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Dielektrische Leitung zur Ubertragung elektromagnetischer Wellen,
insbesondere dielektrisches Rohrkabel Zur Übertragung elektromagnetischer Wellen
in dielektrischen Leitungen, insbesondere dielektrischen Rohrkabeln, ist bekanntlich
die magnetische Welle erster Ordnung, kurz als H, Welle bezeichnet, besonders geeignet.
Die Hli Welle weist von allen Wellenarten die niedrigste Grenzfrequenz auf und kann
durch radial zur Leitungsachse angeordnete stabförmige Dipole, d. h. durch einfach
ausgebildete Ein- und Auskopplungsanordnungen (Sende- und Empfangsantennen) ein-
und ausgekoppelt bzw. erzeugt und empfangen werden. Die H,1 -Welle hat aber den
Nachteil, daB sie eine bevorzugte Polarisationsebene aufweist, die infolge der im
allgemeinen nicht vermeidbaren Krümmungen oder anderer Inhomogenitäten der dielektrischen
Leitung aus der vorgeschriebenen Lage gedreht werden kann. Die Gefahr einer störenden
Drehung der Polarisationsebene bei der Übertragung der eben polarisierten Hli Welle
ist besonders groß, wenn die dielektrischen Leitungen bzw. Kabel während des Betriebes
gebogen werden. Um bei der Übertragung der polarisierten Hl,- Welle den Empfang
bzw. die Auskopplung der gesamten Energie, d. h. den höchsten Wirkungsgrad zu gewährleisten,
müssen die Ein- und Auskopplungsanordnungen richtig zueinander orientiert sein.
Es ist einleuchtend, daß die richtige Einstellung dieser Organe durch etwaige Drehungen
der Polarisationsebene erschwert wird.
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Diese Nachteile der eben polarisierten HU-Welle bei der Übertragung
in dielektrischen Leitungen, insbesondere in dielektrischen Rohrkabeln, werden erfindungsgemäß
dadurch vermieden, daß zur Übertragung zirkular polarisierte Wellen, vorzugsweise
polarisierte H, Wellen, dienen.
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Mit besonderem Vorteil sind die zirkular polarisierten Wellen zur
Übertragung in dielektrischen Rohrkabeln anwendbar, bei denen der über dem festen,
flüssigen
oder gasförmigen Dielektrikum liegende leitende Mantel zur Erzielung der erforderlichen
Biegsamkeit schraubenförmig verlaufende Schlitze bzw. Fugen aufweist, z. B. aus
schraubenförmig angeordneten Drähten oder Bändern besteht. Bei derartigen dielektrischen
Rohrkabeln erhalten der weiteren Erfindung gemäß die Schlitze bzw. Fugen einen solchen
Verlauf, daß der von der zirkular polarisierten Welle erzeugte elektrische Leitungsstrom
im leitenden Mantel parallel zu ihnen verläuft. Dabei wird für die Übertragung ein
Dämpfungsminimum erhalten, eine Dämpfung nämlich gleich der eines fugenlosen geschlossenen
Rohres gleichen Durchmessers.
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Im Rahmen der Erfindung soll in erster Linie die zirkular polarisierte
H11 Welle angewendet werden, da sie unter Ausschaltung der sich durch die ebene
Polarisation ergebenden Nachteile alle übertragungstechnischen Vorteile der bekannten
eben polarisierten H11 Welle, wie kleine Grenzfrequenz und kleine Dämpfung sowie
einfache Erzeugung und einfacher Empfang, besitzt. Im folgenden wird die zirkular
polarisierte HU-Welle an Hand von Gleichungen und durch figürliche Darstellung näher
erläutert. Anschließend werden mehrere Möglichkeiten zur Erzeugung. bzw. Erregung
und zum Empfang dieser neuen Wellenart angegeben.
