DE2409906A1

DE2409906A1 - Koaxialkabel

Info

Publication number: DE2409906A1
Application number: DE2409906A
Authority: DE
Inventors: Harold Lorber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-03-05
Filing date: 1974-03-01
Publication date: 1974-09-19
Also published as: JPS5041076A; FR2220853A1; IT1008968B; BE811773A; US3886506A; CA1009713A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Koaxialkabel zur Übertragung sowohl von gewöhnlichem Strom als auch von elektromagnetischen Wellen.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Übertragungskabel mit magnetischer. Last, das ein höheres Stromführungsvermögen aufweist als bekannte Kabel oder das, anders ausgedrückt, kleinere Abmessungen und geringeres Volumen als bekannte Kabel haben kann, ohne daß eine Erhöhung der mit der magnetischen Last normalerweise verbundenen Verluste oder der Laufzeit bewirkt wird.

Es ist bekannt, daß durch magnetische Belastung eines koaxialen Übertragungskabels die Leitungsinduktivität erhöht wird. Steigt die Induktivität, so nehmen bei herkömmlichen Koaxialkabeln auch die charakteristische Impedanz und die Laufzeit zu. Es war bisher wünschenswert, die Induktivität durch magnetische Belastung zur Verminderung der Dämpfung heraufzusetzen, obwohl die magnetische Last Hysterese- und Wirbelstromverluste mit sich bringt und Zeitverzögerungen bewirkt.

In verschiedenen Aufsätzen und.Patentschriften sind Materialien für magnetische Belastung beschrieben, die in dem Dielektrikum

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des Koaxialkabels verteilt sind. Diese Schriften befassen sich jedoch im allgemeinen mit Ferriten mit hohem spezifischen Widerstand und hoher Permeabilität, die aufgrund ihrer Struktur groß und verhältnismäßig dick sind und sich nicht für Subminiaturkabel anwenden lassen. Ferner sind bei plattierten Speicherdrahtebenen mit magnetischen Dünnfilmen beschichtete Leiter verwendet worden; bei derartigen Ebenen geht es aber im allgemeinen um die Verminderung der charakteristischen Impedanz eines ungeschirmten isolierten Speicherdrahtes. Plattierte Speicherdrähte sind nicht gleichmäßig abgeschirmt und dienen dazu, durch magnetische Kopplungsfelder von einem Zustand in den anderen umzuschalten. .

Es besteht schon lange das Bestreben, Größe und Gewicht von Koaxialkabeln zu reduzieren, ohne Verluste, Laufzeit oder Dämpfung zu erhöhen. Koaxialkabel für sehr schnelle Computer und Übertragungseinrichtungen erfordern minimale Laufzeiten und miniaturisierte Ausführung. Größere Computer- und Koaxialkabelhersteller haben diese Notwendigkeit erkannt, jedoch nicht die herkömmlichen Koaxialkabel durch magnetische Belastung miniaturisiert. Da Fortschritte in der Computertechnik oft durch schnelle Arbeitsweise in den Festkörpereinrichtungen erzielt wird, ist der Bedarf an rascher Ausbreitung oder Übertragung von elektrischer Impulsenergie fast so wichtig geworden, wie die Miniaturisierung der Schaltkreise.

Die vorliegende Erfindung vermittelt ein Koaxialkabel, dessen erhöhte charakteristische Impedanz durch magnetische Belastung erzielt ist, was die Induktivität erhöht und die Dämpfung vermindert, ohne daß jedoch der Anstieg in der Induktivität mit der üblicherweise erwarteten Erhöhung der Laufzeit verbunden ist. Die Mittel, die zur Erzielung der magnetischen Last verwendet werden, erhöhen nicht die Wirbelstrom- und Hysterese-Verluste oder sonstige Verluste, die das neuartige Koaxialkabel als miniaturisiertes Hochfrequenz-Übertragungs-Koaxialkabel unbrauchbar machen würden.

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Ein grundsätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Abmessungen und Gewicht eines Koaxialkabels zu vermindern, ohne seine charakteristische Impedanz zu ändern oder Verluste und Laufzeit zu erhöhen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Laufzeit von Koaxialkabeln zu minimieren und gleichzeitig die Induktivität zu erhöhen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Reihe von Subminiatur-Koaxialkabeln mit neuen und zweckmäßigen Dämpfungs- und Laufzeiteigenschaften zu vermitteln.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, die größere Mengen an normalem Strom leitet, ohne daß die Gesamtabmessungen eines Koaxialkabels erhöht werden.

