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Leiteranordnung zur nichtstrahlenden Fortleitung kurzer und sehr kurzer
elektromagnetischer Wellen Für die Fortleitung kurzer und sehr kurzer elektromagnetischer
Wellen längs Leitungen werden bekanntlich koaxiale Leitungen oder Hohlleitungen
verwendet. Bei sehr kurzen Wellen, z. B. im Dezimeter- .und Zentimeterwellengebiet,
steigt jedoch die Leitungsdämpfung dieser Leitungen so stark an, daß ein längerer
Übertragungsweg über Hohlleitungen oder koaxiale Leitungen großen Leistungsverlust
zur Folge hat und damit diese Leitungen für eine Übertragung über größere Entfernungen
nicht mehr geeignet sind. Auch sind die Herstellungskosten für die- bekannten Hochfrequenzleitungen
verhältnismäßig hoch.
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Es ist bereits bekannt, elektrische Wellen längs eines einzelnen Metalldrahtes
fortzuleiten. Es läßt sich mit Hilfe der Leitungstheorie zeigen, daß ein tränsversaler
magnetischer Wellentyp existiert, bei dem die Strahlung axial, also parallel zum
Draht gerichtet ist und demnach in radialer Richtung keine Energie wandert. Diese
Art der Fortleitung elektromagnetischer Wellen längs eines homogenen Metalldrahtes
ist jedoch für technische Zwecke wegen der zu großen radialen Ausdehnung der elektromagnetischen
Wellen nicht geeignet. Es wurde daher vorgeschlagen, einen Metalldraht mit einer
dielektrischen Schicht zu überziehen. Diese Schicht bewirkt, daß das elektromagnetische
Feld sich um den Leiter konzentriert. Erst durch die Möglichkeit dieser Feldkonzentration
gewinnt der Metalldraht als technische Übertragungsleitung für sehr kurze Wellen
an Bedeutung.
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Außerdem wurde auch schon eine Leiteranordnung vorgeschlagen, bei
der die Drahtoberfläche eines Leiters mit Querrillen öder mit gewindeähnliehen
Einschnitten
versehen ist. Ein derartiger Leiter ist in Fig. i dargestellt. Während dieser Leiter
wegen der Querrillen bzw. wegen der schraubenlinienförmig verlaufenden Einschnitte
in seiner Herstellung Schwierigkeiten bereitet. und auf Grund dieser Einschnitte
nur wenig auf Zug beansprucht werden darf, weist der mit einer dielektrischen Schicht
überzogene Leiter dielektrische Verluste auf, die insbesondere dann groß werden,
wenn zur Gewinnung einer starken Feldkonzentration diese Schicht dick ausgebildet
ist. Die bekannten Leiteranordnungen weisen auf Grund ihres Aufbaues jedoch noch
eine verhältnismäßig große Dämpfung auf. Diese Nachteile werden durch vorliegende
Erfindung vermieden. Darüber hinaus wird durch sie noch die Möglichkeit geschaffen,
den Wellenwiderstand und die Feldkonzentration der sogenannten Oberflächenwellen
durch eine entsprechende Ausbildung einer Leiteranordnung den jeweils gestellten
Bedingungen anpassen zu können.
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Bei der Einzelleiteranordnung zur Fortleitung leitungsgebundener Oberflächenwellen
ist wenigstens ein schraubenlinienförmig um eine Symmetrieachse verlaufender Leiter
vorgesehen, bei dem die Drallänge größer als der Durchmesser der Einzelleiteranordnung
ist. Der Leiter kann sowohl auf einen langgestreckten, vorzugsweise zylindrischen
öder hohlzylindrischen Körper aufgewickelt als auch selbsttragend zu einer Hohlrohrform
gewickelt werden. Der den hochfrequenten Strom führende, schraubenlinienförmig verlaufende
Leiter kann entweder durch Drähte oder durch flächenförmige, beispielsweise durch
bandförmige, vorzugsweise rechteckförmigen Querschnitt aufweisende Leiter gebildet
sein. Die Leiteranordnung läßt sich auch in der Weise herstellen, daß man einen,
wenigstens eine leitende Oberflächenschicht aufweisenden drahtförmigen Körper mit
schraubenlinienförmig verlaufenden Vertiefungen versieht. Durch diese Vertiefungen
wird aus der leitenden, zylindrischen Oberflächenschicht ein schraubenlinienförmig
verlaufender Leiter gebildet, der auf dem drahtförmigen Körper aus dielektrischem
Stoff aufliegt.
