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Flexibler Hohlleiter zur Übertragung von Mikrowellensignalen
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Die Erfindung bezieht sich auf einen flexiblen Hohlleiter zur Übertragung
von Mikrowellensignalen.
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Ein derartiger flexibler Hohlleiter kann bevorzugt in Fällen angewendet
werden, in denen zwischen einen Mikrowellengerät und einer Antenne bzw. zwischen
Mikrowellengeräten untereinander eine relativ große Entfernung zu überbrücken ist.
Solche
Anwendungsfälle sind z.B. ein mit einem Mikrowellen-Senderempfänger
ausgerüstetes Verkehrsmittel oder die Verbindungen zwischen Antennen und Einrichtungen
einer Mikrowellenkette.
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Die Entfernung ist in der Regel kleiner als 150 m, im Durchschnitt
etwa 70 - 80 m.
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Im Zusammenhang mit diesem Anwendungsgebiet unterliegen diese Hohlleiter
zur Übertragung von Mikrowellensignalen mehreren Anforderungen. Ein Erfordernis
ist eine kleine Dämpfung in bezug auf die zu übertragenden Mikrowellenfrequenz.
Da die Übertragung der Mikrowellensignale nicht bei einer bestimmten Frequenz, sondern
in einem weiten Frequenzgebiet erfolgt, ist eine weitere Anforderung eine große
Bandbreite. Bei Mikrowellen-Hohlleitern ist die Bandbreite praktisch durch die Frequenzabstände
zwischen den auftretenden Störmoden bestimmt.
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Für solche Zwecke werden schon lange quadratische, rechteckige, kreisförmige
und neuerdings auch elliptische Hohlleiter eingesetzt. Schließlich besteht heute
die Anforderung, längere Hohlleiterstrecken aus einem Stück zu erstellen, wobei
die Hohlleiter wie ein Kabel. auf eine Kabeltrommei gewickelt werden können.
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Es sind flexible, auf Kabel trommel wickelbare Wellenleiter oder Hohlleiter
bekannt-, mit denen die Größe der zusätzlichen Reflexionen und folglich der Echogeräusche
der ganzen Hohlleiterstrecke gegenüber den früher angewandten, aus mehreren kurzen
Abschnitten zusammengebauten Hohlleitern vermindert werden konnte. Diese Hohlleiter
haben einen elliptischen Querschnitt.
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Dieser Querschnitt der flexiblen Hohlleiter ist in der Regel so gewählt,
daß dieser über die Länge des Hohlleiters konstant ist und zugleich einen Übergang
zwischen einem viereckigen und einem kreisförmigen Querschnitt bildet. Dies ist
wesentlich im Hinblick auf das Optimum zwischen dem guten Bandbreiteverhalten
eines
quadratischen Hohlleiters und dem guten Dämpfungsverhalten eines kreisförmigen Hohlleiters,
was ein Kompromiß zwischen den elektrischen Eigenschaften der beiden bedeutet. Der
Querschnitt der Hohlleiter ist also aus geometrischer Sicht weder viereckig, noch
kreisförmig, sondern irgendein geometrisches Gebilde. Es wurde bevorzugt ein elliptischer
Querschnitt oder ein ellipseähnliches Oval -z.B. eine Cassinoide - angewendet. Dies
hat zwei Begründungen.
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Mit einer geeigneten elliptischen Umrißlinie kann man einerseits erreichen,
daß die Momente zweiter Ordnung um beide Halbachsen des Querschnittes etwa gleich
sind und demzufolge der Wellenleiter in beiden Ebenen zufriedenstellende Biegungseigenschaften
aufweist. Andererseits kann man bei der Herstellung solcher Hohlleiter die mathematische
Tatsache ausnutzen, daß die Ellipse aus einer gleichmäßigen Kompression des Kreises
in einer bestimmten Richtung abgeleitet werden kann, wobei der Kompressionsbeiwert
gerade dem Verhältnis der Halbachsen der Ellipse gleich ist. Dementsprechend besteht
das Wesen mehrerer bekannter Produktionsverfahren darin, daß die in einer ersten
Stufe zylindrisch ausgebildeten Leiter in einer zweiten Stufe mit Hilfe eines geeignet
ausgewahlten Werkzeuges elliptisch geformt werden. Hierfür weist der Eintrittsquerschnitt
des Werkzeuges eine zylindrische, der Austrittsquerschnitt eine elliptische Form
auf, wobei zwischen diesen Querschnitten ein übergang mit ständig wechseindem Querschnitt
ausgebildet ist.