Im Hinblick auf die genannten Ziele wird ein Koaxialkabel herkömmlichen Aufbaus vorgesehen, das einen Mittelleiter und einen von diesem durch ein dielektrisches Abstandselement getrennten äußeren Schirm oder Außenmantel umfaßt. Der Mittelleiter ist ferner mit einer dünnen Schicht aus in Umfangsrichtung orientiertem Magnetmaterial versehen, dessen Dicke -geringer ist als der Durchmesser des Mittelleiters, aber größer als die Skineffekt-Tiefe bei der gewünschten höchsten Arbeitsfrequenz. Die Zufuhr elektrischer Energie an den Mittelleiter ist vorzugsweise auf einen Arbeitspegel oder eine Richtung begrenzt, so daß ein Umschalten der magnetischen Orientierung verhindert und somit minimale Laufzeit in der Wellenausbreitung erreicht wird. Das Magnetmaterial., mit dem der Mittelleiter beschichtet ist, weist hohe Leitfähigkeit und hohe Permeabilität auf und ist in der Lage, sowohl Wellenenergie als auch normalen Strom zu führen, ohne daß ein Umschalten oder eine Ummagnetisierung auftritt. Die dadurch erreichte magnetische Verstärkung vermittelt eine erhöhte Induktivität sowie ein erhöhtes Stromleitungsvermögen, ohne daß

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die Laufzeit oder sonstige mit einer magnetischen Last verbundene Verluste erhöht würden.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Figur 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß aufgebautes miniaturisiertes Koaxialkabel;

Figur 2 einen Längsschnitt durch das Kabel nach Figur 1;

Figur 3 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild eines herkömmlichen Koaxialkabels;

Figur 4 eine typische rechteckige Magnetisierungskurve für hochpermeables Magnetmaterial;

Figur 5 ein Diagramm, in dem die Stromdichte über dem Abstand vom Mittelpunkt des Mittelleiters aufgetragen ist; und

Figur 6 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Koaxialkabels.

In Figur 1 und 2 ist ein erfindungsgemäß aufgebautes Koaxialkabel dargestellt, das einen Mittelleiter 11 aus leitfähigem Material, etwa Kupfer, Kupfer-Beryllium oder einer sonstigen leitenden Legierung hoher Festigkeit, umfaßt. An dem Mittelleiter 11 ist leitend ein dünner leitfähiger Überzug 12 aus Magnetmaterial angebracht, und zwar direkt oder über eine auf dem Mittelleiter 11 vorgesehene (nicht gezeigte) äußerst dünne, leitfähige Basisschicht.

Der Überzug 12 aus Magnetmaterial ist vorzugsweise in Umfangsrichtung orientiert, so daß eine leichte Magnetisierungsachse quer zur Richtung der Wellenausbreitung verläuft. Andererseits

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verläuft die harte Magnetisierungsachse axial in Richtung der Wellenausbreitung, um die bevorzugte Arbeitsweise gemäß der Erfindung zu gewährleisten. Es hat sich herausgestellt, daß einachsige anisotrope Ni-Fe-Filme mit einer Dicke von 500 bis etwa 15.000 I einen zweckmäßigen orientierten Film für die im folgenden erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiele vermittelt.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der gewünschten einachsigen anisotropen Orientierung besteht darin, daß der gewünschte magnetische Überzug 12 auf den Mittelleiter 11 aufplattiert wird, und zwar in Anwesenheit eines starken in Umfangsrichtung orientierten Magnetfeldes, wie es etwa auftritt, wenn durch den Mittelleiter 11 ein starker Gleichstrom fließt. Der Mittelleiter 11 kann dabei zunächst geglüht und dann dem starken in Umfangsrichtung verlaufenden Feld ausgesetzt werden, während der magnetische Überzug 12 von einem Wert oberhalb seiner Rekristallisationstemperatur abgekühlt wird. Eine erheute Erhitzung und Reorientierung kann erforderlich sein, um einen plattierten Mittelleiter 11 von Zugspannungen zu befreien oder wenn Wärmevorgänge verwendet werden, um das dielektrische Abstandselement 14 anzubringen.

Das dielektrische Abstandselement 14 umgibt den magnetisch beschichteten Mittelleiter 11 und wird selbst von einer kontinuierlichen leitenden Abschirmung bzw. einem leitenden Mantel 13 umgeben. Der Mantel 13 kann durch eine isolierende Hülse oder Isolationsschicht 16 geschützt sein.