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Schraubenlinienförmig verlaufende Leiter sind an sich bei Wanderwellenröhren
unter dem Namen »Helix« bekannt. Bei solchen Leiteranordnungen will man jedoch erreichen,
däß die Geschwindigkeit des Elektronenstrahles etwa mit der akialen Geschwindigkeit
von längs der sogenannten Helix entlanglaufenden elektromagnetischen Wellen übereinstimmt.
Es ist bei solchen Anordnungen notwendig, die axiale Geschwindigkeit der elektromagnetischen
Wellen um einen Faktor, der größer als 5 ist, herabzusetzen. Im Gegensatz dazu.
ist die Leiteranordnung nach der Erfindung so auszubilden, daß die Geschwindigkeit
der sich längs der Leiteranordnung fortpflanzenden Wellen nur ganz wenig, z. B.
um 11/&., verringert wird. Man erhält so eine Leiteranordnung mit außerordentlich
geringer Dämpfung. Wollte man eine Helix im Sinne einer Anordnung nach der Erfindung
verwenden, so würde diese Helix eine sehr große Dämpfung aufweisen; sie wäre also
zur leitungsgebundenen Förtleitung elektromagnetischer Wellen völlig ungeeignet..Durch
die bekannte Leiteranordnung einer Helix konnte somit die Leiteranordnung nach der
Erfindung nicht nahegelegt sein, zumal eine Helix in der ursprünglichen Form flicht
geeignet wäre, z. B. wie eine Freileitung verlegt zu werden.
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Die Übertragungseigenschaften der Leiteranordnung nach der Erfindung
können in folgender Weise erklärt werden. Infolge des schraubenlinienförmigen Verlaufs
des Hochfrequenzstrom führenden Leiters ergibt sich eine gewisse axiale elektrische
Feldstärke längs der Leiteranordnung und somit konzentriert sich das elektromagnetische
Feld um die Leiteranordnung. Der Energietransport findet längs dieser Leiteranordnung
statt. Es läßt sich zeigen; daß praktisch die gesamte Energie innerhalb eines Kreises
mit dem Radius r. übertragen wird; dieser Radius y. wird daher im folgenden mit
Grenzradius bezeichnet. Der Wert für wo läßt sich nicht explizit angeben, da er
als Lösung einer transzendenten Gleichung bestimmt werden muß. Man erhält z. B.
bei einem Durchmesser der durch den schraubenlinienförmig verlaufenden Leiter gebildeten
Leiteranordnung von a = 5 mm und einer Schraubenliniensteigung von etwa 45 mm, das
entspricht einem Steigungswinkel y von etwa 7o°, einen Grenzradius r. von 1,61 m
bei einer Wellenlänge von i m; bei einer Wellenlänge von o,i m hingegen ergibt sich
dieser Grenzradius ro zu o,125 m. Da das Feld für Entfernungen, die größer als der
Grenzradius sind, exponentiell abnimmt, wird beispielsweise in einer Entfernung
von 2r, praktisch kein Feld merklicher Größe mehr vorhanden sein. Der Grenzradius.
nimmt mit abnehmender Wellenlänge ab. Der Wellenwiderstand Z einer solchen Leiteranordnung
bestimmt sich zu
Hierin bedeutet ZO den Wellenwiderstand des leeren Raumes und a den halben Durchmesser
der durch den schraubenlinienförmig verlaufenden Leiter gebildeten Leiteranordnung.
Aus der angegebenen Beziehung läßt sich ableiten, daß der Wellenwiderstand einer
solchen Leiteranordnung ein Vielfaches des Wellenwiderstandes der koaxialen Leitung
ist. Hierin- liegt im wesentlichen die Bedeutung der Leiteranordnung nach der Erfindung,
da infolge des höhen Wellenwiderstandes die Leitungsströme und damit die Verluste
im Leiter geringer werden. Da bei dieser Leiteranordnung im Vergleich zur koaxialen
Leitung kein Außenleiter vorhanden ist, fallen auch die Verluste eines Außenleiters
fort. Damit werden die Gesamtverluste der Leiteranordnung nach der Erfindung wesentlich
kleiner als die Verluste, beispielsweise bei koaxialen Leitungen und Hohlleitungen.
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Bei der Beurteilung einer Leitung hinsichtlich ihrer Übertragungseigenschaften
ist von großer Bedeutung die Kenntnis der Leitungsdämpfung. Für die Leiteranordnung
nach der Erfindung läßt
sich die Dämpfung ß berechnen nach der Beziehung
Hierin bedeutet O den spezifischen Widerstand des Leiters und 8 die äquivalente
Leitschichtdicke.
