DE3006345C2

DE3006345C2 - Hochfrequenz-Koaxialkabel mit Luft-Dielektrikum

Info

Publication number: DE3006345C2
Application number: DE3006345A
Authority: DE
Inventors: Yasunori Yokohama Kanagawa Saito
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1979-02-23
Filing date: 1980-02-20
Publication date: 1983-05-11
Also published as: AU514346B2; US4287384A; NL8000368A; NL179321B; NL179321C; JPS55113214A; DE3006345A1; SE457918B; SE8001372L; AU5468380A

Description

Bc₀,/. ■. 1ΛΓ _T 1 + to/a,) ((J₁Zd_x)

J? min

· ΙΟ'⁶ -,

JS₁E₁IS₁E_x)

(S₂ E₂ZS_x E₁)

und

ÄEUX

■]

■ 10"» + α,

1+(O₂Za_x)(S₁E₁ZS_xE₁)

wobei

E₂ "ι

= die Querschnittsfläche des inneren Leiters (1),

= die Querschnittsfläche des äußeren Leiters (3),

= den Elastizitätsmodul des den inneren Leiter (1) bildenden Materials,

= den Elastizitätsmodul des den äußeren Leiter (£/ bildenden Materials,

= den linearen Ausdehnungskoeffizienten des ti η inneren Leiter (1) bildenden Materials,

= den linearen Ausdehnungskoeffizienten des den äußeren Leiter (3) bildenden Materials,

= den äußeren Durchmesser des inneren Leiters (1),

= den inneren Durchmesser des äußeren Leiten (3),

= die Dielektrizitätskonstante des Abstandhalters (2, V),

= die Umgebungstemperatur und

—St- = den Temperaturkoeffizienten der °' Dielektrizitätskonstanten bedeuten.

Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenz-Koaxialkabel mit Luft-Dielektrikum, und einem zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter angeordneten Abstandhalter.

In letzter Zeit werden auf bestimmten technischen Gebieten, wie beispielsweise in der Radioastronomie, Beobachtungssysteme, beispielsweise für den Empfang von Radiowellen aus dem Weltraum, verwendet, bei denen eine große Antenne durch Verbindung mehrerer Antennenelemente mit Koaxialkabeln hergestellt wird; diese Antennenelemente sind auf dem Erdboden in bestimmten Abständen voneinander angeordnet. Bei solchen Systemen wird der Empfang der Signale für einen langen Beobachtungszeitraum, beispielsweise über mehrere Monate, durchgeführt, so daß eine sehr wesentliche Bedingung für den Betrieb einer solchen Antenne die Konstanthaltung der elektrischen Länge

des Systems ist Um diese Anforderung zu erfüllen, ist eine Technik Verwendet worden, bei der entweder das gesamte System auf eine·· konstanten Temperatur gehalten oder eine Phasensteuereinrichtung vorgesehen wird, um Änderungen der elektrischen Länge des

Systems aufgrund einer Schwankung der Umgebungstemperatur im System zu kompensieren. Diese herkömmlichen Techniken sind jedoch insoweit nachteilig, als ihr Einsatz äußerst kostspielig ist; außerdem treten

große apparative und konstruktive Schwierigkeiten auf, wenn mit diesen Techniken die Umgebungstemperatur in befriedigender Weise gesteuert werden soll.

Aus der DE-OS 28 36 559 ist ein Vorschlag für ein Hochfrequenz-Koaxialkabel mit Luft-Dielektrikum bekannt, bei dem ein wendeiförmiger Abstandhalter aus einem Kunstharz um die Außenwandung des Innenleiters gewickelt ist Der wendeiförmige Abstandhalter ist mit einem Isolierstoffschlauch aus einem Kunstharzmaterial überzogen. Um die Außenfläche des Isolierstoff-Schlauches herum sind ein Außenleiter und ein Kunstharzmantel angeordnet Soweit in dieser Druckschrift von den elektrischen Eigenschaften eines solchen Kabels überhaupt die Rede ist, wird die elektrostatische Kapazität des Hochfreqirenz-Koaxialkabels erörtert, welche über die Kabellänge im wesentlichen konstant gehalten werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hochfrequenz-Koaxialkabel der im Oberbegriff des Anspruches genannten Art zu schaffen, bei dem Phasenänderungen aufgrund von Temperaturänderungen weitgehend verringert oder sogar ausgeschlossen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches angegebenen Merkmale gelöst

Wenn ein Hochfrequenz-Koaxialkabel mit Luft-Dielektrikum Temperaturänderungen ausgesetzt ist so wird dessen elektrische Länge durch Änderungen der physikalischen Länge der Leiter und durch Änderungen 3u der absoluten Dielektrizitätskonstante des Abstandhalters beeinflußt Die physikalische Länge des Koaxialkabels nimmt mit einer Erhöhung der Temperatur in Abhängigkeit von den linearen Koeffizienten der Leiter zu, wodurch eine Zunahme der elektrischen Länge bewirkt wird. Andererseits nimmt die Dielektrizitäts-