Es hat sich herausgestellt, daß das neuartige koaxiale Übertragungskabel nicht so arbeitete, wie es infolge des zusätzlichen magnetischen Lastmaterials zu erwarten war. Die Arbeitseigenschaften des in Figur 1 und 2 gezeigten Koaxialkabels mit und ohne magnetische Last lassen sich durch Ersatzschaltungs-Gleichungen ausdrücken. Ein vereinfachtes Ersatzschaltbild für ein herkömmliches Koaxialkabel ist in Figur gezeigt. - ,. ^

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Die Serieninduktivität L eines Ersatz-Koaxialkabels mit T-Abschnitten läßt sich darstellen durch

L = ^t- log D/_d ; (1)

die Nebenschlußkapäzität C durch

ü - ^Te ^{l0g D/d J} ■ <²>

die charakteristische Impedanz Z durch

^D/d^J - (3) die Dämpfung α durch

sowie die Laufzeit T durch

τ = flT= JiT. (5)

wobei μ die Permeabilität des Dielektrikums, e die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Abstandselements 14, D den Innendurchmesser des Außenmantels 13, d den Außendurchmesser des Mittelleiters 11, R den spezifischen Serienwiderstand und G die Nebenschluß-Leitfähigkeit bedeuten.

Im folgenden werden die Werte für ein Standard-Original-Koaxialkabel mit einer tiefgesetzten ο und die Werte von magnetisch belasteten Koaxialkabeln nach dem Stand der Technik mit einem tiefgesetzten r bezeichnet. Dadurch, daß der Mittelleiter mit einer sehr dünnen Schicht aus Magnetmaterial versehen wird, steigt die Induktivität L_Q auf L_r, ohne daß der Abstand der Elemente, die Dielektrizitätskonstante e des dielektrischen Abstandselements 14 oder die Nebenschlußkapazität C verändert werden.

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Die Gleichung (1) gibt an, daß die Induktivität L_p mit einem Anstieg in der resultierenden Permeabilität μ zunimmt. Gemäß Gleichung (2) ist die Nebenschlußkapäzität C umgekehrt proportional zu D/d und direkt proportional zur Dielektrizitätskonstante e. Nach Gleichung (3) nimmt die charakteristische Impedanz Z mit steigender Induktivität L zu. Gleichung (4) gibt an, daß die Dämpfung a_ mit zunehmender Induktivität L_r abnimmt, da der erste Ausdruck der Gleichung (4) groß ist im Vergleich zum zweiten Ausdruck. Gleichung (5) zeigt, daß die Laufzeit T mit steigender Induktivität L und steigender effektiver Permeabilität μ zunimmt.

An einem Stück Koaxialkabel mit Standard-Aufbau und einer Impedanz von 17 Ω wurde eine Laufzeit T_Q von ungefähr 5 nsec/m gemessen. Eine Zunahme des resultierenden μ_Γ gegenüber μ₀ um den Faktor 5 würde normalerweise die Werte sowohl für Z als auch T um J~5 erhöhen.' Nach der Lehre der vorliegenden Erfindung ist es jedoch möglich, den Wert von Z ohne entsprechende Steigerung des Wertes von T_r zu erhöhen.

In einer Reihe von Versuchen wurde festgestellt, daß die Laufzeit eines 17 Ω-Koaxialkabels unverändert blieb oder abnahm, obwohl die Induktivität L_r und die charakteristische Impedanz Z erhöht wurden. Ein Stück des neuartigen Koaxialkabels wurde dadurch verändert, daß die in Umfangsrichtung orientierte leichte Achse des dünnen einachsigen anisotropen Überzugs 12 aus Magnetmaterial in eine teilweise isotrope Schicht verwandelt wurde. Die Laufzeit T der veränderten Probe wurde dabei fast verdoppelt. Zu Vergleichszwecken ist durch Versuch und Berechnungen ermittelt worden, daß ein 17 Ω-Koaxialkabel durch magnetische Belastung des Kabels auf 50 Ω erhöht werden kann. Gewöhnlich würde die magnetische Last die Laufzeit von 5 nsec/m auf über 13 nsec/m erhöhen. Die Laufzeit des erfindungsgemäß gebauten, magnetisch verstärkten Kabels liegt dagegen bei. .5 nsec/m; wurde jedoch der gleiche beschichtete Mittelleiter teilweise geglüht, so daß die gewünschte magnetische Orientierung

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teilweise zerstört wurde, so stieg die Laufzeit auf über 8 nsec/m.

Es wurde festgestellt, daß eine Permalloy-Legierung mit 80 % Ni und 20 % Fe,-mit einer Dicke von 8.000 bis 10.000 I₉ auf einen Kupfer-Beryllium-Mittelleiter derart aufplattiert, daß sich eine in Umfangsrichtung orientierte magnetisch leichte Achse ergibt, bei dem neuartigen Koaxialkabel die charakteristische Impedanz Z ohne merklichen Anstieg in der Laufzeit T gegenüber T_Q erhöhte. Anfängliche Ergebnisse zeigen, daß die Laufzeit ebenso niedrig sein oder unterhalb derjenigen Werte liegen kann, wie sie für Koaxialkabel ohne magnetische Last erzielt werden.