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Eine weitere Kenngröße für die Leiteranordnung nach der Erfindung
ist der bereits erwähnte Steigungswinkel y bzw. die Drallänge des schraubenlinienförmig
verlaufenden Leiters. Es zeigt sich, daß sich die Energie um so mehr um die Leiteranordnung
konzentriert, je kürzere Drallängen angewendet werden. Die Dimensionierung der Leiteranordnung
muß jeweils dem Verwendungszweck angepaßt werden. Kurze Drallängen und daher kleine
Grenzradien haben einen kleinen Wellenwiderstand Z zur Folge.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Fig. z zeigt einen gewendelten Leiter i, der aus einem schraubenlinienförmig
aufgewickelten Metallband besteht. Als Trägers für dieses Metallband kann zweckmäßigerweise
ein biegsamer, vorzugsweise hohler Isolierstoffkörper verwendet werden. Desgleichen
kann ein Keramikkörper mit vorzugsweise rundem Querschnitt als Träger für den bandförmigen
oder runden Leiter dienen. Zur Befestigung des Leiters auf dem Träger können gegebenenfalls
die in der Kabeltechnik bekannten Verfahren angewendet werden. Wie bereits erwähnt,
kann der Träger auch selbsttragend zylindrisch aufgewickelt werden. Er bildet in
diesem Fall einen Hohlzylinder. Ein Ausführungsbeispiel für eine solche Leiteranordnung
ist in Fig. 3 dargestellt. Zur leichteren Herstellung dieser selbsttragenden Hohlseilkonstruktion
ist der Leiter i z. B. mit einem Z-förmigen Ansatz 3 versehen, der die Nachbarwindung
insbesondere über eine Isolierschicht trägt. Damit gewinnt man einen Leiter, der
sich durch sein geringes Gewicht auszeichnet.
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Bekanntlich macht sich im Gebiet der kurzen und sehr kurzen Wellen
der Skineffekt so stark bemerkbar, daß die Eindringtiefe der hochfrequenten Ströme
nur mehr sehr gering ist. Die Leiteranordnung nach der Erfindung könnte daher auch
in der Weise hergestellt werden, daß man einen rohrförmigen oder massiven drahtförmigen
Metallkörper mit einer schraubenlinienförmig verlaufenden Vertiefung versieht, die
gegebenenfalls mit Isolierstoff ausgefüllt sein kann. Auch kann der metallische
Leiter direkt auf einen metallischen, vorzugsweise mit einer Isolierschicht überzogenen
Trägerkörper schraubenlinienförmig aufgewickelt werden.
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Eine besonders vorteilhafte und stabile Leiteranordnung gemäß der
Erfindung läßt sich beispielsweise durch Aufdampfen einer metallischen Schicht auf
einen drahtförmigen, vorzugsweise aus Isolierstoff bestehenden Körper herstellen.
Den schraubenlinienförmigen Verlauf des Leiters erzielt man in diesem Fall beispielsweise
durch Ausschleifen einer oder mehrerer Schraubenlinien aus der Oberfläche dieses
bedampften Körpers. Auch können vor der Bedampfung mit der Leiterschicht auf den
als Leiterträger vorgesehenen Körper ein, oder mehrere schmale Abdeckbänder in solcher
Form aufgebracht werden, daß nach dem Aufbringen der leitenden Schicht durch Entfernen
dieser Abdeckbänder der gewünschte Verlauf der leitenden Oberfläche hergestellt
ist. Diese Leiteranordnung zeichnet sich insbesondere durch ihre geringe Dämpfung
und ihren stabilen Aufbau aus.
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Die Fig. q. zeigt eine Hochfrequenzleiteranordnung, die aus mehreren
nebeneinander schraubenlinienförmig um dieselbe Achse verlaufenden Metallbändern
besteht. Die Leiteranordnung kann nach denselben Gesichtspunkten, wie sie oben ausgeführt
sind, aufgebaut sein. Die nebeneinander verlaufenden Metallbänder können gegebenenfalls
als ein aus diesen zusammengesetzter Leiter aufgefaßt werden. Die Speisung dieser
Leiter, dargestellt durch die Metallbänder, kann gleich- oder verschiedenphasig
sein. Die Unterteilung dieses Leiters in mehrere parallel laufende Leiter bedeutet
eine wesentliche Erleichterung der Herstellung von solchen Leiteranordnungen. Diese
Anordnungen mit mehreren parallel laufenden Leitern sind auch selbsttragend, d.
