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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Koaxialstecker weisen Innen- und
Außenleiter
und einen Isolator oder ein zwischen ihnen liegendes Dielektrikum
auf. Solche Stecker sind typischerweise so aufgebaut, dass sie zur Übereinstimmung mit
der Impedanz eines Kabels und eines passenden Steckers unter Minimierung
des Stehwellenverhältnisses
und der sich daraus ergebenden Verluste eine festgelegte charakteristische
Impedanz aufweisen, die in der Regel 50 Ohm und manchmal 75 Ohm
beträgt.
Ein breit eingesetzter und weitgehend standardisierter koaxialer
Miniatursteckverbinder weist ein vorderes Ende auf, wobei der Innenleiter
eine Buchse zur Aufnahme eines Stifts von 1 mm Durchmesser bildet
und der Außenleiter
einen Außendurchmesser von
3,7 mm zum Greifen des Außenleiters
des passenden Steckers aufweist. Ein dielektrisches Material, wie
TeflonTM, nimmt im wesentlichen den gesamten
Raum zwischen Innen- und Außenleiter
ein. Der Stecker-Mittelteil
weist einen größeren Außenleiter-Durchmesser
auf und kann praktisch (da der Leiter-Innenteil keinen Stift aufnehmen
muss) einen beliebigen Innenleiter-Durchmesser aufweisen, um die gewünschte Impedanz
zu erzielen.
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Am vorderen Teil des obigen bisherigen Standard-Steckverbinders
weist der Innenleiter einen Durchmesser von 1,4 mm und der Außenleiter
einen Innendurchmesser von etwa 3 mm auf, wobei der Raum zwischen
ihnen mit TeflonTM gefüllt ist, das eine Dielektrizitätskonstante
von 2,55 aufweist. Als Ergebnis weist der vordere Teil des Steckers
eine charakteristische Impedanz von 28 Ohm auf. Weist der vordere
Teil des Steckers eine charakteristische Impedanz von 28 Ohm auf,
existiert im Hinblick auf die charakteristische Impedanz des Stecker-Mittelteils, der
eine Impedanz von 50 oder 75 Ohm aufweist, eine sehr große Abweichung.
Als Ergebnis trat mit dem bisherigen Stecker ein beträchtliches
VSWR (Spannungsstehwellenverhältnis)
von etwa 1,13 bis etwa 1,15 auf, was zu hohen Verlusten führte. Obwohl
diese Abweichung und die resultierenden Verluste für diesen
Typ von Stecker bekannt waren, wurden keine Maßnahmen zur Verminderung der
Abweichung hinsichtlich der charakteristischen Impedanzen unternommen.
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Es ist festzustellen, dass eine Vielzahl
von dielektrischen Materialien zur Verwendung in Koaxialsteckern
verfügbar
sind, wobei TeflonTM (Dielektrizitätskonstante
von 2,55) aufgrund seiner relativ geringen Verluste insbesondere
bei höheren
Frequenzen (in der Größenordnung
von 1 GHz und höher)
das häufigste
ist. Beispielsweise zeigt die U.S.-Patentschrift 5 100 344 von Truong
einen koaxialen Steckverbinder, wobei der vordere Teil einen weitaus
größeren Innendurchmesser
als der hintere Teil aufweist, so dass die Abweichung nur mit einem
festen Dielektrikum kein Problem wäre, obwohl die Patentschrift
die Verwendung von hauptsächlich
Luft als Dielektrikum beschreibt. Die U.S.-Patentschrift 4 981 445 von Bacher et
al. beschreibt einen Koaxialstecker, wobei der hintere Teil etwa
50% Luft und etwa 50% eines festen Dielektrikums aufweist und der
vordere Teil nicht von einem äußeren Leiter
umgeben ist. Die U.S.-Patentschrift 5 041 020 von Michael beschreibt
einen Koaxialstecker, wobei ein Innenkontakt über seine Länge mit einem festen Isolator
in einem Raum konzentrisch zwischen dem Kontakt und einer leitenden
Schale bedeckt ist, mit konzentrischen Luftspalten und Kontaktdurchmesserschwankungen,
die einen Impedanzausgleich bereitstellen. Keine dieser Patentschriften