Die Eigenschaften von einachsigem anisotropen Material lassen sich dadurch verstärken, daß zunächst auf den Mittelleiter ein Schnellüberzug aus Kupfer aufgetragen wird. Man nimmt an, daß Kupfer oder eine sonstige leitende Unterschicht dazu beiträgt, gleichmäßige Anisotropie aufrecht zu erhalten und Strukturfehler in dem Mittelleiter abzudecken. Es sind DUnnfilme mit einer Stärke von 500 bis etwa 15.000 X mit einer leichten und einer schweren Magnetisierungsrichtung erzeugt worden. Dabei kann es wie bei Speichern mit plattierten Drähten zweckmäßig sein, die Magnetostriktions-Effekte, die gewöhnlich in Permalloy-Filmen mit etwa 80 % Nickel auftreten, auf ein Minimum zu begrenzen. Filme, die die oben beschriebene leichte Achse in Umfangsrichtung aufweisen, lassen sich durch Plattieren, Vakuumniederschlag und Besprühen in Anwesenheit eines in Umfangsrichtung orientierten Magnetfeldes erzeugen. Bei anderen Techniken, etwa beim Umkleiden, Aufwalzen, Verdampfen, Ziehen, bei chemischem Auftrag oder Beschichtung aus Suspension, kann es hinterher erforderlich sein, den Leiter in einem magnetischen Induktionsfeld zu glühen.

Nickel-Eisen-Legierungen und sonstige leitende Magnetmaterialien mit kristalliner Konstruktur können auf den Mittelleiter

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aufgetragen und dann kaltgezogen werden, um das bevorzugte orientierte Magnetfeld zu erzeugen.

Die aufplattierten Dünnfilme wurden in einem Magnetfeld derart aufgetragen oder behandelt, daß die bevorzugte Orientierung in Umfangsrichtung verlief und.der Film eine hohe Anisotropie aufwies. Die umkleideten und gezogenen Nickel-Eisen-Drähte, die bekanntlich eine kristalline Kornstruktur haben, wurden durch den Ziehprozeß mechanisch orientiert. Durch Glühen des gezogenen Drahtes wird die mechanisch entwickelte hohe Anisotropie nicht zerstört; daher ist gezogener Draht möglicherweise für gewerbliche Zwecke stabiler. Massive gezogene magnetische Drähte weisen den erwünschten Anstieg in der Permeabilität auf, sind jedoch nicht so leitfähig, wie magnetisch umhüllte Drähte. Die spezielle Kristallorientierung wird nicht ganz verstanden; es wird jedoch angenommen, daß ein scheinbares effektives inneres Magnetfeld aufgrund der Wechselwirkung der Kornkristalle und des hohen effektiven inneren Feldes vorhanden ist. Dieses Magnetfeld besteht an der Wand des Mittelleiters, die den Wellenleiter bildet. Offenbar tritt infolge des orientierten Magnetfeldes ein rascherer Phasenwechsel auf, und die Laufzeit nimmt ab (die Phasengeschwindigkeit nimmt zu).

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es erforderlich, daß der dünne überzug 12 aus Magnetmaterial verhältnismäßig leitfähig ist, so daß das radiale elektrische Feld E an der Grenze des Mittelleiters kontinuierlich ist, wie dies im folgenden erläutert werden soll. Materialien des Permalloy-Typs gelten als Filmmaterialien mit hoher Permeabilität und geringem spezifischen Widerstand, während keramische Ferrite als Materialien mit hohem spezifischen Widerstand und hoher Permeabilität, die gewöhnliche Ströme nicht leiten^ angesehen werden.

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Bei dem dielektrischen Material des AbStandselements 14 kann es sich um ein beliebiges verlustarmes Dielektrikum handeln, das vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante e im Bereich von 1,2 bis 3,5 hat. Die Dielektrizitätskonstante für.Luft beträgt 1,0, die für Schaumkunststoffe nur 1,3; Teflon (Polytetrafluoräthylen), das in vielen Fällen zweckmäßig ist, hat dagegen eine Dielektrizitätskonstante von 2,1. In dem vorliegenden neuartigen Kabel eignen sich auch die üblicherweise in Koaxialkabeln verwendeten Materialien, wie Mylar, Polyäthylen, Polypropylen und sonstige Polyolefine. Der Außenmantel 13 besteht aus Leitermaterial, das bei den Betriebsfrequenzen geringe Verluste aufweist. Gelegentlich wird auch eine Kupferumspinnung verwendet, da diese bekanntlich unterhalb von 1.000 MHz als geschlossene Abschirmung arbeitet. Andererseits kann auch massives Kupfer in Form eines Filmes, Drahtes, einer Folie oder einer auf Isolierbändern angeordneten Folie verwendet werden. Es ist erwünscht, daß der Außenmantel 13 leitend ist und bei der oberen Betriebsfrequenz mindestens die doppelte Skineffekt-Eindringtiefe aufweist, als es für Außenmäntel von Koaxialkabeln sonst der Fall ist.