h. ohne Trägerkörper herstellbar. In Fig. 5 ist ein Schnitt durch eine Leiteranordnung
gezeigt, die als Ausführungsbeispiel dienen soll.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele weisen als schraubenlinienförmig
verlaufende Leiter bandförmige Leiter auf. Die Erfindung beschränkt sich aber keineswegs
hierauf. Es können vielmehr auch anders geformte Leiter, insbesondere Drähte als
Leiter verwendet werden. Hierzu zeigt Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel. Die durch
Drähte gebildeten Leiter i sind hier in einer Vielzahl vorhanden und verlaufen schraubenlinienförmig
um den Trägerkörper q.. Dieser Trägerkörper wird vorzugsweise aus Isolierstoff hergestellt;
Die Oberfläche der Drähte i kann beliebig modifiziert, z. B: blank oder mit einer
Isolierschicht überzogen sein. Zweckmäßigerweise ersetzt man insbesondere bei blanken
Drähten wenigstens einen Draht durch einen drahtförmigen Körper aus Isolierstoff.
Die Leiteranordnung nimmt damit die Form eines Seiles an. Um dieser Leiteranordnung
eine gute Festigkeit, insbesondere eine gute Zugfestigkeit zu geben, können einige
dieser Drähte z. B. aus Stahl hergestellt werden, während die übrigen, vorzugsweise
für die Leitung der elektrischen Ströme bestimmten Drähte aus einem gut leitenden
Metall hergestellt werden oder einen gut leitenden Überzug aufweisen. Auch können
sämtliche Drähte aus Stahl bestehen, wobei diese Drähte mit einem gut leitenden
Metall überzogen werden.
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Eine gute Festigkeit der Leiteranordnung kann beispielsweise auch
dadurch erreicht werden, daß man im Mittelpunkt des z. B. aus Isolierstoff bestehenden
Trägerkörpers eine Stahlseele anordnet. Ausführungsbeispiele hierzu sind gezeigt
in der Fig. 7a, die den Querschnitt durch eine solche Leiteranordnung mit bandförmigen
Leitern angibt und in Fig. 7b, die den Querschnitt einer Leiteranordnung
mit drahtförmigen Leitern zeigt. In
beiden Leiteranordnungen verläuft
die-Stahlseele 5 im Mittelpunkt des Trägerkörpers q..
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In der Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Leiteranordnung
nach der Erfindung gezeigt. Die schraubenlinienförmig verlaufenden drähtförmigen
Leiter i sind hier in den vorzugsweise rohrförmig geformten dielektrischen Stoff
6 eingebettet. Diese Leiteranordnung ist biegsam bei Verwendung von elastischen
dielektrischen Stoffen.
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Die aus der Kabeltechnik bekannten Herstellungsverfahren können auch
für die Leiteranordnung nach der Erfindung in Anwendung kommen. 'So kann z. B. eine
solche Leiteranordnung durch Verkeilen von wenigstens zwei Leitern hergestellt werden:
Die Leiter können mit einer Isolierschicht wenigstens zum Teil umgeben sein oder
-mit Hilfe chemischer oder elektrischer Verfahren in an sich bekannter Weise mit
einer solchen versehen werden, z. B. durch Erzeugen einer nichtleitenden Oxydschicht
auf der Leiteroberfläche. Diese Modifikation der Leiteroberflächen ist für alle
Leiteranordnungennach dek Erfindung mit Vorteil anwendbar.
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Die Leiteranordnung nach der Erfindung eignet sich -insbesondere zur
Fortleitung elektromagnetischer Wellen, die eine kürzere Wellenlänge aufweisen als
etwa i m. Während sich bei einer Dralllänge von z, B. 9o mm und a = 2,5 mm für Drahtwellen,
d. h. für die sich längs eines Leiters ausbreitenden elektromagnetischen Wellen,
von z. B. zo'm Wellenlänge ein Grenzradius ro = 40 m ergibt, beträgt bei einer Wellenlänge
von o, i m der Grenzradius nur mehr o,28 m. Die DämpfungsyWerte :für die Leiteranordnung
liegen bei einer Betriebswellenlänge von z. B. io cm etwa um den Faktor 7,5 niedriger
als bei dem koaxialen Kabel mit einem Innenleiter, der dieselben Abmessungen aufweist
wie die Leiteranordnung nach der Erfindung. Die Leiteranordnung für Drahtwellen
eignet sich daher insbesondere als Zuleitung vom Sender zur Antenne oder von der
Antenne zuni Empfänger. Durch geeignete Variation des Aufbaues der Leiteranordnung
kann auch bei in nicht zu großem Abstand parallel laufenden Leiteranordnungen eine
Kopplung untereinander vermieden werden. Im Vergleich zum koaxialen Kabel und zum
Hohlleiter ist der Aufwand -"bei der Herstellung erheblich kleiner. Auch für die
Übertragung -breiter Frequenzbänder, insbesondere über größere Entfernungen;kommt
eine solche Leiteranordnung in Frage.
