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Einzelleiter-Anordnung zur Fortleitung kurzer und sehr kurzer elektromagnetischer
Wellen Die Erfindung betrifft eine Einzelleiter-Anordnung zur Fortleitung kurzer
und sehr kurzer elektromagnetischer Wellen, insbesondere von Meter- und Dezimeter-Wellen.
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Bei der Übertragung einer elektromagnetischen Welle über einen geeignet
ausgebildeten Leiter bildet sich um diesen herum ein elektromagnetisches Feld aus,
welches sich im wesentlichen innerhalb eines gedachten Zylinders vom Radius y.,
dem sogenannten Grenzradius, um den Leiter bündelt (Drahtwelle). In Entfernungen
von der Leiteranordnung, die größer als der Grenzradius r, sind, nimmt die Feldstärke
mit zunehmendem Abstand von der Leiteranordnung sehr stark ab. Der Grenzradius nimmt
jedoch mit zunehmender Wellenlänge zu, so daß sich das elektromagnetische Feld bei
längeren Wellen unzulässig weit ausdehnen würde. In diesem Fall wäre eine Parallelführung
von solchen Einzelleiter-Anordnungen nicht ohne weiteres möglich.
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Zur Fortleitung sehr kurzer elektrischer Wellen, insbesondere von
Zentimeter-Wellen, sind bereits Einzelleiter-Anordnungen bekannt, die aus einem
mit einem dielektrischen Überzug versehenen Metalldraht bestehen. Auch ist bereits
vorgeschlagen worden, eine Leiteranordnung zu verwenden, bei welcher der leitende
Teil schraubenlinienförmig längs der L eiteranordnung verläuft. Diese Einzelleiter-Anordnungen,
die auch als Drahtwellenleiter bezeichnet werden, sind aus den erwähnten Gründen
nur für sehr kurze Wellen mit Vorteil verwendbar. Die Erfindung beschäftigt sich
mit der Aufgabe, Einzelleiter-Anordnungen für die Fortleitung kurzer und sehr kurzer
elektromagnetischer
Wellen so auszubilden, daß sie mit Vorteil auch für längere Wellen als z. B. Dezimeter-Wellen
verwendet werden können, Gemäß der Erfindung besteht bei einer Einzelleiter-Anordnung,
bei welcher der Querschnitt wenigstens zwei voneinander unterschiedliche Schichten
aufweist, wenigstens eine Schicht aus für Hochfrequenz geeigneten ferromagnetischen
Stoffen oder aus Stoffen, die sowohl eine hohe Permeabihtät als auch eine hohe Dielektrizitätskonstante
besitzen, z. B. Ferrit.. Mit Vorteil können auch in ein Dielektrikum eingebettete
ferromagnetische oder ferritischeStoffe benutzt werden. Die andere Schicht oder
die anderen Schichten können beispielsweise aus schraubenlinienförmig aufgewickelten
Metallbändern, aus einer metallischen Hülse, aus Metall oder aus Isolierstoff bestehen,
wobei die innere Schicht insbesondere draht- oder rohrförmig ausgebildet ist.
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Die für Hochfrequenz geeigneten ferromagnetischen oder ferritischen
Stoffe, die bei entsprechender Materialwahl, Bearbeitung oder Zusammensetzung die
verschiedensten Eigenschaften aufweisen, z. B. eine hohe Permeabilität und "gegebenenfalls
eine hohe Dielektrizitätskonstante, wie es z. B. bei einer Sorte von Nickelzinkferriten
der Fall ist, können z. B. in flüssiger oder ähnlicher Form oder mit Hilfe anderer
Verfahren, z. B. durch Einbetten in geeignete dielektrische Stoffe, auf die Einzelleiter-Anordnung
aufgetragen oder entsprechend geformt, z. B. gepreßt, zum Aufbau der Leiteranordnung
verwendet werden. Diese Stoffe können z. B. in Form einer dünnen Ummantelung um
einen Draht oder in Form eines Kernes in einem Leiter angeordnet werden. Von den-Eigenschaften
dieser Stoffe und von der Ausbildung des Leiters hängen im wesentlichen die Leitungseigenschaften
der Einzelleiter-Anordnung nach der Erfindung ab. Für den Aufbau der Einzelleiter-Anordnung
werden insbesondere ferromagnetische Stoffe mit hoher Permeabilität verwendet, die
gegebenenfalls eine hohe Dielektrizitätskonstante besitzen. Solche Werkstoffe stehen
z. B. in den Ferriten, beispielsweise Manganzinkferrit oder Nickelzinkferrit, zur
Verfügung. Auch kann es zweckmäßig sein, Mischungen von Dielektricis hoher Dielektrizitätskonstante
mit ferromagnetischen Pulvern zu verwenden.