Bei der äußeren Isolationsschicht 16 kann es sich um Jede beliebige typische elektrische Isolation handeln, die als Band zusammen mit oder ohne den Mantel 13 aufgebracht werden kann. Hochpermeable Materialien haben gewöhnlich hohe Wirbelstrom- und Hystere-Verluste. Als magnetische Lastmaterialien in Koaxialkabeln sind auch Ferrite verwendet worden, da sie eine schmale Magnetisierungskurve aufweisen, was bedeutet, daß nur geringe Hystereseverluste zu erwarten sind. Figur 4 zeigt •eine offene Magnetisierungsschleife des Typs, wie man ihn bei Dünnfilmen oder Permalloymaterialien erzielt, wobei B die magnetische Induktion und H die magnetische Feldstärke bedeu-

"ten. Die Permeabilität μ eines Materials ist als μ = w definiert. Die Steilheit der Kurve ist im Sättigungsbereich im wesentlichen horizontal, im ungesättigten Bereich im wesent-

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lichen vertikal. Wie ersichtlich, nimmt die differentielle Permeabilität μ zu, wenn die magnetische Feldstärke H den Sättigungsbereich von negativer Sättigung auf positive Sättigung umschaltet. Die differentielle Permeabilität μ von einachsigen anisotropen. Filmen kann auf sehr geringen Werten (von etwa 5 G/Oe) im wesentlichen konstant gehalten werden, so daß es möglich ist, in dem neuartigen koaxialen Übertragungskabel Impulsenergie zu übertragen, indem auf einem horizontalen Abschnitt μ der Magnetisierungskurve, etwa zwischen den in Figur 4 angegebenen Punkten 21 und 22 der Kurve, gearbeitet wird, ohne daß die Laufzeit erhöht wird, wie es der Fall wäre, wenn bei maximaler Permeabilität gearbeitet würde.

Es hat sich herausgestellt, daß ein neuartiges 75 Ω-übertragungskabel in herkömmlicher Betriebsweise mit Leistungsstößen bis zu 0,75 W betrieben werden kann, ohne daß die magnetische Orientierung umschaltet oder Hysterese- oder Wirbelstromverluste auftreten. Das neuartige Koaxialkabel kann innerhalb der gewöhnlichen Leistungsbereiche für normale Koaxialkabel verwendet werden, ohne daß unerwünschte Effekte auftreten.

Durch Kombination der obigen Gleichungen (1), (2) und (3), ergibt sich

z = pVc

ζ - *"■ * m D/d ₌ ■ e. log D/_d. (6)

Es ist bekannt, daß dann, wenn der Wert von D/d gegen 3,59 geht, die Dämpfung α ein Minimum erreicht und Z bei minimaler Dämpfung etwa 77 Ω beträgt. In der bisherigen Praxis hat nan einige kleine Koaxialkabel mit Impedanzen von 50, 75 und 100 Ω und Mittelleitern mit Durchmessern von 0,2, 0,25 bzw. 0,25 ma hergestellt. Derartige Koaxialkabel, die mit einem Teflon-Dielektrikum arbeiten, erfordern D/d-Verhältnisse von 2,5, 3»4

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bzw. 5,3, wenn ohne magnetische Last gearbeitet wird. Frühere Versuche, die Kabelabmessungen ohne magnetische Last zu verringern, haben zu einer Erhöhung der charakteristischen Impedanz und Dämpfung geführt. Andererseits waren frühere Versuche, die Dämpfung zu verringern, darauf gerichtet, die Induktivität L und die charakteristische Impedanz Z durch magnetische Last zu erhöhen, ohne die Kabelabmessungen zu reduzieren.

Wendet man die vorliegende Erfindung an und behält man den gleichen Mittelleiter bei, wie er bei den Koaxialkabeln nach dem Stand der Technik mit 50, 75 und 100 Ω verwendet wurde, so läßt sich das D/d-Verhältnis der neuartigen Koaxialkabel mit £0, 75 und 100 Ω folgendermaßen verringern: Für ein 50 Ω-Kabel wird das D/d-Verhältnis von 2,3 auf 1,4 verringert, für ein 75 Ω-Kabel von 3,5 auf 2,2 und für ein 100 Ω-Kabel von 5,3 auf 3«0. Diese (gerundeten) Zahlen entsprechend einer resultierenden oder effektiven Permeabilität μ_Γ von 5 und einer Dielektrizitätskonstante e für Teflon von 2,1.

