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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein mit Kupfer beschichtete
Aluminiumstreifen zur Verwendung als Leiter in Koaxialkabeln. Genauer
betrifft die vorliegende Erfindung einen mit Kupfer beschichteten
Aluminiumstreifen, der zu einer Röhre geformt werden kann und
sowohl als der Innen- als auch der Außenleiter eines Koaxialkabels
verwendet werden kann, wobei der Streifen eine erste Kante, eine
zweite Kante und einen mittleren Abschnitt aufweist, der zwischen
der ersten und der zweiten Kante angeordnet ist und mit Kupfer beschichtet
ist.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Funk-Koaxialkabel
bestehen traditionell aus einem inneren Kupferleiter und einem äußeren Kupferleiter
mit einem Dielektrikum dazwischen. Das Dielektrikum umgibt den Innenleiter
und isoliert ihn elektrisch. Das Dielektrikum ist für gewöhnlich ein Schaummaterial.
Die Kupferleiter können
entweder glatt oder gerippt sein.
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Da
Kupfer ein kostspieliges Material ist, wird oft nach Alternativen
zu reinem Kupfer gesucht. In der Branche des Kabelfernsehens ist
es möglich,
den Kupferleiter auf der Innenseite durch einen mit Kupfer beschichteten
Aluminiumleiter zu ersetzen. Dies ist möglich, weil wegen der Funkfrequenzen
der Strom in dem Innenleiter nicht den gesamten Querschnitt des
Leiters ausfüllt.
Stattdessen kriecht der Strom zur Außenseite des Leiters. Dieses Phänomen ist
als Skin-Effekt („skin
effect") bekannt.
Der Skin-Effekt ermöglicht
es dem mit Kupfer beschichteten Aluminiumleiter, wie ein reiner
Kupferleiter zu wirken.
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Ein
mit Kupfer beschichteter Aluminiumleiter (ein solcher Leiter ist
beispielsweise in GB-A-1479912 offenbart, das als der nächstkommende
Stand der Technik betrachtet wird), ist billiger als ein reiner
Kupferleiter, wegen des höheren
Kupferpreises pro Gewichtseinheit gegenüber dem Aluminiumpreis für dieselbe
Gewichtseinheit. Außerdem besteht
ein wesentlicher Unterschied im spezifischen Gewicht zwischen den
beiden Metallen. Kupfer besitzt ein spezifisches Gewicht, das mehr
als dreimal so hoch wie das spezifische Gewicht von Aluminium ist.
Infolgedessen ist die Verwendung von mit Kupfer beschichtetem Aluminiumdraht
bei Funkkabeln nur dort gut etabliert, wo der Innenleiter (in Form
eines Drahtes) einen Durchmesser von weniger als 10 mm aufweist.
Die Verwendung eines mit Kupfer beschichteten Aluminiums für den Außenleiter
und auch für den
Innenleiter mit einem Durchmesser von mehr als 10 mm hat sich als
nicht praktikabel erwiesen, da diese Leiter ein mit Kupfer beschichtetes
Streifenmaterial verwenden, das zu einer Röhre nahtgeschweißt ist,
um die Drähte
des Koaxialkabels aufzubauen. Der mit Kupfer beschichtete Aluminiumstreifen
ist an der Kupfer/Aluminium-Metallschweißnaht brüchig, welche reißt und bricht,
wenn das Kabel gebogen wird. Da ein mit Kupfer beschichteter Aluminiumstreifen
bei den großen
Durchmessern die erheblichen Kostenersparnisse gegenüber reinen
Kupferleitern bieten würde,
existiert der Bedarf an einem mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifen,
der zu einem Leiter mit ausreichendem Durchmesser geformt werden
kann, um in größeren Koaxialkabeln
verwendet zu werden, d.h. Kabeln mit einem Innendurchmesser von
mehr als 10 mm.
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Die
Dokumente US-B-6189770 und US-A-3854193 offenbaren weitere Beispiele
für mit Kupfer
beschichtete Aluminiumprodukte.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Gerät
und ein Verfahren, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen definiert
sind (Ausführungsformen
davon sind in den abhängigen
Ansprüchen
bezeichnet).