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Nach der Fig. 1 geben y, cp und z in bekannter Weise die-Richtungen
der Koordinaten an. Das dielektrische Feld (@ und das magnetische Feld .5 der zirkular
polarisierten H11 Welle können dann durch die folgenden Gleichungen beschrieben
werden:
In diesen Gleichungen ist
| j1 (ky) = Besselfunktion 1. Ordnung vom Argument
ky |
| k = Eigenwert, der sich aus k R = w ergibt, wobei |
| w = 1,84 (Nullstelle der Ableitung j; von j1) |
= Feldwellenwiderstand ,u, = Permeabilität im Dielektrikum 8o = Dielektrizitätskonstante
im Dielektrikum v =
Wellenlänge
_
= Grenzwellenlänge D = 2 R = Durchmesser des Dielektrikums. Aus den beiden letzten
Gleichungen (2) erkennt man, daß für y = R die Richtung des Magnetfeldes unabhängig
vom Ort der Oberfläche und von der Zeit t ist.
Da bei dielektrischen Rohrkabeln mit leitendem Mantel bzw. Rohr über dem Dielektrikum
der Strom in der Oberfläche des Mantels überall senkrecht auf dem Magnetfeld steht,
so ist bei gegebener Wellenlänge auch die Stromrichtung in allen Punkten des Rohres
die gleiche
Damit nun erfindungsgemäß bei dielektrischen Rohrkabeln mit im Rohr vorgesehenen
schraubenförmig verlaufenden Schlitzen der Strom stets parallel zu den Schlitzen
verläuft, muß sich der innere Rohrumfang u
= 2 nR zur Schlaglänge
l wie jga zu 1z verhalten, d. h. es ist
worin
die Wellenlänge im dielektrischen Kabel ist.
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Die Fig. 2 zeigt als Ausführungsbeispiel für die Übertragung der zirkular
polarisierten Hll-Welle ein dielektrisches Kabel in Form eines Hohlrohres aus einem
schraubenförrnig gewickelten leitenden Band. Wird der Durchmesser des Hohlrohres
gleich o,76 x gewählt, so daß die Grenzwellenlänge A. D = 1,71 D und die Wellenlänge
d im Rohr= 2,o8 D ist, so ergibt sich für das Dämpfungsminimum ein Steigungswinkel
Y = 2¢°. Die offene Bandwicklung hat dabei eine Bandbreite b= 1, 28D und
eine Schlaglänge l= 1, q.o D.
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Anstatt das Rohr aus einem einzigen Band zu wikkein, kann es zur Vergrößerung
der Biegsamkeit auch aus mehreren Bändern hergestellt werden. Nach der Fig.3 besteht
das Rohr aus drei nebeneinanderliegenden Bändern 11, 12,'13, die mit einem derartigen
Steigungswinkel zum Rohr gewickelt sind, daß sich für die zirkular polarisierte
Hll Welle ein Dämpfungsminimum ergibt. Falls das Rohr oder die Bänder zum Hohlrohr
mit Überlappung gewickelt werden, ist es zweckmäßig, Bänder mit Z-förmigem Querschnitt
zu verwenden, wie es beispielsweise die Fig. q. zeigt, wonach das Rohr aus einem
einzigen Band mit Z-förmigem Querschnitt besteht. Daneben sind im Rahmen der Erfindung
auch andere Hohlleiteraufbauten verwendbar, z. B. die an sich bekannten Hohlrohre
in Form einer Verseillage von Drähten oder Bändern. . Derartige hohlseilartig aufgebaute
Hohlrohre können in bekannter Weise durch Verwendung von Profildrähten selbsttragend
ausgebildet sein.
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Nähere Überlegungen im Rahmen der Erfindung zeigen, daß es möglich
ist, die zirkular polarisierte H11 Welle aus zwei eben polarisierten, aber um 9o°
gegeneinander phasenverschobenen Wellen zu erzeugen.
Nach der Fig.