Wie ersichtlich, lassen sich die Werte von μ und e ändern und die gewünschten Impedanzwerte von 50, 75 und 100 Ω erhalten. Wird das D/d-Verhältnis reduziert und nähert es sich dem Wert 1, so sind folgende Werte für μ erforderlich, um die gewünschte Impedanz zu erzielen: Beträgt e = 1,0 wie bei Luft, so nähert sich μ_Γ für ein 50 Ω-Kabel dem Wert 5,3, für ein 75 Ω-Kabel dem Wert 12,2 und für 100 Ω-Kabel dem Wert 28. Beträgt e = 1,6 wie bei Schaumkunststoff, so nähert sich μ_Γ für ein 50 Ω-Kabel dem Wert 8,3, für ein 75 Ω-Kabel dem Wert 23,4 und für ein 100 Ω-Kabel dem Wert 68,8. Beträgt e = 2,1 wie bei Teflon, so nähert sich μ_Γ für ein 50 Ω-Kabel dem.Wert 11, 2, für ein 75 Ω-Kabel dem Wert 37,6 und für ein 100 Ω-Kabel dem Wert 126. Permalloy-Dünnfilme des verwendeten Typs, die durch ein Magnetfeld oder durch Kaltziehen orientiert werden, gestatten Werte von μ_ρ unterhalb und oberhalb von 5 (wobei dieser Wert für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel verwendet wird). Es können auch andere magnetische

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DUnnfilmmaterialien verwendet werden, deren Permeabilitätsbereich den obigen Werten entspricht und die die genannte erwünschte einachsige Orientierung in Umfangsrichtung aufweisen.

Eine Verminderung des D/d-Verhältnisses bei gleichzeitiger Konstanthaltung der Impedanz Z gestattet den Bau von Subminiatur-Koaxialkabeln. Der Innendurchmesser D des Außenmantels 13 läßt sich jetzt reduzieren, ohne daß die Laufzeit oder sonstige Verluste, die mit einer magnetischen Lastimpedanz normalerweise verbunden sind, erhöht werden. Wäre das neuartige Koaxialkabel bisher verfügbar gewesen, so hätte es in elektronischen Systemen für Luft- und Raumfahrzeuge verwendet werden können, um das Gewicht der Koaxialkabel um bis zu 50 % und dadurch Gewicht und Gesamtabmessungen der elektronischen Hardware zu verringern.

Bekanntlich wird der normale Strom mit steigender Frequenz in den äußeren Ringbereich eines Leiters verdrängt. Figur 5 zeigt in schematischer Darstellung, wie die Stromdichte exponentiell gegen den Außendurchmesser des Mittelleiters 11 ansteigt. Im Mittelpunkt 23, wo der Radius r = 0 ist, ist auch die Stromdichte bei hohen Frequenzen im wesentlichen O und steigt für den Außendurchmesser 24 des Mittelleiters 11 auf einen Maximalwert an. Man glaubt, daß die Stromdichte infolge des Skineffekts an der Grenze scharf abfällt und in dem dünnen Überzug 12 aus Magnetmaterial wiederum exponentiell auf ein Maximum an der Außenseite 25 des Überzugs 12 ansteigt und dann auf O absinkt. Die Skineffekt-Eindringtiefe δ läßt sich durch folgende Gleichung wiedergeben:

worin f die Betriebsfrequenz, μ die maximale Permeabilität des Leiters und σ die Leitfähigkeit bedeuten. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde die Skineffekt-Eindring-

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tiefe für das Magnetmaterial und den Kupferleiter auf 0,62 bzw. 4,6 χ 10 mm bei 350 MHz geschätzt. Die tatsächliche Dicke der Magnetschicht betrug ungefähr 10.000 1 bzw. 1O~* mm". In den oben beschriebenen bevorzugten .Ausführungsbeispielen war der dünne Überzug 12 aus Magnetmaterial dicker als die Eindringtiefe des Skineffekts. Mit steigenden Frequenzen nimmt die Skineffekt-Tiefe ab; wird die Dicke des Überzugs aus Magnetmaterial nicht entsprechend vermindert, so ergibt sich eine Dämpfung des elektrischen Feldes.

Der dünne Überzug 12 aus Magnetmaterial ist vorzugsweise leitend und an dem Mittelleiter 11 leitend angebracht, so daß das radiale elektrische Feld kontinuierlich ist. Bei einer solchen Kontinuität des elektrischen Feldes an der Grenze verteilt sich der Leitungsstrom auf die beiden Materialien umgekehrt proportional zu der jeweiligen Eindringtiefe des Skineffekts. Es läßt sich zeigen, daß hochleitfähiges Permalloy mit einer geringen Skineffekt-Eindringtiefe bei hohen Frequenzen eine viel größere Menge an Leitungsstrom führt, als es der prozentualen Erhöhung des Durchmessers des Mittelleiters entspricht. Da dieses Phänomen für einen leitenden Belag aus einem Material mit unterschiedlichem spezifischen Widerstand gilt, gilt es auch für mehrfache Schichten aus Materialien mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen, die leitend miteinander verbunden oder in einem kontinuierlichen elektrischen Feld angeordnet sind und unabhängig voneinander leitende Skineffekt-Schichten führen.

