DE753052C

DE753052C - Vierdraht-Fernmeldekabel mit zwischen den Adergruppen entgegengesetzter UEbertragungsrichtung angeordneten Schirmen

Info

Publication number: DE753052C
Application number: DES140143D
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Phil Kaden; Friedrich Dr Phil Sommer
Original assignee: Siemens and Halske AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens and Halske AG; Siemens Corp
Priority date: 1940-02-14
Filing date: 1940-02-15
Publication date: 1953-10-26

Description

AUSGEGEBEN AM
26. OKTOBER 1953

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIET

KLASSE 21 c GRUPPE 4o4

S X4OX43 VIIIb / 21c

Dr. phil. Heinrich Kaden, Berlin und Dr. phil. Friedrich Sommer, Berlin

• sind als Erfinder genannt worden

Siemens & Halske A. G., Berlin und München

(Ges. v. 15. 7.51) Patenterteilung bekanntgemacht am 23. Juli 1953

Die Erfindung betrifft Vierdraht-Fernmeldekabel mit zwischen den Adergruppen entgegengesetzter Übertragungsrichtung angeordneten Schirmen aus mehreren gut leitenden Schichten, die durch eine magnetisierbare Schicht voneinander getrennt sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für den Fall der Übertragung sehr hoher Frequenzen und einer großen Leitungsdämpfung der Übertragungsleitungen bei möglichst geringem Aufwand an Schirmmatcrial maximale Schirmdämpfungswerte, z. B. Schirmdämpfungen größer als 9 Neper zu erzielen.

Es ist bekannt, daß man bei aus mehreren gut leitenden Schichten bestehenden Schirmen dadurch erhöhte Schirmdämpfungen erzielen kann, daß die gut leitenden Schichten durch eine magnetisierbare Schicht voneinander getrennt werden. Auf diese Weise erreicht man resultierende Schirmdämpfungen, die sogar größer sind als die Summe der Schirmdämpfungen der einzelnen Schirmschichten. Infolge der festgestellten großen Bedeutung der zwischen den gut leitenden Schirmschichten angeordneten magnetisierbaren Schichten war as man bisher bestrebt, diese verhältnismäßig dick

auszuführen, und zwar dicker als die einzelnen gut leitenden Schichten. So ist es beispielsweise bekanntgeworden, bei einem aus zwei Kupferschichten und einer dazwischenliegenden Eisenschicht bestehenden Schirm jede Kupferschicht aus zwei Kupferbändern von je 0,05 mm Stärke und die Eisenschicht aus zwei Eisenbändern von je 0,13 mm Stärke herzustellen. Ferner sind Abschirmungen bekanntgeworden; bei denen die zwischen den beiden Kupferbändern liegende magnetische Schicht die gleiche Stärke wie eines der Kupferbänder hat.

Die im Rahmen der Erfindung angestellten Untersuchungen haben aber überraschenderweise gezeigt, daß hinsichtlich der Bemessung der die gut leitenden Schichten trennenden magnetisierbaren Schicht völlig andere Verhältnisse vorliegen, wenn die Übertragungsfrequenzen und die Leitungsdämpfung verhältnismäßig hoch sind. Im folgenden werden die ausgeführten Untersuchungen näher, beschrieben, deren Ergebnisse zu einer hinsichtlich des Materialaufwandes besonders günstigen Schinnkonstruktion ausgewertet werden.

Zur Berechnung der Schirmwirkung mehrschichtiger Lagenschirme in Fernsprechkabeln geht man zweckmäßig aus von dem Magnetfeld H eines Liniendipols. Dieses Magnetfeld läßt sich darstellen als Rotation eines Vektorpotentials A₀

H = TOtA₀, (i)

wobei A₀ nur eine Komponente in der Achsenrichtung ζ hat, die durch die Beziehung

ι= — ' — COS₉)

(2)

gegeben ist, worin / der Strom des Dipols und α der halbe Aderabstand sind, r und φ sind entsprechend Fig. 1 der Zeichnung die Koordinaten des Aufpunktes P.

Wird nun der Liniendipol entsprechend der Fig. 2 mit einem konzentrischen Schirm Sch mit dem Radius r_{ umgeben, so berechnet sich das Magnetfeld H_{ im Innenraum des Schirmes aus dem Vektorpotential

i = A₀+ R{

(3)

und das Magnetfeld H_a außerhalb des Schirmes berechnet sich aus dem Vektorpotential

An. O A_n

(4)

Hierin ist A₁- der Rückwirkungsfaktor des Schirmes auf das Magnetfeld eines Liniendipols, der sich in der Achse des Schirmes befindet, und S ist der Schirmfaktor des Schirmes für dieses Feld. A₄ und 5 sind ortsunabhängige Größen, die nur vom Schirm und von der Frequenz abhängen.