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In weiterer- Ausgestaltung der Erfindung kann die Leiteranordnung
gleichzeitig für andere Zwecke benutzt werden, beispielsweise als Hochspannungsleitung.
In diesem Falle wird die Leiteranordnung oder die im Leiterträger verlaufende Drahtseele
als Hochspannungsleiter verwendet. Da nun auch in der Hochspannungstechnik Leitungen
in Hohlseilkonstruktion, z. B. mehrere am Umfang eines Körpers angeordnete Drähte
verwendet werden und diese Drähte auch schraubenlinienförmig verlaufen, sind solche
Hochspannungsleitungen zugleich auch für die Übertragung von sehr kurzen elektrischen
Wellen geeignet. Diese Leitungsanordnungen können wie` die"normalen Hochspannungsleitungen
verlegt werden und dienen der gleichzeitigen übertragung der Hochspannung und der
Hochfrequenzspannung. Auch kann der Leiter nach der Erfindung als Blitzschutzleitung
längs Hochspannungsleitungen verwendet werden.
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Bei der Artkopplung der Leiteranordnung nach der Erfindung an andere
Leitungen oder Hochfrequenzanordnungen, ist dafür Sorge zu tragen, daß die Feldbilder
einander möglichst angeglichen. we@den.`Da das Feldbild der koaxialen Leitung und
des " Drahtwellenleiters einander sehr ähnlich ist, führt man, beide Leiter über
ein koaxiales Leitungsstück ineinander über, dessen Außenleiter sich trichterförmig
erweitert. In, Fig. 9 ist ein solcher Übergang der koaxialen Leitung 7 auf den Wellenleiter
9 gezeigt. Als Übergangsstück dient das trichterförmige Leitungsstück B. Der Enddurchmesser
2 y" des Trichters ergibt sich aus der Forderung, daß der Wellenwiderstand
Z am Ausgang der koaxialem. Anordnung gleich, dem Wellenwiderstand Z des Drahtwellen,leiters
9 sein. muß. Somit ergibt sich bei der Berücksichtigung der Forderung nach Anpassung
die Gleichung r" = o,68 - r., wobei r. ebenfalls der weiter oben definierte
Grenzradius ist. Der Verlauf des Außenleiters am Übergangsstück 8 kann gegebenenfalls
auch exponentiell sein. Diesen Trichter kann man als Leitungsstück auffassen, das
den Wellenwiderstand der vom Sender kommendem; oder zum Empfänger gehenden Leitung
auf dem, Wellenwiderstand des Drahtwellenleiters transformiert.
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]Sei der Übertragung elektromagnetischer Wellen längs eines Drahtwellenleiters
kann eine Verstärkung dieser Wellen, notwendig werden. Diese Zwischenverstärkung
erfolgt vorzugsweise in einer, in den Leitungszug eingeschalteten, Wanderwellen:
r öhraa. Zweckmäßige rweisa verwendet man eine Wanderw'verlaufenden ellenröllre
mit einem. sch.raubenlinienförmig . Wellenleiter, wobei dieser Wellenleiter direkt
in den eiter des. Drahtwellenleiters übergehen `kann.. Die- Drallänge des schraubenlinienförmig
verlaufenden Leiters ergibt sich beim Drahtwellenleiter aus. der Bedingung für r.
und der zulässigen Dämpfung ß, während sich die Sfeighöhe der Wendel der Wanderwellenröhre
nach der' Geschwindigkeit der Elektronen richtet. Vorzugsweise führt man den Elektronenstrahl,
insbe sondere auch mit kreisringförmigem Querschnitt, den Drahtwellenleiter entlang.
_Die Elektromenbährien könrsen beispielsweisen in Glasgefäßen mit halbkreisförmigem
Querschnitt verlaufen,: Ein oder zwei" solcheEntladungsgefäße bilden dann in Verbindung
mit denn Drahtwellenleiter die Anordnung einer Wanderwellenröhre.