sich gemäß F i g. 3 herausgestellt, daß die zu erregende Oberfläche keine
Rotationsfigur sein muß. Es kann ein linearer Abschnitt eines Geschosses oder Flugzeuges
34
auf Grund einer Flachspulenanordnung, die auf einem isolierenden Körper 38 angebracht
ist, erregt werden. Jede Spule 36 a, 36 b, 36 c, 36 d ist mit der
anderen parallel geschaltet. Die Spulen sind von dem Geschoß 34 mit einer Isolationsschicht
isoliert und werden mittels Leiter 40 und 42, die entsprechend mit den Leitern der
Spulen verbunden sind, an einem Generator (nicht gezeigt) angeschlossen.
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Das Geschoß 34 gemäß F i g. 4 ist mit einer ringförmigen Ausnehrnung
44 versehen, in der eine Vielzahl parallelgeschalteter Spulen 46, gemäß F i g. 3,
angeordnet ist und in Phase betrieben wird, um einen Teil des Geschosses zu erregen,
ohne daß es nötig ist, diesen Teil von dem übrigen Geschoß strukturell oder elektrisch
zu isolieren. Die Spulen 46 sind von dem Geschoß elektrisch isoliert. Die ringförmige
Ausnehmung 44 und die Lasche 48 bilden eine elektrostatische Abschirmung um die
Spule und dienen dazu, den Aufbau zu schützen und das Geschoß mit wirksamer Kopplung
zu versehen. Die Lasche 48 verläuft auf kürzestem Wege von der einen Seite der ringförmigen
Ausnehmung zu der anderen Seite und begrenzt die Abdeckung, die entlang einer Ecke
einen Schlitz 50 aufweist. Der Schlitz 50 kann mit einem Isolator 52 ausgefüllt
werden, damit das Profil erhalten bleibt. Die Spulen 46 bestehen aus einer Vielzahl
parallelgeschalteter Spulen in der Art der Spulen 36 gemäß F i g. 3. Der Geschoßkörper
34 kann so auf Grund isolierter und geringer Speisung an den Stromstellen erregt
werden. Bei Verwendung einer Abschirmung wird eine enge Kopplung zwischen der erfindungsgemäßen
Einrichtung und dem angetriebenen Körper erreicht. Bei Verwendung einer geschlitzten
Abschirmung kann die Spule bei Aufrechterhaltung eines ausreichenden Kopplungsgrades
verkleinert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung isoliert wirksam einen Teil
des Geschosses von dem anderen, wenn sie als Antenne verwendet wird. Ähnlich können
Teile eines Flugzeuges, von Gebäuden und sogar von Bergen und Inseln wie eine Antenne
aktiv oder passiv erregt werden.
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In den F i g. 5 A bis 5 C werden Strahlungstrennlinien einer Antennenanordnung
54 (F i g. 5 A) dargestellt, die von einer passiven erfindungsgemäßen Vorrichtung
umgeben ist. Die Einrichtung 56 besteht aus einer toroidförmigen Spule 58, mit der
ein veränderbarer Kondensator 60 parallel geschaltet ist. F i g. 5 B zeigt die Kennlinien,
die man von der Antenne 54 ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung 56 erhält oder
mit der Vorrichtung, wenn diese aus der Resonanzlage mit der Frequenz, die übertragen
wird, gebracht ist. Weiter zeigt F i g. 5 B eine Kennlinie mit vielfachen Flügeln,
der es an kontrollierter Richtungsfähigkeit mangelt. F i g. 5 C zeigt die Strahlungstrennlinie,
die man von der Antenne 54 erhält, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung angebracht
und auf Resonanz mit der Frequenz, die übertragen wird, abgestimmt ist. Die nun
erhaltene Kennlinie ist im wesentlichen die bekannte und gewünschte Kennlinie in
Form einer 8, die mit Richtungsvermögen und Verstärkung in die gewünschte Richtung
versehen ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie ein Sperrkreis, wenn
sie in einem gewünschten Strommaximum angeordnet ist, im Gegensatz zu parallel resonanten
Sperrkreisen, die in einem Spannungsmaximum, und zwar in der Leitung oder Antenne
angebracht werden müssen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich außerdem
von einem parallel resonanten Stromkreis dadurch, daß bei nicht in Resonanz liegenden
Frequenzen keine meßbare Störung in der übertragungsleitung auftritt und weiterhin
dadurch, daß die Vorrichtung entlang dem Leiter gleitend an einem gewünschten Punkt
