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Abschirmungsanordnung Zur Abschirmung von Leitungen und Geräten gegen
hochfrequente Störungen werden oft doppelte Schirme verwendet. Mit verhältnismäßig
dünnwandigen Schirmen kann dadurch eine sehr große Schirmdämpfung erzielt werden,
da die Störströme infolge der Stromverdrängung auf dem Außenschirm fließen, während
der innere, fast störstromfreie Schirm die empfindlichen Stromkreise nochmals schützt.
Es werden also Nutzkreis und Störstromkreis infolge der Stromverdrängung entkoppelt.
Dieses System der doppelten Schirmung hat sich zum Schutz hochempflndlicher Stromkreise
oder zur Abschirmung besonders stark störender Kreise, z. B. von Zündleitungen,
gut bewährt, angefangen bei Tonfrequenz bis herauf zu Kurzwellen. Es liegt deshalb
nahe, auch bei ganz kurzen Wellen von wenigen Metern bis zu Dezimetern das Verfahren
der doppelten Schirmung beizubehalten, zumal es bei Ultrakurzwellen oft schwer fällt,
eine ausreichende Schirmung zu schaffen. Ein metallisch vollkommen geschlossener
Schirm besitzt zwar eine mit der Frequenz stetig zunehmende Schirmdämpfung. Praktisch
lassen sich aber Schirme ganz ohne Fugen und Löcher nicht herstellen, da der Schirm
bei Leitungen an Gehäuse angeschlossen, bei Schirmkästen geöffnet werden muß oder
Lüftungslöcher, Durchführungen von Wellen u. dgl. nötig sind. Alle Schirme mit selbst
ganz engen Fugen oder nur kleinen Löchern besitzen aber einen Kopplungswiderstand,
der wenigstens von einigen MHz an ähnlich einem induktiven Widerstand mit der Frequenz
stetig ansteigt. Bei
ganz kurzen Wellen wird deshalb die Einfach-Schirmung
oft unbefriedigend. Die doppelte Schirmung kann hier Besserung bringen, verliert
aber praktisch dadurch viel an Wert, daß heute noch Unklarheit besteht, ob die beiden
Schirme zweckmäßig an einer oder mehreren Stellen metallisch miteinander verbunden
werden. Die grundsätzlich richtige Maßnahme in dieser Beziehung zu treffen und den
Nutzen doppelter Schirmung voll auszuschöpfen, ist der Gegenstand vorliegender Erfindung.
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In einem linearen, passiven (verstärkerlosen) Vierpol ist die Schirmdämpfung
unabhängig von der Energierichtung, also gleich groß, wenn die Störungen von außen
nach innen (Fall der Schirmung empfindlicher Stromkreise, z. B. Empfänger) eindringen
und wenn sie, wie im Fall eines geschirmten Störers oder Senders, von innen nach
außen dringen. Es erscheint daher ausreichend, die Betrachtungen auf einen der zwei
Fälle zu erstrecken, z. B. dem, daß die Störungen von außen in den geschirmten Raum
einzudringen suchen.
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Fließt auf einem Schirm ein Störstrom, so entsteht im Innern des Schirms
eine Störfeldstärke, die gleich ist dem Produkt aus Störstrom und Kopplungswiderstand
des Schirms. Bringt man nun innerhalb des Schirms einen zweiten Schirm an, so treibt
die EMK oder Feldstärke auf der Innenseite des ersten Schirms einen Störstrom über
den zweiten Schirm, der mit dem Kopplungswiderstand dieses Schirms multipliziert
die Feldstärke im Innern des Doppelschirms ergibt. Um eine große Schirmdämpfung
zu erhalten, sollen die Kopplungswiderstände der Einzelschirme klein sein. Wegen
der unvermeidlichen Fugen an Deckeln und Löcher an Wellendurchführungen u.dgl. kann
jedoch unabhängig von der Schirmstärke der Kopplungswiderstand praktisch nicht beliebig
gesenkt werden, und er steigt erfahrungsgemäß nach hohen Frequenzen zu immer wieder
an. Nun ist es aber möglich, bei gegebener EMK im Innern des ersten Schirms den
Störstrom auf dem zweiten Schirm dadurch klein zu halten, daß man den Scheinwiderstand
des Zwischenkreises, den der äußere und innere Schirm zusammen bildet, groß macht.
Die Besonderheiten dieses Zwischenkreises seien etwas näher untersucht. Stellen
wir uns zu diesem Zweck das System als koaxiale Leitung vor, wobei der Innenschirm
dem Innenleiter, der Außenschirm dem Außenleiter entspricht. Bei doppelt geschirmten
Leitungen, z. B. den Schirmen von Zündleitungen oder beim Breitbandkabel reit Sickenrückleiter
und isoliert darüber angeordnetem Bleimantel, entspricht diese Betrachtung den tatsächlichen
Verhältnissen. Aber auch- bei Geräteschirmen, z. B. den Schirmen von Breitbandverstärkern,
oder bei doppelwandigen Schirmkäfigen und ähnlichen Anordnungen ist diese Verstellung
näherungsweise anwendbar. Das System ist dann zwar keine homogene Leitung, sondern
setzt sich aus Einzelleitungen oft sehr verschiedenen Wellenwiderstandes: zusammen.
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Ein großer Schein- bzw. Wellenwiderstand des Zwischenkreises kann
erzielt werden, wenn man die Induktivität der Leitung groß, die Kapazität klein
hält. Dieses Bestreben würde dazu führen, das Durchmesserverhältnis beider Schirme
bzw. ihren gegenseitigen Abstand groß zu machen oder den Zwischenraum teilweise
oder ganz mit ferromagnetischen Stoffen zu füllen. Beide Maßnahmen sind sehr wirksam;
sie stehen aber dem Wunsch nach kleinem Raumbedarf und geringem Gewicht entgegen.
Praktisch kann nun aber durch doppelte Schirmung selbst mit sehr kleinem Abstand
beider Schirme noch sehr viel gewonnen werden. Denn wenn auch der Wellenwiderstand
des Zwischensystems nur wenige Ohm beträgt, so bleibt er doch ein Vielfaches des
Kopplungswiderstandes eines Schirms (Größenordnung mOhm/m bis ßOhm/m) und die Spannungsteilung,
die der innere Schirm bewirkt und die gleich ist dem Verhältnis von Scheinwiderstand
des Zwischenkreises zu Kopplungswiderstand des Innenschirms, ist noch sehr groß.
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Es ist bekannt, daß der Eingangswiderstand R1 einer am Ende offenen,
verlustfreien Leitung von der elektrischen Länge
l mit zunehmender Frequenz
f folgende Werte durchläuft:
Bei am Ende kurzgeschlossener Leitung wird für
| f=o oo % = tgy 1= tga 1=o |
| 41 |
| 21 =o USW. |
Die Null- und Unendlichkeitsstellen werden bei der verlustbehafteten Leitung in
Minima und Maxima des Eingangsscheinwiderstandes gemildert; jedoch sind wegen der
meist sehr großen Oberfläche der Schirme die Verlustwiderstände des Zwischenkreises
doch recht klein. Es treten darum immerhin stark ausgeprägte Resonanzen im Zwischenkreis
auf, die beachtet werden müssen. Sind z. B. die beiden Schirme nur an einer Stelle
miteinander verbunden, so handelt es sich, von dieser Verbindungsstelle aus betrachtet,
um eine am Ende offene Leitung. Bei tiefen Frequenzen Z, > 41 ist der Widerstand
des Zwischenkreises deshalb sehr groß, und der innere Schirm führt fast keinen Störstrom.
Die Schirmwirkung des Doppelschirms ist in diesem Fall also sehr groß, und mit Recht
wurde darum, z. B. bei Abschirmkäfigen, die Verbindung beider Schirme nur an einer
Stelle vorgenommen, solänge man nur bis zu Frequenzen Messungen ausführte, für die
die Bedingung A, > 41 erfüllt war. Geht man jedoch zu höheren Frequenzen über, so
bleibt die Schirmlänge 1 nicht mehr elektrisch kurz, und in der Nähe der Frequenzen,
für die
1 ,-,9 214; 3/4 @ usw. wird, ist der Widerstand des Zwischenkreises
klein. Es treten deshalb, von der EMK auf der Innenseite des Außenschirms getrieben,
unter Umständen große Störströme auf dem Innenschirm auf. Die Wirksamkeit des Innenschirms
kann dadurch hinfällig werden. Es ist sogar möglich, daß die Feldstärke im Innern
des Innenschirms größer wird als die ursprünglich im Innern des Außenschirms vorhandene
Feldstärke, da der Kopplungswiderstand eines nicht fugenlosen Schirms induktiv ist
und darum größer werden kann als der Scheinwiderstand des Zwischenkreises, der bei
Leitungsresonanz
nur durch den mit 1, f zunehmenden Verlustwiderstand begrenzt wird. In diesem wenn
auch seltener auftretenden Fall könnte also der Doppelschirm geringere Schirmwirkung
besitzen als der einfache Außenschirm.
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Es wurde bei der Betrachtung angenommen, daß die Stör-EMK im Außenschirm
dicht an der Verbindungsstelle beider Schirme sitzt. Praktisch wird das oft der
Fall sein, da an der Verbindungsstelle sich der Eingang des Gerätes befindet, also
die lückenlose Schirmung dort gestört ist. Liegt die Stör-EMK an beliebiger Stelle
zwischen offenem und kurzgeschlossenem Ende beider Schirme, so befindet sie sich
zwischen zwei Leitungen, von denen die eine am Ende offen, die andere kurzgeschlossen
ist. Der größte Störstrom entsteht dann bei einer Frequenz, für die die Widerstände
der offenen und kurzgeschlossenen Leitung konjugiert komplex zueinander werden.
Dies tritt ein, wenn tg a l' = ctg a (1-l') wird, wobei
l die elektrische Länge des Schirms und l' der Abstand der Stör-EMK von der
Kurzschlußstelle sei. Vorstehende Bedingung ist wieder erfüllt, wenn ctg
a L = o wird, also für L = A/4; 3/4 A. usw. Infolge der Leitungsverluste
wird die Resonanz allerdings verflacht, und zwar um so mehr, je weiter die Quelle
der Stör-EMK sich vom Kurzschlußpunkt der Schirme entfernt und dem offenen Ende
nähert.
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Verbindet man die Schirme an zwei Stellen, z. B. am Ein- und Ausgang
des Geräts miteinander, so tritt die Resonanz mit großem Störstrom auf dem Innenschirm
ein, wenn tg a l' = - tg a (1-L') oder tg a1 = o wird. Im Fall zweier
Verbindungsstellen kann also die doppelte Schirmung unwirksam werden, wenn die elektrische
Länge des Zwischenkreises L = A/2; A, usw. wird. Auch in diesem Fall liefert die
Stör-EMK am Außenschirm die größte Leistung in den Innenschirm, wenn ihr Abstand
von einem Verbindungspunkt L' = o oder A/2; 2,; 3/2 A, ... wird und die kleinste
Leistung, wenn L' = 44; 3/4 A. ... ist. Es ist noch zu bedenken, daß auf
dem Innenschirm in all diesen Resonanzfällen stehende Wellen sich ausbilden und
daß der Innenschirm immer dann wenig wirksam wird, wenn seine schwachen Stellen
(Fugen, Löcher) in die Nähe eines Strombauchs und nicht gerade in den Stromknoten
fallen. Innen- und Außenschirm werden dadurch gleichberechtigt, denn auch für letzteren
ist die Lage schwacher Schirmstellen, an denen sich eine Stör-EMK ausbilden kann,
von gleichem Einfluß.
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Aus den Betrachtungen ergibt sich, daß ein Doppelschirm, insbesondere
wenn er an einem Punkt eine Querverbindung für beide Schirme besitzt, wirksam ist,
solange die Schirmausdehnung elektrisch kurz ist im Vergleich zur Viertelwellenlänge.
Für höhere Frequenzen ist jedoch damit zu rechnen, daß der Schirm in periodischer
Wiederkehr geringe Schirmdämpfungen aufweist, die zur Aufnahme von Störungen, im
Gerät zu Rückkopplungen, Beeinflussung des Frequenzganges und ähnlichen unwillkommenen
Erscheinungen führen.