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifen
bereit, der zu einer Röhre
geformt werden kann, mit einer ersten Kante und einer zweiten Kante,
wobei die Breite des Aluminiumstreifens größer als die des Kupferabschnitts
ist, so dass die erste Kante und die zweite Kante vollständig aus
Aluminium bestehen.
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Außerdem stellt
die vorliegende Erfindung einen Aluminiumstreifen bereit, der aus
einem ersten Kantenabschnitt, einem zweiten Kantenabschnitt und einem
mittleren Abschnitt besteht, der zwischen dem ersten Kantenabschnitt
und dem zweiten Kantenabschnitt angeordnet ist und mit Kupfer beschichtet
ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch einen mit Kupfer beschichteten
Aluminiumleiter bereit, wobei mindestens 70 % des Außenumfangs
des Leiters mit Kupfer beschichtet sind.
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Ferner
stellt die vorliegende Erfindung einen mit Kupfer beschichteten
Aluminiumleiter bereit, wobei mindestens 70 % des Innenumfangs des
Leiters mit Kupfer beschichtet sind.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen eines
mit Kupfer beschichteten Aluminiumprodukts bereit, wobei das Verfahren
folgende Schritte umfasst: Verarbeiten eines Aluminiumstreifens
in einer Kammer unter Schutzgas, damit er im Wesentlichen frei von
Verunreinigungen ist, Verarbeiten eines Kupferstreifens in einer
Kammer unter Schutzgas, damit er im Wesentlichen frei von Verunreinigungen
ist, und Verbinden des Aluminiumstreifens und des Kupferstreifens,
um einen mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifen zu bilden, wobei der
Aluminiumstreifen eine Breite aufweist und wobei der Kupferstreifen
eine Breite aufweist, die kleiner als die Breite des Aluminiumstreifens
ist.
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Eine
Variante der Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen eines
mit Kupfer beschichteten Aluminiumprodukts bereit, wobei das Verfahren
folgende Schritte umfasst: Verarbeiten eines Aluminiumstreifens
in einer Kammer unter Schutzgas, damit er im Wesentlichen frei von
Verunreinigungen ist, Verarbeiten eines Kupferstreifens in einer
Kammer unter Schutzgas, damit er im Wesentlichen frei von Verunreinigungen
ist, und Verbinden des Aluminiumstreifens und des Kupferstreifens
mit einer Druck-Temperatur-Verbindung, um einen mit Kupfer beschichteten
Aluminiumstreifen zu bilden.
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Die
vorliegende Erfindung bietet die Vorteile geringerer Kosten und
geringeren Gewichts. Diese und andere Vorteile und Nutzen ergeben
sich aus der detaillierten Beschreibung der Erfindung.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Damit
die vorliegende Erfindung leicht verstanden und ohne Weiteres umgesetzt
werden kann, wird die vorliegende Erfindung im Folgenden zum Zweck
der Darstellung und nicht der Einschränkung beschrieben, wobei:
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1 eine
Kabelgestaltung nach dem Stand der Technik zeigt, mit Kupferröhren sowohl
für den
Innen- als auch für
den Außenleiter.
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2 eine
Beschichtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt, die verwendet
wird, um die mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifen der vorliegenden
Erfindung herzustellen, die dann zu Röhren geformt werden können, zur
Verwendung als die Innen- und Außenleiter eines Koaxialkabels.
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3 eine
Querschnittsendansicht der mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifen
zeigt, die dann zu Röhren
geformt werden können,
zur Verwendung als die Innen- und Außenleiter eines Koaxialkabels.
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4 den
Formungsprozess zeigt, der zum Formen der mit Kupfer beschichteten
Aluminiumstreifen zu Röhren
zur Verwendung als die Innen- und Außenleiter eines Koaxialkabels
verwendet wird.
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5 eine
Querschnittsansicht eines mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifens
zeigt, der zu einer Röhre
geformt ist, welche als Außenleiter
eines Koaxialkabels verwendet werden kann, und insbesondere die
Schweißnaht
zeigt.