wieder angeordnet werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht
F i g. 6, bei der die Vorrichtung zugleich in beiden Formen, nämlich der aktiven
Form 62 und der passiven Form 64, verwendet wird. Die Vorrichtungen sind entlang
eines Drahtes 66 angeordnet, um einen Antennenabstimmer vorzusehen. Die aktive Vorrichtung
62 ist zentral am Draht 66 angeordnet, und eine Vielzahl passiver Vorrichtungen
64 ist entlang des Drahtes an solchen Punkten angebracht, an denen Stromunterbrechung
gewünscht wird. Die passiven Vorrichtungen sind gewöhnlich in Abständen angeordnet,
die eine Funktion der Wellenlänge der Frequenzen sind, mit denen die Antennenanordnung
gespeist wird. Die gestrichelten Linien 68 zeigen den Verlauf der Spannung (stehende
Welle) entlang der Leitung. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen werden rund um den
Draht angeordnet und vermeiden eine körperliche Trennung des Drahtes, wie es in
bekannten Anwendungen erforderlich ist, bei denen Sperrkreise zwischen den Draht
geschaltet werden, und die sowohl bauliche Schwierigkeiten mit sich bringen als
auch teuer im Gebrauch sind.
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Die F i g. 7 und 8 zeigen die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
um Kopplung zwischen einem koaxialen Kabel 70 und einem Wellenleiter 72 vorzusehen.
Der mittlere Leiter 74 des koaxialen Kabels ist mit dem einen Ende der Spule 76
verbunden, und das andere Ende der Spule 76 ist mit dem Wellenleiter 72 verbunden.
Der Kabelmantel 78 ist ebenfalls mit dem Wellenleiter 72 verbunden. Die Spule 76
wird vorzugsweise über einen isolierten Kern 80 gewickelt wie die Spule in F i g.
3, und zwar auch in entgegengesetzten Wicklungen, wie in F i g. 2 dargestellt.
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F i g. 9 zeigt den Spulenteil eines Antennenmastes 82 mit einer erfindungsgemäßen
Einrichtung 84a, 84b, 84c um jeden Mastfuß. Die Vorrichtungen 84a, 84b, 84c sind
parallel geschaltet und in Phase betrieben, um eine wirksame Isolation von der Erde
zu erreichen, und um den Gebrauch schwerer Isolatoren, die sonst nötig wären, zu
vermeiden. Diese Anordnung ermöglicht es weiterhin, den Mast 82 zur Blitzableitung
zu erden. Die Vorrichtungen 84a, 84b, 84c sollen in Resonanz mit der übertragungsfrequenz
sein; wenn mehr als eine Frequenz übertragen werden soll, müssen entsprechend mehr
Vorrichtungen angebracht werden. Eine entsprechend abgeänderte Anordnung kann verwendet
werden, wenn die Vorrichtungen 84 a, 84 b,
84 c passiv sind, nämlich durch Störfrequenzen erregt werden sollen; sie
werden mit dem Antennenmast oberhalb der Lage der Vorrichtungen 84 a, 84 b, 84 c
gekoppelt. F i g. 10 zeigt einen Teil einer Antenne 86 (sie ist aus Gründen der
Platzersparnis nicht vollständig gezeichnet), an der eine aktive erfindungsgemäße
Vorrichtung 88 und eine Vielzahl passiver solcher Vorrichtungen 90a, 90b,
90e, 90d, 90e, 90f angebracht sind, um ein Antennengebilde
zu erzielen, das auf ein breites Wellenband abgestimmt ist. Die Vorrichtung ist
auf
eine Frequenz innerhalb des Wellenbandes abgestimmt. Die passiven
Vorrichtungen 90a bis 90t sind so angeordnet, daß jede unmittelbar benachbart zur
anderen entlang der Antenne liegt und sie abwechselnd gekoppelt sind. Die Vorrichtungen
90a bis 90f sind so gewählt, daß jede mit einer anderen Frequenz in Resonanz
ist. Die störenden Vorrichtungen 90a bis 90f sind in Abständen von der betriebenen
Vorrichtung 88 angeordnet, die einen ganzen Bruchteil der Wellenlänge, z. B. eine
halbe Wellenlänge, mit der sie in Resonanz sind, ausmachen. Die unmittelbare Nähe
der Vorrichtungen bewirkt eine Kopplung von der einen Vorrichtung bis zur nächsten,
bis die besondere Vorrichtung, die mit der gewünschten Frequenz in Resonanz ist,
erreicht wird. Diese Anordnung sieht eine Antenne vor, die im Gebrauch mit vielen
Frequenzen, die eine beträchtliche Bandbreite umfassen, wirksam ist.