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Bei einer Abschirmungsanordnung aus zwei oder mehreren ineinandergeschachtelten
Schirmen, vorzugsweise mit geringem Abstand der einzelnen Schirme, bei der die Schirmausdehnung
im Vergleich zur Viertelwellenlänge elektrisch lang ist, insbesondere für ultra.-kurze
Wellen, werden daher gemäß der Erfindung die Resonanzen des aus innerem und äußerem
Schirm bzw. aus benachbarten Schirmen bestehenden Kreises in dem ausgenutzten Wellengebiet
durch Dämpfung bzw. wellenwiderstandsrichtigen Abschluß des Kreises und/ oder durch
Unterteilung des Kreises in einzelne möglichst geschlossene Räume vermieden, die
kurz sind im Vergleich zu A/2. Die Resonanzen in dem durch die Schirme gebildeten
Zwischenkreis, die andernfalls bei Schirmen mit nur einer Querverbindung auftreten
würden, wenn die Schirmlänge gleich oder größer als eine Viertelwellenlänge ist,
und bei Schirmen mit zwei oder mehr Verbindungen auftreten würden, wenn die Schirmausdehnung
gleich oder größer ist als eine halbe Wellenlänge, werden durch die Maßnahme der
Erfindung also vermieden, so daß die als vorteilhaft erkannte mehrfache Abschirmung
auch dann, wenn die Schirmausdehnung elektrisch länger als die Viertelwellenlänge
ist, mit Vorteil verwendet werden kann.
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Um die Leitungsdämpfung in dem durch die Schirme gebildeten Zwischenkreis
groß zu machen, kann beispielsweise in dem Zwischenraum beider Schirme ein stark
verlustbehaftetes Dielektrikum angeordnet sein, oder es kann ein halbleitender Stoff
zwischen den Schirmen angeordnet sein, der große Ableitungsverluste bedingt. Eine
Ableitungsdämpfung erreicht man in gleicher Weise auch dadurch, daß man in Abständen,
die klein im Vergleich zu A,/2 sind, geeignet bemessene Widerstände zwischen die
Schirme schaltet. Es kann zur Vermeidung von Resonanzen im Zwischenkreis auch eine
Widerstandsdämpfung vorgenommen werden, dadurch, daß der Zwischenraum ganz oder
teilweise mit ferromagnetischem Stoff großen- Verlustwinkels ausgefüllt wird, beispielsweise
mit Eisenblechen. Es ist weiterhin möglich, zur Widerstandsdämpfung auf der Oberfläche
der Schirme im Zwischenraum schlecht leitende Metalle, insbesondere Eisen, z. B.
durch Aufspritzen, aufzubringen oder auch diese Oberfläche zu bekohlen bzw. mit
halbleitendem Lack zu bespritzen. Ebenso kann auch die Oberfläche oxydiert werden.
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Ein weiteres Mittel zur Unterdrückung von Resonanzen ist der widerstandsrichtige
Abschluß des aus den Schirmen gebildeten Zwischenkreises. Er wird insbesondere dadurch
erreicht, daß der Abschlußwiderstand an die Querverbindung bzw. die Querverbindungen
der Schirme induktiv angekoppelt ist. Man kann hierzu beispielsweise einen magnetischen
Kern verwenden, dessen Oberfläche eine für den erforderlichen Widerstandswert von
z. B. wenigen Ohm bemessene Widerstandsschicht, z. B. eine Kohleschicht, trägt und
diesen Kern um die Querverbindung der Schirme herum anordnen. Für sehr hohe Frequenzen
kann auch ein unmagnetischer Ringkern mit z. B. bekohlter Oberfläche Verwendung
finden. Es ist ebenfalls möglich, in geringem Abstand von der Querverbindung, z.
B. auf einer die beiden Schirme verbindenden Abschlußplatte, eine Widerstandsschicht
anzuordnen oder ein oder mehrere Stabwiderstände einzubauen.
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Bei der Unterteilung des Zwischenraumes durch Querwände, die ihn in
einzelne möglichst geschlossene Räume zerlegen, deren elektrische Länge klein gegen
A/2
ist, kann man die doppelte Schirmling unter Umständen an den Stellen einsparen,
an denen auch der Einfachschirm lückenlos durchgeführt werden kann. An diesen Stellen
kann also gegebenenfalls einer der Schirme weggelassen werden.