beschreibt einen koaxialen Steckverbinder, wobei ein vorderes Ende
mit vermindertem Durchmesser, das eine geringere Impedanz als der
hintere Teil bewirkt, vorhanden ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist ein Koaxialstecker, der folgendes aufweist: einen
inneren elektrischen Leiter, der entlang einer Steckerachse verläuft, einen äußeren elektrischen Leiter
(24), der den inneren Leiter umgibt, mit einem ringförmigen Raum
zwischen ihnen, wobei der äußere Leiter
einen vorderen Teil mit einem ersten Außendurchmesser und einem Mittelteil
mit einem größeren zweiten
Außendurchmesser,
der um mindestens 20% größer ist
als der erste Durchmesser, aufweist, wobei der innere Leiter ein
vorderes Ende aufweist, das eine Buchse von fest stehender Größe zur Aufnahme
eines Stifts von fest stehendem Durchmesser (z.B. 1 mm) bildet,
und wobei der ringförmige
Raum einen vorderen, in dem Außenleiter-Vorderteil
liegenden Raumteil und einen mittleren, im Außenleiter-Mittelteil liegenden
Raumteil aufweist, der einen dielelektrischen Träger aus festem dielelektrischem Material,
der in dem ringförmigen
Raum liegt und der den inneren Leiter in dem Außenleiter trägt, enthält, wobei
der dielektrische Träger
einen vorderen Teil aufweist, der in dem vorderen Raumteil liegt
und der eine Zuleitung bildet, die vor dem vorderen Ende der Buchse
des inneren Leiters liegt, wobei der Träger einen mittleren Trägerteil,
der einen mittleren Ring aufweist, der die Innenseite des Außenleiter-Mittelteils und
den inneren Leiter greift, und einen Verbindungsteil, der den vorderen
Ring mit dem mittleren Ring verbindet, aufweist, wobei der Verbindungsteil
eine Vielzahl von hauptsächlich
axial verlaufenden Stäben,
die um die Achse beabstandet sind, aufweist, wobei der Verbindungsteil
im Durchschnitt weniger als ein Drittel der Querschnittsflächen des
Raums zwischen innerem und äußerem Leiter
einnimmt und mit mindestens einem der Leiter nicht in engem Kontakt
ist.
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Somit ist der Raum zwischen Innen-
und Außenleiter
am Durchmesserverminderten Vorderteil unter Erhöhung der charakteristischen
Impedanz des Vorderteils zur besseren Übereinstimmung mit der charakteristischen
Impedanz des mittleren (hinteren) Teils ohne Verminderung des dortigen
Durchmessers des Innenleiters oder Erhöhung des dortigen Durchmessers
des Außenleiters
hauptsächlich
mit Luft gefüllt.
Der Zweck der restlichen axial verlaufenden dielektrischen Stäbe ist die
axiale statt radiale Positionierung des vorderen Lokalisierungsteils.
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Der aus festem dielektrischem Material
geformte Träger
liegt im Raum zwischen innerem und äußerem Leiter und positioniert
den inneren Leiter so, dass er auf der Achse des Steckers liegt
und an einer Axialbewegung gehindert wird. Ein Paar von ringförmigen Lokalisierungselementen
weist einen mittleren Lokalisierungsteil, der den inneren Leiter unmittelbar
hinter seiner Buchse eng umschließt und der von dem äußeren Leiter
eng umschlossen ist, und einen hinteren Lokalisierungsteil, der
den inneren Leiter eng umschließt
und vom äußeren Leiter eng
umschlossen ist, auf. Stäbe,
die parallel zur Steckerachse verlaufen, verbinden die mittleren
und hinteren Lokalisierungsteile. Die Stäbe um schließen vorzugsweise den Innenleiter
nicht eng und sind vom Außenleiter
nicht eng umschlossen, so dass sie den Innenleiter nicht radial
anordnen, sondern hauptsächlich
den ringförmigen
Lokalisierungsteil beabstanden.
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Die neuen erfindungsgemäßen Merkmale sind
insbesondere in den beigefügten
Ansprüchen dargelegt.