1 öß	. 1	1	Bc	. 2	1	R
β BT	2	C	BT			+ Ä(fb-l)
dabei sind:

der Raumfaktor des Abstandhalters der den prozentualen Volumenanteil des Abstandhalters in dem Raum zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter angibt die natürliche Dielektrizitätskonstante des Abstandhalters,

der lineare Ausdehnungskoeffizient des Abstandhalters,

die linearen Ausdehnungskoeffizienten des inneren und äußeren Leiters, Außendurchmesser des inneren Leiters, Innendurchmesser des äußeren Leiters.

Der zweite Term der rechten Seite von Gleichung 1 kann für den Fall, daß der innere und äußere Leiter starr an dem Abstandhalter befestigt sind, in üblicher Weise konstante des Abstandhalters mit Zunahme der Temperatur ab, wodurch die elektrische Länge verringert wird. Infolgedessen kann eine Stabilisierung der elektrischen Länge des Koaxialkabels im wesentlichen dadurch erreicht werden, wie es im Rahmen der Erfindung vorgesehen ist, daß ein Ausgleich zwischen der Änderung der physikalischen Länge und der Änderung der Dielektrizitätskonstanten des Hochfrequenzkabels geschaffen wird.

Wenn nun ein Hochfrequenz-Koaxialkabel mit Luft-Dielektrikum für den Raumfaktor des Abstandhalters die im Kennzeichen des Anspruchs angegebene Ungleichung erfüllt, so ist es möglich, einen Temperaturkoeffizientcn der elektrischen Länge oder anders ausgedrückt einen Phasentemperaturkoeffizienten zu erreichen, dessen Absolutwert 5xlO-⁶/°C nicht überschreitet

Im folgenden soll zunächst das Prinzip der Phasenstabilisierung nach der Erfindung beschrieben werden.

Der Phasentemperaturkoeffizienten kß eines Koaxialkabels mit einer Länge / ist die Summe des Temperaturkoeffizienten einer Phas ^!konstanten und des Temperaturkoeffizienten einer Kabeiirmge, wie sich aus der folgenden Gleichung 1 ergibt

= _L ML ^{l dß} 1 ^{1 a/}

ßl BT β BT l δΤ'

Im allgemeinen ist der Wärmeausdehnungskoeffizient eines Abstandhalters größer als der eines Leiters. Der erste Term auf der rechten Seite von Gleichung 1, der Temperaturkoeffizient der Phasenkonstanten, ist für Abstandhalter näherungsweise halb so groß wie der Temperaturkoeffizient der effektiven Dielektrizitätskonstanten. Im Falle eines Hochfrequenz-Koaxialkabels mit Luft-Dielektrikum kann der erste Term durch die folgende Gleichung 2 berechnet werden:

durch die folgende Gleichung 3 dargestellt werden:

45 Sl ST

S\ E\ <Z\

dabei bedeuten:
Si bzw. S₂

die Querschnittsflächen des inneren bzw. äußeren so Leiters,
Eibzw.jEi

die Elastizitätsmoduln der Materialien für den

inneren bzw. äußeren Leiter und «i bzw. «2
di',· linearen Ausdehnungskoeffizienten des inneren bzw. äußeren Leiters.

Aus den Gleichungen 1 bis 3 ergibt sich dann der Phasentemperaturkoeffizient des Hochfrequenz-Koaxialkabels mit Luft-Dielektrikum zu:

-Si
2

äf

-1.

to

Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß ein Hochfrequenzkoaxialkabel mit Phasenstabilisierung durch Auswahl des Raumfaktors R des Abstandhalters geschaffen ₀, .

S_x E_x+S₁E₁

werden kann; diese Auswahl erfolgt in der Weise, daß der Phasentemperatuikoeffizient kß, der durch die obige Gleichung 4 gegeben wird, Null ist Da jedoch die

Dielektrizitätskonstante ε₀ des Abstandhaltermaterials und sein Temperaturkoeffzient

BT

im allgemeinen Funktionen der Temperatur Tsind, muß der Raumfaktor R des Abstandhalters unter der Bedingung ausgewählt werden, daß diese Konstanten in bezug auf die Benutzungstemperatur auf andere Weise bestimmt worden sind.