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6 eine
Querschnittsansicht eines Koaxialkabels zeigt, das aus der vorliegenden
Erfindung resultiert, mit Röhren
aus mit Kupfer beschichtetem Aluminium sowohl für den Innen- als auch den Außenleiter.
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7 eine
Kurve zeigt, die die Dämpfung
eines mit Leitern gemäß der vorliegenden
Erfindung versehenen Koaxialkabels dargestellt, und die Dämpfung eines
Koaxialkabels nach dem Stand der Technik, im Verhältnis zur
Breite der Schweißnaht.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt
eine Kabelgestaltung nach dem Stand der Technik mit massiven Kupferröhren sowohl für den Innen- als auch für den Außenleiter.
Wie eingangs erläutert,
ist Kupfer ein kostspieliges Material, und daher ist es aus Gründen der
Kostenersparnis von Interesse, eine Alternative zu reinen Kupferleitern
zu verwenden.
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2 zeigt
eine Beschichtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
die verwendet werden kann, um die mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifen
herzustellen, die dann zu Röhren
geformt werden können,
zur Verwendung als die Innen- und Außenleiter beispielsweise eines
Koaxialkabels. Wie in 2 dargestellt, werden der Aluminiumstreifen 1 und
der Kupferstreifen 2 durch Trägerwalzen 8 bewegt.
Es versteht sich, dass der Aluminiumstreifen 1 reines Aluminium
sein kann, u.a. eine der Aluminiumlegierungen der Serie 3000 oder
ein hochfestes Aluminium mit hoher Magnesiumfestigkeit. Der Aluminiumstreifen 1 und
der Kupferstreifen 2, die so verarbeitet werden, dass sie
frei von organischen Verunreinigungen sind, laufen kontinuierlich
aus ihren Ablaufbehältern
ab (nicht dargestellt). In zwei separaten Kammern 13, 14 werden
der Kupferstreifen 2 bzw, der Aluminiumstreifen 1 unter
Schutzgas oder Reduktionsgas mit Bürsten 9 gebürstet, um
die Bildung von Oxid an der Verbindungsfläche zu verhindern. Es ist vorzuziehen,
dass die Kammern 13, 14 im Wesentlichen geschlossen
sind, so dass der Druck in den Kammern 13, 14 über dem
atmosphärischen Druck
liegt. Das heißt,
Kammern 13, 14 können an den Kammereingängen 40 teilweise
mit einem beliebigen herkömmlichen
Mechanismus abgedichtet werden, der die Menge des entweichenden
Gases reduziert, ohne den eingehenden Streifen zu beschädigen, beispielsweise
mit einem Filzpolster. Dies ermöglicht
es den Streifen 1 und 2, mit minimalem Druckverlust
in der den Kammern 13, 14 in ihre jeweilige Kammer
einzutreten. Die Streifen 1 und 2 verlassen ihre
jeweilige Kammer 13, 14 durch die Kammerausgänge 41 unter
dem Schutz des ausgehenden, unter Druck stehenden Schutzgases. Die
Kammerausgänge 41 können einfach
enge Schlitze oder ein beliebiger anderer, geeigneter Mechanismus sein,
um minimalen Druckverlust in den Kammern 13, 14 zu
gewährleisten.
Der durchschnittliche Druck in den Kammern 13, 14 ist
vorzugsweise größer als
atmosphärisch
und kann 1,013 bar betragen. Wie bereits erläutert, gewährleistet dies, dass die aktivierten Oberflächen der
Streifen 1 und 2 vor Oxidation geschützt werden.
Das Schutzgas kann ein Inertgas sein. Es ist vorzuziehen, jedoch
nicht notwendig, dass das Schutzgas Argon oder Helium oder eine Mischung
aus Argon oder Helium ist. Es ist auch vorzuziehen, dass die Kammern 13, 14 weniger
als 8 ppm Sauerstoff enthalten.