Der dünne Überzug aus Magnetmaterial führt nicht nur einen !feil des üblichen Stroms sondern verstärkt auch die Leitfähigkeit für eine gewisse Form von Wellenenergie. Ein Stück des neuartigen Kabels wurde ohne .Änderung der Leitfähigkeit des Magnetmaterials geglüht, wodurch die in. Umfangsrichtung verlaufende Orientierung der leichten Achse teilweise zerstört wurde. Als Folge des Glühens wurde die charakteristische

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-ι?

Impedanz Z = j -w- erhöht, was einem Anstieg der oben erwähnten Permeabilität μ und μ_ρ zuzuschreiben ist; die Laufzeit erhöhte sich jedoch in stärkerem Maße, als dies durch irgend einen möglichen Anstieg in der Permeabilität verur- · sacht werden kann. Die Ausbreitung der Wellenenergie wird durch die oben genannte in Umfangsrichtung verlaufende Orientierung des einachsigen anisotropen Magnetmaterials verstärkt. Es kann sein, daß durch das teilweise Glühen eine Änderung in der Form der Magnetisierungskurve bewirkt wurde, so daß die Arbeitsweise im Bereich einer senkrechten Flanke der Magnetisierungskurve Hystereseverluste, Magnetflußänderungen und Zeitverzögerungen bewirkt, die nicht auftreten, wenn in einem Sättigungsbereich der in Figur 4 beschriebenen rechteckigen Magnetisierungskurve gearbeitet wird.

Eine weitere Erklärung für die Abnahme der Laufzeit T wird anhand von Figur 6 abgegeben', die ein schematisches Schaltbild des neuartigen Koaxialkabels wiedergibt. Der Nebenschlußzweig 26· des T-Ersatzschaltbildes weist, wie sich zeigte, eine Induktivität 27 auf, die in Serie mit der Nebenschlußkapazität liegt und den Resonanzpunkt oder die Sperrfrequenz gegenüber einem Koaxialkabel ohne den dünnen Magnetmaterial-Überzug vermindert. Bei hohen Frequenzen oberhalb der Sperrfrequenz, gewöhnlich oberhalb 20 MHz, wo rasche Anstiegszeiten der Impulsenergie auftreten, ist die Induktivität 27 (Xt) sehr hoch und neigt dazu, die Kapazität (X,,) unwirksam zu machen. Oberhalb der. Abschalt- oder Sperrfrequenz weist der Nebenschlußzweig 26 stark induktives Verhalten auf, so daß der Mittelleiter 11 gegenüber dem Rückleitungs-Außenmantel 13 im wesentlichen isoliert ist. Infolge dieser Isolation ist die Laufzeit T nicht mehr J LC, und die Ausbreitungsgeachwindigkeit beginnt sich der Lichtgeschwindigkeit zu nähern,.wie sie in einem offenen Leiter erzielt wird; die Skineffekt- und Strahlungsverluste, die mit offenen Leitern verbunden sind, sind jedoch auf die bei normalen Koaxialkabeln auftretenden Werte reduziert.

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Ein Teil des in dem Überzug aus Magnetmaterial fließenden Stromes wird möglicherweise auf eine schraubenförmige Bahn gedrängt, was den Anstieg in der Induktivität und das hohe Magnetfeld weiterhin erklären könnte.

Eine weitere erwünschte Eigenschaft bei der Verwendung von Ni-Fe-Permalloy-Materialien besteht darin, daß eine verringerte Phasenverzerrung erreicht wird. Bei hohen Frequenzen arbeitet Permalloy als magnetischer Dämpfer, was eine erwünschte "Abroll^lf-Charakteristik ergibt. Bei dieser Charakteristik werden die oberhalb der Arbeitsfrequenzen liegenden Frequenzen wesentlich gedämpft, die sonst zu einer Phasenverzerrung führen wurden.

In den obigen speziellen Ausführungsbeispielen wird mit einem speziellen hoch-anisotropen und im wesentlichen in Umfangsrichtung orientierten Magnetmaterial gearbeitet. Es können jedoch auch andere Magnetmaterialien mit der beschriebenen erwünschten Charakteristik eingesetzt werden. Das koaxiale Übertragungskabel sowie die Methode zur Verminderung der Laufzeit und der Dämpfung sind so beschrieben worden, wie es die beste verfügbare theoretische Analyse derzeit gestattet. Es sind auch andere Ausführungsformen möglich, um die Abmessung von Koaxialkabeln für Hochfrequenzbetrieb zu vermindern, ohne die Laufzeit und die Dämpfung zu erhöhen.