In der Gleichung 4 ist kß für die Belange der Praxis aus den folgenden Gründen näherungsweise gleich Null: Der Temperaturkoeffizient

cT

der Dielektrizitätskonstanten des Abstandhaltermaterials ist im Bereich der üblichen Betriebstemperaturen von —50° bis i0O°C negativ, wuuei sein Absolutwert etwas größer als der lineare Ausdehnungskoeffizient O₀ ist (der wiederum um eine Größenordnung größer als «ι und Λ2 ist). Deshalb ist der erste Term auf der rechten Seite von Gleichung 4 im allgemeinen negativ. Andererseits ist der zweite Term auf der rechten Seite von Gleichung 4 positiv, da der lineare Ausdehnungskoeffizient von Metallen im allgemeinen positiv ist. Dementsprechend kann der Phasentemperaturkoeffizient kß in Gleichung 4 zu Null gemacht werden, indem der Wert des Raumfaktors des Abstandhalters in geeigneter Weise ausgewählt wird.

Außerdem können im allgemeinen diese Faktoren in

/?min < Ä< Ämax.

Gleichung 4 vollkommen unabhängig von der Impedanz des Hochfrequenz-Koaxialkabels eingestellt werden. Deshalb kann eine Impedanz, die durch die folgende Gleichung 5 gegeben wird, auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden, indem das Koaxialkabel so konstruiert wird, daß das Verhältnis des inneren Durchmessers di des äußeren Leiters zu dem äußeren Durchmesser d\ des inneren Leiters einen geeigneten Wert hat.

VF

(5)

Die Erfindung gibt ein Hochfrequenz-Koaxialkabel mit Phasenstabilisierung an, das nach dem oben beschriebenen Prinzip aufgebaut ist; dabei wird der Raumfaktor des Abstandhalters so eingestellt, daß unter den Bedingungen, daß die Materialien des Koaxialkabels, die Transmissions-Kennlinie des Koaxialkabels, insbesondere die Dampfungskonstante und die charakteristische Impedanz und die Umgebungstemperatur des Koaxialkabels beim Gebrauch spezifiziert werden, der Absolutwert des Phasentemperaturkoeffizienten nicht mehr als 5 χ IO-⁶/°C beträgt.

Der durch die Gleichung 4 gegebene Phasentemperaturkoeffizient kann entweder positiv oder negativ sein. Deshalb können die Bedingungen für den Raumfaktor des Abstandhalters, die den Absolutwert des Phasentempei-aturkoeffizient nicht großer als 5xlO-⁶/°C machen, durch die folgende Gleichung 6 dargestellt werden:

(6)

Dabei bedeuten:

Ämin

- D

±iaL₊(,-_L)L,__ei

₊ ^fo A) ZT \ WL 1+ (O₂Za₁) Jd₂ZdQ

+ (O₂Za₁)(S₂E₂ZS₁E₁)
1 +(S₂E₂ZS₁E₁)

Ämax

1 Bc₀ ,(. 1 \Γ

T^ ⁺ I ¹ ~ —) «o - ^ffi ~

C₀ C₀ BT \ C₀Jl (7)

5· ΙΟ

-6

<x, 1+(O₂Zd₁)

(O₂ZaQ(S₁E₂ZS_xEQ 1+(S₂E₂ZS₁EQ

die Querschnittsfläche des inneren Leiters, die Querschnittsfläche des äußeren Leiters, der Elastizitätsmodul des Materials für den inneren Leiter,

der Elastizitätsmodul des Materials for den äußeren Leiter,

der lineare Ausdehnungskoeffizient des Materials für den inneren Leiter, der lineare Ausdehnungskoeffizient des Materials für den äußeren Leiter, der äußere Durchmesser des inneren Leiters, der innere Durchmesser des äußeren Leiters, die Dielektrizitätskonstante des Abstandhalters und die Umgebungstemperatur.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Hochfrequenz- ·^: Koaxialkabel mit Phasenstabilisierung und ,,

Fig.2 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen dem Phasentemperaturkoeffizienten kß und der Temperatur Tmit dem Raumfaktor R als Parameter.

a, Wie in F i g. 1 dargestellt ist, weist das Hochfrequenz-Koaxialkabel einen inneren Leiter 1 und einen äußeren Leiter 3 auf; der innere Leiter I besteht aus einem Draht ^f aus weichem Aluminium mit einem äußeren Durchmes- ' ser von 8,0 mm, während der äußere Leiter 3 aus einem Rohr aus weichem Aluminium mit einem inneren j Durchmesser von 19,5 mm besteht. Der innere an4-—■* äußere Letter 1 und 3 werden koaxial durch einen : Abstandhalter gehalten, der mit dem folgenden '

Verfahren hergestellt worden ist. Eine spiralförmige Rippe 2 wird auf dem inneren Leiter 1 durch direkte Extrusion von Polyäthylen ausgebildet; die spiralförmige Rippe 2 wird an ein äußeres Rohr 2' aus Polyäthylen

Tabelle 1

geschweißt. Die folgende Tabelle 1 gibt die Daten der Materialien an, die zur Herstellung des Koaxialkabels verwendet wurden:

Linearer Ausdehnungskoeffizient

Temperaturkoeffizient

Abstandhalter (Polyäthylen)

Innerer Leiter (Aluminiumdraht)

Äußerer Leiter (Aluminiumrohr)

a₀ = 2.0 X 10"V⁰C σ, = 2.3 X 10~V°C ffj = 2.3 X IfT-V⁰C

— -£& = -2.8 x 10"V⁰C co <^Λ Τ

Fig. 2 gibt die Temperaturkennlinie des Phasentemperaturkoeffizienten kß von Hochfrequenz-Koaxialkabeln mit einer Impedanz von 50 Ohm an, die mit den in Tabelle 1 angegebenen Materialien mit unterschiedlichen Raumfaktoren R hergestellt wurden. Es ist bekannt, daß Hochfrequenz-Koaxialkabel unterschiedliche Raumfaktoren aufweisen können. Aus Fig. 2 kann man folgendes ableiten: Wenn der Raumfaktor in der Größenordnung von 11,5% liegt, wird der Phasentemperaturkoeffizient nicht Null. Er bleibt jedoch im Temperaturbereich von 15 bis 55°C unter 5 χ 10-V⁰C. Wenn Jer Raumfaktor 13% bis 14% beträgt, nähen sich der Phasentemperaturkoeffizient bei zwei Temperaturen, nämlich bei ungefähr I5°C und bei ungefähr 50⁰C, dem Wert Null. In beiden Fällen hat der Phasentemperaturkoeffzient einen Wert, der über einen weiten Temperaturbereich von mehr als 50° C kleiner als 5 χ 10"⁶/°C ist. Die durch die durchgezogenen Linien in Fig.2 angedeuteten Kurven stellen die Beziehung zwischen dem Phasentemperaturkoeffizient und der Temperatur in einem Hochfrequenz-Koaxialkabel dar, dessen zwischen den Abstandhaltern ausgebildeter Innenraum in Verbindung mit der Umgebungsatmosphäre steht, die eine relative Feuchtigkeit von 60% hat Andererseits zeigt die durch eine gestrichelte Linie in Fig.2 angedeutete Kurve die Beziehung für ein Koaxialkabel mit einem Raumfaktor von 13%, wobei trockene Luft in dem Innenraum bei einem absoluten Druck von 0,5 kg/cm² und bei einer Temperatur von 15° C eingeschlossen ist Da in diesem Fall die Feuchtigkeit und der Druck des eingeschlossenen Gases konstant gehalten werden können, wird der Phasentemperaturkoeffizient weiter verringert und es läßt sich eine noch bessere Stabilisierung des Koaxialkabels erreichen. Um den Absolutwert des Phasentemperaturkoeffizienten kleiner als 5 χ IO-⁶/°C machen zu können,

2i sollte der Bereich der Raumfaktoren, der aus den oben beschriebenen Gleichungen erhalten wird, von 10% bis 16% reichen.

Damit läßt sich also eine Feineinstellung der Änderung der Phase mit der Temperatur und des

in stabilen Temperaturbereiches durch entsprechende Auswahl des P.aumfaktors des Abstandhalters durchführen. Selbstverständlich wurden vollkommen gleiche Ergebnisse mit 75 Ohm Koaxialkabeln erhalten. Bei dem beschriebenen Hochfrequenz-Koaxialkabel

r, hat der Abstandhalter eine Struktur, die durch direkte Extrusion erhalten wird, so daß keine inneren Spannungen in der spiralförmigen Rippe zurückbleiben. Die spiralförmige Rippe wird mit dem äußeren Rohr verschweißt; die äußere Wand des äußeren Rohres

4n befindet sich im engen Kontakt mit der Innenwand des rohrförmigen äußeren Leiters. Deshalb bleibt die Struktur des Koaxialkabels sogar dann unverändert, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert Außerdem kann eine Verbindung der äußeren Wand des äußeren

-r, Rohres mit der Innenwand des rohrförmigen äußeren Leiters die thermische Stabilität des Koaxialkabels merklich verbessern. Bei einigen Ausführungsformen von Koaxialkabeln wird ein trockenes Gas luftdicht eingeschlossen; in einem solchen Fall wird die Struktur

>n des Koaxialkabels sogar dann gegen den Gasdruck stabil gehalten, wenn sich der Gasdruck ändert

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch;

Hochfrequenz-Koaxialkabel mit Luft-Dielektrikum und einem zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter angeordneten Abstandhalter, dadurch ge ken η zeich η et, daß der Raumfaktor R des Abstandhalters (2, 2*), der den prozentualen Volumenanteil des Abstandhalters in dem Raum zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter angibt, zwischen den zwei Grenzwerten R min und R max liegt, wobei