Bringen wir den Schirm in ein ursprünglich homogenes Magnetfeld mit dem Vektorpotential

A_n= H_a-rcos<p, (5)

so ergibt sich außerhalb des Schirmes ein resultierendes Magnetfeld mit dem Vektorpotential

A_a = A₀ + R_a -^- A₀

(6)

Im Innern des Schirmes berechnet sich das Magnetfeld aus

t= SA₀.

(7)

Der Schirmfaktor S ist für ein Außenfeld der gleiche wie für ein inneres Dipolfeld. Ebenso ist der Rückwirkungsfaktor R_a gleich Ri für homogene Schirme; für aus gut leitenden und magnetisierbaren Schichten kombinierte Schirme dagegen ist R_a von Ri verschieden. Die weitere mathematische Entwicklung ergibt für dünnwandige homogene Schirmhüllen, die die Einführung der für ebene Platten gültigen Näherungen gestatten, einen Schirmfaktor

S =

und

eof w +

/ίο JL. M _6ίη u

= R.= Ri=:

In diesen Gleichungen sind

JL

Ma

μ die relative

tn- μ₀ i

@itt td ■ S .

(S)

(9)

Permeabilität, d die Dicke des Schirmes und

ϊ = (χ + i)

wobei

Tlflf

mm

/Ό

/7 kHz

die äquivalente Leitschichtdicke ist.

Aus der Kenntnis der Schirmwirkung homogener Schirme läßt sich nun die Schirmwirkung beliebiger kombinierter Schirme berechnen. Dazu betrachten wir entsprechend der Fig. 3 zunächst zwei konzentrische Schirme ScA₁ und ScIu mit den Schirmfaktoren S₁ und S₂, den inneren Rückwirkungsfaktorcn i?<,i und /ί,·_>:> und den äußeren Rückwirkungsfaktoren R_a, ι und R_a,-i- Für den Fall, daß der zweite Schirm ScA₂ nicht vorhanden ist, ist das Feld außerhalb des ersten Schirmes SCh₁ entsprechend der Gleichung (4) gegeben durch das Vektorpotential

^n₁I=S₁Zl₀. (IO)

Das Feld .4a, ι wirkt nun auf den zweiten Schirm ScJi₂, welcher durch ein homogenes Zusatzfeld A_Ti ·> zurückwirkt:

Ar_tz = R_zA_a<l. (ii)

Hierin bedeutet R₂ den Rückwirkungsfaktor des zweiten Schirmes ScA₂. Die Rückwirkung des ersten Schirmes auf die Rückwirkung des zweiten Schirmes ist proportional dem Rückwirkungsfaktor R₁ des ersten Schirmes, so daß das Gesamtfeld außerhalb des ersten Schirmes sich zu

A_a,i + Ar,I₂ = A₀Si (i +

(12)

ergibt. Dieses Verfahren läßt sich beliebig weit fortsetzen. Man erhält dann eine unendliche Reihe von Potenzen in R₁R₂, für die sich ein geschlossener Ausdruck angeben läßt:

OO A ο

Α_αΛ + Α,,ο = ^₀S₁2 (AiK₃)* = T-V₁^₂ ·

(13)

Das Feld außerhalb des zweiten Schirmes ist wieder um den Schirmfaktor S₂ kleiner als das resultierende Feld innerhalb des zweiten Schirmes nach Gleichung (13), so daß sich der resultierende Schirmfaktor des kombinierten Schirmes zu

S₁₂ =

S₁S₂

ι — R₁R₂

errechnet.

Besteht der Schirm aus drei Schichten, so ergibt sich der resultierende Schirmfaktor zu

S₁S₂S₃

_ς

(ι — A₁ RJi (1 — R₂R₃) — R₁ R₃Sl "

(15) Durch Hinzufügung weiterer Schirmschichten läßt sich auf diese Weise die Schirmdämpfung beliebiger kombinierter Schirme berechnen. Ferner können wir mit Hilfe der abgeleiteten 6g Formeln die Schirmdämpfung b_s eines kombinierten Kupfer-Eisen-Kupfer-Schirmes berechnen, der gemäß der Fig. 4 aus zwei homogenen Kupferschirmen gleicher Dicke ^₁ besteht, die durch einen Eisenschirm mit der Dicke d₂ getrennt sind. Sind S_Cu bzw. S_Fe und R_Ca bzw. Äj_e <üe Schirmfaktoren und Rückwirkungsfaktoren eines Kupferschirmes und des Eisenschirmes, so ist die Gesamtschirmdämpfung nach Formel (15)

