DE3882293T2 - Dielektrische Verzögerungsleitung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Verzögerungsleitungen zum Bewirken gewünschter Zeitverzögerungen bei der Übertragung elektromagnetischer Wellen.
• Ubertragungsleitungen, die dazu dienen, Impulszeitverzögerungen zu erzielen, bilden eine Baugruppenklasse, die als Verzögerungsleitungen bekannt sind. Die Leitung muß auch bei kleinen Zeitverzögerungen ziemlich lang sein, da sich die elektromagnetischen Wellen mit einer Geschwindigkeit in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Spezielle kompakte Niedriggeschwindigkeitsleitungen wurden entwickelt, um diese Unzulänglichkeit zu vermeiden. Der am weitesten verbreitete Typ ist eine Koaxialleitung, in welcher der Innenleiter die Form einer Helix hat. Der große Rest der sogenannten "elektrischen" Verzögerungsleitungen hat die Form künstlicher Übertragungsleitungen, die aus stückweisen Kondensatoren und Induktivitäten bestehen. Die Beschränkungen der physikalisch realisierbaren Amplituden- und Phasengänge sind derart, daß die in der Praxis erreichten Verzögerungen nicht die Größenordnung von einigen Impulsperioden überschreiten. Längere Verzögerungszeiten werden mit akustischen Verzögerungsleitungen erzielt, welche die Ausbreitung akustischer Wellen und elektromagnetischer Wandler am Eingang und am Ausgang verwenden.
• Obschon sie sehr klein, flexibel und kompakt ausgebildet ist, kann eine Koaxialkabel-Verzögerungsleitung bei höheren Frequenzen insoweit Probleme aufwerfen, als sie eine sehr große Einfügungsdämpfung zeigt. Die derzeit geforderten Verzögerungswerte bedingen üblicherweise sehr große Kabellängen. Die Erzeugung von Leistung bei diesen Frequenzen ist äußerst teuer und stellt deshalb einen wichtigen Faktor dar.
• Herkömmliche metallische Wellenleiter-Verzögerungsleitungen sind starre Kupferrohre, welche schwierig zu handhaben sind und zahlreiche Installationsprobleme aufwerfen. Ein weiteres Problem bei dieser Art von Verzögerungsleitung ist das der Dispersion. Dispersion ist das Phänomen, daß verschiedene Frequenzen mit verschiedenen Geschwindigkeiten laufen. Dieser Typ von Verzögerungsleitung kann eine Situation schaffen, in der innerhalb eines Frequenzbandes extrem unterschiedliche Werte der absoluten Verzögerung gegeben sind.
• Abwärts-Wandler mit akustischen Oberflächenwellen-Verzögerungsleitungen beinhalten das Abwärts-Umsetzen des Mikrowellen/Millimeter- Wellensignals in ein akustisches Signal geringer Frequenz, welches unter Verwendung einer akustischen Oberflächenwellen-Verzögerungsleitung verzögert werden kann. Diese Leitung arbeitet lediglich in einem schmalen Band und hat daher begrenzte Anwendung.
• Das US-Patent 4 463 329 offenbart einen dielektrischen Wellenleiter aus einem Formteil mit einem Kern aus Polytetrafluorethylen und einer oder mehreren Schichten aus expandiertem, porösen Polytetrafluorethylen, welches auf den Kern auf- oder um ihn herumgewickelt ist.
• Das US-Patent 4 603 942 offenbart einen flexiblen Wellenleiter zum Übertragen von Wellen von einem an einem Kardangelenk gelagerten Sensor, welcher ein Kabel aus einem äußeren flexiblen Mantel und mehreren flexiblen Polytetrafluorethylenfasern, die innerhalb des Mantels gebündelt sind, aufweist und einen Abschlußflansch besitzt, der an mindestens einem Ende der Leitung angebracht ist, wobei der Flansch einen keilförmigen Stecker und eine sich verjüngende Ausnehmung am Ende des Kabels aufweist.
• Das GB-Patent 1 473 655 offenbart einen dielektrischen Wellenleiter mit einem ovalen Kern aus Polypropylen, der von einem Mantel aus Polypropylen mit einer anderen Dielektrizitätskonstanten als der Kern umgeben ist.
• Die Druckschrift von Jackson et al mit dem Titel "Optical Fiber Delay- Line signal processing" erschienen in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Band MTT-33, No. 3, März 1985, Seiten 193 - 210, New York, US, offenbart die Verwendung einer optischen Einzelmoden-Faser als Verzögerungsleitung.
• Erfindungsgemäß wird eine Verzögerungsleitung mit einer Länge L eines dielektrischen Wellenleiters zum Übertragen elektromagnetischer Wellen geschaffen, wobei der dielektrische Wellenleiter einen Kern aus Polytetrafluorethylen (PTFE) und eine oder mehrere Schichten aus Polytetrafluorethylen (PTFE) aufweist, die um den Kern herumgewickelt sind, wobei T = KL/c mit T als der Gesamtverzögerungszeit, c der Lichtgeschwindigkeit im freien Raum und K der Verzögerungskonstanten für den dielektrischen Wellenleiter; wobei die eine oder mehrere Schichten aus Polytetrafluorethylen (PTFE) über sich eine elektromagnetische Abschirmungsschicht aufweisen und die Abschirmungsschicht weiterhin mit einem Band aus mit Kohlenstoff gefülltem PTFE umwickelt ist.
• Der Kern kann extrudiertes, ungesintertes PTFE; extrudiertes, gesintertes PTFE; expandiertes, ungesintertes, poröses PTFE oder expandiertes, gesintertes, poröses PTFE sein. Die oder jede Schicht kann extrudiertes, ungesintertes PTFE; extrudiertes, gesintertes PTFE; expandiertes, ungesintertes poröses PTFE oder expandiertes, gesintertes, poröses PTFE sein. Der Kern und/oder jede Schicht kann einen Füllstoff enthalten.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verzögerungsleitung über einen Dorn gewickelt und kann in mehreren Wickellagen umwickelt sein.
