DE757468C - Kuenstlicher Belastungswiderstand fuer Hochfrequenzstroeme - Google Patents

Description

AUSGEGEBENAM 21. AUGUST 1952

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21a⁴ GRUPPE

E 50910 VIII a /2i a^l

Edward Cecil Cork, London

sind als Erfinder genannt worden

Patentiert im Deutschen Reich vom 8. März 1938 an Patenterteilung bekanntgemacht am 19. Oktober 1944

ist in Anspruch genommen

Die vorliegende Erfindung betrifft BelastungswiderBtände für Hochfrequenzsender, wie sie z. B. bei der Erprobung solcher Sender benutzt werden, wenn die Antenne nicht angeschlossen werden soll.

Man hat bisher zur Nachbildung einer Antenne als Belastung Anordnungen von HeLzlampen, die in Reihe und parallel geschaltet waren, oder wassergekühlte Widlerstandstäbe benutzt. Solche Anordnungen leiden insbesondere bei Benutzung mit Kurzwellensendern an dem Mißstand, daß eine überschüssige Reaktanz auftritt, welche unter Umständen so groß ist, daß sie durch zusätzliche Mittel kompensiert werden muß. Bei Fernselisignalen bewirkt diese Reaktanz z. B. wesentliche Änderungen der Impedanz über das benutzte Frequenzband.

Ein weiterer Nachteil der bekannten künstlichen Belastung ist der, daß der Widerstand der käuflichen Widerstandlsekmente für solche Zwecke nicht genügend unabhängig von der Temperatur ist. Wenn daher der auf die künstliche Belastung einwirkende Strom groß ist, wird der Wert des Belastungswider-Standes sich durch die entstehende Hitze beträchtlich ändern.

Ein weiterer Nachteil von künstlichen Belastungen, bei denen Lampen als Widerstandselemente benutzt werden, besteht in der recht

umfangreichen und unhandlichen Anordnung, so daß- in einem einigermaßen brauchbaren Gerät nur wenige Kilowatt vernichtet werden können. Außerdem sind solche Anordnungen leicht zerbrechlich und kostspielig.

Es ist auch bekannt, Hochfrequenzwiderstände in Form von Ohernächenwiderständen herzustellen, die aus zwei an einem Ende miteinander verbundenen konzentrischen ίο Röhren bestehen, deren Länge kleiner als die Wellenlänge, insbesondere kleiner als λ/ζα ist. Durch die vorliegende Erfindung wird eine verbesserte künstliche Belastung beschrieben, in welcher sehr große Energiebeiträge vernichtct werden können und welche eine Antenne mit konstanter Charakteristik auch über eine längere Yersuchszeit hin getreu nachbildet.

Gemäß der Erfindung ist ein künstlicher Belastungswiderstand ■ für Hochfrequenzsender in Form einer gedämpften Energieleitung dadurch gekennzeichnet, daß die Energieleitung aus einer an einem Ende kurzgeschlossenen oder offenen Doppelleitung besteht und daß zwischen deren beiden Leitern eine elektrisch dämpfende und wärmeableitende Flüssigkeit fließt. Durch die kapazitive und konduktive Ableitung durch, den Flüssigkeitsstrom zwischen den Leitern ist dar elektrische Kreis geschlossen, und die entstehende Wärme wird kontinuierlich abgeführt. Als Flüssigkeit wird bei der Anordnung gemäß der Erfindung vorzugsweise Wasser benutzt, welches besonders geeignete Werte der Dielektrizitätskonstante und Leitfähigkeit besitzt.

Eine Ausführungsform der Erfindung besteht aus einer konzentrischen Leitung mit einem Innen- und einem Außenleiter, zwischen welchen Wasser hindurchfließt. Bei dieser Anordnung wirkt das Wasser als ableitendes Dielektrikum, und es ist während der ganzen Versuchsdauer eine gleichmäßig tiefe Temperatur gewährleistet, da das Wasser kontinuierlich fließt und eine große thermische Masse besitzt. Der Innenleiter bei dieser Anordnung kann entweder durch eine Röhre, eine Spule oder einen Stab, welcher mit Kühlrippen ausgestattet ist, dargestellt sein oder kann sonst irgendeine geeignete Form besitzen, welche für die besonderen elektrischen Eigenschaften der Flüssigkeit günstig ist.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, welche gedrängtere Formen besitzt, sind zwei gleiche konzentrische Leitungen parallel oder in Reihe geschaltet, von denen die eine an dem von der Anschlußstelle entfernten Ende kurzgeschlossen und die andere an der entsprechenden Stelle offen ist. Im folgenden soll die Erfindung an Hand der Abbildungen näher erläutert werden:

Gemäß Abb. 1 besteht ein Belastungselement aus einem äußeren elektrisch leitenden Mantel oder röhrenförmigen Gefäß 1, welches beispielsweise aus Kupfer ijestehen kann. Dieser Außenleiter steht senkrecht und ist an seinem unteren Ende durch einen Boden 2 abgeschlossen, während das obere Ende 3 offen ist. Ol>en und unten sind ein Wassereinlaß 4 bzw. ein Wasserauslaß 5 angebracht. Konzentrisch innerhalb des Außenleiters χ ist ein Iniien-Ieiter 6 vorgesehen, welcher z. B. durch Löten oder sonst ein geeignetes \^Terfahren bei 7 mit dem Außenleiter verbunden ist. Bei der Benutzung wird die Anordnung z. B. in der Richtung von 4 nach 5 von Wasser durchströmt, und der Hochfrequenz1>elastungsstrom, weicherden· vom Sender ausgestrahlten Signalen entspricht, wird dieser Anordnung an geeigneten Klemmen zugeführt, die am Außenmantel 1 bzw, am Innenleiter 6 angebracht sind. Unter diesen !Umständen wirkt das Wasser als ableitendes Dielektrikum, und wenn die Länge der Röhre und des Leiters 6 hinreichend lang gewählt ist, so ist die Eingangsimpedanz näherungsweise gleich der einer unendlich laugen Leitung, also gleich dem Wellenwiderstand der Leitung, und ist im wesentlichen unabhängig von der Leitfähigkeit des Wassers in einem ziemlich großen Leitfähigkeitsbereieh. Bei einem speziellen Beispiel, wo der Durchmesser des Außenleiters 7,5 cm, der des Innenleiters etwa 6 mm betrug, wurde bei Leitungswasser auf einer Länge von 63 cm und hei einer Frequenz von 45 MHz ein Verlust von 1 Xeper erzeugt, so· daß also jede Länge der Leitung, welche größer als 1,20 m ist. praktisch bereits wie eine unendlich lange Leitung wirkt.

Der Wellenwiderstand einer Leitung ist durch den Ausdruck gegeben:

/R+ j o, L

wo R der Reihenwiderstand, G die Querleitfähigkeit, L die Längsinduktivität und C die Ouerkapazität bezeichnen, oj bedeutet die 'Kreisfrequenz und / die imaginäre Einheit. Im Fall der oben beschriebenen Leitung ist der Reihenwiderstand R der Leitung, ver glichen mit der Reihenreaktanz ojL, bei hohen Frequenzen zu vernachlässigen, so daß der Wellenwiderstand geschrieben werden kann:

L
C

I —

o, C

Aus diesem Ausdruck sieht man, daß, wenn G sehr viel größer als oC ist, der Wellenwiderstand einen nahezu konstanten Wert unab-

hängig von der Frequenz und von der Leitfähigkeit des Wassers besitzt. In dem oben beschriebenen speziellen Fall betrug der Wert

von ——- = ¹Ao, so· daß also· die Impedanz

O) Cr

3% kleiner war als der Grenzwert bei vernachlässigtem G. Wenn der Wert von G klein ist, wird die notwendige Länge zur Annäherung einer unendlich langen Leitung

ίο größer. So gibt es also eine Grenze der Leitfähigkeit für die benutzte Flüssigkeit, oberhalb welcher ein Belastungswiderstand zu lang wird, um noch praktisch ausführbar zu sein. Im allgemeinen ist es wünschenswert, bei der praktischen,Anwendung dar Erfindung einigermaßen reines Wasser zu benutzen, obwohl, solange eine konstante Eingangsimpedanz mit veränderlicher Frequenz oder veränderlicher Leitf ähigkeit des Wassers nicht von ganz besonderer Bedeutung ist, jedes aus einer öffentlichen Wasserleitung entnommene Wasser brauchbar ist.

Eine gedrängtere Anordnung des Belastungswiderstandes gemäß der Erfindung ist in Abb. 2 dargestellt. Diese Anordnung enthält zwei röhrenförmige Mäntel 10 und 11, welche im allgemeinen ebenso gestaltet sind wie der Mantel 1 in Abb. 1. Jede dieser Röhren besitzt einen Innenleiter 12 bzw. 13.

Die beiden Röhren 10 und 11 sind mit einer gemeinsamen Elektrode 14 und die beiden Leiter 12 und 13 mit einer gemeinsamen Elektrode 15 verbunden. Die Signalströme werden der Anordnung über diese beiden Elektroden 14 und 15 zugeführt. Der Inneil·- leiter 12 ist am Boden der Röhre 10 in gleicher Weise befestigt wie der Innenleiter 6 am Boden der Röhre 1 in Abb. 1.. Der Innenleiter 13 reicht jedoch nicht bis auf den Boden der Röhren, so daß zwischen dem Ende dieses Leiters und dem Boden der Röhre 11 ein Zwischenraum 16 vorhanden ist.

Gemäß dem Unterschied zwischen den Abschlußbedingungen der beiden konzenirischen Leitungen ändern sich die Impedanzen mit der Frequenz in entgegengesetzter Weise. Dadurch wird eine Kompensation der beiden Impedanzänderungen erreicht, so daß der Bereich konstanter Eingangsimpedanz erheblich vergrößert wird.

Ein besonderes Merkmal dar Anordnung gemäß Abb. 2 besteht darin, daß, wenn die Längen der durch die Röhren 10 und 11 gebildeten Leitungen jeweils ein ungerades Vielfaches von V10 der Wellenlänge in der Wasserleitung sind, die Größe der Eingangsimpedanz innerhalb eines großen Bereiches unabhängig von der Leitfähigkeit des Wassers ist, vorausgesetzt, daß die Leitfähigkeit der Flüssigkeit nicht -so hoch ist, daß der Wellenwiderstand wesentlich beeinflußt wird. Diese konstante Größe der Impedanz besitzt keinen konstanten Phasenwinkel.

Ein weiteres Merkmal der Anordnung gemaß Abb. 2 beisteht darin, daß, wenn die : Längen der durch die Röhren 10 und 11 gebildeten Leitungen jeweils ein Vielfaches von ! Ve der Wellenlänge in der Wasserleitung sand, die Eingangsimpedanz der beiden Leitungen zusammengenommen ohmisch ist, sich jedoch mit der Leitfähigkeit der Flüssigkeit ändert,

/~*
vorausgesetzt, daß -^- größer als ¹A isit.

In bestimmten Fällen können die Kombinationen, welche durch die Röhre 10 und den 75 _% Leiter 12 einerseits und durch die Röhre 11 und den Leiter 13 andererseits gebildet sind, in Reihe geschaltet werden statt parallel, wie es oben dargestellt war. In diesem Fall wird die Impedanz der gesamten Leitung näherungs weise viermal so groß wie bei Parallelschaltung.

Es hat sich gezeigt, daß zur Vermeidung von Reflexionen die Gesamtlänge der Röhre 10 und 11 etwa ebenso groß sein muß wie die Länge der Röhre 1 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 1. Jedenfalls aber ist die in Abb. 2 dargestellte Konstruktion im allgemeinen gedrängter als ein einzelnes langes Rohr gemäß Abb. 1, und außerdem können go die Impedanzen der Anordnung gemäß Abb. 2 wahlweise parallel oder in Reihe geschaltet benutzt werden, je nachdem ob eine niedrige oder eine hohe Impedanz der Gesamtanordnung gewünscht wird.

Eine andere Methode zur Kompensation der Impedanzänderungen mit der Frequenz oder mit Leitfähigkeitsänderungen der Flüssigkeit besteht darin, die Eigenschaften dös Leiters, welcher in der Belastung enthalten ist, zu modifizieren.