S =

c2 ς

^Cu -^Fe)" ^C

Cu ¹

Darin berechnen sich S_Cu, SFe, ^Cu und i?_Fe nach den Formeln (8) und (9). Stellt man den Eisenschirm aus einem mit kurzem Schlag aufgebrachten Eisenband her, so wirkt er im wesentlichen magnetostatisch, da die axial gerichteten Wirbelströme immer wieder unterbrochen werden. Dann folgt aus den Beziehungen (8) und (9)

S_Fe = ζ—— — » (^r7)

I₊.

JL μ

JL

μο

(18)

Setzen wir diese Werte in Formel (16) ein sowie S_Cu und i?cu aus (8) und (9), so ergibt sich für die Schirmdämpfung des gesamten Schirmes

■ IL.L·.**

, 2 μο η

2 2Τχ

— A

(19)

worin A, B₁C und D Funktionen des Argumentes

-suid:

. 2ίί, 2d_x

_ _., 1A₁ . Zi₁ B=. fern y -smy-

,. . id,

c = to, -gi+

_. 2d D = tem

2d,

cos -y-

-r sin -J-

und

mm

f/kHz

die äquivalente Leitschichtdicke des Kupfers ist. Die Formel (19) läßt sich für die praktisch vorkommenden Schirme erheblich vereinfachen. Für merkliche Schirmwirkung des Eisenschirmes und der einzelnen Kupferschirme, d. h. für

/Ό

und

/ι jj^ υΛ , U^Y ^ U μ₀ d) |\#/ d

ergibt sich

= ^1η ■ ο λ

2 μ₀ d

und aus dieser Formel erhalten wir als Näherungen für d_x <

für d₁>-&

Setzen wir

(20)

(21)

so ist

δ» = δι + δ_π,

(22)	75
(23)	8o
(24)
(25)	85

wobei bi nur von der Permeabilität des Eisens sowie von dem Radius und der Gesamtdicke des Schirmes abhängt. Sj₁ enthält dagegen nur die vom Aufbau abhängende Größe -— und die

von der Frequenz abhängende Größe.-ψ. In Fig. 5 ist nach der Formel (24) der Anteil b_It der Schirmdämpfung in Abhängigkeit von

-j und -ψ als Parameter aufgetragen. An Hand der Fig. 5 läßt sich die Schirmdämpfung eines beliebigen Kupfer-Eisen-Kupfer-Schirmes dadurch bestimmen, daß man nach Formel (23)

den Anteil O₁ berechnet, sodann -j- und -y ermittelt und aus Fig. 5 den zugehörigen Wert O₁₁ entnimmt. Aus Gleichung (25) ergibt sich dann die Schirmdämpfung δ,. Den Frequenzgang

von δ, erhalten wir aus Fig. 5, indem wir für -ψ verschiedene Werte annehmen. Aus Fig. 5 entnehmen wir ferner, daß es bei gegebener Schirmdicke und gegebener Frequenz

ein günstiges Dickenverhältnis -£ gibt, bei dem die Schirmdämpfung einen größten Wert annimmt. Aus Formel. (21) ergibt sich, daß für d_x < ■& die Schirmdämpfung b_s sein Maximum für d₂ — ¹I₃ d annimmt.

Es ist dann

(26) für d_x > ■& folgt aus (22) für d_s = -&

Ka_x == In I -i—

(27)

Für den Mittelbereich ^₁» & läßt sich die Abszisse des Maximums nur auf graphischem Wege ermitteln. In Fig. 5 ist die Verbindungskurve C der Maxima eingetragen. Ebenso sind dort die Verbindungskurven C₀ für den Grenzfall d_x < ■& und C₀₀ für den Grenzfall d_x > & angegeben. Man sieht, daß diese Kurven auch im Mittelbereich hinreichend genau das günstigste Dickenverhältnis angeben.