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Claims

Ansprüche

1.!Koaxialkabel mit magnetischer Last, umfassend einen Mittelleiter, ein den Mittelleiter umgebendes gleichmäßiges, rohrförmiges Abstandselement aus dielektrischem Material sowie einen auf der Außenseite des dielektrischen Abstandselements angeordneten leitenden Mantel, dadurch gekennzeichnet , daß der Mittelleiter (11) einen Überzug (12) aus leitendem, hochpermeablen Magnetmaterial umfaßt, das eine mindestens teilweise derart orientierte kristalline Kornstruktur hat, daß ein hohes scheinbares, effektives, inneres Magnetfeld in Umfangsrichtung vorliegt, daß die charakteristische Impedanz

1 Γ7Γ # Z = ·*+- I «■ log D/d c. Tr ^ ε

im wesentlichen konstant gehalten wird, während die Permeabilität μ auf μ erhöht und der Außendurchmesser D des Mittelleiters (11) auf D um ein kompensierendes Maß vermindert wird, wobei in der Gleichung μ die durch den magnetischen Überzug bewirkte resultierende Permeabilität des Kabels, e die Dielektrizitätskonstante des Abstandselements (14) und d den Außendurchmesser des Mittelleiters (11) bedeuten. - - '

2. Koaxialkabel nach Anspruch 1, dadurch - gekennzeich net, daß auf der Außenseite des Mantels (13) eine dünne Isolationsschicht (16) vorgesehen ist.

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3. Koaxialkabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Magnetmaterial des Überzugs (12) mindestens teilweise in seiner Kornstruktur so orientiert ist, daß mindestens eine Kristallachse in Umfangsrichtung verläuft, so daß in Axialrichtung eine hohe Permeabilität und in Umfangsrichtung ein hohes Magnetfeld erzeugt werden.

4. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch g e kennzeich nee t , daß das magnetische Material des Überzugs (12) aus einer Nickel-Eisen-Legierung, vorzugsweise des Permalloy-TypSy besteht.

5. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelleiter {11) eine Seele aus sehr gut leitendem Material und eine dünne Außenschicht aus leitendem Magnetmaterial aufweist, das in Umfangsrichtung ein bevorzugtes Magnetfeld hat.

6. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , da,ß das Magnetmaterial einachsig anisotrop mit einer in Umfangsrichtung orientierten leichten Achse ist.

7. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Laufzeit kleiner ist als

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8. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Laufzeit proportional zum Anwachsen des scheinbaren, effektiven, inneren Magnetfeldes abnimmt. .

9. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß das scheinbare, effektive, innere Magnetfeld mit der in dem dielektrischen Abstandselement (14) übertragenen Wellenenergie zusammenwirkt, so daß die Phasengeschwindigkeit steigt und die Laufzeit entsprechend abnimmt.

10. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Überzug (12) aus Magnetmaterial auf den Mittelleiter (11) durch Elektroplattieren aufgebracht ist und die kristalline Kornstruktur in einem in Umfangsrichtung verlaufenden Magnetfeld orientiert ist.

11. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß das Magnetmaterial des Überzugs" (12) auf den Mittelleiter (11) aufgetragen und der Leiter auf seine endgültige Dimension kaltgezogen wird, so daß gleichzeitig die kristalline Kornstruktur mit mindestens einer Kristallachse in Umfangsrichtung orientiert ist.

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12. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Gesamtabmessung des magnetisch belasteten Kabels durch Erhöhen der effektiven Permeabilität μ etwa um das 5-fache gegenüber einem Kabel ohne magnetischer Last reduziert ist.

13. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß das D/d-Verhältnis eines 25 Ω-Kabels um mehr als 25 % verringert ist.

14. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß das D/d-Verhältnis eines 50 Ω-Kabels um mehr als 50 % verringert ist.

15. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß das D/d-Verhältnis eines Kabels mit 75 Ω oder darüber um mehr als 100 % verringert ist.

16. Koaxialkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß das D/d-Verhältnis um einen Betrag verringert ist, der zu dem Anstieg in dem Wert I μ_ρ proportional ist, ohne daß die Laufzeit T entsprechend steigt.

17. Verfahren zur Herstellung eines magnetisch belasteten Koaxialkabels mit geringer Laufzeit nach einem der Ansprüche

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1 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß der Mittelleiter mit einem leitfähigen Überzug aus Magnetmaterial mit kristalliner Kornstruktur beschichtet, die Kornstruktur zur Erzielung eines scheinbaren, hohen, inneren Magnetfeldes in Umfangsrichtung orientiert und ein Abstandselement sowie ein äußerer Mantel für den Mittelleiter vorgesehen werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich net, daß das Magnetmaterial in einem Magnetfeld orientiert wird und in Umfangsrichtung einachsige Anisotropie aufweist.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetmaterial durch Kaltziehen in Umfangsrichtung längs einer Achse der Kornstruktur orientiert wird.

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