DE2402025C2 - Abschlußvorrichtung für eine koaxiale Hochfrequenz-Übertragungsleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abschlußvornchtung für eine koaxiale Hochfrequenz-Übertragungsleitung, deren Innenleiter und Außenleiter mit einem ersten und einem zweiten Kontaktstück verbunden sind; mit einem einen abgeschlossenen Innenraum umschließenden Gehäuse aus einem Material hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, wobei das Gehäuse in wärmeleitende Verbindung mit einer Wärmesenke bringbar ist; mit einem festen Träger aus dielektrischem Material von hoher thermischer Leitfähigkeit, der wärmeleitend mit dem Gehäuse verbunden ist; mit einer auf einer im wesentlichen ebenen Oberfläche des Trägers aufgebrachten ebenen, dünnen Widerstandsfolie, die elektrisch zwischen das erste und zweite Kontaktstück geschaltet ist und elektrische Energie in an den Träger weitergebende Wärmeenergie umsetzt.

Als Abschlußvorrichtungen für koaxiale Hochfrequenz-Übertragungsleitungen sind sowohl Bauarten mit Flüssigkeitskühlung als auch solche mit Wärmeableitung durch Kühlkörper bekannt Bei solchen Abschlußvorrichtungen kommt es darauf an, daß die über die Hochfrequenz-Übertragungsleitung zugeführte Energie vollständig in Wärmeenergie umgewandelt wird, ohne daß dabei Refiektionen entstehen. Hierzu muß die Impedanz der Abschlußvorrichtung an die der Übertragungsleitung angepaßt sein.

Es sind Abschlußvorrichtungen mit Flüssigkeitskühlung bekannt, die das Prinzip eines zulaufenden Trichters anwenden, um die Reflektionen klein zu halten. Die Mikrowellensignale werden entlang einer abgeschrägten Fläche einer Widerstandsfolie geleitet, so daß das Signal zunehmend weiter abgeschwächt wird und hierdurch nur geringfügige Reflektionen entstehen. Solche Abschlußvorrichtungen sind zum Beispiel aus den US-PS 33 00 737, 25 56 642, 27 52 572 und 35 34 784 bekannt.

Um die über die Übertragungsleitung ankommende Hochfrequenzenergie auf möglichst geringem Raum zu vernichten, wie es insbesondere bei Raumfahrzeugen, Raketen oder dergleichen notwendig ist, sind Bauarten für Abschlußvorrichtungen zweckmäßiger, die ohne Flüssigkeitskühlung arbeiten, also die umgewandelte Energie durch Wärmeableitung abführen. Aus der US-PS 36 21 479 ist bereits eine Abschlußvorrichtung dieser Art bekannt, bei der ein fester Träger aus dielektrischem Material vorgesehen ist, der wärmeleitend mit einem Gehäuse verbunden ist. Auf diesem Träger ist eine dünne Widerstandsfolie angebracht, die in Reihe zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter der Koaxialleitung geschaltet ist.

Diese bekannte Abschlußvorrichtung hat jedoch den Nachteil, daß die über die Übertragungsleitung ankommende Hochfrequenzenergie über die Widerstandsfolie nicht ausreichend abgeschwächt wird, so daß sich Reflektionen ergeben. Die Abschwächung der Hochfrequenzenergie bei dieser bekannten Abschlußvorrichtung ist deutlich schlechter als bei den bekannten Abschlußvorrichtungen mit Flüssigkeitskühlung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abschlußvorrichtung ohne Flüssigkeitskühlung vorzuschlagen, bei der die Energieabschwächung deutlich verbessert und somit die auftretenden Reflektionen erheblich vermindert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Abschlußvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 gelöst durch ein im Innenraum angeordnetes, mit dem Gehäuse verbundenes leitfähiges Element, dessen Oberfläche sich nach einer angenäherten Exponentialkurve der Widerstandsfläche nähen. Durch diese Maßnahme wird eine Abschlußvornchtung geschaffen, die ein sehr niedriges Stehwellenverhältnis für den Abschluß über ein sehr breites Frequenzband ermöglicht.

Um die erfindungsgemäße Vorrichtung ökonomisch herzustellen, ist eine vorteilhafte Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des leitfähigen Elementes aus drei ebenen Flächenabschnitten besteht, von denen der erste Flächenabschnitt in der Nähe des Endes der Widerstandsfolie mit dem zweiten Kontaktstück verbunden ist und einen Winkel von etwa 1° relativ zur Widerstandsfolie einhält, der zweite Flächenabschnitt an den ersten Flächenabschnitt anschließt und einen Winkel von etwa 26° mit der Widerstandsfolie bildet und der dritte Flächenabschnitt an den zweiten Flächenabschnitt anschließt und unter einem Winkel von 54,30° relativ zur Widerstandsfolie geneigt ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 die Ansicht einer Wärmesenke-Einheit, von der die Frontplatte weggebrochen ist und die einen koaxialen Hochfrequenz-Leitungsabschluß gemäß der Erfindung enthält;

Fi g. 2 einen Querschnitt durch die Einheit aus Fi g. 1 in vergrößertem Maßstab längs der Linie 2-2 aus F i g. 1;

Fig.3 einen vergrößerten Querschnitt durch den Hochfrequenz-Koaxial-Leitungsabschluß gemäß Fi^. 1 und 2, wobei i.ur deutlicheren Darstellung Teile weggebrochen sind, gesehen von unten und genommen längs 3-3aus Fig.2;

Fig.4 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 aus Fig. 3 und

Fig.5 einen Querschnitt längs der Linie 5-5 aus Fig. 4.

Insbesondere in den F i g. 1 und 2 ist ein Hochfrequenzabschluß A für eine Koaxial-Übertragungsleitung dargestellt, der in einer Wärmesenke-Einheit B eingebaut ist, welch letztere mit Kühlrippen oder -Fingern, etc. ausgerüstet ist, so daß sich eine hinreichend große freiliegende Fläche zur Abstrahlung der in dem Abschluß A erzeugten Wärmeenergie ergibt

Die Wärmesenke B stellt eine mögliche Einrichtung dar, die die notwendige Masse zur Abstrahlung der Wärmeenergie besitzt. Jedoch ist klar, daß auch andere Arten von Wärmesenken-Massen unter anderen Bedingungen bequemer sein können, beispielsweise bei Gehäusen für elektrische Anlagen, bei Zellenbauweisen u.dgl. Die Wärmesenke B weist einen H-förmigen M-stallkörper 10 auf, der sich in Längsrichtung erstreckende, radiale Konvektionsplatten 11 besitzt, welche sich nach außen erstrecken und eine möglichst große Oberfläche bilden. Der Körper 10 besitzt eine Deckplatte 12, eine Bodenplatte 13 sowie eine Frontplatte 14 und eine Rückplatte 15. Ein Handgriff 16, der in geeigneter Weise gegenüber der Wärmesenken-Einheit ßüber Isolatoren 17 isoliert ist, kann für bequemen Transport vorgesehen sein. Der Leitungsabschluß A ist fest an der Innenkonstruktion des Metallkörpers 10 verankert und zwar über Maschinenschrauben 19, die sich durch Öffnungen in dem Gehäuse 20 des Abschlusses A eistrecken. Man erkennt insbesondere in den F i g. 1 und 2, daß der Abschluß A mit dem Gesicht nach unten befestigt ist; in den Fig. 3—5 wird er jedoch in aufrechter Stellung dargestellt.

Das Gehäuse 20 besteht aus einem Material, das sowohl elektrisch leitfähig ist wie auch eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt. Aluminium ist der bevorzugte Werkstoff für die dargestellte Ausführungsform, wobei drei bearbeitete Aluminiumteile zusammengenommen das Gehäuse bilden. Es sind dies ein Mittelstück 21 von im wesentlichen Rohrform (vgl. F i g. 5), ein vorderes Teil 22 sowie ein hinteres Teil 23. Diese drei Lauteile zusammengesetzt umschließen eine abgeschlossene Widerstandskammer 25. Das Vorderteil 22 ist an dem Mittelstück 21 durch Maschinenschrauben 26 befestigt, während das Hinterteil 23 an dem gegenüberliegenden Ende des Mittelstückes über Maschinenschrauben 27 verankert ist. Die Maschinenschrauben 26 und 27 sind mit ihren Köpfen in Gegenbohrungen 28 eingesenkt, die mit geeigneten Kappen 29 abgeschlossen sind.

