DE1096441B - Konzentrisches, luftraumisoliertes Hochfrequenzkabel mit schraubenlinien-foermig gewelltem Aussenleiter und wendelfoermigem Abstandhalter aus Isoliermaterial zwischen Innen- und Aussenleiter - Google Patents

Description

Konzentrische Hochfrequenzkabel bestehen aus einem metallischen Innenleiter und einem konzentrisch dazu angeordneten Außenleiter in Form eines metallischen Hohlleiters. Zwischen Innen- und Außenleiter befinden sich Abstandhalter aus dielektrisch hochwertigen Isolierstoffen. Wegen ihrer mit besonderen fertigungstechnischen Vorteilen erzielbaren guten elektrischen Eigenschaften ist besonders diejenige Konstruktion eines solchen konzentrischen Hochfrequenzkabels verbreitet, bei welcher der Abstandhalter aus einer kontinuierlichen Bandwendel besteht. Diese Wendel kann im Spritzgußverfahren direkt auf den Innenleiter aufgebracht werden. Sie kann auch aus einem in geeigneter Weise profilierten Band bestehen, das mit der entsprechenden Steigung wendelförmig um den Innenleiter herumgelegt wird. Sie kann schließlich auch aus einer Wendel bestehen, die aus einzelnen mit der Wendelsteigung übereinandergewickelten Bändern aufgebaut ist.

Bei derartigen Kabeln besteht die besondere Aufgabe, ihnen eine solche Biegefähigkeit zu verleihen, daß sie sowohl während der Herstellung als auch bei der Montage allen Biegebeanspruchungen ohne elektrisch nachteilige Verformung ihres Querschnittes gewachsen sind. Solche Beanspruchungen treten ein beim Aufwickeln auf Fertigungs- und Transporttrommeln, beim Abwickeln von solchen wie auch bei der Verlegung.

Besteht der Außenleiter aus einem konzentrischen, zylindrischen Rohr, so ergibt sich aus dieser Forderung, daß dieses Rohr ein großes Verhältnis von Wandstärke zu Durchmesser haben muß, wenn wirtschaftlich einigermaßen tragbare zulässige Biegedurchmesser erzielt werden sollen. Der zulässige Mindestbiegedurchmesser ist nämlich insofern eine Frage der Wirtschaftlichkeit, als er die Kosten der Fertigungs- und Versandtrommeln und ihres Transportes, die Kosten der zur Handhabung der Kabel notwendigen Arbeitszeit vor allem bei der Montage und auch die Kosten der Konstruktion der Verlegestrecke der Kabel beeinflußt.

Kabel mit solch dickwandigen Rohren als Außenleiter werden bereits gefertigt, ihre Biegefähigkeit ist ausreichend, doch sind sie steif und im allgemeinen nur mit Hilfe besonderer Werkzeuge in ihre endgültige Position zu biegen.

Soll also der Außenleiter aus elektrischen Gründen aus einem Metallrohr und nicht beispielsweise nur aus einem Geflecht bestehen, so kommt hierfür das sonst in der Kabelindustrie verwendete hochbiegefähige Blei wegen seiner geringen elektrischen Leitfähigkeit nicht in Frage. Die Rohre müssen mindestens aus Aluminium, wenn nicht aus Kupfer oder aus einem kupferplattierten Metall bestehen. Es ist bekannt, daß derartige geschlossene Mäntel aus einem solchen Metall durch Wellung so biegefähig gemacht werden können, daß sie allen Ansprüchen genügen und ohne besondere Hilfsmittel gebogen werden können.

Konzentrisches, luftraumisoliertes
Hochfrequenzkabel mit schraubenlinienförmig gewelltem Außenleiter
und wendeiförmigem Abstandhalter
aus Isoliermaterial zwischen Innen-
und Außenleiter

Anmelder:
Feiten & Guilleaume Carlswerk

Aktiengesellschaft,
Köln-Mülheim, Schanzenstr. 24

Dr.-Ing. Karl Heinz Hahne, Köln-Müngersdorf,

ist als Erfinder genannt worden

Es sind daher vor allem konzentrische Hochfrequenzkabel bekannt, bei denen der Außenleiter aus einem verhältnismäßig dünnwandigen Metallrohr besteht, das wiederum aus fertigungstechnischen Gründen meist wendelförmig gewellt ist. Das Profil der Wellung ist im einfachsten Falle symmetrisch, d. h. sowohl Wellental wie Wellenberg folgen im Querschnitt je einem Kreisbogen oder einer anderen gekrümmten Kurve, wobei diese Kurven zueinander zentralsymmetrisch sind.

