DE748787C

DE748787C - Runtime coil switched as a quadrupole

Info

Publication number: DE748787C
Application number: DE1939748787D
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hans-Otto Roosenstein
Priority date: 1939-01-18
Filing date: 1939-01-18
Publication date: 1944-11-08
Also published as: GB534201A; US2258261A

Description

Die Erfindung betrifft eine als Vierpol geschaltete Laufzeitspule für Frequenzbereiche, in denen die Spannungsverteilung längs der Spule nicht mehr quasistationär ist. Es ist in der Nachrichtentechnik öfters erforderlich, ein Signal um eine gewisse Zeit zu verzögern. Meistens wird dabei die Forderung gestellt, daß die Form des elektromagnetischen Vorganges, z. B. des Signals, erhalten bleibt,The invention relates to a four-pole switched delay coil for frequency ranges, in which the voltage distribution along the coil is no longer quasi-stationary. It is often necessary in communications engineering delay a signal by a certain amount of time. Usually the requirement is that the form of the electromagnetic Process, e.g. B. the signal, is retained,

ίο insbesondere soll die Steilheit einer Front nicht abgerundet werden. Diese Forderung bedeutet, daß sowohl die Laufzeit der Leitung als auch der Wellenwiderstand für alle Frequenzen, die im Signal enthalten sind, gleich groß sein müssen. Diese Forderung einer festen Laufzeit für ein großes Frequenzband tritt nicht nur bei dem oben gekennzeichneten Problem auf, sondern auch bei vielen anderen Nachrichtenanlagen, in denen Umschältungen vorgenommen werden sollen, wobei meistens gefordert wird, daß trotz der Umschaltungen für den gesamten Wellenbereich die Laufzeitverhältnisse die gleichen bleiben sollen. In diesem Falle ist es notwendig, ausgeschaltete Leitungsstücke durch künstliche Leitungen zu ersetzen, die für sämtliche Frequenzen die gleiche Laufzeit aufweisen müssen. In allen solchen Fällen kann die Erfindung mit Vorteil benutzt werden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zwecks Verringerung der Frequenzabhängigkeit des Wellenwiderstandes und der Laufzeit in breiten Frequenzbereichen die magnetischen und gegebenenfalls auch die dielektrischen Durchlässigkeiten des die Spulenwindungen umgebenden Raumes in Achsrichtung kleiner gewählt sind als in der dazu senkrechten Richtung. Das bedeutet also, daß der Raum, in dem sich die Spule befindet, als Ferromagnetikum und gegebenenfalls auch als Dielektrikum eine gewisse Anisotropie aufweist. Diese Anisotropie der ferromagnetischen bzw. dielektrischen Durchlässigkeiten kann so- ge-ίο in particular should be the steepness of a front not rounded down. This requirement means that both the running time of the line as well as the characteristic impedance for all frequencies contained in the signal are the same must be big. This requirement of a fixed running time for a large frequency band does not occur only with the problem identified above, but also with many other messaging systems, in which switchovers are to be made, whereby it is usually required that despite the switchovers for The runtime ratios should remain the same over the entire waveband. In this In the event of a situation, it is necessary to replace the switched-off line sections with artificial lines, which must have the same transit time for all frequencies. In all such Cases, the invention can be used to advantage, which is characterized in that for the purpose of reducing the frequency dependence of the characteristic impedance and the running time in wide frequency ranges the magnetic and possibly also the dielectric Permeability of the space surrounding the coil turns is smaller in the axial direction are chosen as in the direction perpendicular thereto. So that means that the space in which the coil is located, as a ferromagnetic and possibly also as a dielectric has a certain anisotropy. This anisotropy of the ferromagnetic or dielectric permeability can thus