• Die elektromagnetische Abschirmungsschicht besteht vorzugsweise aus aluminiertem Kapton-(Warenzeichen) Polyimidband.
• Verzögerungsleitungen gemäß der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei
• Fig. 1 eine Seitenansicht eines dielektrischen Wellenleiters zur Bildung von Verzögerungsleitungen ist, wobei Teile zu Anschauungszwecken und zur Darstellung einer Einspeisevorrichtung weggeschnitten sind;
• Fig. 2 eine Querschnittansicht des dielektrischen Wellenleiters nach Fig. 1 entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 ist;
• Fig. 3 eine Seitenansicht einer der Verzögerungsleitungen mit Kopplungs-Einspeisevorrichtungen an jedem Ende der Leitung ist;
• Fig. 4 eine Vorderansicht der Verzögerungsleitung nach Fig. 3, um einen Dorn herumgewickelt, ist; und
• Fig. 5 eine Vorderansicht der Verzögerungsleitung nach Fig. 3 ist, in mehreren Lagen um einen Dorn herumgewickelt.
• Eine Verzögerungsleitung dient zum Bewirken einer gewünschten Verzögerung bei der Übertragung elektromagnetischer Wellen im Mikrowellen- und Millimeterbereich des Spektrums. Die Leitung weist eine Länge L eines dielektrischen Wellenleiters zum Übertragen von elektromagnetischen Wellen mit einem Kern aus Polytetrafluorethylen auf, auf den eine oder mehrere Schichten aus Polytetrafluorethlen gewickelt sind, wobei T = KL/c mit T als der Gesamtverzögerungszeit, c der Lichtgeschwindigkeit im freien Raum und K als Verzögerungskonstante des dielektrischen Wellenleiters. Vorzugsweise ist die Verzögerungsleitung um einen Dorn herumgewickelt.
• Wenn eine Einspeisevorrichtung 20 mit einem üblichen Flansch 21 an den dielektrischen Wellenleiter 10 innerhalb eines Sitzes 12', angedeutet durch gestrichelte Linien, angeschlossen ist, tritt elektromagnetische Energie in die Einspeisevorrichtung 20 ein. Eine Impedanztransformation erfolgt in der Verjüngung 13 des Wellenleiters 10 derart, daß die Energie wirksam in den Kern 12 des dielektrischen Wellenleiters 10 eingekoppelt wird. Einmal von dem Kern 12 eingefangen, erfolgt die Ausbreitung durch den Kern 12 hindurch, der von einem Mantel 14 umgeben ist. Der Kern 12 besteht aus Polytetrafluorethylen, und der Mantel 14 aus Polytetrafluorethylen, vorzugsweise expandiertem, porösem Polytetrafluorethylenband, welches um den Kern 12 herumgewickelt ist. Die Ausbreitung nutzt die Kern/Mantel-Grenzschicht zum Einschnüren der Energie. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wellenleitern ist der Verlustmechanismus auf die Verlusttangente des Kernmaterials zurückzuführen, und nicht auf die Oberflächenströme, die in den Wellenleiterwänden induziert werden. Das Kernmaterial dient außerdem zum Verzögerung des Signals um einen Betrag, der zu seiner Dielektrizitätskonstanten proportional ist.
• Um einer Kreuzkopplung oder Interferenz seitens externer Quellen zu verhindern, ist eine elektromagnetische Abschirmung 16 ebenso wie ein äußerer Absorber 18 vorgesehen. Die Abschirmung besteht vorzugsweise aus aluminiertem Kapton-(Warenzeichen) Polyimidband, und der Absorber ist ein mit Kohlenstoff gefülltes PTFE-Band.
• Fig. 2 ist eine Querschnittansicht des dielektrischen Wellenleiters 10 entlang der Linie 2-2 nach Fig. 1 und zeigt einen rechteckigen Kern 12, der von dem Band 14 umwickelt ist und eine Abschirmungsschicht 16 sowie eine Absorberschicht 18 aufweist.
• Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den dielektrischen Wellenleite 10, der um einen Dorn 26 gewickelt ist, wobei die Kombination mit 24 bezeichnet ist, während Eingangs- und Ausgangs-Einspeisehörner 20 und 22 mit üblichen Flanschen 21 und 23 vorgesehen sind. Durch Wickeln des dielektrischen Wellenleiters 10 um den Dorn 26 wird eine angemessene Kabellänge bereitgestellt, um eine gegebene Zeitverzögerung zu erreichen. Diese Länge L kann aus der Erkenntnis heraus berechnet werden, daß die Einheitsverzögerung t gegeben ist durch
• t = K/c
• mit c als der Lichtgeschwindigkeit im freien Raum und K als der Verzögerungskonstanten für das verwendete Material. Bei PTFE beträgt K annähernd 1,45. Bei einer geforderten Gesamtverzögerungszeit T ergibt sich, daß die benötigte Kabellänge L
• L = Tc/K
• beträgt. Am Ausgangsende der Verzögerungsleitung setzt das andere Einspeisehorn 22 die elektromagnetische Energie wieder in die anfängliche Feldverteilung um. Die Anbringung einer externen Schaltungsanordnung wird über die Norm-Wellenleiterflansche 21 und 23 erreicht.
• Fig. 4 ist eine Draufsicht auf die Kombination einer Verzögerungsleitung und eines Dorns 24, wobei der dielektrische Wellenleiter 10 als um den Dorn 26 herumgewickelt dargestellt ist. Der Dorn kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen und besteht vorzugsweise aus einem Kunststoffrohr aus Acrylkunststoff.
• Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf die Kombination aus Verzögerungsleitung und Dorn, 24, wobei der dielektrische Wellenleiter 10 in mehreren Lagen um den Dorn 26 herumgewickelt ist