Es sind auch unsymmetrische Wellungen bekannt, bei denen beispielsweise das Wellental jeweils über eine gewisse Strecke zylindrisch ist. Sind diese zylindrischen Teile des Profils langer als die gewölbten, so ergibt sich eine günstige Kombination der Eigenschaften des zylindrischen Außenleiters mit denen des gewellten. Es sind dann nämlich überwiegend die zylindrischen Teile, welche die elektrischen Eigenschaften des Kabels, also vor allem den Wellenwiderstand und die Dämpfung bestimmen. In einem solchen unsymmetrisch gewellten Kabel sind gerade die Abmessungen dieser zylindrischen Teile sehr genau und definiert gegenüber dem Innenleiter festgelegt. Praktisch nehmen nämlich nur die nach außen gewölbten.

Teile, welche die elektrischen Eigenschaften wegen ihres größeren Abstandes vom Innenleiter weniger beeinflussen, die Biegeverformungen auf.

Derartige gewellte Kabel haben aber einen großea Nachteil: Die Steigung der Isolationswendel und die Steigung der Wellung werden bisher nach voneinander verschiedenen fertigungstechnischen Gesichtspunkten bestimmt und sind daher verschieden. Aus Gründen der Biegefähigkeit werden sie außerdem mit einander entgegengesetzter Schlagrichtung aufgebracht.

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Hierdurch bekommen derartige Kabel entlang ihrer aus einer Wendel, die das anschraffierte Profil hat. Der

Länge an jeder Stelle einen anderen Querschnitt. Sie sind breite zylindrische Teil 2 mit der angrenzenden Aus-

also nicht längshomogen wie die Kabel mit glattem rundung 3 vom Radius r_w drückt diejenigen Teile 4 des

zylindrischem Mantel, außerdem bekommt der Quer- Außenleiters, mit denen er in Berührung kommt, herab,

schnitt des Kabels entlang seiner Länge eine Periode, da 5 während in der Ausnehmung 5 die gewellten Teile 6 des

er sich abhängig vom Verhältnis der beiden Schlaglängen Profils stehenbleiben. Da diese gewölbten Teile sich frei

zueinander in bestimmten Abständen wiederholt. formen können, nehmen sie Kreisform an. Damit sie sich

Gerade dies ist für die Übertragungseigenschaften frei formen können, ist der Teil 7 des Werkzeuges auf

ungünstig, da sich hierdurch bei bestimmten Wellen- einen ausreichend großen Durchmesser ausgedreht. Die

längen der übertragenen Hochfrequenzspannung hohe io Breite dieses ausgedrehten Teiles ist e_w.

Reflexionsdämpfungen ergeben. Um die Profilverhältnisse untersuchen zu können,

Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese sich aus der genügt es, die Verformung der Mittellinie des Außen-Längsinhomogenität der bekannten Anordnungen er- leiterprofiles 8 zu betrachten bzw. die Verformung des gebenden elektrischen Nachteile zu vermeiden, ohne auf Außenleiterrohres mit einer unendlich dünnen Wanddie Vorteile zu verzichten, die sich durch Wellung des 15 dicke, das in dieser Mittellinie liegt. Bei diesem beträgt Außenleiters bezüglich der Biegefähigkeit des Kabels die Einstichbreite des Wellwerkzeuges e und der Ausergeben, rundungsradius· der Flanke des zylindrischen Arbeits-

Diese Aufgate wird bei einem konzentrischen luft- teiles r.