wählt werden, daß die Frequenzabhängigkeit des Wellenwiderstandes und der Laufzeit in der Spule in bestimmtem Maße verringert wird. Insbesondere kann ein konstanter Wellenwiderstand bzw. eine konstante Laufzeit für einen großen Frequenzbereich erzielt werden. Es ist bereits bekannt, eine künstliche Leitung für Hochfrequenz dadurch herzustellen, daß koaxial mit einer Zylinderspule ein der Länge ίο nach aufgeschlitzter Metallzylinder angeordnet ist, der mit den Spulenwindungen eine Kapazität bildet. Derartige künstliche Leitungen besitzen aber noch nicht die nötige Übertragungstreue, wenn es sich um sehr breite Frequenzbänder bzw. sehr kurze Wellen handelt. Eine solche Spule wird z. B. durch die Abb. 1 dargestellt. Hiernach besitzt die Spule einen ferromagnetischen Kern 1, der vorzugsweise aus Hochfrequenzeisen besteht und dazu dient, der Spule eine hohe Laufzeit zu geben. Über diesem Kern ist ein Kupferzylinder 2 angebracht, der in Achsrichtung geschlitzt ist und die beiden Anschlußklemmen A und P der Leitung, die hier als Vierpol zu denken ist, besitzt. Die beiden anderen Anschlußklemmen B und Q des Vierpols werden durch den Anfang und das Ende der Wicklung 3 gebildet, welche auf den Kupferzylinder 2 unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht 4 aufgebracht ist. Bei dieser Anordnung entsteht in dem ferromagnetischen Kern 1 unter dem Einfluß des die Wicklung durchlaufenden Stromes ein Magnetfeld, dessen Stärke von dem Vorhandensein der Abschirmung 2 unabhängig ist. Die Leitung besitzt infolge der verhältnismäßig geringen Entfernung zwischen der Wicklung 3 und der' Abschirmung 2 eine gut definierte Kapazität pro Längeneinheit. Diese Kapazität besteht unverändert bis zu den Frequenzen, bei denen benachbarte Windungen der Spule bereits Spannungsunterschiede aufweisen. Bei solchen hohen Frequenzen, bei denen sich zwischen benachbarten Spulenwindungen wesentliche Spannungsunterschiede ausbilden, treten jedoch außer der Kapazität der Wicklung 3 gegen die Abschirmung noch die gegenseitigen Kapazitäten zwischen den einzelnen Windungen in Erscheinung. Dadurch verändert sich die scheinbare Kapazität und hiermit auch die Laufzeit und der Wellenwiderstand der ganzen Anordnung. Es ist daher notwendig, zur Erhaltung einer konstanten, frequenzunabhängigen Laufzeit diese Kapazität zwischen den einzelnen Windungen möglichst gering zu machen, um ihren Einfluß zu vermindern. Dies kann z. B., wie für Kurzwellenspulen zur Verminderung der Windungskapazität bekannt, durch eine große Entfernung der einzelnen Windungen voneinander geschehen, wobei außerdem noch Sorge getroffen werden kann, daß die Kapazität zwischen jeder Windung und dem Abschirmzylinder möglichst groß ist. Besonders günstige Resultate erhält man, indem man die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums anisotrop gestaltet, indem dieses beispielshalber abwechselnd aus Lagen großer Dielektrizitätskonstanten und kleiner Dielektrizitätskonstanten geschichtet ist, so daß sich in Richtung senkrecht zu den Schichten eine relativ kleine Dielektrizitätskonstante, in Richtung parallel zu den Schichten jedoch eine große Dielektrizitätskonstante ergibt. Für den vorliegenden Fall wäre also vorzugsweise eine Schichtung des Dielektrikums senkrecht zur Achsrichtung vorteilhaft, die z. B. dadurch geschehen kann, daß die einzelnen Spulenwindungen auf Stegen eines Isoliermaterials aufliegen, welches eine hohe Dielektrizitätskonstante besitzt und sich in unmittelbarer Berührung mit dem Abschirmzylinder befindet. In den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Spulenwindungen befindet sich vorzugsweise Luft, so daß ein' großer unterschied der Dielektrizitätskonstanten zwischen Achsrichtung und radialer Richtung gewährleistet ist. Hierdurch läßt sich schon eine erhebliche Verbesserung der Laufzeitkonstanz und der Wellenwiderstandskonstanz erreichen.be chosen that the frequency dependence of the characteristic impedance and the running time in the coil is reduced to a certain extent. In particular, a constant characteristic impedance or a constant running time can be achieved for a large frequency range. It is already known to produce an artificial line for high frequency in that a metal cylinder is arranged coaxially with a solenoid, which is slit in length ίο and forms a capacitance with the coil windings. Such artificial lines do not yet have the necessary transmission fidelity when it comes to very broad frequency bands or very short waves. Such a coil is z. B. represented by Fig. 1. According to this, the coil has a ferromagnetic core 1, which is preferably made of high-frequency iron and is used to give the coil a long running time. A copper cylinder 2 is attached over this core, which is slotted in the axial direction and has the two connection terminals A and P of the line, which is to be thought of as a four-pole here. The other two connection terminals B and Q of the quadrupole are formed by the beginning and the end of the winding 3, which is applied to the copper cylinder 2 with an insulating layer 4 interposed. With this arrangement, under the influence of the current flowing through the winding, a magnetic field is created in the ferromagnetic core 1, the strength of which is independent of the presence of the shield 2. As a result of the relatively small distance between the winding 3 and the shield 2, the line has a well-defined capacitance per unit length. This capacity remains unchanged up to the frequencies at which adjacent turns of the coil already have voltage differences. At such high frequencies, at which substantial voltage differences develop between adjacent coil turns, however, in addition to the capacitance of the winding 3 against the shielding, the mutual capacitances between the individual turns also appear. This changes the apparent capacitance and with it the transit time and the wave resistance of the entire arrangement. It is therefore necessary, in order to maintain a constant, frequency-independent running time, to make this capacitance between the individual windings as small as possible in order to reduce its influence. This can e.g. B., as known for short-wave coils to reduce the winding capacity, done by a large distance between the individual turns, and care can also be taken that the capacity between each turn and the shielding cylinder is as large as possible. Particularly favorable results are obtained by making the dielectric constant of the dielectric anisotropic, for example by layering it alternately from layers of large dielectric constants and small dielectric constants, so that in the direction perpendicular to the layers there is a relatively small dielectric constant, but in the direction parallel to the layers gives a large dielectric constant. For the present case, a layering of the dielectric perpendicular to the axial direction would be advantageous. B. can happen that the individual coil turns rest on webs of an insulating material which has a high dielectric constant and is in direct contact with the shielding cylinder. In the spaces between the individual coil windings there is preferably air, so that a large difference in the dielectric constant between the axial direction and the radial direction is ensured. As a result, a considerable improvement in the constancy of the transit time and the constancy of the wave resistance can be achieved.

Eine wesentliche Ursache für die große Frequenzabhängigkeit der Laufzeit bei höheren Frequenzen liegt aber in der Abhängigkeit der Selbstinduktion pro Zentimeter Länge einer solchen künstlichen Leitung von der Frequenz. Diese ist durch die Wechselinduktion zwischen den einzelnen Windungen gegeben. Diese Wechselinduktion, die zur Erzielung der hohen durch die Spule zu erreichenden Laufzeiten notwendig ist, bildet die Ursache für die Verkopplung von räumlich weit voneinander entfernten Leitungsteilen und damit die Ursache für eine Abhängigkeit der Selbstinduktion von der Frequenz. Dies soll im Prinzip an Hand der Abb. 2 erläutert werden. Hier ist mit 11 der Eisenkern bezeichnet und mit a, b, c und d vier Windungen, auf denen sich beispielshalber gerade eine halbe Wellenlänge der Schwingungen befinden möge, wie dies durch das darüber gezeichnete Stromdiagramm angedeutet ist. Die Windungen α und b führen also positiven Strom, die Windungen c und d negativen Strom. Dementsprechend sind die magnetischen Felder in dem Eisenkern 11 entgegengesetzt gerichtet und vernichten sich gegenseitig infolge der hohen Kopplung fast vollkommen. Die Induktivität der Spule für derartige Frequenzen ist daher praktisch gleich Null. Wenn auch der nach Abb. 2 dargestellte extreme Fall, daß bereits nach zwei Windungen eine Stromumkehr auftritt, in der Praxis kaum eintreten wird, so sieht man doch, daß, wenn überhaupt ein Unter- iao schied des Stromes am Spulenanfang und am Spulenende vorhanden ist, d. h. also, wenn dieA major cause of the large frequency dependence of the transit time at higher frequencies is the dependence of the self-induction per centimeter of length of such an artificial line on the frequency. This is given by the alternating induction between the individual windings. This alternating induction, which is necessary to achieve the long running times to be achieved through the coil, forms the cause of the coupling of line parts that are spatially far apart and thus the cause of the self-induction being dependent on the frequency. This is to be explained in principle on the basis of Fig. 2. Here, the iron core is designated with 11 and four turns with a, b, c and d , on which, for example, just half a wavelength of the vibrations may be, as indicated by the current diagram drawn above. The turns α and b thus carry positive current, the turns c and d negative current. Accordingly, the magnetic fields in the iron core 11 are directed in opposite directions and almost completely annihilate one another due to the high coupling. The inductance of the coil for such frequencies is therefore practically zero. Even if the extreme case shown in Fig. 2, where a current reversal already occurs after two windings, will hardly occur in practice, one can see that, if at all, there is a difference between the current at the coil beginning and at the coil end , ie if the

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Spule nicht mehr quasistationär betrachtet werden kann, eine Verminderung der Induktivität mit steigender Frequenz auftreten muß. Hierdurch ergibt sich eine Beeinflussung der Laufzeit bzw. des Wellenwiderstandes, die in der gleichen Richtung liegt wie die oben auseinandergesetzte, durch die gegenseitige Kapazität der Windungen bedingte Beeinflussung. Zur Vermeidung des erwähnten Fehlers, daßCoil can no longer be considered quasi-stationary, a reduction in inductance must occur with increasing frequency. This results in an influence on the Transit time or the wave resistance, which lies in the same direction as the one discussed above, influence caused by the mutual capacitance of the windings. To avoid the mentioned error that

ίο die Spuleninduktivität für steigende Frequenzen abnimmt, muß die Spule derart in ein Material hoher Permeabilität eingebettet sein, daß die Streuung große Werte annimmt, so daß jede Kraftlinie stets nur wenige Windungen umschließt und nicht durch die ganze Spule hindurchgreifen kann. In dem Extremfall der Abb. 2 würde- das also bedeuten, daß die Forderung gestellt würde, daß das magnetische Kraftfeld der Windung"« nur noch die Windung b umfaßt, während die Windung c kaum noch von demselben berührt wird. Das gleiche soll umgekehrt für die Windung d gelten.ίο the coil inductance decreases for increasing frequencies, the coil must be embedded in a material of high permeability in such a way that the scatter takes on large values, so that each line of force only encloses a few turns and cannot reach through the entire coil. In the extreme case of Fig. 2 this would mean that the requirement would be made that the magnetic force field of the winding "" only includes the winding b , while the winding c is hardly touched by the same the turn d apply.

Eine extrem hohe Streuung, wie sie gemäß der Erfindung erforderlich ist, kann vorzugsweise dadurch erzielt werden, daß die Spule außer mit einem ferromagnetischen Kern auch noch mit einer ferromagnetischen Umhüllung versehen ist, wodurch die Kraftlinien aus dem Kern vorzugsweise durch den nur kleinen diamagnetischen Spalt, in welchem sich die Spulenwindungen befinden, in den die Spule umgebenden ferromagnetischen Zylinder eintreten» Eine extrem hohe Streuung wird bei der Erfindung durch eine besondere Anisotropieausbildung des Ferromagnetikums erreicht, wobei diese An-. isotropie so zu wählen ist, daß sich in" Achsrichtung eine geringe Permeabilität, in radialer Richtung eine möglichst große Permeabilität ergibt.An extremely high scatter, as is required according to the invention, can preferably can be achieved in that the coil is not only with a ferromagnetic core but also with a ferromagnetic envelope is provided, whereby the lines of force from the core preferably through the only small diamagnetic gap in which the coil windings are enter the ferromagnetic cylinder surrounding the coil »One extremely high scatter is achieved in the invention by a special anisotropy of the Ferromagnetic achieved, this at. isotropy is to be selected in such a way that it is in the "axial direction a low permeability, in the radial direction the greatest possible permeability results.

In Abb. ι ist der die Spule umgebende ferromagnetische Zylinder mit 5 bezeichnet. Die Abb. 3 zeigt die Ausbildung des Ferromagnetikums mit Unterteilung. Hier besteht sowohl der Kern als auch der Zylinder 5 aus einzelnen ferromagnetischen Scheiben bzw. Ringen 1' bzw. 5', welche durch unmagnetische Scheiben bzw. Ringe 1" bzw. 5" unterteilt sind. Hierdurch werden die magnetischen Kraftlinien gezwungen, vorzugsweise in radialer Richtung zu verlaufen, so daß das Kraftfeld einer bestimmten Spulenwindung sich nur um einige wenige benachbarte Spulenwindungen herumschließt. Die Unterteilung, wie sie in Abb. 3 dargestellt ist, ist natürlich rein schematisch zu . verstehen, so daß darauf keine Rückschlüsse auf die technische Ausführung gezogen werden dürfen. Vorzugsweise wird man die Unterteilung sehr viel enger wählen als den Windungsabstand. Außer dem zwischen dem Kern 1 und den Windungen 3 vorgesehenen Abschirmzylinder 2 kann auch noch ein weiterer Abschirmzylinder 6 zwischen dem ferromagnetischen Zylinder 5 und den Windungen vorgesehen sein, wodurch die Laufzeit um einen weiteren Faktor ]/Έ vergrößert wird.The ferromagnetic cylinder surrounding the coil is denoted by 5 in FIG. Fig. 3 shows the formation of the ferromagnetic with subdivision. Here, both the core and the cylinder 5 consist of individual ferromagnetic disks or rings 1 'and 5', which are subdivided by non-magnetic disks or rings 1 "and 5". As a result, the magnetic lines of force are forced to run preferably in the radial direction, so that the force field of a specific coil turn only closes around a few adjacent coil turns. The subdivision, as shown in Fig. 3, is of course purely schematic. understand, so that no conclusions can be drawn about the technical execution. The subdivision will preferably be chosen to be much narrower than the winding spacing. In addition to the shielding cylinder 2 provided between the core 1 and the turns 3, another shielding cylinder 6 can also be provided between the ferromagnetic cylinder 5 and the turns, whereby the running time is increased by a further factor ] / Έ .

Claims

Patent claims:

1. Runtime coil switched as a four-pole circuit for frequency ranges in which the voltage distribution along the coil is no longer is quasi-stationary, characterized in that in order to reduce the frequency dependence the characteristic impedance and the transit time in broad frequency ranges the magnetic and possibly also the dielectric permeability of the space surrounding the coil turns in Axial direction are chosen to be smaller than in the direction perpendicular thereto.

2. Coil according to claim 1, characterized in that the ferromagnetic in Axial direction is layered.

3. Coil according to claim 1, characterized in that the dielectric in Axial direction is layered.

4. Coil according to claim 1 or one of the following, characterized in that they have a ferromagnetic core and an equally ferromagnetic shell is provided.

To distinguish the subject of the application from the state of the art, the granting procedure the following publications have been considered:

German patents ... No. 664 325,

614649;

British Patent - 453 538.

1 sheet of drawings