Claims (10)

1. Verzögerungsleitung mit einer Lange L eines dielektrischen Wellenleiters (10) für die Übertragung elektromagnetischer Wellen, wobei

T = KL/c

mit T als der Gesamt-zeitverzögerung, c als der Lichtgeschwindigkeit im freien Raum und K als der Verzögerungskonstante für den dielektrischen Wellenleiter, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Wellenleiter einen Kern (12) aus Polytetrafluorethylen (PTFE) und eine oder mehrere Schichten (14) aus Polytetrafluorethylen (PTFE), die um den Kern herum gewickelt sind, aufweist, wobei die eine oder mehreren Schichten aus Polytetrafluorethylen (PTFE) über sich eine elektromagnetische Abschirmungsschicht (16) aufweist und die Abschirmungsschicht weiterhin von einem Band (18) aus mit Kohlenstoff gefülltem PTFE umwickelt ist.

2. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, bei der der Kern (10) extrudiertes, gesintertes oder ungesintertes PTFE ist.

3. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, bei der der Kern (10) expandiertes, gesintertes oder ungesintertes poröses PTFE ist.

4. Verzögerungsleitung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der der Kern (10) einen Füllstoff enthält.

5. Verzögerungsleitung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der die oder jede PTFE-Schicht (14) extrudiertes, gesintertes oder ungesintertes PTFE ist.

6. Verzögerungsleitung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der die oder jede PTFE-Schicht (14) expandiertes, gesintertes oder ungesintertes, poröses PTFE ist.

7. Verzögerungsleitung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der die oder jede PTFE-Schicht (14) einen Füllstoff enthält.

8. Verzögerungsleitung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, die auf einen Wickeldorn (26) gewickelt ist.

9. Verzögerungsleitung nach Anspruch 8, in mehreren Lagen auf einen Wickeldorn (26) aufgewickelt.

10. Verzögerungsleitung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei der die elektromagnetische Abschirmschicht (16) ein Polyimid-Band ist.