Die Erfindung wird am besten anhand der folgenden Beschreibung beim
Lesen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine seitliche Draufsicht auf einen erfindungsgemäß aufgebauten
koaxialen Steckverbinder.
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1A ist
eine isometrische Ansicht des Koaxialsteckers von 1.
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2 ist
eine seitliche Explosionsdraufsicht des Koaxialsteckers von 1. 3 ist eine Schnittansicht des Koaxialsteckers
von 1 entlang der Linie 3-3 von 5.
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4 ist
eine Schnittansicht des Koaxialsteckers von 3 entlang der Linie 4-4 von 3 und von 5.
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5 ist
eine Schnittansicht des Steckers von 1 entlang
der Linie 5-5 hiervon.
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6 ist
eine Ansicht entlang der Linie 6-6 von 1.
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7 ist
eine isometrische Ansicht des Trägers
für den
Stecker von den 1-6.
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8 ist
eine seitliche Schnittansicht des Trägers wie in 4 gezeigt. 9 ist
eine Schnittansicht des Trägers
wie in 3 gezeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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1 erläutert einen
Typ eines üblicherweise
verwendeten und in großen
Stückzahlen
an Anwender verkauften koaxialen Miniatursteckverbinders 10,
der eine "Standard"-Größe aufweist.
Das heißt,
der Stecker weist einen vorderen Teil 12 und einen koaxialen
Innenstecker 14 mit einem vorderen Teil, der zur Aufnahme
eines Stifts M eines Durchmessers A von 1 mm ausgelegt ist, auf.
Ferner ist der vordere Teil so aufgebaut, dass er in einen Außenleiter
N des passenden Steckers hineinpasst, der dort ausgebildet ist,
wo der Außendurchmesser
B des vorderen Teils etwa 3,7 mm beträgt. Der Stecker 10 besitzt
einen mittleren oder hinteren Teil 16, dessen Außendurchmesser
nicht fest ist (er passt nicht in den anderen Stecker). Ein Koaxialkabel
ist dem Stecker durch Eingreifen eines zentralen Leiters des Kabels
in das hintere Ende 20 des inneren Leiters und Ineinandergreifen
von Kabel-Außenleiter
und einer Verlängerung 22 der
Schale oder des Außenleiters 24 des
Steckers beigefügt.
Es wird festgestellt, dass nach Herstellung des größten Teils
der Verbindung eine weitere Verlängerung 27 der
Schale nach unten zur Verlängerung 22 gebogen
ist.
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Wie in den 3 und 4 gezeigt,
liegt der Innenleiter 14 längs einer Steckerachse 26 konzentrisch
zum schalenförmigen äußeren Leiter 24.
Ein dielektrischer Träger 30 positioniert
die koaxialen Leiter so, dass sie konzentrisch bleiben und verhindert die
Vorwärts-F-
oder Rückwärts-R-Bewegung
des inneren Leiters bezüglich
des äußeren Leiters.
Der innere Leiter 14 weist nach vorne und nach hinten zeigende
Schultern 32, 34 auf, und der Träger 30 weist die
entsprechenden Schultern 36, 38 zur Verhinderung
der Axialbewegung des Innenleiters auf. Der Außenleiter besitzt die Fortsätze 41,
die die Rückwärtsbewegung
des Isolators verhindern und weist eine Schulter 42 auf,
die an eine Oberfläche 44 des Isolators
zur Verhinderung seiner Vorwärtsbewegung anstößt. Der
Steckerteil 46, der hinter dem Träger liegt (wo er die Innenleiter-Schulter 32 greift),
wird in der folgenden Diskussion als hinterer Teil des Steckers
betrachtet.