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Bei den bekannten Herstellungsverfahren ist es als nachteilig anzusehen,
daß die Abmessuny2n des E Elntrittsquers chni ttes, die zu einem gewünschten Austrittsquerschnitt
gehören, nicht ohne weiteres, sondern nur nach einigen Versuchen ermittelt werden
können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Hohlleiters
mit kleiner spezifischer Dämpfung, möglichst großer
Bandbreite,
güter Biegeeigenschaft ohne Deformation des Innenquerschnittes und verhältnismäßig
einfacher Herstellbarkeit.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Hohlleiter gelöst, dessen
Innenquerschnitt eine hyperelliptische Umrißlinie hat, die mit der Gleichung
bestimmt ist, wobei x und y die rechtwinkligen Koordinaten der Punkte der Hyperellipse
sind, a die Hälfte der Achse in Richtung x ist, b die Hälfte der Achse in Richtung
y ist, -die-Achse in Richtung y kürzer ist als die Achse in Richtung x, und diesochzahlen
m und n größer sind als 2, aber kleiner als 22.
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Falls nämlich m oder n größer sind als 22, hat der Querschnitt im
wesentlichen eine rechtwinklige Form.
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In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist die Umrißlinie
des Innenquerschnittes als eine Hyperellipse ausgebildet, die mit-der Gleichung
bestimmt ist, wobei x und y die rechtwinkligen Koordinaten der
Punkte der Hyperellipse sind, a die Hälfte der Längen der Achsen der Hyperellipse
ist und die Hochzahl m größer ist als 2, aber kleiner als 22.
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Um die zur Fertigung des erfindungsgemäßen Hohlleiters nötigen Presswerkzeuge
verhältnismäßig einfach und dazu mit genügender Genauigkeit herstellen zu können,
kann die Umrißlinie des inneren Querschnittes des Hohlleiters einem Kreisbogen angenähert
werden. Die Abweichung der einem Kreisbogen angenäherten Umrißlinie von der Hyperellipse
ist kleiner das 10 3-fache der längeren Halbachse a.
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Im Interesse guter Biegeeigenschaften des erfindungsgemäße Hohlleiters
kann in einer zweckmäßigen Ausführungsform der Querschnitt als eine Hyperellipse
ausgeführt werden, deren Achsen länger sind als die entsprechenden Achsen der inneren
Umrißlinie und deren Hoch zahlen größer sind als die entsprechenden Hochzahlen der
inneren Umrißlinie.
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Nach einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung, die zusätzliche
Vorteile mit sich bringt, ist die äußere Umrißlinie des Querschni ttes durch die
Gleichung
bestimmt, wobei
X und Y die rechtwinkligen Koordinaten der Umrißlinie
sind, und A die Länge der Halb achse in Richtung X und B die Länge der Halbachse
in Richtung Y ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung mit Bezug auf
Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 einen Schnitt
einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hohlleiters; Fig. 2 einen Schnitt
einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hohlleiters, Fig. 3 einen Schnitt
einer dritten Susführungsform des erfindungsgemäßen Hohlleiters, Fig. 4 bzw. 5 Teile
der Ausführungsform von Fig. 3, und Fig. 6 die äußere Umrißlinie des erfindungsgemäßen
Hohlleiters gemäß Fig. 1.
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Der in Fig. 1 gezeigte Hohlleiter hat eine innere Umrißlinie 1 und
eine äußere Umrißlinie 2. Bei dieser Ausführungsform ist die innere Umrißlinie 1
als eine Hyperellipse ausgebildet, die mit der Gleichung
bestimmt ist, wobei
x und y die rechtwinkligen Koordinaten der
Punkte der Hyperellipse, und a und b die Längen der Halbachsen in Richtung x bzw.
y sind.
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Bei dieser Ausführungsfornl haben die Halbachsen unterschiedliche
Längen, da die Halbachse a nämlich länger ist als die Halbachse b. Die Hochzahlen
m und n in der obigen Gleichung sind größer als 2, aber kleiner als 22.
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Um die Hohlleiter mit der oben beschriebenen Hyperellipse als innere
Umrißlinie 1 mit gar keiner oder geringer Verzerrung der Form der Umrißlinie 1 biegen
zu können, ist auch die äußere Umrißlinie 2 des Querschnittes des Hohlleiters durch
die obige Gleichung bestimmt. Die Länge der Halbachsen a und b sind aber um die
am Ort der Achsen x und y gemessenen Wandstärken vergrößert. Auch die Hochzahlen
m und n sind größer als die Hoch zahlen m und n der inneren Umrißlinie 1.
