DE1766086A1

DE1766086A1 - Verzoegerungsleitung

Info

Publication number: DE1766086A1
Application number: DE19681766086
Authority: DE
Inventors: Georges Bienvenu; Vernet Jean Louis; Pierre Tournois
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1967-03-29
Filing date: 1968-03-28
Publication date: 1971-05-27
Also published as: FR1526082A; US3603043A; US3605043A; NL6804355A; DE1766086B2; DE1917604A1; GB1226560A; SE338789B

Description

Dipl.-Ing. Egon Prinz • Dr. Gertrud Hauser Dipl.-Ing. Gottfried Leiser

Patentanwälte Telegramme: Labyrinth München

Telefon: 83 15 10 Postscheckkonto: München 117078

8000 MOnehcn 60.27·"MSfZ 1368

Ermbergerstrasse 19

Unser Zeichen: C 2510

CSP-COIiPAGNIE GENERALE DE TELEGRAPHIE SANS FIL 47, rue Dumont d'Urville, Paris l6e/Prankreich

Verzögerungsleitung

Die Erfindung bezieht sich auf Übertragungsleitungen mit einem Paar von elektromechanischen Wandlern., welche durch einen elastischen Wellenleiter miteinander verbunden sind. Die Erfindung betrifft insbesondere dispergierende Leitungen,

Bu/Gr.

in

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in deren Innerem sich Schwingungswellen mit einer Geschwindigkeit fortpflanzen, v/elche als Punktion der !Frequenz der erregten und empfangenen Schwingungen veränderlich ist. Da dispergierende Leitungen zum Komprimieren von linear frequenzmodulierten Impulsen verwendet werden, muß die Dispersion der Gruppenverzögerungszeit, welche im Verlauf der Frequenzabweichung erhalten wird, in der gleichen Größenordnung liegen wie die Dauer der zu komprimierenden Impulse. Bei Bandleitungen oder Drahtleitungen ist diese Bedingung schwierig zu erfüllen, da die zu komprimierenden Impulse eine Große Dauer und einen Modulationsbereich mit geringer Ausdehnung aufweisen. Dies bringt eine unzulässige Länge der Leitung und unzulässige Verluste mit sich. Um diese Nachteile zu beseitigen, muß eine solche Form des Wellenleiters und eine solche Art der Erregung dieses Wellenleiters gewählt werden, daß die Steigung des ausnützbaren Abschnitts der Dispersionskurve groß ist.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer dispergierenden Verzögerungsleitung mit einem ersten und einem zweiten elektromechanischen Wandler, welche mittels eines elastischen Wellenleiters mit einer Längsachse der Fortpflanzung gegenseitig gekoppelt sind. Sie ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt dieses Wellenleiters ringförmig und auf der Achse des Wellenleiters zentriert ist, wobei die Schwingungsverschiebungen 109822/0535

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Schiebungen der durch die Wandler erregten und empfangenen Welle in diese Achse enthaltenden Ebenen stattfinden.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine Schrägansicht eines Teils der erfindungsgemäßen Leitung,

Figur 2 eine der Erläuterung dienende graphische Darstellung, | Figur 3 eine der Erläuterung dienende graphische Darstellung,

Figur H eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen dispergierenden Leitung,

Figuren 5, 6, 7 und 8 Teildarstellungen mehrerer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Leitung und

Figuren 9 und 10 zwei weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen dispergierenden Leitung.

Aus Figur 1 ist ein Teil eines Wellenleiters 1 ersichtlich, welcher dadurch erhalten wurde, daß man zwei Schnitte ' senkrecht zur Längsachse 0 χ legte und einen Kreissektor herausnahm, der durch zwei durch die Längsachse 0 χ gehende

Ebenen 10982?/0 535

BAD ORIGINAL,

Ebenen begrenzt wird. Figur 1 zeigt, wie sich der Wellenleiter 1 unter der Wirkung einer gemäß der Längsachse O χ sich fortpflanzenden Welle verformt. Die Verformungen sind stark übertrieben, damit man die Art der vom Wellenleiter übertragenen Schwingungsbewegung besser erkennen kann. Unter den Wellen, welche sich im Wellenleiter 1 fortpflanzen können, verdienen besonders diejenigen Interesse, Vielehe als aus Wellen P und Wellen SV einheitlich zusammengesetzt betrachtet werden können, wobei P eine Longitudinalwelle und SV eine Scherwelle bezeichnet, welche in einer die Achse des Rohres enthaltenden Ebene polarisiert sind. Die sich ergebende Welle P + SV, welche sich im Wellenleiter 1 fortpflanzt, ist daher durch einen Verschiebungsvektor P + SV gekennzeichnet, der in einer Ebene, wie der Ebene r 0 χ enthalten ist und dessen Amplitude und Phase Punktionen von χ und von r allein sind. Wenn man sich auf den Fall einer drehsymmetrischen Welle P + SV beschränkt, kann man zwei Gruppen von Wellenformen unterscheiden, welche sich fortpflanzen können: die anti-P symmetrische Wellenform, welcher die radiale Wellung der in Figur 1 dargestellten Wand entspricht, und die nicht dargestellte symmetrische Wellenform, welcher eine abwechselnde Veränderung der Dicke der ringförmigen Wand des Wellenleiters entspricht. Genauer gesagt, wenn R₁ und Rp Außen- bzw. Innenradius eines Querschnitts des nicht verformten Wellenleiters sind, so entspricht die antisymmetrische Wellenform gleichsinnigen Veränderungen von R. und Rp,

während

BAD ORDINAL

während die symmetrische Wellenform Veränderungen von R₁ und R₂ in entgegengesetztem Sinn entspricht.

Die oben definierte Welle P + SV pflanzt sich längs der Längsachse 0 χ mit einer Phasengeschwindigkeit C fort, welche von zahlreichen Parametern abhängt, von welchen die folgenden genannt werden sollen:

C : Portpflanzungsgeschwindigkeit der Scherwellen

in dem elastischen Medium, welches die Wand des Wellenleiters bildet;

Poissonscher Modul des elastischen Mediums, welches die Wand des Wellenleiters bildet;

und R₂ : Innen- und Außenradius des Querschnitts des Wellenleiters j

₁₂
_m= __ _: Formfaktor·,

² ·

f : Frequenz der Schwingungsbewegung der Welle P + SV.

Wenn man zur Vereinfachung annimmt, daß das den Wellenleiter umgebende und das denselben ausfüllende Medium in bezug auf das den Wellenleiter bildende elastische Medium vernachlässigbare Festigkeit und spezifische Masse besitzen,

so

1098??/.OBi BAD ORtälNAt.

so sind die äußere und innere Fläche frei, was das Aufsuchen von mathematischen Beziehungen zwischen den oben genannten geometrischen und physikalischen Parametern ermöglicht. Die Herleitung dieser Beziehungen verläßt den Rahmen dieser Beschreibung, es ist jedoch möglich, von denselben eine viel kennzeichnendere graphische Darstellung zu geben.

In Figur 2 ist eine genormte graphische Darstellung wiedergegeben, welche man auf experimentellem Wege oder durch numerische Berechnung erhält. Auf der Abszisse ist

T(R₁-R₂)

der Parameter * und auf der Ordinate das Ver-

^ÜS
hältnis C/Cg aufgetragen. Die eingetragene Kurvenschar entspricht den Verhältnissen, welche die Phasengeschwindigkeit C mit der Frequenz f der sich in Längsrichtung fortpflanzenden Welle verbinden, bei verschiedenen Werten des Parameters m. Die graphische Darstellung der Figur 2 bezieht sich auf den Fall der ersten antisymmetrischen Wellenform der Welle P + SV, welche in Figur 1 dargestellt ist und sie gilt für einen rohrförmigen Wellenleiter aus Kupfer.

Die Untersuchung der Figur 2 zeigt, daß zwischen den Extremfällen des zylindrischen Wellenleiters ohne hohlen Kern (m = jo) _und des rohrförmigen Wellenleiters mit unendlich

dünner

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dünner Wand (m = O) die Kurven für die Änderung von C als Punktion der Frequenz einem stets wachsenden Rückgang oder einer Einbuchtung in einem nach und nach schmäler werdenden Frequenzbereich unterworfen sind. Diese Feststellung zeigt, daß Leitungen, bei welchen ein Wellenleiter mit rohrförmigem Querschnitt verwendet wird, Drahtleitungen oder Bandleitungen bei der Kompression von Impulsen mit beträchtlicher Dauer und einem kleinen Frequenzmodulationbereich weit überlegen sind.

Aus Figur 3 ist eine graphische Darstellung zu ersehen, welche man aus der Kurve für m = 2 in Figur 2 erhält und in der auf der Abrisse die Frequenz f der sich fortpflanzenden Welle und auf der Ordinate die Gruppenverzögerungszeit t_R aufgetragen ist. Die ausgezogene Kurve entspricht einem rohrförmigen Wellenleiter aus Kupfer mit einer Länge 4, =*{,O75m, einem Innenradius Rp = 1 mm und einem Außenradius R. = 3 mm. Die Gruppenverzögerungszeit t_R ist an M

die Gruppengeschwindigkeit ν und an die Phasengeschwindigkeit C durch die folgenden Beziehungen gebunden:

ν -

C ' df

Die gestrichelte Kurve in Figur 3 zeigt, zwischen welchen» Grenzen man die ausgezogene Kurve einem geradlinigen Abschnitt

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fet. .

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schnitt angleichen kann. Ein solcher Wellenleiter kann daher zur Kompression eines linear frequenzmodulierten Impulses in einem Band Af = 35 kHz verwendet werden, dessen Dauer vor der Kompression 1,7 Millisekunden beträgt. Der Impuls nach der Kompression hat dabei eine Dauer gleich dem umgekehrten Wert der Bandbreite Af, d.h. 0,0286 Millisekunden.

Eine Dispersionsleitung mit rohrförmigen! Wellenleiter gemäß der Erfindung ist in Figur 4 dargestellt. Sie besteht aus einem elastischen, rohrförmigen Wellenleiter mit einer Länge €, einem Innenradius Rp und einem Außenradius R^. Die Endflächen des Wellenleiters 1 sind an elektromechanische Wandler 2 angekoppelt, welche piezoelektrisch oder elektrostriktiv sein können. Diese Wandler sind ringförmig ausgebildet und mit ebenen Elektroden 3 und 4 versehen. Unter der Wirkung einer auf die Elektroden |) 3 und 4 gegebenen elektrischen Spannung schwingen sie in einer Dickenschwingung oder einer radialen Schwingung, so daß im Wellenleiter 1 eine Schwingungswelle (P + SV) erregt wird, deren Verformungen die in Figur 1 gezeigten sind. Da die Wandler 2 umkehrbar sind und der Wellenleiter Dispersion besitzt, kann man auf ein Elektrodenpaar 3-4 ein elektrisches Signal geben und an den Klemmen des anderen Elektrodenpaars 3-4 ein elektrisches Signal abnehmen, dessen Bestandteile als Funktion ihrer Frequenzen zeitlich disper- ·

giert

10982 7/0535 BAD ORIGINAL·.

giert sind.

Figur 5 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dispersionsleitung. Der Wellenleiter 1 ist an jedem Ende durch einen ringförmigen Teil 5 verlängert, dessen Wand zunehmend stärker wird, um die mechanische Impedanz des Wandlers 2 an die charakteristische Impedanz des Wellenleiterteils mit konstantem Querschnitt anzupassen.

Figur 6 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dispersionsleitung. Der Wellenleiter 1 ist an jedem Ende durch einen ringförmigen, konischen Abschnitt 5 verlängert, um den Wandler 2 an den Wellenleiter 1 anzupassen.

Figur 7 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dispersionsleitung. Der rohrförmige Wellenleiter wird nahe seinen Enden durch einen ringförmigen Wandler 2 über einen Anpassungstransformator 5 erregt, welcher als Ring ausgebildet ist und einen mit der Entfernung von der Achse des Wellenleiters 1 wachsenden Querschnitt besitzt. Dieser Wandler wird bei einer radialen Schwingung oder einer Dickenschwingung verv/endet und seine Elektroden 3 und H sind konzentrisch angeordnet.

Figur 8 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dispersionsleitung, Sie weist außer den in Figur 7

gezeigten

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gezeigten Elementen eine absorbierende Abschlußlast 6 auf, welche aus einer Umkleidung des Endes des Wellenleiters mittels eines dissipativen Materials besteht.

Figuren 9 und 10 zeigen, wie man den Platzbedarf der erfindungsgemäßen Leitungen vermindern kann, indem man sie zu einer Spirale oder Schraube aufwickelt. Die dispergierenden Eigenschaften bleiben unverändert, sofern nur der mittlere Durchmesser der. Aufwicklung bezüglich des Außendurchmessers des Wellenleiters 1 groß ist. Es ist wichtig, daß sich die aufeinanderfolgenden Windungen nicht' berühren und daß sie von Stützen getragen werden, welche die charakteristische Impedanz des Wellenleiters im übertragenen Frequenzband nicht verändern.

Dispergierende Leitungen mit rohrförmigem Wellenleiter sind insbesondere interessant, wenn ein sehr großes Verhältnis

erforderlich ist. So gestattet ein auf einen Zylinder

mit einem Durchmesser von 50 cm und einer Höhe von 10 cm zu einer Schraube aufgewickeltes Rohr die Kompression eines linearmodulierten Impulses von 50 Millisekunden in einem Frequenzbereich von 5 Kilohertz. Der komprimierte impuls hat eine 250-fach verminderte Dauer.

0 98 2?/ 0 £ 3;§ : c Ag Patentansprache BAD ORIGINAL

Claims

Patentansprüche

1. Dispergierende Verzögerungsleitung zur geeigneten Plltrierunf; von frequenzmodullerten Impulssignalen mit einem elastischen Wellenleiter, welcher eine Längsachse und zwei jeweils mit elektromechanischen Wand- * lern versehene Endabschnitte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter als rohrförmiger Wellenleiter ausgebildet ist, in welchem sich entlang der Längsachse Druck- und Seherschwingungen fortpflanzen j deren Verschiebungen mit der Längsachse koplanar sind.

2. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter zwischen den Endabschnitten

einen konstanten ringförmigen Abschnitt aufweist. "

3. Verzögerungsleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endabschnitte die gleichen Innen- und Außenradien aufweisen wie der Wellenleiter.

k. Verzögerungsleitung nach Anspruch 3_a dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer dieser Radien gegen die Wandle*· zu allmählich abnimmt, so daß konische Endabschnitte gebildet werden.

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5. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler einen Zylinder aus elektrostriktivem Material aufweisen, wobei dieser Zylinder zv/ei Flächen besitzt, welche jeweils eine freie Elektrode und eine andere, mit den Endabschnitten gekoppelte
Elektrode tragen.

6. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

" zeichnet, daß Anordnungen zur Anpassung der mechanischen

Impedanz zwischen die Wandler und die Endabschnitte eingeschaltet sind.

7. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler in der Verlängerung der Endabschnitte angeordnet sind.

8. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-Il zeichnet, daß die Wandler die Endabschnitte umgeben.

9. Verzögerungsleitung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Endabschnitte mit absorbierenden Verkleidungen versehen sind.

10. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse geradlinig ist.

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11. Verzögerungsleitung nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse gekrümmt ist.

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