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Die
Streifen 1 und 2 verlassen die Kammern 13, 14 und
treffen im Schlitz der Walzstraße 10 aufeinander,
wo sie unter Druck verbunden werden und somit einen überdeckten,
mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifen 3 bilden. Es
ist vorzuziehen, dass sich die Walzstraße 10 physisch nahe
den Ausgängen 41 befindet,
so dass die aktivierten Oberflächen des
Kupferstreifens 2 und des Aluminiumstreifens 1 durch
das Schutzgas vor Oxidation geschützt werden, bis sie im Schlitz
der Walzstraße 10 aufeinander treffen.
Wenn die Streifen 1 und 2 im Schlitz der Walzstraße aufeinander
treffen, bewirkt der Druck der Walzstraße 10 eine Erhöhung der
Temperatur, und infolge des Drucks und der Temperatur wird zwischen
den Streifen 1 und 2 eine Verbindung gebildet. Es
versteht sich jedoch, dass andere bekannte Verbindungsverfahren
verwendet werden können,
um die Verbindung zwischen den Streifen 1 und 2 zu schaffen,
wie etwa eine Verbindung, bei der Wärme zugeführt wird, um eine Temperatur
zu erzeugen, die höher
ist als die, welche allein vom Druck herrührt. Eine Reduzierung der Gesamtdicke
der beiden Metalle kann im Bereich von 25 % bis 65 % liegen, um die
gewünschte
Verbindung ohne Zwischenglühen und
mit der exakt geforderten Streifenbreite zu erzielen. Es ist vorzuziehen,
jedoch nicht notwendig, dass die Dicke des Kupferabschnitts kleiner
als etwa 12 % der Gesamtdicke des mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifens 3 ist.
Je dünner
das Kupfer, desto weniger teuer ist das Endprodukt.
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Von üblichen
Verfahren des Standes der Technik zum Beschichten von Streifen verschiedener Metalle
ist bekannt, dass sie aktivierte Streifen verwenden. Diese aktivierten
Streifen werden in einer Luftatmosphäre zusammen um etwa 60 % oder
mehr der gemeinsamen Gesamtdicke beider Metalle reduziert. Diese
hohe Reduzierung bricht die Oxidschichten an den Kontaktoberflächen und
bewirkt, dass sich die frischen Flächen miteinander verbinden.
Manchmal reicht dies jedoch nicht aus, um die gewünschte Verbindung
zu schaffen, und es ist ein Glühschritt
erforderlich, um die Festigkeit der Verbindung zu verbessern. Außerdem kann
die hohe Reduzierung bewirken, dass die Kanten des Streifens brechen,
was dann erfordert, dass ein Schritt des Kantenschneidens durchgeführt wird.
Der zusätzliche
Schritt des Kantenschneidens führt
infolge des Materialabfalls zu hohen Kosten. Auch kann Aluminiumoxid,
das an der Verbindungsoberfläche
verbleiben kann, während
der nachfolgenden kalten Bearbeitungsschritte zum Brechen der dünnen Kupferbeschichtung
führen.
Daher ist dieses Verfahren nach dem Stand der Technik wirtschaftlich
nicht sehr praktikabel. Außerdem
weist dieses Verfahren nach dem Stand der Technik wegen der Kosten
des Glühens
für die
Verbindung eine geringe Effizienz auf. Somit bietet das oben beschriebene
Verfahren der vorliegenden Erfindung viele Vorteile gegenüber dem
Verfahren nach dem Stand der Technik wie erläutert.
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3 zeigt
eine Querschnittsendansicht des mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifens 3,
der dann zu einer Röhre
geformt werden kann, um entweder als der Innen- oder der Außenleiter eines Koaxialkabels
zu dienen. Wie in 3 dargestellt, ist es vorzuziehen,
dass die Breite des Aluminiumabschnitts 1 des mit Kupfer beschichteten
Aluminiumstreifens 3 größer als
die Breite des Kupferabschnitts 2 des mit Kupfer beschichteten
Aluminiumstreifens 3 ist. Genauer ist es vorzuziehen, dass
sich die Kanten 11, 12 des Aluminiumabschnitts 1 über die
Enden 21 bzw. 22 des Kupferabschnitts 2 des
mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifens 3 hinaus erstrecken.
Die Breite des Kupferabschnitts 2 des mit Kupfer beschichteten
Aluminiumstreifens 3 ist vorzugsweise nicht größer als
etwa 30 % unter der Breite des Aluminiumabschnitts 1 des
mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifens 3. Es ist vorzuziehen, Aluminiumkanten 11, 12 zu
haben, die von minimaler Größe sind.
Die Aluminiumkanten 11, 12 sollten gerade breit
genug sein, um die kleinstmögliche Schweißnaht oder
Lücke zu
bilden, wenn die Enden 31, 32 des Aluminiumabschnitts 1 wie
unten beschrieben miteinander in Berührung gebracht werden. Die
Abmessungen der Kanten 11, 12 können solcherart
optimiert werden, dass nach der Herstellung von Leitern eines Funkkabels
daraus die Erhöhung
der Dämpfung
des daraus resultierenden Kabels weniger als 0,8 % im Vergleich
zu einem Funkkoaxialkabel für
alle Frequenzen von Interesse mit reinen Kupferleitern beträgt.
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4 zeigt
einen Formungsprzess, der verwendet werden kann, um die mit Kupfer
beschichteten Aluminiumstreifen zu Röhren zur Verwendung als die
Innen- und Außenleiter
eines Koaxialkabels zu formen. Wie in 4 dargestellt,
wird der mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifen 3 gefaltet,
um eine Röhre
zu bilden, wobei die Enden 31, 32 in Berührung gebracht
werden. Da der Kupferabschnitt 2 nicht so breit wie der
Aluminiumabschnitt 1 ist, werden die Enden 21, 22 nicht
in Berührung
gebracht. Es kann jedes beliebige Faltverfahren verwendet werden.
Die überstehenden Aluminiumabschnitte 11, 12 des
mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifens werden dann so unter
einer Schweißelektrode 6 hindurchgeführt, dass
eine Schweißnaht 5 gebildet
wird. Das heißt,
die Aluminiumabschnitte 11, 12 werden so miteinander
verschweißt,
dass der mit Kupfer beschichtete Aluminiumstreifen 3 in
der Form der gebildeten Röhre
gehalten wird. 4 zeigt, wie die Röhre so geformt
wird, dass sich der Kupferabschnitt 2 des mit Kupfer beschichteten
Aluminiumstreifens 3 auf der Innenseite der daraus resultierenden
Röhre befindet. Es
versteht sich, dass die Röhre
auch so geformt werden kann, dass sich der Kupferabschnitt 2 des
mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifens 3 an der Außenseite
der daraus resultierenden Röhre
befindet (nicht dargestellt). In jedem der Fälle werden die überstehenden
Aluminiumabschnitte 11, 12 des mit Kupfer beschichteten
Aluminiumstreifens 3 miteinander so verschweißt, dass
die Schweißnaht 5 gebildet wird.
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5 zeigt
eine Querschnittsansicht eines mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifens 3,
der zu einer Röhre
geformt wurde, welche als der Außenleiter eines Koaxialkabels
verwendet werden kann, und sie zeigt insbesondere die Schweißnaht. Ebenfalls
in 5 dargestellt ist die Lücke „g", die sich in der Kupferschicht 2 ergibt,
wenn die Aluminiumabschnitte 11, 12 miteinander
verschweißt
werden.
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6 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Koaxialkabels, das aus der vorliegenden
Erfindung resultiert, mit Röhren
aus mit Kupfer beschichteten Aluminiumstreifen sowohl für den Innen-
als auch den Außenleiter.
Der innere, mit Kupfer beschichtete Aluminiumstreifen 3 kann
entweder gerippt oder glatt sein und dient als der Innenleiter.
Der Kupferabschnitt 2 des inneren, mit Kupfer beschichteten
Aluminiumstreifens 3 befindet sich an der Außenseite des
Streifens 3. Das Dielektrikum 7 ist dargestellt, wie
es zwischen dem inneren und dem äußeren, mit Kupfer
beschichteten Aluminiumstreifen 3 angeordnet ist. Das Dielektrikum 7 ist
typischerweise physikalisch aufgeschäumtes Polyethylen („PE"). Der äußere, mit
Kupfer beschichtete Aluminiumstreifen 3 kann entweder gerippt
oder glatt sein und dient als der Außenleiter. Der Kupferabschnitt 2 des äußeren, mit Kupfer
beschichteten Aluminiumstreifens 3 befindet sich an der
Innenseite des Streifens 3. Sowohl der innere als auch
der äußere, mit
Kupfer beschichtete Aluminiumstreifen 3 weisen eine kleine
Lücke „g" im Kupferabschnitt 2 auf,
wie in 6 dargestellt. Das Verhältnis dieser Lücken zum
Umfang des Streifens 3 erhöht die Dämpfung eines Signals, das durch
das Kabel geleitet wird. Die Breite der Lücke hängt auch vom Schweißverfahren
ab, gemäß der vorliegenden Erfindung
kann aber der Streifen 3 so hergestellt werden, dass jedes
Schweißverfahren
eine minimale Nahtbreite und demzufolge die geringste Erhöhung der
Dämpfung
ergibt.
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7 zeigt
eine Kurve, die die Dämpfung
eines Koaxialkabels mit Leitern gemäß der vorliegenden Erfindung
und die Dämpfung
eines Koaxialkabels nach dem Stand der Technik darstellt, im Verhältnis zur
Breite der Schweißnaht 5 (die
dieselbe ist wie die Breite der Lücke „g"). 7 zeigt
die gegenseitige Abhängigkeit
zwischen der Erhöhung
der Dämpfung
und dem Verhältnis
der Lücke
zum Umfang des Arbeitsdurchmessers der Leiter 3.
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Die
Gesamtdämpfung „A" des erfindungsgemäßen kupferbeschichteten
Aluminium/kupferbeschichteten Aluminium Leiterkabels aus mit Kupfer beschichtetem
Aluminium der vorliegenden Erfindung ist die Summe der Dämpfung des
Innenleiters (ai) und die Dämpfung
des Außenleiters „ae". „A" ist im Verhältnis zu „Ao" dargestellt, das
die Dämpfung eines
analogen Koaxialkabels mit Kupfer/Kupferleitern ist, wie in 7 dargestellt.
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Obschon
bei einem beliebigen Kabel mit Leitern aus mit Kupfer beschichtetem
Aluminium die Erhöhung
der Dämpfung
im schlimmsten Fall 1 % nicht übersteigt,
zeigt 7 die Möglichkeit,
die Erhöhung der
Dämpfung
auf ein Minimum zu reduzieren, indem ein maßgeschneiderter, mit Kupfer
beschichteter Aluminiumstreifen für jedes mögliche Koaxialkabel hergestellt
wird, der in beiden Leitern die kleinstmögliche Lücke aufweist.
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Ein
Problem beim Schweißen
beschichteter Streifen nach dem Stand der Technik zur Form einer Röhre besteht
in den verschiedenen Schmelzpunkten der beiden Beschichtungsmaterialien.
Wenn beispielsweise der Leiter mit Kupfer beschichtetes Aluminium
ist und wenn man versucht, das Kupfer zu schweißen, verdampft das Aluminium.
Wenn man versucht, das Aluminium zu schweißen, geht das Kupfer in Lösung und
macht die Naht brüchig.
Die vorliegende Erfindung löst
dieses Problem, indem sie einen Streifen herstellt, der einen zu
verschweißenden
Aluminiumbereich aufweist, der frei von Kupfer ist.
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Obschon
die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit deren bevorzugten
Ausführungsformen
beschrieben wurde, wird der Durchschnittfachmann erkennen, dass
viele Modifizierungen und Variationen vorgenommen werden können. Die
folgenden Ansprüche
sollen all diese Modifizierungen und Variationen umfassen.