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Infolgedessen wird die Wandstärke in den Ecken des Querschnittes des
Hohlleiters größer als in den übrigen Bereichen und der Hohlleiter kann gebogen
werden, ohne die die Übertragunsparameter bestimmende innere Umrißlinie 1 beim Biegen
zu verzerren.
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Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, kann die äußere Umrißlinie 2 des Querschnittes
des Hohlleiters als eine Kurve ausgebildet werden, die durch die Gleichung
bestimmt ist, wobei X und Y die rechtwinkligen Koordinaten der Kurve, und A und
B die Längen der Halbachsen in Richtung x bzw. y sind.
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-Das Moment zweiter Ordnung dieses Querschnittes ist vorteilhaft im
Hinblick auf die Biegung.
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In Fig. 2 ist der Querschnitt einer anderen möglichen Ausfuhrungsform
des erfindungsgemäßen Hohlleiters im Schnitt dargestellt, wobei die Halbachsen gleiche
Längen haben, d.h-. die Halbachsen a und b in der obigen Gleichuiig die gleiche
Länge haben. Aufgrund dessen sind in Fig. 2 die Halbachsen sowohl in Richtung x
als auch in Richtung y mit a bezeichnet. Die Hochzahlen der Gleichung sind ebenfalls
gleich. Demgemäß ist die obige Gleichung vereinfacht zu:
Bei dieser Ausführungsform ist ebenfalls das Kriterium gültig, wonach die Hochzahl
m größer ist als 2, aber kleiner als 22.
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Auch in diesem Fall ist die äußere Umrißlinie 2 des Hohlleiters durch
eine Hyperellipse beschrieben, deren Hochzahl m größer ist ald die Hochzahl der
inneren Umrißlinie 1, so daß die Wandstärken in den Ecken größer sind als in den
obigen Bereichen.
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Der erfindungsgemäße Hohlleiter wird vorzugsweise aus Aluminium durch
Pressen hergestellt. Die inneren und äußeren Umrißlinien 1, 2 des Hohlleiters werden
dabei durch das Profil eines Preßwerkzeuges ausgebildet. Um die Herstellungstechnologie
für das- Preßwerkzeug vereinfachen zu können, ist das Werkzeugprofil zur Erzeugung
der inneren Umrißlinie 1 des erfindungsgemäßen Hohlleiters einem Kreisbogen 3 entsprechend
Fig. 3 angenähert. Infolgedessen ist im wesentlichen die innere Umrißlinie 1 des
Hohlleiters als eine dem Kreisbogen 3
angenäherte Hyperellipse
5 ausgebildet. Die Genauigkeit der Annäherung ist, wie in Fig. 4 und 5 stark vergrößert
zu sehen istr mit einer Abweichung c definiert.
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In Fig. 4 ist die Hüllkurve 4 der inneren Umrißlinie 1 des Querschnittes
des Hohlleiters selbst eine Hyperellipse.
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Aufgrund dessen ist die Größe der Abweichung c von der idealen Hyperellipse
5 in diesem Falle mit dem in Richtung des Krümmungsradius gemessenen Abstand der
Hyperellipse 5 von den Schnittpunkten der Kreisbogen 3 gleich.
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Die Größe der Abweichung c in Fig. 4 hängt von der Größe der zulässigen
Dämpfung bzw. von dem Verhältnis zwischen der Bandbreite und der zulässigen Dämpfung
ab. In der Praxis ist es zweckmäßig, die Größe der Abweichung c unter dem 10 3-fachen
der Länge der längeren Halbachse a zu halten.
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In Fig. 5 ist die Definition einer zulässigen Abweichung d dargestellt,
wobei die Hyperellipse 5 sowohl von außen als auch von innen durch die dem Kreis
bogen 3 angenäherte innere Umrißlinie 1 angenähert ist.
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Der erfindungsgemäße flexible Hohlleiter vereinigt in sich die Vorteile
der Hohlleiter mit kreisförmigem und rechtwinkligem Querschnitt. Er hat eine kleine
spezifische Dämpfung und eine große Bandbreite. Mit der Vermeidung von Anschlußstellen
ist die Zahl der mechanischen und elektrischen Fehlerquellen wesentlich verringert.
Das Montieren ist einfach, da die gewünschte Länge am Arlwendullgsort einfach abgeschnitten
werden kann.