Ein buchsenförmiges Kupplungsstück 30 vom »N«-Typ ist an dem Vorderteil 22 über Maschinenschrauben 31 befestigt, und zwar koaxial zu einer Gegenbohrung 32. Der Mittelleiter des Kupplungsstückes 30 ist gegenüber dem Vorderteil 22 des Gehäuses über einen zylindrischen Isolierkörper 33 isoliert. Der Mittelleiter des Kupplungssrückes 30 steht mit einem Mittelleiter-Element 35 in Verbindung, das in dem Vorderteil 22 koaxial zu dem Kupplungsstück 30 befestigt Ist.

Das Leiterelement 35 besitzt eine Kontaktfeder 36 an seinen inneren Ende, welche sich in die Widerstandskammer 25 erstreckt Das Element 25 ist gegenüber dem Vorderteil 22 des Gehäuses durch einen Isolierring 37 isoliert der an die Form der Gegenbohrung 32 und eine Bohrung 38 angepaßt ist, welch letztere sich zwischen der Gegenbohrung 32 und der Widerstandskammer 25 erstreckt

In der Widerstandskammer 25 und fest zwischen dem rückwärtigen Teil 23 des Gehäuses und einer Gegenschulter 39 am Mittelteil 21 befestigt befindet sich ein Träger 40 aus dielektrischem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit In der vorliegenden Ausführungsform besteht der Träger 40 aus Berylliumoxid (auch Beryllia genannt), dessen thermische Leitfähigkeit sehr nahe an diejenige von Aluminium herankommt Die Abmessungen des Trägers sind im vorliegenden Beispiel 45,7 · 25,4 · 7 mm (1,8" · 1" · 0,275"). Eine Folie aus einer wärmeübertragenden Verbindung ist auf eine oder beide Paßflächen zwischen dem Träger 40 und dem rückwärtigen Teil 23 aufgebracht um die Wärmeübertragung von dem Träger 40 zum Gehäuse 20 möglichst gut zu machen. Als wärmeübertragende Verbindung kommt insbesondere eine Verbindung in Frage, die unter der Bezeichnung TG-4 erhältlich ist und von der Emerson Cummings Corporation hergestellt wird.

Auf der ebenen Oberfläche des Trägers 40, die in die Widerstandskammer 25 weist, ist eine ebene, dünne Folie 41 aus Widerstandsmetall mit einer Technik aufgebracht, die für sich dem Fachmann geläufig ist: so empfiehlt es sich beispielsweise für das Aufbringen der Folie das Verfahren zu verwenden, das von der Pyrofilm Resistor Co. Inc. empfohlen wird. Die Folie 41 erstreckt sich als breites Band von Ende zu Ende über den Träger und endet jeweils kurz vor dem Rand des Trägers an seinen beiden Enden. Kontakte 42 und 43 sind an gegenüberliegenden Enden der Folie 41 vorgesehen und stehen im engen Kontakt mit ihr. Der Kontakt 42 wird von der Kontaktfeder 36 des Mittelleiterelementes 35 ergriffen, während der Kontakt 43 von einer Kontaktfeder 45 beaufschlagt wird, die mit dem Gehäuse 20 verbunden ist. Somit ist die Widerstandsfolie 41 elektrisch zwischen das Mittelleiterelement 35 und das Aluminiumgehäuse 20 geschaltet, welches zu dem Außenleiter des Kupplungsteiles 30 führt.

Die Abmessungen des Widerstandsfilmes 41 sind so gewählt, daß sich der gewünschte Widerstandswert (z. B. 50 Ohm) ergibt, was jedoch im einzelnen von der Auslegung der Vorrichtung abhängen kann. Im vorliegenden Fall kann der Widerstandswert eine Last von 300 W oder 1025 British Thermal Units pro Stunde aufnehmen. Die Folienabmessungen sind in Anpassung an diese Werte so gewählt, daß die Folie eine Länge von 39,4 mm (1,550") und eine Breite von 9,53 mm (0,375") besitzt. Die Abmessungen hängen im einzelnen natürlich von den physikalischen Eigenschaften des leitfähigen Materials ab, das als Widerstandsfolie verwendet wird.

Die Abmessungen des Trägers 40 sind so gewählt, daß sie mit den physikalischen Eigenschaften der Folie kompatibel sind, und die gewünschte Abschluß-Impedanz ergeben. Im vorliegenden Beispiel ist das Verhältnis der Breite der Folie zur Tiefe des Trägers etwa bei 1,35. Dementsprechend beträgt die Höhe des Trägers 7 mm

(0,275), da die Breite der Folie hier 9,53 mm (0375") beträgt Die Länge des Trägers hängt von der Länge der Folie ab, welche so gewählt ist, daß. sich die gewünschte Flächengröße für die Energieableitung ergibt. Da die Länge der Folie 39,4 mm (1,550") beträgt, wurde die Länge des Trägers zu 45,7 mm (1,8") gewählt, um auf diese Weise den gewünschten Raum an den Enden avr Folie für die Kontakte 42 und 43 zu gewinnen. Die Breite des Trägers 40 beträgt 25,4 mm (1").

Ein Dämpfungskörper 50 ist an dem Mittelstück 21 über Maschinenschrauben 51 befestigt (Fig.4). Der Dämpfungskörper besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Gehäuse, d. h. im vorliegenden Fall aus Aluminium. Der Dämpfungskörper besitzt zusammengesetzte Oberflächcnabschnitte, die auf die Widerstandskammer 25 zuweisen und gegenüber dem Widerstandsfilm 41 Abstand halten. Der Abstand zwischen der Widerstandsfolie und dem freiliegenden Oberflächenabschnitt des Dämpfungskörpers 50 ist so berechnet, daß sich eine zunehmende Schwächung der Hochfrequenzsignale in einer vorbestimmten Weise ergibt, so daß die Kraftfelder zunehmend mit sehr kleiner Verzer rung verändert werden. Diese Anordnung verhindert das Entstehen von Reflektionen der elektrischen und magnetischen Felder der Mikrowellensignale und führt zu einem minimalen Stehwellenverhältnis.

Diejenige Kurve, die durch eine Ebene senkrecht zu der Widerstandsfolie 41 in dem Raum zwischen der Folie und der freiliegenden Oberfläche des Dämpfungskörpers 50 definiert ist, nähert sich einer Exponential- kurve an, die in Abhängigkeit von die in Abhängigkeit von der Impedanz der Übertragungsleitung und der Stärke des Trägers 40 entsprechend bekannten Verfahren berechnet wird. Während die Fläche im Idealfall durch eine Erzeugende gebildet wird, die senkrecht zur Exponentialkurve verläuft, ist im vorliegenden Fall aus Gründen einfacherer Herstellung die Oberfläche aus drei winkelmäßig gegeneinander abgesetzten ebenen Flächenstücken 54, 55, 56 zusammengesetzt Das Flächenstück 54 bildet einen Winkel von Γ mit der Wider-Standsfolie 41; das Flächenstück 55 bildet einen Winkel von 26° und das Flächenstück 56 bildet einen Winke! von 54,30°. Dies stellt eine Annäherung an die Exponentialkurve dar.

Die hohe Dielektrizitäts-Konstante des Trägers 40 in Verbindung mit dem Dämpfungskörper 50 trägt dazu bei, die gewünschte Abschlußimpedanz zu schaffen und sorgt darüber hinaus dafür, daß die Reflexion so klein wie möglich gehalten wird.

