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Hochfrequenzdoppelleitung mit veränderbarem Dielektrikum Es ist bereits
bekannt, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen auf einer
Hochfrequenzdoppelleitung dadurch gegenüber der Lichtgeschwindigkeit verringert
werden kann, daß man in das elektrische Feld der Leitung ein Dielektrikum einführt,
dessen Dielektrizitätskonstante größer als Z ist. Mit abnehmender Fortpflanzungsgeschwindigkeit
verringert sich die Wellenlänge der Schwingung auf der Leitung, während sich die
elektrische Länge entsprechend erhöht.
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Es ist nun häufig erwünscht, die Fortpflanzungsgeschwindigkeit während
des Betriebes entweder sprunghaft zwischen zwei Werten oder stetig in einem Bereich
zu ändern. Hierbei tritt jedoch der Nachteil auf, daß bei der Einführung des Dielektrikums
gleichzeitig der Wellenwiderstand geändert wird,. wodurch die Anpassungsverhältnisse
verschlechtert werden und unerwünschte Reflexionen auftreten.
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Die Erfindung sieht Mittel vor, durch welche die bei der Änderung
der Fortschreitungsgeschwindigkeit gleichzeitig auftretende Änderung des Wellenwiderstandes
der Leitung ganz oder teilweise ausgeglichen wird, und zwar soll zu diesem Zweck
gleichzeitig mit der Vergrößerung der wirksamen Dielektrizitätskonstante auch der
Abstand der beiden Leiter der Doppelleitung in passender Weise vergrößert werden.
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Die grundsätzliche Wirkungsweise der Erfindung ergibt sich aus folgendem:
Der Wellenwiderstand einer Doppelleitung ist gegeben durch den Ausdruck
wobei L die Selbstinduktion und C die Kapazität je Längeneinheit darstellt. Durch
Einführung
eines Dielektrikums in das elektrische Feld wird bei
gleichbleibendem Leiterabstand die Kapazität vergrößert und dadurch der Wellenwiderstand
Z verkleinert. Wird erfindungsgemäß gleichzeitig der Leiterabstand vergrößert, so
wird einerseits die Vergrößerung des C teilweise rückgängig gemacht und gleichzeitig
die Selbstinduktion L vergrößert. Hierdurch läßt sich erreichen, daß der Wellenwiderstand
Z konstant bleibt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in Abb. ra und
zb dargestellt. Die beiden im Querschnitt dargestellten Zylinderleiter L1 und L2
bilden eine symmetrische Zweidrahtleitung. Längs des Leitungsstückes, auf dem die
Fortpflanzungsgeschwindigkeit beeinflußt werden soll, ist ein prismatischer Körper
K aus Dielektrikum mit dreieckigem Querschnitt angeordnet, der zwischen die beiden
Leiter eingeschoben werden kann und dabei, wie Abb. z b zeigt, den Leiter L2, z.
B. gegen eine Federkraft, nach rechts drückt, also den Leiterabstand vergrößert.
Hierdurch läßt sich eine stetige Verringerung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit
bei gleichbleibendem Wellenwiderstand erzielen.
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Der Wellenwiderstand bleibt dann genau konstant, wenn zu jedem Leiterabstand
eine ganz bestimmte wirksame Dielektrizitätskonstante e", gehört, d. h. bei gegebener
Dielektrizitätskonstante s des Körpers K ein ganz bestimmtes Aufteilungsverhältnis
des Leiterabstandes in einen vom Isolierkörper und einen von Luft eingenommenen
Teil. Für eine Zweidrahtleitung gilt angenähert die Gleichung
wobei a der Leiterabstand und d der Durchmesser jedes der beiden Leiter ist. Hieraus
ergibt sich als Beziehung zwischen der wirksamen Dielektrizitätskonstante a", und
dem Abstand a
die wirksame Dielektrizitätskonstante a", läßt sich in grober Annäherung (strenger
gültig nur für bandförmige Doppelleitungen aus der Dielektrizitätskonstanten des
Körpers K und den von der Luft bzw. vom Körper eingenommenen Anteilen a1 bzw. a2
des Gesamtabstandes a) berechnen nach der Gleichung
Hierdurch ist das Aufteilungsverhältnis a,: a2 in Abhängigkeit vom Gesamtabstand
a = a1 -E- a2 gegeben. Allgemein kann man noch sagen, daß bei einer Vergrößerung
von a die Breite des Luftspaltes a1 stets kleiner werden muß, da bei einer Vergrößerung
des Leiterabstandes C tatsächlich etwas größer werden muß; um die gleichzeitige
Vergrößerung von L zu kompensieren.
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Um den Wellenwiderstand.Z konstant zu halten, ist also eine bestimmte
Beziehung zwischen dem Leiterabstand und der wirksamen Dielektrizitätskonstanten
bzw. dem oben definierten Aufstellungsverhältnis in Luft und Dielektrikum längs
des ganzen Hubweges des Körpers K erforderlich. Jedoch hat man durchaus die Freiheit,
den Leiterabstand und das Aufteilungsverhältnis auf dem Hubweg beliebig zu verteilen,
d. h. man kann in weiten Bereichen nach einem beliebigen Gesetz verlaufende sprunghafte
oder stetige Änderung der Fortschreitungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der
jeweiligen Stellung des ,Körpers K erhalten. Man kann beispielsweise die Änderung
allmählicher, sinusförmig oder auch sprunghaft erfolgen lassen.
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Es ist nicht unbedingt notwendig, den Abstand der beiden Leiter L1,
L2 wirklich zu ändern. Vielmehr kann man den wirksamen Abstand der beiden Leiter
auch durch ein eingeschobenes Metallstück ändern, ohne daß eine Beeinflussung der
Fortschreitungsgeschwindigkeit stattfindet. Eine derartige Anordnung zeigen die
Abb. 2a und 2b. Der zwischen den Leitern verschiebbare prismische Körper K ist hier
aus einer Metallplatte M und einer etwas dickeren Platte D aus Dielektrikum, z.
B. Keramik, zusammengesetzt. In der Stellung nach Abb. 2 a, bei der sich das Metall
zwischen den Leitern befindet, ist der wirksame Abstand gegenüber dem natürlichen
Leiterabstand um die Dicke der Platte M verringert. In der. Stellung nach Abb. 2b
ist diese Verringerung des Abstandes durch die Metallplatte nicht mehr wirksam.
Der Wellenwiderstand Z würde an sich größer werden, was aber durch Einschiebung
der Keramikplatte D wieder ausgeglichen wird. Die Wellengeschwindigkeit ist im ersteren
Falle gleich der Lichtgeschwindigkeit c, im zweiten Falle gleich
Zwischen diesen beiden Werten wird die Fortpflanzungsgeschwindigkeit sprunghaft
geändert. Wünscht man diese sprunghafte Änderung periodisch vorzunehmen, so empfiehlt
sich eine Anordnung nach Abb. 3. Bei dieser wird eine Scheibe, die aus einer metallischen
HalbscheibeM' und einer aus Keramik bestehenden etwas dickeren Halbscheibe D' zusammengesetzt
ist, zwischen einer aus zwei Bändern L1', L2' bestehenden Doppelleitung gedreht.
Die Bandleitung ist längs des halben Umfanges der Scheibe entlang geführt und an
den Enden derart gekröpft, daß auf der ganzen Länge Sprünge des Wellenwiderstandes
vermieden werden.
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Wünscht man bei der Anordnung nach Abb.2b eine stetige Änderung der
Fortpflanzungsgeschwindigkeit zu erzielen, so empfiehlt sich eine Anordnung nach
Abb. q., bei der die beiden Platten M" und D" keilförmigen Querschnitt besitzen.
Eine entsprechende Anordnung läßt sich auch bei der Ausbildung als Drehscheibe entsprechend
Abb. 3 treffen.
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Abb. 5 a und 5 b zeigen eine Anordnung, bei welcher der eine Leiter
L2 in den Umfang eines angenähert zylindrischen Keramikkörpers K' eingelassen ist.
Dieser wird um eine parallel zur Leitung liegende exzentrische Achse A gedreht.
Die genaue Form des Körpers ist einerseits durch die notwendige Beziehung zwischen
Gesamtabstand der Leiter L1 und L2 und dem Aufteilungsverhältnis in einen Luftspalt
und einen Keramikspalt, andererseits durch die beliebig wählbare Abhängigkeit der
Fortpflanzungsgeschwindigkeit von dem Drehwinkel der Anordnung gegeben.
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Bei der koaxialen Leitung kann man die Anordnung gemäß Abb. 6 treffen.
Der Außenleiter L' ist auf der
Außenseite eines Keramikzylinders
E aufgebracht, der eine exzentrische zylindrische Bohrung besitzt. Im Innern dieser
Bohrung ist der Innenleiter L" um eine Achse A' drehbar, die exzentrisch in der
Bohrung liegt. In der mit ausgezogenen Linien dargestellten Stellung ist der Abstand
der Leiter L' und L" am größten und gleichzeitig das Verhältnis der
Keramikstrecke zur Luftstrecke, gemessen in der Richtung des kleinsten Leiterabstandes,
gleichfalls am größten. In der entgegengesetzten, gestrichelt dargestellten Stellung
ist der Leiterabstand am kleinsten und das Verhältnis von Keramikstrecke zur Luftstrecke
in Richtung dieses kleinsten Abstandes ebenfalls am kleinsten. Der Luftabstand ist
also größer, der Keramikabstand kleiner, im vorliegenden Falle also praktisch gleich
Null geworden. Zwischen den beiden Stellungen findet ein stetiger Übergang statt.
Die gleiche Stellung wird natürlich auch erzielt, wenn der Innenleiter L' mit dem
Keramikzylinder E um die exzentrische Achse A' gedreht wird.
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Es ist auch möglich, mittels eines einzigen, teilweise aus Metall
und teilweise aus Keramik bestehenden Körpers die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
auf zwei oder mehr Doppelleitungen gleichzeitig, und zwar z. B. gegensinnig oder
mit einer beliebigen Phasendifferenz zu beeinflussen. Eine derartige Anordnung zeigt
Abb. 7. In dieser sind zwei symmetrische Doppelleitungen dargestellt, die aus den
beiden Bändern B1 und B2 bestehen. Als gemeinsame geerdete Rückleitung dient ein
Metallzylinder B, der exzentrisch in einem Keramikzylinder E' eingesetzt ist. Der
Keramikzylinder wird um eine sowohl zu ihm wie auch zum Metallzylinder B exzentrisch
liegende Achse A" gedreht, die ihrerseits genau in der Mitte zwischen den Bandleitern
Bi und B2 liegt. Die Wirkungsweise ist ähnlich wie bei den bereits dargestellten
Ausführungsbeispielen. Bei einer Drehung des Zylinders E' ändern sich die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten
auf den beiden Doppelleitungen angenähert sinusförmig, und zwar mit einer Phasenverschiebung
von i8o°. Ist also die Fortpflanzungsgeschwindigkeit auf der Leitung Bi,
B groß, so ist sie auf der andern Leitung B2, B
klein und umgekehrt.
Würde man die beiden Bänder Bi und BZ um go° versetzt anordnen, so würde man eine
Phasenverschiebung von go° erhalten. In entsprechender Weise lassen sich noch weitere
Leitungen anordnen. Die ganze Anordnung kann gegebenenfalls durch einen Zylindermantel
nach außen hin abgeschirmt werden.
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Es ist auch möglich, die Fortpflanzungsgeschwindigkeit durch Beeinflussung
der Permeabilitätskonstanten zu beeinflussen. Zu diesem Zweck könnte ein Ferromagnetikum
zwischen die Leiter eingeschoben werden. Die Änderung des Wellenwiderstandes kann
dann erfindungsgemäß durch gleichzeitige Änderung des Leiterabstandes kompensiert
werden. An Stelle der Verschiebung eines Ferromagnetikums kann auch eine rein elektrische
Veränderung der wirksamen Permeabilitätskonstanten bei feststehendem Ferromagnetikum
durch Vormagnetisierung erfolgen. Hierbei muß natürlich die unter Umständen gleichzeitig
erfolgende Änderung durch die Abstandsänderung ausgeglichen werden. Es ist sogar
möglich, die Änderung der wirksamen Permeabilität bei konstantem Leiterabstand lediglich
durch gleichzeitige Änderung der wirksamen Dielektrizitätskonstanten auszugleichen,
da in diesem Falle der Wellenwiderstand proportional
die Fortpflanzungsgeschwindigkeit proportional ist (,u = Permeabilitätskonstante).
Schließlich ist
es möglich, eine L-Änderung durch Beeinflussung des Kineffektes zu erzielen, indem
etwa die beiden aus einem Ferromagnetikum bestehenden Leiter der Doppelleitung mehr
oder weniger stark vormagnetisiert werden. Dies kann benutzt werden, um ohne Veränderung
des Leiterabstandes die C-Veränderung, die bei Einschieben eines Dielektrikums entsteht,
hinsichtlich des Wellenwiderstandes auszugleichen.
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Der allgemeine Erfindungsgedanke besteht also darin, daß wenigstens
zwei der drei Größen, wirksame Dielektrizitätskonstante und wirksamer Leiterabstand,
derart gleichzeitig geändert werden, daß die Änderung des Wellenwiderstandes ganz
oder teilweise ausgeglichen wird und trotzdem eine Veränderung der Fortschreitungsgeschwindigkeit
erzielt wird.