Aus der Fig. 5 geht überraschenderweise · hervor, daß die gestrichelte Verbindungslinie C

oberhalb des Verhältnisses -ψ = 3,0 einen Knick

aufweist, d. h. daß sich bei einem Kupfer-Eisen-Kupfer-Schirm bei bestimmter Schichtdicke d größere resultierende Schirmdämpfungen sogar dann ergeben, wenn die Dicke d₂ der Eisenschicht weniger als ein Drittel der Gesamtdicke d beträgt. Auf Grund dieser überraschenden Feststellung wird erfindungsgemäß bei hohen Frequenzen, bei denen die Leitschichtdicke # in den beiden Kupferschichten kleiner als ein Drittel der Schichtdicke d wird, die Dicke d_s der Eisenschicht gleich oder annähernd gleich der Leitschichtdicke in den Kupferschichten gemacht. Analoge Verhältnisse ergeben sich, wenn der Schirm aus einer größeren Anzahl von Einzelschichten besteht, z. B. aus drei gut leitenden Schirmschichten und zwei magnetisicrbaren Schirmschichten, in diesem Falle also aus η — 5 Schichten.

Die Erfindung besteht also darin, bei Vierdralit-Fernmeldekabeln mit zwischen den Adergruppen entgegengesetzter Übertragungsrichtung angeordneten Schirmen aus mehreren gut leitenden Schichten, die jeweils durch eine magnetisierbare Schicht voneinander getrennt sind, für den Fall einer größeren Gesamtdicke d des Schirmes als das Produkt aus der Anzahl η der Schirmschichten und der Leitschichtdicke # des Materials der gut leitenden Schirmschichten die Dicke d₂ der magnetisierbaren Schicht gleich oder annähernd gleich der Leitschichtdicke # zu wählen. Die Erfindung umfaßt also nicht den Fall, den einzelnen Schichten eines Mehrschichtenschirmes die gleiche Stärke zu geben. Die vorgeschlagene Bemessung wird bei denjenigen Frequenzen vorgenommen, bei denen die größten Schirmdämpfungswerte gefordert werden. Dies trifft ao im allgemeinen für die höchste Übertragungsfrequenz zu.

Die Fig. 6 zeigt als Ausführungsbeispiel ein nach der Erfindung hergestelltes Fernmeldekabel für Vierdrahtbetrieb. Das Kabel enthält as die für die eine übertragungsrichtung bestimmten Vierer 10 und die Vierer 11 der entgegengesetzten Übertragungsrichtung. Zwischen den beiden Vierergruppen entgegengesetzter Übertragungsrichtung ist der erfindungsgemäß ausgebildete Schirm angeordnet, der aus den beiden · überlappt gewickelten Kupferbändern 12 und 13 und der zwischenliegenden offenen magnetisierbaren Bandwicklung 14 besteht. Erfindungsgemäß wird die Dicke des magnetisierbaren Bandes 14 gleich oder annähernd gleich der Leitschichtdicke der Kupferbänder 12 und 13 gemacht. Dies bedeutet, daß die Stärke des magnetisierbaren Bandes 14 geringer ist als die Stärke des Kupferbandes 12 oder 13. Der so ausgebildete Schirm ist durch die vorzugsweise aus Papierbändern bestehenden Polsterschichten 15 und 16 von den Vierern 10 und 11 getrennt. Cbcr der äußeren Viererlage 11 befinden sich die Seelenbespinnung 17 und der wasserdichte Kabelmantel iS, über dem weitere an sich bekannte Schutzhüllen angeordnet sein können. Die Erfindung ist nicht auf das in der Fig. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Beispielsweise kann der Schirm durch eine weitere offene magnetisierbare Bandwicklung und eine weitere überlappte Kupferbandwicklung ergänzt werden, so daß sich insgesamt ein fünfschichtiger Schirm ergibt. Das Kabel kann außer den für die Vierdrahtübertragung bestimmten Vierern auch Adergruppen für andere Übertragungszwecke, z. B. für den Zweidrahtbetrieb und für die Rundfunk- und Fernsehübertragung enthalten.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vierdraht-Fernmeldekabel mit zwischen den Adergruppen entgegengesetzter Übertragungsrichtung angeordneten Schirmen aus mehreren gut leitenden Schichten, die jeweils durch eine magnetisierbare Schicht voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer größeren Gesamtdicke d des Schirmes als das Produkt aus der Anzahl η der Schirmschichten und der Leitschichtdicke ■& des Materials der gut leitenden Schirmschichten die Dicke d„ der magnetisierbaren Schicht gleich oder annähernd gleich der genannten Leitschichtdicke ■& ist.

2. Vierdraht-Fernmeldekabel nach An-Spruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die gut leitenden Schirmschichten in Form überlappter Bandwicklungen und die magnetisierbaren Schichten in Form offener Bandwicklungen aus schmäleren Bändern ausgebildet sind.

Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden:

Britische Patentschrift Nr. 492 333;

USA.-Patentschrift Nr. 1979 402.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen