DE857087C

DE857087C - Anschlussglied zum Anschliessen einer koaxialen Leitung oder zum Verbinden zweier koaxialer Leitungen

Info

Publication number: DE857087C
Application number: DEP22738D
Authority: DE
Inventors: Octavio Mario Salati
Original assignee: Hazeltine Corp
Current assignee: BAE Systems Aerospace Inc
Priority date: 1945-05-19
Filing date: 1948-11-25
Publication date: 1952-11-27
Also published as: CH273561A; FR950440A; US2540012A

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 27. NOVEMBER 1952

p 22738 VIII b 121 c D

ist als Erfinder genannt worden

Koaxiale Leitungen werden häufig zur Überführung von Wellenenergie von einem Punkt zu einem anderen Punkt, z. B. von einem Sender zur Senderantenne oder von einer Empfangsantenne zu einem Empfänger, verwendet. Es ist bekannt, daß an jedem Punkt einer Leitung, an welcher der Wellenwiderstand der Leitung sich plötzlich ändert, Wellenreflektion eintritt, welche die Entstehung unerwünschter stehender Strom- und Spannungswellen in der Leitung zur Folge hat. Zwecks Verminderung der Reflektion verwendet man zum Anschließen konzentrischer Leitungen gewöhnlich koaxiale Anschlußglieder, deren Wellenwiderstand demjenigen der Leitung angepaßt ist. Dies bereitet im Falle von Leitungen mit Leitern verhältnismäßig großen Durchmessers keine Schwierigkeiten, da hierbei die Leiter des Anschlußgliedes genügende mechanische Festigkeit aufweisen, wenn sie dieselben Abmessungen haben wie die Leiter der Leitung selbst. Im Fall von Leitungen mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser muß man dagegen Anschlußglieder verwenden, deren Leiter zwecks Erzielung einer ausreichenden mechanischen Festigkeit größere Abmessungen haben als die Leiter der Leitung. Um hierbei Wellenreflektionen zu verhindern, werden bei den bekannten Anschlußeinrichtungen die Leiter des Anschlußgliedes nach der Leitung zu allmählich verjüngt, um eine plötzliche Änderung des Wellenwiderstandes zu vermeiden. Dies bereitet jedoch ziemliche Schwierigkeiten, weil das erforderliche Maß der Verjüngung sehr genau eingehalten wer-

den muß. Derartige Anschlußglieder mit verjüngten Leitern sind also ziemlich teuer und eignen sich nicht für die Massenherstellung. Überdies fallen sie infolge der allmählichen Verjüngung ihrer Leiter meist so lang aus, daß sie für viele Zwecke unbrauchbar werden.

Den Gegenstand der Erfindung bildet ein aus einem Innenleiter und damit koaxialen Außenleiter bestehendes Anschlußglied zum Anschließen ίο einer koaxialen Leitung oder zum Verbinden zweier koaxialer Leitungen, bei welchen der Innenleiter des Anschlußgliedes größeren Durchmesser hat als der Innenleiter der Leitung und der Außenleiter des Anschlußgliedes mit dem Innenleiter des Anschlußgliedes und mit dem Endteil des Innenleiters der Leitung zusammen ein koaxiales Leitungsstück bildet, welches zumindest einen Teil mit einem den Wellenwiderstand der Leitung übersteigenden Wellenwiderstand und zumindest einen anderen Teil mit einem unterhalb des Wellenwiderstandes der Leitung bleibenden Wellenwiderstand hat, wobei die beiden Leiter des Anschlußgliedes so bemessen sind, daß das Verhältnis zwischen der Gesamtinduktivität und der Gesamtkapazität des Anschlußgliedes gleich dem Verhältnis zwischen der Induktivität und der Kapazität je Längeneinheit der Leitung ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. ι ist ein Längsschnitt durch eine sehr einfache Ausführungsform des erfindungsgemäßen Anschlußgliedes;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch zwei zum Verbinden zweier koaxialer Leitungen dienende, nach Art eines Steckkontaktes ausgebildete Anschlußglieder, und

Fig. 3 zeigt eine vervollkommnete Form der Anschlußglieder gemäß Fig. 2.

Fig. 4 stellt in schematischer Weise Variationen des Wellenwiderstandes der Leitung für einen besonderen Fall dar.

Fig. 5 zeigt das Ersatzschaltbild einer einen Tiefpaß bildenden Leitung.

Das Anschlußglied gemäß Fig. 1 hat einen Innenleiter 10, der beispielsweise durch Lötung mit dem Innenleiter 11 der koaxialen Leitung 12 verbunden werden kann. Der Durchmesser des Innenleiters 10 ist erheblich größer als derjenige des Innenleiters 11, so daß er eine ausreichende mechanische Festigkeit hat. Wenn es sich um eine koaxiale Leitung mit verhältnismäßig kleinem Außendurchmesser handelt, muß der Durchmesser des Innenleiters des Anschlußgliedes aus diesem Grund etwa gleich demjenigen des Außenleiters 13 der koaxialen Leitung sein.

Der mit dem Außenleiter 13 der Leitung verbundene Außenleiter 14 des Anschlußgliedes greift über das Endstück/ des Innenleiters 11 der Leitung 12, von welchem der Außenleiter 13 entfernt ist. Der Außenleiter 14 ist innen abgestuft und bildet mit dem genannten Endstück des Innenleiters 11 der Leitung 12 sowie mit dem Innenleiter 10 des Anschlußgliedes ein Leitungsstück, welches aus drei Teilen verschiedenen Wellenwiderstandes besteht. Der Wellenwiderstand des von der den kleinen Durchmesser aufweisenden Stufe 15 mit dem Endteil / des Innenleiters 11 gebildeten Teils des genannten Leitungsstückes ist größer als der Wellenwiderstand der Leitung 12, der Wellenwiderstand des von derselben Stufe 15 und dem Teil I₂ des Innenleiters 10 des Anschlußgliedes gebildeten Teils des genannten Leitungsstückes ist gleich dem Wellenwiderstand der Leitung 12, während der Wellenwiderstand des von der den größeren Durchmesser aufweisenden Stufe 16 mit dem Teil I₁ des Innenleiters 10 des Anschlußgliedes gebildeten Teils des genannten Leitungsstückes kleiner als der Wellenwiderstand der Leitung 12 ist. Die Wellenwiderstände des ersten und des dritten Teils des genannten Leitungsstückes verhalten sich so zueinander, daß das Verhältnis zwischen der Gesamtinduktivität und der Gesamtkapazität des Anschlußgliedes gleich dem Verhältnis zwischen der Induktivität und Kapazität jeLängeneinheit der Leitung 12 wird. Der Wellenwiderstand des von der Stufe 15 des Außenleiters 14 des Anschlußgliedes und dem Endteil / des Innenleiters 11 der Leitung 12 gebildeten Teils des obenerwähnten Leitungsstückes ist dabei durch Wahl eines genügend großen Wertes des Durchmessers der Stufe 15 so bemessen, daß er zur Verhinderung von auf den größeren Durchmesser des Leiters 10 des Anschlußgliedes zurückzuführenden Durchschlägen ausreicht. Die elektrische Länge des Anschlußgliedes soll vorzugsweise nur einen Bruchteil der Wellenlänge der über die Leitung 12 geleiteten Wellenenergie betragen.

Da der Wellenwiderstand des Teils / der Anordnung größer als derjenige der Leitung 12 ist, hat dieser Teil einen hauptsächlich induktiven Widerstand, während der Teil I₁ der Anordnung, dessen Wellenwiderstand kleiner als derjenige der Leitung 12 ist, einen hauptsächlich kapazitiven Widerstand hat. Wenn die Länge der Teile / und I₁ so gewählt ist, daß das Verhältnis zwischen der Gesamtinduktivität und der Gesamtkapazität des Anschlußgliedes gleich dem Verhältnis zwischen der Induktivität und der Kapazität je Längeneinheit der Leitung 12 wird, entsteht an dem Anschlußglied keine Wellenreflektion.

Der Teil / der Anordnung muß mindestens so lang sein, daß sich zwischen dem Innenleiter 11 der Leitung und dem Außenleiter 14 des Anschlußgliedes entlang der Außenfläche der Isolation der Leitung 12 ein Kriechweg ergibt, der lang genug ist, um bei der gegebenen Spannung zwischen den genannten Leitern einen Überschlag zu verhindern. Auch für den Innenleiter 10 des Anschlußgliedes ist eine gewisse Mindestlänge erforderlich, welche sich aus der weiter unten in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Art und Weise der mechanischen Verbindung dieses Innenleiters mit dem Innenleiter der Leitung und mit dem Innenleiter eines zweiten, ähnlichen Anschlußgliedes ergibt. Der Teil I₂ der Anordnung, dessen Wellenwiderstand gleich demjenigen der Leitung 12 ist, dient dazu,

die aus den letztgenannten mechanischen Gründen erforderliche Mindestlänge des Innenleiters io des Anschlußgliedes für den Fall zu sichern, daß die zur Erreichung des erforderlichen Wellenwider-Standes des Teils I₁ notwendige Länge des Innenleiters io kleiner wäre als seine aus den mechanischen Gründen erforderliche Länge.

Die theoretische Begründung der obenerwähnten Bemessungsvorschriften ist aus folgendem ersichtlieh. Für den Widerstand Z_s an den Eingangsklemmen einer Leitung von der Phasenlänge Θ mit Wellenwiderstand Z₀, die mit einem Widerstand Z₁. abgeschlossen ist, gilt die bekannte Formel

j. Z_s = Z - ■ - ^c . (i)

Unter den Bedingungen Z_r <i Z₀ und θ<6 wird

hieraus die folgende Annäherung erhalten:
ao 3 ₇

7 CO 7 _L- ,·„, ^⁰ (2)

worin d = Länge der Leitung, ν = Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wellen ω = Kreisfrequenz

^a5 (denn tg Θ^ Θ und Θ = -~—) ■

Die Fig. 4 stellt in schematischer Weise die Variationen des Wellenwiderstandes der Leitung für den Fall I₂ = O dar. Der Index k bezieht sich auf .das Kabel, der Index / auf den darauffolgenden Teil hohen Widerstandes Z, der Index 3 auf den Teil niederen Widerstandes und der Index 4 auf den Widerstand eines links von dem Teil 3 angeschlossenen Verbrauchers der von dem Kabel geleiteten Energie. Z₃₁ bezeichnet den Widerstand nach rechts in der Grenzfläche 31, ähnlich Z₄₃.

Nun ist vorausgesetzt worden, daß Z₁ S> Zkund Z₃ <i Z._k. Die Anwendung der Gleichung (2) gibt

wobei L₁ = Gesamtinduktivität des in Frage kommenden Leitungsteils 1 ist.

I Es ist zu bemerken, daß

Z₁= Λ I hl und V₁. -L=.)

Υ C₁ Yl₁C₁ J

Aus Gleichung (1) erhält man in entsprechender Weise unter der Annahme

JZ₀ \

also eine Parallelschaltung von -^- mit Z₇.. Hieraus ergibt sich

/ j Z₃ \ Θ

-31

^jZs

Der Klammerausdruck wird aber gleich der Totalkapazität des Teils 3, also gleich C₃. Z₄₃ ist also die Parallelschaltung von C₃ mit Z₃₁, wobei Z₃₁ gleich der Reihenschaltung von Z_k und L₁ ist, also nach dem Schema der Fig. 5. Die Teile L₁ und C₃ stellen also ein Tiefpaßfilter bekannter Art dar, für dessen Kennwiderstand Z gilt

Z =

/L₁
C,

I —(W²

ω² c

mit co_c = Grenzfrequenz. Unter der Vorraussetzung ω <ί cü_c nimmt diese Gleichung folgende vereinfachte Form an:

Wenn Anpassung vorliegen soll, muß also folgende Bedingung befriedigt sein:

■7 σ Λ 1. 1 Π'-

Z = Z_k, CL. h. γ, = Lh-

Zk ist aber gleich dem Verhältnis zwischen Induktivität und Kapazität pro Längeneinheit des Kabels. Die Anpassungsbedingung fordert noch, daß in Fig. 4 der Widerstand Z± = Z sei, und dieser Bedingung wird offenbar genügt, wenn zwei Kabel wie in Fig. 2 symmetrisch aneinander angeschlossen werden.

τ

Die genaue Bedingung — = Zl kann durch die

Annäherung

L₁+ L₃ _=z,

C₁ + C₃ ^k

¹¹⁰

ersetzt werden unter der Voraussetzung, daß der Unterschied zwischen den beiden Brüchen, d. h. der Ausdruck

L₁ + L₃

C₁+C₃

L₁
C₃

L₃L₃

C₃

von vernachlässigbarer Größenordnung ist.

Aus der Gleichung (1) kann man entnehmen, daß die Anpassungsbedingung auch für den Fall befriedigt sein wird, daß zwischen die beiden Teile Z₃ und Z₁ der Fig. 4 noch ein kurzer Teil vom Wellenwiderstand Z.₂-Z_k eingeschaltet wird. In der Fig. 5 wird dies bedeuten, daß zwischen C₃ und L₁ ein Leitungsstück mit Wellenwiderstand Z₂ zu liegen kommt, dessen eines Ende mit der Reihenschaltung von L₁ und Z^ und dessen anderes Ende mit der Parallelschaltung von Z_k und C₃ belastet ist. Wenn wir auf diesen mittleren Teil die Gleichung (1) anwenden, können die Glieder mit Θ, da der Leitungsteil kurz ist, vernachlässigt werden, und die Anpassungsbedingung (1) nimmt folgende einfache Form an:

Z_s — Z_r.

(3)

Es sollen also die beiderseits angeschlossenen Belastungen einander gleich sein. Diese Bedingung

ist im vorliegenden Fall annähernd erfüllt, denn die eine Belastung umfaßt die Reihenverbindung von Z_k mit j ω I₁ (wobei ω I₁ von viel kleinerem absolutem Betrag als Z_k ist, da es die totale Induktivität eines sehr kurzen Leitungsstückes darstellt) und die andere die Parallelverbindung von Z_k mit 1/JmC₃, dessen absoluter Betrag groß ist, und damit diese beiden Belastungen denselben Scheinwiderstand haben, genügt es, daß j ω L₁= (If j ω C₃) = Zk ίο ist, d. h. dieselbe Bedingung, die bereits im Anschluß an die Fig. 5 hergeleitet wurde.

Die zum gegenseitigen Verbinden der beiden koaxialen Leitungen 12 und I2_a dienenden beiden Anschlußglieder der Fig. 2 sind im wesentlichen gleich denjenigen gemäß Fig. 1, und ihre auch in Fig. ι vorkommenden Teile sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie dort. Der Innenleiter 10' des einen Anschlußgliedes hat an seinen beiden Enden je eine axiale Bohrung 17 und 19, von welchen die eine zur Aufnahme des Endes des Innenleiters 11 der Leitung 12 und die andere zur Aufnahme eines axialen Zapfens 20 des Innenleiters io_a' des anderen Anschlußgliedes dient. Der Innenleiter 11 der Leitung 12 ist mittels eines durch die Querbohrung 18 des Innenleiters 10' eingeführten Lötmittels mit diesem Innenleiter verbunden, während der die Bohrung 19 enthaltende Teil des Innenleiters 10' zweckmäßig gespalten und federnd ist, um einen guten elektrischen Kontakt mit dem Zapfen 20 zu sichern. An dem der Leitung I2_U zugewendeten Ende des Innenleiters 10/ ist eine zur Aufnahme des Endes des Innenleiters ii„ der Leitung geeignete axiale Bohrung iy_a vorgesehen, welche ebenfalls mit einer zur Einführung eines Lötmittels geeigneten Querbohrung i8_a in Verbindung steht. Der Außenleiter 14/ des in der Zeichnung rechts gelegenen Anschlußgliedes hat eine eng über den Außenleiter 14 des links gelegenen Anschlußgliedes passende Verlängerung 21.

Jedes der beiden Anschlußglieder enthält eine, den Zwischenraum zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter ausfüllende Isolierhülse 23, 23_a. Die Enden 24, 24,, dieser Isolierhülsen sind so ausgebildet, daß sie genau auf die Isolation der Leitungen 12, I2_a passen und mit diesen mittels eines dielektrischen Klebstoffes verbunden werden können, um in der Luft verlaufende Kriechwege zwischen den Innenleitern 10', 10/ und den Außenleitern 14, 14/ der Anschlußglieder zu beseitigen.

Die anderen Enden 25, 25_a sind so ausgebildet, daß das Ende 25_a der Isolierhülse 23_a genau über das Ende 25 der Isolierhülse 23 paßt.

Die beiden Anschlußglieder werden nach Art eines Steckschalters miteinander verbunden, wobei der Zapfen 20 des rechts gelegenen Anschlußgliedes in die Bohrung 19 des Innenleiters des links gelegenen Gliedes eindringt und das Ende 25_a der Isolierhülse des rechts gelegenen Anschlußgliedes den zwischen dem Ende 25 der Isolierhülse und dem Außenleiter des links gelegenen Anschlußgliedes befindlichen Zwischenraum ausfüllt, während die Verlängerung 21 des Außenleiters des rechts gelegenen Anschlußgliedes sich über den Außenleiter des links gelegenen Anschlußgliedes schiebt. Dabei ergibt sich zwischen den Innenleitern und den Außenleitern der Anschlußglieder ein durch die übereinandergeschobenen Enden 25, 25„ der Isolierhüilsen 23, 23_a bestimmter langer Kriechweg, der Überschläge auch bei Spannungen von mehreren tausend Volt verhindert.

Fig. 3 zeigt eine der Anordnung gemäß Fig. 2 ähnliche Anordnung, welche sich von dieser darin j unterscheidet, daß sie Mittel zur festen Verbindung ι der Leitungen mit den Anschlußgliedern und der ! Anschlußglieder miteinander enthält. Die miteinander im Eingriff stehenden Teile der beiden dargestellten Anschlußglieder sind ebenso ausgebildet, wie bei der Anordnung gemäß Fig. 2 und bedürfen daher keiner näheren Erläuterung. Die mit den koaxialen Leitungen 12 und I2_a verbundenen Teile der beiden Anschlußglieder sind einander gleich und es genügt daher, wenn diese Teile des in der Zeichnung rechts gelegenen Anschlußgliedes beschrieben werden.

Der Außenleiter 14,, dieses Anschlußgliedes hat eine das Ende der koaxialen Leitung 12 umschließende Verlängerung 28_a, deren Innenwandung 29_a mit einem Schraubengewinde versehen ist, in welche das Schraubengewinde eines Nippels 3O_a eingreift. Das Ende des Außenleiters I3_a der Leitung I2_a ist nach außen zurückgebogen und wird durch den Nippel 3o_a mittels eines leitenden Zwischenstückes 31,,, einer isolierenden Dichtung 32_a und einer Unterlagscheibe 33_a gegen die Innenwandung 29_a der Verlängerung 28_a des Außenleiters I4_a gepreßt. Dies sichert eine feste mechanische Verbindung zwischen der Leitung und dem Anschlußglied sowie einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Außenleiter der Leitung und dem Außenleiter des Anschlußgliedes.

Zur gegenseitigen Verbindung der beiden Anschlußglieder ist ein Bajonettverschluß vorgesehen. Dieser umfaßt eine lose über den Außenleiter 14 des links gelegenen Anschlußgliedes geschobene Hülse 34, welche zur Aufnahme der auf dem Außenleiter I4_a des rechts gelegenen Anschlußgliedes vorgesehenen Vorsprünge 36 geeignete L-förmige Schlitze 35 hat. Das eine Ende der Hülse hat die Form eines geritzten Ringes 37, und das andere Ende ist als erweitertes Gehäuse 38 ausgebildet, welches eine die Dichtung 41! mittels der Unterlagscheibe 40 gegen das Ende der Verlängerung 21 des Außenleiters I4_a des rechts gelegenen Anschlußstückes pressende Ringfeder 39 enthält. Diese Feder stützt sich auf das Ende des Gehäuses 38 und sichert dadurch die Hülse 34 in derjenigen Stellung, in welcher die Vorsprünge 36 in den Schlitzen 35 festgehalten werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Aus einem Innenleiter und damit koaxialem Außenleiter bestehendes Anschlußglied zum Anschließen einer koaxialen Leitung oder zum Verbinden zweier koaxialer Leitungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter des Anschlußgliedes größeren Durchmesser hat

als der Tnnenleiter der Leitung und daß der Außenleiter des Anschlußgliedes mit dessen Innenleiter und mit dem Endteil des Innenleiters der Leitung zusammen ein koaxiales Leitungsstück bildet, welches zumindest einen Teil mit einem den Wellenwiderstand der Leitung übersteigenden Wellenwiderstand und zumindest einen anderen Teil mit einem unterhalb des Wellenwiderstandes der Leitung

ίο bleibenden Wellenwiderstand hat, wobei die

beiden Leiter des Anschlußgliedes so l>emessen sind, daß das Verhältnis zwischen der Gesamtinduktivität und der Gesamtkapazität des Anschlußgliedes gleich dem Verhältnis zwischen der Induktivität und der Kapazität je Längeneinheit der Leitung ist.
2. Anschlußglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser seines Innenleiters von derselben Größenordnung ist wie der Durchmesser des Außenleiters der Leitung.
3. Anschlußglied nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwiderstand des von seinem Außenleiter und von

as seinem Innenleiter sowie vom Endteil des

Innenleiters der Leitung gebildeten Leitungsstückes zur Verhinderung der auf den vergrößerten Durchmesser des Innenleiters des Anschlußgliedes zurückzuführenden Durchschlage ausreichend groß ist.
4. Anschlußglied nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine Länge einen Bruchteil der Betriebswellenlänge der Leitung beträgt.
5. Anschlußglied nach einem oder mehreren der vorstellenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine seinen Innenleiter umgebende Isolierhülse, deren Ende genau auf die den Innenleiter der Leitung umgebende IsoHerhülse paßt.
6. Anschlußglied nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein Innenleiter an seinem einen Ende eine zur Aufnahme des Innenleiters der Leitung geeignete axiale Bohrung und an seinem anderen Ende einen in eine axiale Bohrung des Innenleiters eines anderen, ähnlich ausgebildeten Anschlußgliedes einsteckbaren axialen Zapfen oder eine zur Aufnahme des axialen Zapfens des anderen Anschlußgliedes geeignete axiale Bohrung hat.
7. Anschlußglied nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein Außenleiter innen abgestuft ist, und zwar zumindest zwei Stufen aufweist, von welchen diejenige mit dem kleineren Durchmesser zusammen mit dem Endteil des Innenleiters der Leitung den den größeren Wellenwiderstand aufweisenden Teil des genannten Leitungsstückes und diejenige mit dem größeren Durchmesser zusammen mit dem Innenleiter des Anschlußgliedes den den kleineren Wellenwiderstand aufweisenden Teil des genannten Leitungsstückes bildet.
8. Anschlußglied nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den genannten beiden Teilen des genannten Leitungsstückes ein von der Stufe kleineren Durchmessers des Außenleiters des Anschlußgliedes und vom Innenleiter des Anschlußgliedes gebildeter dritter Teil des genannten Leitungsstückes vorgesehen ist, dessen Wellenwiderstand gleich demjenigen der koaxialen Leitung ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

5513 11.52