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Unter ferromagnetischen Stoffen werden hierbei solche Stoffe verstanden,
die insbesondere keine Leitfähigkeit besitzen und die in dem verwendeten Frequenzgebiet,
z. B. bei ioo oder aoo Megahertz, eine relative Permeabilitätskonstante größer als
i aufweisen. Für einen solchen Frequenzbereich sind beispielsweise sogenannte UKW-Werkstoffe,
der Zusammensetzung nach insbesondere kubische Eisenoxyde, bekanntgeworden. Für
die Einzelleiter-Anordnung nach der Erfindung sind insbesondere Ferrite gut -geeignet.
Solche Ferrite bedeuten im allgemeinen Mischkristalle, insbesondere Mischkristalle
aus Eisenoxyden und Oxyden eines oder mehrerer zweiwertiger Metalle. Als Beispiel
sei das bei Meter-Wellen noch mit Vorteil verwendbare Nickelzinkferrit der Formel
Ni Fee 04 + Zn Fee 04 genannt. Die Verwendbarkeit der Ferrite ist von der sogenannten
gyromagnetischen Grenzfrequenz abhängig, bei der die Verluste eines bestimmten Materials
sehr rasch ansteigen. So ist z. B. bei einer Sorte von Nickelzinkferrit der Wert
des Verlustfaktors bei einer Frequenz von 5 # x08 Hertz gleich i.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise und der Bedeutung der ferromagnetischen
Stoffe am Einzelleiter nach der Erfindung seien noch folgende Ausführungen gegeben.
Zunächst sei ein leitender Draht vom Durchmesser 2a, der mit einer Schicht aus ferromagnetischem
oder ferritischem Stoff der Dicke d umgeben ist, zugrunde gelegt. Der ferromagnetische
oder ferritische Stoff besitze eine beliebige Permeabilität ,u und eine beliebige
Dielektrizitätskonstante E, die beide in voller Allgemeinheit als komplex angenommen
werden. Ausgehend von den bekannten Feldstärkegleichungen des E-Typs bei Zylinderanordnungen,
die für die Schicht und den Außenraum getrennt angesetzt werden; kann aus der Stetigkeitsforderung
beider Felder an der Grenzfläche die Gleichung
aufgestellt werden. Dabei bedeutet: ai -- a + d; ki und k" sind Konstanten,
die die Feldverteilung in der ferromagnetischen Schicht (Index i) und in dem den
Leiter umgebenden äußeren Luftraum. (Index a) angeben. Sie stehen im Zusammenhang
'mit dem allgemeinen Fortpflanzungsmaß a und dem Fortpflanzungsmaß freier elektromagnetischer
Wellen im Innenraum und dem Fortpflanzungsmaß im Außenraum
a" durch die Beziehung k? = ai - a2 bzw. kd = a'- aä. Hol) und H(2)
bedeuten die Hankelschen Zylinderfunktionen.
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Bei den in der Praxis meist gegebenen Voraussetzungen d «a und kid
<< i erhält man die Beziehung
Zusammen mit den bereits erwähnten Gleichungen folgt hieraus
Unter Vernachlässigung aller als klein zu bezeichnenden Glieder und bei Verwendung
der asymptotischen Werte für kleine Argumente der Hankelschen Funktionen folgt
Der sogenannte Grenzradius ist bestimmt durch die Beziehung
der die Konzentration des elektromagnetischen Feldes um die Leiteranordnung angibt.
Innerhalb eines Zylinders mit dem Radius yo breitet sich fast die gesamte elektromagnetische
Energie lgngs der Einzelleiter-Anordnung aus. Aus
der angegebenen
Beziehung ersieht man, daß k" um so größer wird, je höher die Frequenz, d. h. je
größer a, ist. Das bedeutet, daß der Grenzradius y) mit zunehmender Frequenz kleiner
wird.
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Bei der Einzelleiter-Anordnung, bei der der den Leitungsstrom führende
Leiter schraubenlinienförmig auf einen beliebigen Kern mit der Permeabilität ,u
und der Dielektrizitätskonstante s aufgebracht ist, ist die mathematische Ableitung
analog der Einzelleiter-Anordnung, bestehend aus einem Einzelleiter und einem Überzug
aus ferromagnetischem Material. Sie liefert für k" den funktionellen Zusammenhang
mit
y ist dabei derjenige Winkel, den der schraubenlinienförmig verlaufende Leiter mit
der Normalen zur Leitungsrichtung einschließt. Unter Vernachlässigung aller als
klein zu bezeichnenden Glieder
sind der magnetisch belastete Massivdraht und der Wendeldraht mit Magnetkern äquivalent,
wenn die Beziehung
erfüllt ist. Wegen des transzendenten Charakters der Gleichungen mit k" ist eine
Auswertung in expliziter Form nicht durchführbar. Die Auswertung erfolgt daher am
besten durch ein kombiniert graphischrechnerisches Verfahren. Wie aus der theoretischen
Ableitung erkennbar wird, bündelt sich das elektromagnetische Feld um so stärker
um die Leiteranordnung, je größer die Permeabilität ,u und je kleiner der Steigungswinkel
y ist, ein Ergebnis, das sich auch durch Messungen bestätigt.
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Die Einzelleiter-Anordnung nach der Erfindung ist insbesondere für
Meter-Wellen mit Vorteil verwendbar. Gegenüber anderen Wellenleitern besitzt sie
eine verhältnismäßig geringe Dämpfung und ist im Aufbau wesentlich einfacher.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im folgenden einige
Ausführungsbeispiele beschrieben. In Fig. z ist eine Einzelleiter-Anordnung dargestellt,
bei der um den Kern r ein bandförmiger Leiter 2 gewickelt ist. Der gegebenenfalls
hohlzylindrisch ausgebildete Kern besteht aus für Hochfrequenz geeigneten ferromagnetischen
Stoffen, z. B. aus Ferrit.
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Eine andere Einzelleiter-Anordnung ist in Fig.2 dargestellt, bei welcher
der gegebenenfalls hohlzylindrisch ausgebildete Leiter 3 mit einer Schicht q. aus.
ferromagnetischen oder ferritischen Stoffen umgeben ist. Vorteilhaft ist auch eine
nach dem in Fig. 3 dargestellten Prinzip ausgebildete Einzelleiter-Anordnung; bei
ihr ist der z. B. schraubenlinienförmig verlaufende Leiter 6 von den aus ferromagnetischen
oder ferritischen Stoffen bestehenden Schichten 5 und 7 umgeben.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele
beschränkt. Es können z. B. statt eines bandförmigen Leiters auch mehrere parallel
laufende Leiter, insbesondere Drähte oder Bänder, verwendet werden; auch kann der
Leiter auf den Kern in Form dünner Schichten aufgebracht, z. B. aufgedampft werden.
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In vielen Fällen wird von der Einzelleiter-Anordnung nach der Erfindung
auch Biegsamkeit verlangt, z. B. beim Aufwickeln der Leiteranordnung auf Trommeln.
Es werden daher beispielsweise solche ferromagnetische oder ferritische Stoffe verwendet,
die eine ausreichende Elastizität besitzen. Eine Biegsamkeit der Leiteranordnung
kann aber auch durch eine Unterteilung z. B. der ferritischen Stoffe erzielt werden.
Diese Unterteilung kann beispielsweise bei nach Fig. 2 ausgebildeten Leiteranordnungen
dadurch erreicht werden, daß man den mantelförmig auf einen zylindrischen Leiter
aufgebrachten ferromagnetischen oder ferritischen Stoff mit einer wenigstens durch
einen Teil der Schichtdicke dieses Stoffes hindurch greifenden schraubenlinienförmig
verlaufenden Rille versieht. Auch ist es möglich, durch ringförmig verlaufende Rillen
die Überzugsstoffe in kurze Abschnitte aufzuteilen. Ringförmig verlaufende Rillen
8 sind in der Fig. 2 angedeutet. Bei Leiteranordnungen, die, wie z. B. in Fig. x
dargestellt, einen ferritischen Vollkern besitzen, ist eine Aufteilung des Kernes
in kurze zylinderförmige Kernstücke zweckmäßig. Die gegeneinanderstoßenden Stirnflächen
werden als sich ergänzende konkave bzw. konvexe Oberflächen ausgebildet, so daß
die Kernstücke gelenkig aneinanderliegen. Es kann auch zweckmäßig sein, die Stoßstellen
an den Stirnflächen mit elastischen oder plastischen Stoffen auszufüllen.
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In besonderen Fällen kann man die Eigenschaften der Einzelleiter-Anordnungen
nach der Erfindung, insbesondere die durch die ferromagnetischen Stoffe bewirkte
Konzentration des elektromagnetischen Feldes um den Leiter und die Größe des Wellenwiderstandes,
längs der Einzelleiter-Anordnung dadurch ändern, daß man die Eigenschaften der ferromagnetischen
Stoffe in axialer und/oder in radialer Richtung zur Leitung ändert. Dies kann beispielsweise
durch Anbringen von Stoffen mit verschiedener Permeabilität oder auch durch Anbringen
der Stoffe in verschiedener Schichtdicke erfolgen: Vorteilhaft ist dies insbesondere
beim Übergang von einer Einzelleiter-Anordnung auf einen Hochfrequenzgenerator,
einen Drahtwellenerreger, einen Hochfrequenzverbraucher oder auf eine Hochfreqüenzleitung,
um Wellenwiderstandsunterschiede ausgleichen zu können. Transformationsglieder werden
damit hinfällig.
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Die Einzelleiter-Anordnung nach der Erfindung ist nicht auf die Anwendung
als Leitung beschränkt. Es kann z. B. ein Stück dieser Einzelleiter-Anordnung auch
als Antenne verwendet werden. Durch die Anwendung von ferromagnetischen Stoffen
mit hoher Dielektrizitätskonstante als Ummantelung ergeben sich Antennen von verhältnismäßig
kurzer Ausdehnung
auch bei längeren Wellen. Da sich die Wellenlängen
auf der Leitungsanordnung infolge der hohen Permeabilität und der hohen Dielektrizitätskonstante
wesentlich reduzieren, lassen sich unter Anwendung einer Leitungsanordnung nach
der Erfirdung Meßleitungen auch für längere Wellen in handlichen Größen bauen. Ein
Leitungsstück einer Einzelleiter-Anordnung kann auch als Resonanzkreis dienen. Um
eine Abstimmung dieses Kreises zu ermöglichen, kann .wenigstens ein Teil des Leitungsstückes
so ausgebildet sein, daß beispielsweise der Kern und/oder die Umhüllung des Leiters,
welche aus ferromagnetischenoder ferritischen Stoffen bestehen, verschiebbar angeordnet
sind.
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Weiterhin kann eine Einzelleiter-Anordnung nach der Erfindung als
Laufzeitglied dienen. Auch in Lauffeldröhren ist eine .entsprechend ausgebildete
Leiteranordnung anwendbar.
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Bei Verwendung der Einzelleiter-Anordnung im Freien kann ein vor Witterungseinflüssen
schützender Überzug vorgesehen werden.