5 sind im dielektrischen Hohlohr 14. zwei im Abstand von d/2 senkrecht zueinander
stehende stabförmige Antennen 15 und 16 angeordnet, die eine eben polarisierte H,1
Welle erzeugen und deren Zuführungen 15' und 16' so bemessen sind, daß sich zwischen
den beiden eben polarisierten H11 Wellen eine Phasendifferenz von go° ergibt. Das
Ende des dielektrischen Hohlrohres ist in bekannter Weise durch die Kurzschlußscheibe
17 abgeschlossen, um maximale Sende- bzw. Empfangsintensitäten zu erhalten. Der
gegenseitige Abstand der Antennen 15 und 16 kann auch ein Vielfaches von d/2 betragen.
Eine andere noch elegantere Methode zur Erzeugung der zirkular polarisierten H11
Welle zeigen die Fig. 6 und 7. Hiernach kann man sich die eben polarisierte H,1
Welle aus zwei senkrecht zueinander stehenden, in gleicher Phase befindlichen Wellen
zusammengesetzt vorstellen, .wie dies schaubildlich in der Fig. 6 dargestellt ist.
In der Fig. 6 deutet das linke Feldbild u das elektrische Feld der eben polarisierten
H11 Welle an. Das Feld a kann man sich zusammengesetzt denken aus den beiden Feldern
b und c, die gleichphasig schwingen und räumlich senkrecht zueinander stehen, wie
dies ohne weiteres aus der Fig. 6 hervorgeht. Um nun aus der eben polarisierten
H,1 Welle die zirkular polarisierte H11 Welle zu entwickeln, werden erfindungsgemäß
den zwei senkrecht zueinander stehenden, ursprünglich gleichphasig schwingenden
Feldern b und c durch Änderung des Phasenmaßes der Leitung in wenigstens einer der
Polarisationsrichtungen eine gegenseitige Phasendifferenz von go° aufgezwungen.
Hierzu dienen z. B. gemäß der Fig. 7 die diametral angeordneten Leitorgane 18. In
Übereinstimmung mit der Fig. 6 deuten die links von den Leitorganen 18 eingezeichneten
Feldbilder die Zusammensetzung des Feldes a der eben polarisierten HL-Welle aus
den Feldern b und c an. Die Leitorgane 18 haben die Eigenschaft, die Welle b nicht
zu beeinflussen, dagegen wirken sie für das Feld c verzerrend, so daß für das Feld
c eine Stoßstelle entsteht, die die Phase und den Wellenwiderstand dieser Welle
verändert. Man kann die Leitorgane so bemessen, daß sie den Wellenwiderstand unverändert
lassen, jedoch die Phase um go° drehen. Dadurch verschiebt sich die Phase der Welle
c um go°, die sich dann hinter den Leitorganen 18 mit der Welle b überlagert und,
wie die rechts von den Leitorganen 18 eingezeichneten Feldbilder andeuten, eine
zirkular polarisierte Hl,-Welle liefert.
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Zur Umwandlung der eben polarisierten H11 Welle in eine zirkular polarisierte
H,1 Welle können gemäß den Fig. 8 bis ii auch dünne leitende Stifte dienen. Nach
den Fig. 8 und g, die die Anordnung im Querschnitt und Längsschnitt zeigen, sind
zwei diametral gegenüberliegende Reihen von Stiften ig vorgesehen. Ihre Wirkungsweise
ist die gleiche wie die der Leitbleche 18 in der Fig. 7. Es genügt aber auch schon
die Anordnung von zwei Stiften 2o gemäß den Fig. io und ii. Bei richtiger Wahl des
Abstandes x der beiden Stifte 2o kann die Phasendrehung ohne Beeinflussung des Wellenwiderstandes
für eine Frequenz vorgenommen werden, was in vielen Fällen genügt. Soll die Phasendrehung
für einen breiteren Frequenzbereich wirksam sein, so wird zweckmäßig ein weiterer
Stift 21 vorgesehen. Bei allen diesen Anordnungen ist es vorteilhaft, die Eindringtiefe
der Leitorgane in das Dielektrikum einstellbar zu machen, indem man beispielsweise
die dünnen Stifte ig, 2o, 21 mit einem Schraubgewinde versieht und diese in der
Wandung des Hohlrohres schraubbar anordnet. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß
den Fig. 8 bis ii ist nur die innere dünne Schicht 22 des Hohlrohres als gut leitende
Schicht ausgebildet.
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Um festzustellen, daß in der erfindungsgemäß vorgesehenen Weise die
H,1 -Welle zirkular polarisiert worden ist, kann beispielsweise eine Vorrichtung
gemäß der Fig. 12 dienen. Diese Vorrichtung besteht im Prinzip aus einem in das
dielektrische Hohlrohr 23 eingefügten drehbaren Ring 24 mit der radial angeordneten
Meßsonde 25. Durch Drehung des Ringes 24 kann die Spannung längs des Umfanges abgegriffen
werden. Ist diese Spannung längs des Umfanges konstant, so ist die im Hohlrohr auftretende
H1,-Welle eine zirkular polarisierte Welle.
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In übertragungstechnischer Hinsicht ist es ein besonderer Vorteil
der Erfindung, daß die Ein- und Auskopplungsanordnungen bzw. die Sende- und Empfangsantennen
beliebig zueinander stehen können; es wird immer die gesamte am Ende des Kabels
ankommende Energie ausgekoppelt bzw. empfangen. Durch Drehung der Ein- und Auskopplungsanordnung
um die Kabelachse kann aber auch jede beliebige Phase der übertragenen Welle eingestellt
werden. Bei einer Umdrehung ändert sich die Phase zwischen o und 2z. Diese Möglichkeit
der Phasendrehung kann vorteilhaft zur Änderung der elektrischen Länge des Kabels
ausgenutzt werden, die bei eben polarisierter Welle bestimmt ist durch die Anzahl
der im Resonanzfall (Leerlauf- oder Kurzschlußzustand) auf der Kabellänge auftretenden
Wellen bzw. Viertelwellen. Die Einstellung einer richtigen Phase bzw. einer bestimmten
elektrischen Länge ist unter anderem wichtig in der Meßtechnik oder bei der Aussteuerung
mehrerer Antennen zwecks Erzielung einer bestimmten Richtcharakteristik.
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Die zirkulare Polarisierung der Wellen kann sowohl in der einen als
auch in der anderen Richtung erfolgen, so daß links- und rechtsdrehende Wellen erzeugt
werden, um zu gleicher Zeit im gleichen Kabel zwei voneinander unabhängige Übertragungskanäle
gleicher Frequenz zu schaffen, indem man für den einen Übertragungskanal, z. B,
für die eine Übertragungsrichtung, eine linksdrehende Welle und für den zweiten
Übertragungskanal, z. B. für die andere Übertragungsrichtung, eine rechtsdrehende
Welle vorsieht. Mit Hilfe der in der Fig. 7 gezeigten Blende 18 kann die links-
und rechtsdrehende Welle in zwei eben polarisierte Wellen aufgespalten werden, die
wieder senkrecht zueinander stehen. Die Ein- und Auskopplung für die zwei voneinander
unabhängigen Kanäle ist also genau so einfach wie bei der Übertragung von eben polarisierten
Wellen. Bei der gleichzeitigen Übertragung einer links- und rechtsdrehenden Welle
empfiehlt sich die Verwendung von solchen dielektrischen Rohrkabeln, bei denen der
leitende Mantel für die Leitungsströme beider Wellen einen kleinen
Widerstand
aufweist. Beispielsweise kommen geschlossene gut leitende Rohre oder auch Geflechtschläuche
aus gutleitenden Drähten oder Bändern in Frage, deren Steigung dem Stromverlauf
angepaßt ist.
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Im Sinne der Erfindung lassen sich auch aus Wellen höherer Ordnung,
z. B. aus der H12 , H21-, H31-Welle usw., Drehfelder herstellen, die ebenfalls in
einer oder mehreren Ebenen polarisiert sind. Auch diesen polarisierten Wellen höherer
Ordnung werden die im leitenden Mantel des Kabels vorgesehenen Fugen oder Schlitze
so angepaßt, daß sich für die Leitungsströme ein minimaler Widerstand und damit
eine kleine Dämpfung ergibt.