Wie bereits oben gezeigt, ist Her Wellenwiderstand der Leitung gegeben durch:

Z_n =

— jooL

G—j ω C '

In der Anordnung gemäß Abb. 1 ist R gewöhnlich vernachlässigbar klein im Verhältnis zu L. Wenn aber die Einrichtung so getroffen wird, daß die Längsverluste größer sind als im Fall der Anordnung gemäß Abb. i, kann man es erreichen, daß die Beziehung gilt: RjG = L/C , wo R jetzt den vergrößerten Längswiderstand bedeutet. In diesem Fall ist die Eingangsimpedanz der Leitung rein ohmisch, und zwar gleich R/G. Der vergrößerte Reihenverlust wird durch Vergrößerung des Stromes erreicht, welcher in dem Wasser längs der Leitung fließt. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß der Innenleiter spulenförmig aufgewickelt wird, wie dies durch 6' in Abb. 3 angedeutet ist,

oder daß ein Eisendraht benutzt wird, durch welchen die Re.iheminduktivität vergrößert .wird, oder dadurch, daß am Innenleiter oder an der Innenfläche des Außenlekers kühlrippenähnliche Ansätze vorgesehen sind, wie sie durch 6" in Abb. 4 dargestellt, sind, durch welche die Leitfähigkeit des Wasserweges vergrößert wird.

Da "das Wasser als Quer weg, welcher parallel zu den Leitern liegt, wirkt, wächst der Reihen widerstand R mit wachsender Leitfähigkeit des Wassers im selben Maße wie die Ouerleitfähigkeit G zwischen den Leitern, so daß die Beziehung R/G — L/C erhalten bleibt, auch bei Änderung der Leitfähigkeit des Wassers.

Ein weiteres Merkmal der Anordnung gemäß Abb. 3 besteht darin, daß die Dämpfung je Längeneinheit bedeutend größer ist als bei einer Anordnung gemäß Abb. 1, so daß man eine wesentlich kürzere Röhre anwenden kann, um eine praktisch unendlich lange Leitung darzustellen.

Die Anordnung' gemäß der Erfindung, wie sie bis hierher beschrieben wurde, eignet sich vorzugsweise zum Gebrauch bei gegen Erde unsymmetrischen Sendern. Bei symmetrischen Sendern muß die Ausführung der Erfindung gemäß den Forderungen der Symmetrie entsprechend geändert werden. So muß eine Anordnung gemäß Abb. 1 zum Gebrauch bei ! symmetrischen Sendern zwei gleiche Leiter entsprechend dem Leiter 6 enthalten, welche ^; mit den Ausgangskreisen des Senders ver- ' bunden sind und welche beide in der Flüssig- ! keit in einem gemeinsamen Rohr 1, welches , geerdet oder auf andere Weise auf konstan- ; tem Potential gehalten wird, enthalten sind. '

Claims (7)

1. Patentansprüche: ;

   i. Künstlicher Belastungswiderstand | für Hochfrequenzsender in Form einer ' gedämpften Energieleitung, dadurch ge- j kennzeichnet, daß die Energieleitung aus ! einer am Ende kurzgeschlossenen oder j offenen Doppelleitung besteht und daß zwischen deren beiden Leitern eine elektrisch dämpfende und wärmeableitende Flüssigkeit fließt. 5c
2. 2. Belastungswiderstand nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß als dämpfende Flüssigkeit Wasser verwendet wird.
3. 3. Belastungswiderstand nach An- 5i Spruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieleitung als koaxiale Energieleitung ausgebildet ist.
4. 4. Belastungswiderstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter der koaxialen Leitung die Form einer Spule besitzt (Abb. 3).
5. 5. Belastungswiderstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter der koaxialen Leitung mit kühlrippenförmigen Platten oder Scheil>en ausgestattet ist (Abb. 4).
6. 6. Künstlicher Belastungswiderstand für Hochfrequenzsender, dadurch gekennzeichnet, daß zwei parallel oder in Reihe geschaltete gedämpfte Energieleitungen nach Anspruch 1 vorgesehen sind, von denen die eine kurzgeschlossen und die andere offen ist.
7. 7. Belastungswiderstand nach An-Spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Länge jedes der Leiterpaare ein ganzzahliges Vielfaches von Vie der Wellenlänge beträgt.

   S. Künstlicher Belastungswiderstaud zum Gebrauch bei symmetrischen Hochfrequenz sen dem, dadurch gekennzeichnet, daß zwei identische Energieleitungen nach Anspruch 1 benutzt werden, welche in einem gemeinsamen, vorzugsweise geerdeten, leitenden Mantelgehäuse, durch welches die dämpfende Flüssigkeit fließt, untergebracht sind.

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

   Deutsche Patentschrift Nr. 618678:
   Archiv für techn. Messen, V 373-τ,
   Dez. 1936, S. i, Abs. 2.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   5364 8.52