Das Ergebnis dieser besonderen Anordnung und dieser geometrischen Verhältnisse ist nun, daß das auf den Abschluß gegebene HF-Signai sich mit einem minimum an Reflexion, oder anders ausgedrückt, mit minimalem Stehwellenverhältnis, totläuft Der Abschluß selbst ist von sehr kleiner Größe und kann in bequemer Weise in vorhandene Geräte eingebaut werden, wobei angenommen wird, daß diese Geräte hinreichend viel Masse und eine ausreichend große Oberfläche besitzen, damit die unter Betriebsbedingungen erzeugte Wärmeenergie abgestrahlt werden kann.

Der dargestellte und beschriebene spezielle Leitungsabschluß A gemäß der Erfindung ist normalerweise für eine Leistung von 300 Watt über ein Frequenzband bis zu 3000 MHz ausgelegt; jedoch kann die Leistung noch beträchtlich dadurch erhöht werden, daß eine wirksamere Wärmesenke verwendet wird, etwa in der Form der Einheit B gemäß F i g. 1 und 2. Beispielsweise kann der Abschluß A Leistungen von 500 bis 600 Watt verkraften, wenn er mit der Einheit ß zusammen verwendet wird.

Insgesamt wurde eine durch Ableitung gekühlte Last oder ein Abschluß für eine HF-Koaxial-Übertragungsleitung beschrieben. Ein ebener Folienwiderstand, der auf einen dielektrischen Träger von hoher thermischer Leitfähigkeit aufgebracht ist, ist zwischenden Koaxial-Leitern in Reihe geschaltet, um die elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln. Die Wärmeenergie wird sehr schnell durch den Träger des Abschlußkörpers hindurchgeleitet, der seinerseits in Wärmekontakt mit einer geeigneten Wärmesenke steht. Ein Dämpfungskörper mit einer aus Flächenstücken zusammengesetzten Oberfläche von im wesentlichen exponentieller Form bezüglich des Leitungspfades über die Folie ist über der freiliegenden Fläche der Folie angeordnet und bildet für den Abschluß ein niedriges Stehwellenverhältnis über ein sehr breites Frequenzband.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Abschlußvornchtung für eine koaxiale Hochfrequenz-Obertragungsleitung, deren Innenleiter und Außenleiter mit einem ersten und einem zweiten Kontaktstück verbunden sind; mit einem einen abgeschlossenen Innenraum umschließenden Gehäuse aus einem Material hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, wobei das Gehäuse in wärmeleitende Verbindung mit einer Wärmesenke bringbar ist; mit einem festen Träger aus dielektrischem Material von hoher thermischer Leitfähigksit, der wärmeleitend mit dem Gehäuse verbunden ist; mit einer auf einer im wesentlichen ebenen Oberfläche des Trägers aufgebrachten ebenen, dünnen Widerstandsfolie, die elektrisch zwischen das erste und zweite Kontaktstück geschaltet ist und elektrische Energie in an den Träger weitergebende Wärmeenergie umsetzt, gekennzeichnet durch ein im Innenraum angeordnetes, mit dem Gehäuse (20) verbundenes leitfähiges Element (50), dessen Oberfläche (54, 55,56) sich nach einer angenäherten Exponentialkurve der Widerstandsfläche (41) nähert.

2. Abschlußvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des leitfähigen Elementes (50) aus drei ebenen Flächenabschnitten besteht, von denen der erste Flächenabschnitt (54) in der Nähe des Endes der Widerstandsfolie (41) mit dem zweiten Kontaktstück (22) verbunden ist und einen Winkel von etwa 1° relativ zur Widerstandsfolie einhält, der zweite Flächenabschnitt (55) an den ersten Flächenabschnitt anschließt und einen Winkel von etwa 26° mit der Widerstandsfolie bildet und der dritte Flächenabschnitt (56) an den zweiten Flächenabschnitt anschließt und unter einem Winkel von 54,30° relativ zur Widerstandsfolie geneigt ist.

3. Abschlußvornchtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsfolie eine Breite von etwa 9,53 mm und eine Länge von etwa 39,4 mm besitzt.

4. Abschlußvornchtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (40) eine Breite von etwa 25,4 mm, eine Länge von etwa 45,7 mm und eine Tiefe von etwa 7 mm besitzt.