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F i g. 11 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die in einer Impedanzanpassungsvorrichtung
verwendet wird, und zwar in der Art einer Ausgleichsspule, um einen Widerstandsleiter
mit niedrigem Wellenwiderstand, wie ein koaxiales Kabel 92, an eine hohe Impedanz
anzupassen. Der mittlere Leiter 94 des Kabels ist über seine gesamte Länge unversehrt
und weist einen über die Abschirmung 96 hinausragenden Teil auf. Um den unabgeschirmten
Leiter 94 ist eine toroidförmige Spule 98 angeordnet, deren eines Ende mit der Abschirmung
96 verbunden ist. Das andere Ende der Spule 98 entlang dem unabgeschirmten mittleren
Leiter enthält die hohe Impedanz der Anschlußklemmen 100 der Vorrichtung. Die Spule
98 kann ebenso rund um die äußere Abschirmung angeordnet werden.
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F i g. 12 zeigt teilweise eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Einrichtung, die zur gerichteten Kopplung verwendet werden kann. Die toroidförmige
Spule 102 ist außen an einer Antenne 104 mit großem Durchmesser angeordnet.
Die Spulen sind von einer geschlitzten Abschirmung 106 umgeben. Der Spalt 108 zwischen
einem Rand der Abschirmung 106 und der Antenne 104 kann mit einem isolierenden Stoff
zum Zwecke der Wetterfestigkeit ausgefüllt werden. Jedes Ende der Spule 102 ist
mit den mittleren Leitern 200 bzw. 202 koaxialer Kabel 204 und
206 verbunden, die wiederum über eine Impedanz, z. B. einem abgestimmten
Kondensator, miteinander verbunden sein können, und einem aktiven Stromkreis, z.
B. Vakuumröhrenverstärkern und variablen Drosselspulen, hinzugefügt werden können,
oder aber die Kabel sind unabhängigen Stromkreisen zugeführt. Elektromagnetische
Energie aus der Richtung des Pfeiles 208 erzeugt zwischen den Mittelleitern und
den äußeren Abschirmungen Signale, die sich in Phase und Größe von aus einer dem
Pfeil 208 entgegengesetzten Richtung kommenden Signalen unterscheiden und somit
entweder gerichtete Übertragung oder eine Bestimmung der Richtung eines hergestellten
Signals als eine Funktion der Phase und Größe der über die Kabel 204 und
206 verfügbaren Signale ermöglichen.
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F i g. 13 zeigt den Verlauf des Leitwertes einer auf einzelnen Wellenlängen
abstimmbaren erfindungsgemäßen Bandsperre, aufgezeichnet mittels eines Schreibers,
wobei die Spule teilweise in einem Abstand von nur 1 % der Wellenlänge parallel
zum Leiter lag. Die Schaltung ist im wesentlichen dieselbe wie in F i g. 1, wobei
mehrere Gruppen von in Reihe geschalteter Windungen parallel geschaltet sind. Sie
wurde als einfache Bandfiltersperre (bei stehender Spannungswelle bei einem Verhältnis
kleiner als 1:1) abgestimmt auf Bereiche von 0 bis 115 Megahertz und von 131 bis
über 300 Megahertz. Der Sperrausschnitt war abstimmbar von 5 Megahertz bis 256 Megahertz
und wurde für den Versuch auf 121 Megahertz eingestellt. Die theoretische Auswertung
der Vorrichtung zeigt, daß keine transzendenten oder harmonisch verwandte störende
Empfindlichkeitskurven von Bedeutung auftreten.