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Koaxialkabel und Koaxialstecker sind
in der Regel so aufgebaut, dass sie eine feste charakteristische
Impedanz aufweisen, die am häufigsten
50 Ohm und am zweithäufigsten
75 Ohm beträgt.
Zur Minimierung des VSWR (Spannungsstehwellenverhältnis) und
der damit verbundenen Verluste ist der Aufbau des Steckers so gewünscht, dass
er eine charakteristische Impedanz aufweist, die derjenigen der
anderen Bauteile des Stromkreises möglichst nahe kommt, d.h. es
ist gewünscht,
den Stecker so aufzubauen, dass er eine charakteristische Impedanz
von durchwegs 50 oder 75 Ohm aufweist. Der mittlere Teil 16 des
Steckers, der in der Regel einen Außendurchmesser C von 4,6 mm
aufweist (mehr als 4,1 mm), kann (ebenso wie der hintere Teil) leicht
so bemessen werden, dass eine gewünschte Impedanz erzeugt wird.
In der Regel ist der Durchmesser D des Innenleiter-Mittelteils 49 so
eingestellt, dass, wenn das bestimmte Dielektrikum zwischen Innen-
und Außenleiter liegt, die gewünschte charakteristische Impedanz
(50 oder 75 Ohm) erreicht wird. Allerdings war
es bisher dem Steckerkonstrukteur nicht möglich, den vorderen Teil 12 des
Steckers so zu konstruieren, dass er eine Impedanz nahe am gewünschten Niveau,
wie 50 Ohm, aufweist.
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Wie vorstehend diskutiert, musste
der vordere Teil 40 des Innenleiters einen Stift M von
1 mm Durchmesser aufnehmen. Der Innenleiter-Vorderteil 40 war
in zwei Zinken 70 jeweils einer Dicke E, wie 0,2 mm (0,0008
In.), aufgeteilt, was einen Außenseiten-Durchmesser
F von etwa 1,4 mm ergab. Da der Außendurchmesser B des Stecker-Vorderteil
etwa 3,7 mm (weniger als 3,9 mm) und die Dicke G der Schalenwände etwa
0,36 mm (0,0014 in.) betrug, betrug der Innenseiten-Durchmessers
H der Schale etwa 3 mm. Wenn TeflonTM (Dielektrizitätskonstante 2,55)
den Raum zwischen Innen- und Außenleiter
im vorderen Teil 12 des Steckers füllt, betrug die charakteristische
Impedanz des vorderen Teils etwa 28 Ohm. Eine charakteristische
Impedanz von 28 Ohm für
den Stecker-Vorderteil bei Verwendung mit einem Stromkreis und einem
Stecker-Mittelteil
von 50 Ohm führten
zu einem hohen VSWR und zu entsprechenden Verlusten.
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Erfindungsgemäß erhöht der Anmelder die charakteristische
Impedanz des Steckverbinder-Vorderteils 12 wesentlich von
28 Ohm auf 45 Ohm, unter Erreichen einer viel besseren Übereinstimmung
zwischen charakteristischer Impedanz des mittleren Teils 16 des
Steckers und der charakteristischen Impedanz der mit dem Steckverbinder
elektrisch verbundenen Schaltungsanordnung (einschließlich des Kabels
und passenden Steckers). Der Anmelder erreicht dies durch Aufbau
des dielektrischen Trägers 30 so,
dass im vorderen Teil 50 des Raumes 52 zwischen
Innen- und Außenleiter
möglichst
wenig festes die lektrisches Material vorhanden ist. Das heißt, das feste
Material, das von dem dielektrischen Träger-Vorderteil 55 gebildet
wird, der den vorderen Ring 56 und die Stäbe 66 aufweist,
nimmt weniger als ein Drittel des vorderen Raumteils 50 ein
(Raum im vorderen Teil 35 des Außenleiters mit dem Innendurchmesser
N). Obwohl der Anmelden den vorderen Raumteil 50 vollständig ohne
Isolierung herstellen konnte, bevorzugt der Anmelder die Bereitstellung
eines vorderen Ring- oder Lokalisierungsteils 56, das bei
58 eine Zuleitung bildet.
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Das vordere Ringelement 56 ist
eng vom vorderen Ende 60 des vorderen Teils 25 des äußeren Leiters
umschlossen, umschließt
allerdings vorzugsweise die biegsamen Zinken 70 des inneren
Leiters nicht eng. Der dielektrische Träger weist auch mittlere und
hintere ringförmige
Lokalisierungsteile 62, 64 auf, die jeweils eng
von dem mittleren Teil 67 des Außenleiters 24 umschlossen
sind, und die den Innenleiter 14 jeweils eng umschließen. Der
Lokalisierungsmittelteil 62 liegt zur Vermeidung von Interferenz
mit den Zinken 70 hinter dem Innenleiter-Vorderteil. Die
Lokalisierungsteile weisen jeweils einen Ring auf, der im wesentlichen
um 360° (mehr
als 320°)
um die Achse verläuft.
Es wird festgestellt, dass die Lokalisierungsteile 62, 64 die
Schultern 36, 38 bilden, die die axiale Position
des inneren Leiters fixieren.
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Der Anmelder verbindet den vorderen
Ringteil 56 über
einen vorderen dielektrischen Verbindungsteil 65 (8), der großenteils von einer Vielzahl
von axial verlaufenden Stäben 66 gebildet
wird, mit dem Lokalisierungsmittelteil 62. Wie in 5 gezeigt, existieren drei Stäbe 66A, 66B und 66C,
die um den Umfang um die Verbinderachse 26 beabstandet
sind. Die Stäbe
umschließen
den Innenleiter an seinen Zinken 70 nicht eng und sind
vom vorderen Teil 25 des Außenleiters 24 nicht
eng umschlossen. Der Zweck der Stäbe besteht in der axialen statt
radialen Positionierung des vorderen Ring-56-teils (bezüglich der
Achse 26). Wie in 5 gezeigt,
nehmen die drei Stäbe
nur etwa 20% der Querschnittsfläche des
Steckervorderteils ein. Luft nimmt den Rest ein. Als Ergebnis kommt
die charakteristische Impedanz des vorderen Teils dem Niveau nahe,
das durch Bereitstellung nur von Luft in dem Raum 50 des
vorderen Teils 12 erreicht werden würde. Wie vorstehend erwähnt, führt dieser
Aufbau dazu, dass im vorderen Teil eine charakteristische Impedanz
von 45 Ohm vorhanden ist, die dem Niveau von 50 Ohm des mittleren
Teils 16 und dem am häufigsten
für den
Stecker festgelegten Niveau nahe kommt.
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Die charakteristische Impedanz 1 eines
Koaxialsteckerabschnitts entspricht der Gleichung: I
= 138/√e × Log10D/d
wobei D der Innenseiten-Durchmesser
des Außenleiters
ist, d der Außenseiten-Durchmesser des Innenleiters
ist und e die Dielektrizitätskonstante
des Materials zwischen den Leitern ist. Für den vorderen Steckerteil 12 war
eine Änderung
der charakteristischen Impedanz durch Änderung der Durchmesser der
Leiter nicht möglich,
da er zum Eingriff in die passenden Stecker einer zuvor festgelegten
Größe einen
festen Aufbau aufweist. Allerdings erhöht der Austausch des Anmelders
von hauptsächlich
Luft durch ein festes Material, wie TeflonTM (Dielektrizitätskonstante 2,55),
die charakteristische Impedanz, so dass sie mit dem gewünschten
Niveau besser übereinstimmt.
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Der dielektrische Träger 30 besitzt
einen Verbindungsmittelteil 72, der ganz aus festem dielektrischen
Material bestehen könnte.
Allerdings bevorzugt es der Anmeldet, auch den Verbindungsmittelteil 72 hauptsächlich aus
Luft zu bilden, damit sich der Durchmesser D des mittleren Teils
erhöhen
lässt,
so dass er dem Durchmesser F des vorderen Teils des Innenleiters
näher kommt.
Durch Verminderung der Unterschiede in den Durchmessern D, F vermindert der
Anmelder Reflexionen, die bei höheren
Frequenzen (oberhalb von etwa 750 MHz) zu erhöhten Verlusten führen können, obwohl
die Verluste durch Reflexionen im Vergleich zu den Verlusten durch
die bisher stark abweichenden Impedanzen sekundär sind. Der Stecker des Anmelders
wird nun hauptsächlich für Frequenzen
von bis zu etwa 2 GHz, wo letztere zutreffen, verwendet. Wie in 6 gezeigt, weist der Verbindungsmittelteil 72 des
dielektrischen Trägers drei
Stäbe 74A, 74B und 74C auf,
die zusammen etwa 20% der Querschnittsfläche zwischen mittlerem und
hinterem Lokalisierungsteil 62, 64 (3) einnehmen, mit Ausnahme
eines zentralen Flansches 76, der für den Außenleiter-Fortsatz 41 eine
Schulter vorsieht.
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Es wird festgestellt, dass in den 5 und 6 nur
drei Stäbe
um 90° beabstandet
sind, mit einem Spalt 80, 82 von etwa 180° zwischen
zwei der Stäbe. Dieser
Aufbau unterstützt
den Aufbau des Trägers dadurch,
dass er als Kunststoff-Formteil aus einem Stück geformt ist. Die drei Stäbe, wie 66A, 66B und 66C,
können
leichter aus einer Form entnommen werden als wenn der Spalt kleiner
als etwa 180° wäre. Die
vertikalen Seiten, wie 84, 86, der Stäbe sind ebenfalls zur leichteren
Entfernung aus einer Form parallel.
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Der Anmelder hat einen Stecker mit
dem obigen Aufbau konstruiert und getestet und einen Stecker mit
bisherigem Aufbau (vorderes Buchsenende zur Aufnahme eines Stifts
von 1 mm mit einem vorderen Außendurchmesser
von etwa 3,7 mm) getestet. Für
eine äußere Impedanz
von 68,8 Ohm und eine Frequenz von 1000 MHz und ohne Belastung führt der
bisherige Aufbau (Raum zwischen den Leitern gefüllt mit festem Dielektrikum)
zu einem VSWR von 1,145, während
der neue, vorstehend beschriebene Aufbau ein VSWR von 1,087 erzeugte.
Wurde eine Last angelegt, erzeugte der bisherige Aufbau ein VSWR
von 1,132, während
der neue Aufbau ein VSWR von 1,081 erzeugte.
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Somit stellt die Erfindung einen
Koaxialstecker des Typs bereit, wobei das vordere Ende des inneren
Leiters eine Buchse zur Aufnahme eines Stifts von zuvor festgelegter
Größe bildet,
und der Außenleiter
an seinem vorderen Teil einen kleineren Durchmesser als an seinem
mittleren Teil aufweist, wodurch sich die charakteristische Impedanz
des vorderen Teils des Steckers erhöhen lässt. Dies wird durch Bereitstellen
hauptsächlich
von Luft als Dielektrikum, die zwischen Innen- und Außenleiter
im Vorderteil des Steckers vorhanden ist, erreicht. Das Dielektrikum
kann von einem dielektrischen Träger
geformt sein, der vorzugsweise einen Lokalisierungsvorderteil aufweist,
der eine Zuleitung zur Buchse bildet und der über axial verlaufende Stäbe mit einem
ringförmigen
mittleren Lokalisierungsteil vor dem Steckermittelteil verbunden
ist. Der Träger
weist vorzugsweise einen hinteren ringförmigen Lokalisierungsteil auf, der über eine
Vielzahl von Stäben
mit dem Lokalisierungsmittelteil verbun den ist, so dass in dem Raum im
mittleren Teil des Steckers hauptsächlich Luft vorhanden ist,
damit wegen geringerer Reflexionen im mittleren Teil des Steckers
ein Innenleiter mit größerem Durchmesser
erlaubt ist. Der Steckeraufbau ist für einen bestimmten Steckeraufbau,
wobei der Buchsenkontakt am Vorderteil des Innenleiters zur Aufnahme
eines Stifts von 1 mm Durchmesser bemessen ist und die Außenseite
des vorderen Teils einen Durchmesser von etwa 3,7 mm aufweist, geeignet.
Obwohl für
den Träger
ein nicht poröses
festes Dielektrikum gezeigt ist, wäre die Verwendung eines starren
Schaums möglich,
der den gesamten Raum ausfüllt,
wobei jedoch ein Gas, wie Luft, den größten Teil des Schaumvolumens
einnimmt.
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Obwohl bestimmte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben und hier erläutert wurden, wird davon ausgegangen,
dass Modifikationen und Abänderungen
leicht für
Fachleute zugänglich
sind.