raumisolierten Hochfrequenzkabel mit Schraubenlinien- Fig. 2 zeigt die sich bei der Verformung dieser Mittelartig gewelltem Außenleiter und wendeiförmigem Ab- 20 linie bzw. dieses unendlich dünnen Rohres ergebenden standhalter aus Isoliermaterial zwischen Innen- und Verhältnisse. Die gesamte Höhe der Wellung beträgt b, Außenleiter dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die und der Kreisbogen, in den sich der stehengebliebene Schlaglänge des wendeiförmigen Abstandhalters mit der Teil des Rohres verformt hat, bekommt den Radius R. Schlaglänge der schraubenlinienartigen Wellen des . Die Wellung soll einerseits nicht zu flach sein, sonst Außenleiters übereinstimmt und daß dabei die Wellung 25 ergibt sich keine genügend große Biegefähigkeit, andererdes Außenleiters genau über den Gängen des wendel- seits darf sie nicht zu hoch sein, sonst formt sich wegen förmigen Abstandhalters die nach außen gehenden der Steifigkeit des Materials die Wölbung nicht aus, viel-Wölbungen besitzt, während, sie zwischen diesen Gängen mehr wird der Teil, der gewölbt sein sollte, vom WeIlim wesentlichen zylindrisch bleibt. werkzeug mit dem zylindrischen Teil zugleich herunter-

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß 30 gedrückt.

ein Kabel mit dem neuen Aufbau an jeder Stelle das Die Praxis hat ergeben, daß sich optimale Verhältnisse gleiche Querschnittsbild besitzt. Obwohl sich dieses bei ergeben, wenn b — R gemacht wird, dann ist nämlich verschiedenen hintereinanderliegenden Querschnitten um der gewölbte Teil ein Teil eines Halbkreises, der auf der die Kabelachse dreht, bleibt es in seiner Form unverändert, Verlängerung des zylindrischen Teiles liegt,
wodurch die Längshomogenität des Kabels gewährleistet 35 Wichtiger als diese Forderung jedoch ist, daß der Ausist. _' rundungsradius r möglichst genauso groß gemacht wird

Die fertigungstechnische Verwirklichung sieht nun wie der in der Kuppe der Wölbung entstehende Radius R.

folgendermaßen aus: Die Isolationswendel wird räumlich Wird nämlich der Außenleiter beim Biegen verformt, so

und im allgemeinen auch . zeitlich getrennt von der soll diese Verformung möglichst gleichmäßig sowohl von

Wellung hergestellt. Da die Wellung der spätere Arbeits- 40 der Krümmung in der Kuppe wie von der am Fuß der

gang ist, muß sie daher genau auf die schon vorgegebene Wölbung aufgenommen werden, damit das Metall in

Isolationswendel abgestimmt werden. Dies geschieht da- keinem dieser Punkte einseitig überbeansprucht wird,

durch, daß die Wellung mittels eines an sich bekannten Ist der Durchmesser des Wölbungskreises in der Kuppe

umlaufenden Profilwerkzeuges hergestellt wird, welches V₀ = 2 R, so wird in diesem Fall die Gesamtlänge des

ähnlich einer Gewindedrückvorrichtung die Wellentäler 45 gewölbten Teiles zwischen den beiden Übergängen zum

in das zunächst mit größerem Durchmesser über der zylindrischen Teil ν = V₀ ]/a".

Isolationswendel angebrachte Außenleiterrohr eindrückt. Für die Bemessung der Wellung ergeben sich somit die Das Profilwerkzeug ist in Form einer Schraubenmutter folgenden Werte:
ausgebildet, die sowohl um ihre Achse, die beim Wellvorgang mit der Kabelachse zusammenfällt, eine ro- 50 . 5 = / = R = ^V ,

tierende Bewegung ausführt, als auch parallel zur Kabel- 2 ~\ß
achse beweglich angeordnet ist. Durch diese Längsbeweglichkeit der Schraubenmutter ist gewährleistet, daß _{β =v} 2r =νίί

sich das Werkzeug auf dem Außenleiter selbsttätig führt, \ ]/3 _t
indem sich die von seinem Innenprofil auf dem Außen- 55 _ ,_//?
leiterrohr eingedrückten Wellen dem Verlauf der Iso- ^{Vw = r} ~ ' '
lationswendel genau und zwangläufig anpassen und die e_w = e -{-1.
fertigungstechnisch unvermeidlichen geringen Abweichungen der Ganghöhen der Isolationswendel und der Es interessiert ferner, welche Biegefestigkeit ein Außengewindeartigen Wellen im Außenleiter ausgleichen. 60 leiter bekommt, wenn er mit dieser Wellung versehen wird. Damit sich die Länge der zwischen den Gängen der Wird in Fig. 2 der Fußpunkt der Wellung mit dem Isolationswendel stehengebliebenen zylindrischen Teile Gipfelpunkt der Wellung verbunden, so ergibt sich an des Außenleiters einschließlich der Flanken der Wellen- Stelle des aus Kreissegmenten zusammengesetzten Profils berge bei jedem Umlauf der Ganghöhe der Schrauben- ein Dachprofil. Beim Biegen des Außenleiters, beispielslinie der Isolationswendel anpassen können, wird das 65 weise um eine Trommel, wird dieses Dach in dem Teil, Wellprofil und damit das Profil des Wellwerkzeuges in welcher der Trommelachse abgewandt ist, gestreckt, in besonderer Weise bemessen. dem gegenüberliegenden der Trommelachse zugewandten

Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch einen Teil des Teil aber zusammengeschoben. Da der Winkel des

Außenleiterprofils sowie des Wellwerkzeuges. Der Außen- Daches im Gipfelpunkt der Wölbung ein stumpfer ist,

leiter 1 hat die Wanddicke t. Das Wellwerkzeug besteht 70 wird das Dach im erstgenannten Teil bereits vönig abge-

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flacht, wenn der zweite Teil noch eine Verformungs- Abschnitt der Wellung, der aus den oben angegebenen

möglichkeit bietet. Es ist also zweckmäßig, als die Grenze Gründen für die elektrischen Werte des Kabels in erster

der Biegefähigkeit den Fall der völligen Streckung des Linie maßgebend ist, langer wird. Es besteht aber auch

Daches anzunehmen. Es ist dann nämlich praktisch in die Möglichkeit, b kleiner zu machen, womit eine flachere

der übrigbleibenden Krümmung noch genügend vorge- 5 Wellung und damit eine Materialersparnis erzielt wird,

formtes Material vorhanden, damit sich beim Zurück- Die abgeleiteten Beziehungen ermöglichen jedenfalls,

biegen das alte Profil wieder einstellt. Dies stellt aber eine solche Wellung weitgehend den Erfordernissen anzu-

die Voraussetzung dafür dar, daß der Außenleiter, wie passen, die sich aus dem nach elektrischen Gesichts-

es die Praxis erfordert, ohne Schaden viele Male hinter- punkten bestimmten Aufbau der Isolationswendel und

einander gebogen und wieder gestreckt werden kann. _ io den Anforderungen an die Biegefähigkeit des Kabels

Bei der Berechnung ist es zweckmäßig, alle Maße der ergeben. Nach einer Weiterbildung der Erfindung soll Wellung auf eine Ganghöhe zu beziehen, die gleich 1 ge- auch in einem solchen Falle der Ausrundungsradius r am setzt wird. Dann ist υ der Teil dieser Ganghöhe, der vom Fuße der Wellung gleich dem Radius R in der Kuppe gekrümmten Teil eingenommen wird, während 1 — υ die der Wellung sein. Aus Fig. 1 ergibt sich dafür die BeLänge des zylindrischen Teiles darstellt. Alle wirklichen 15 ziehung:
Maße ergeben sich später durch Multiplikation mit der
tatsächlichen Ganghöhe h.

Wenn das Dach in der oben bezeichneten Weise flach

gestreckt ist, so hat die Ganghöhe und damit das Längenelement des Außenleiters an dieser Stelle eine relative Ver- 20

_γ __

2 cos arc tg

ν 2b

längerung erfahren. Sie beträgt nämlich jetzt anstatt 1:

Fig. 3 zeigt als Ausführungsbeispiel den Schnitt durch

^ __ -^ _w _i_ 2 T /52 -j— ^- ^em längshomogenes konzentrisches Hochfrequenzkabel

^a I/

mit Innenleiter 9, Bandwendelisolation 10 und gewelltem 25 Außenleiter 11, bei dem die oben abgeleiteten optimalen das bedeutet eine relative Verlängerung des Längen- Bedingungen für den Außenleiter erfüllt sind. Aus dieser elementes des Außenleiters in der gestreckten Zone von Darstellung wird noch ein anderer Vorteil dieses Kabels

l_a — \ , ersichtlich:

Ir = - = [/4 0 + ν ν. j)_er Wellenwiderstand des Kabels wird bestimmt durch

30 das Verhältnis seiner Induktivität zu seiner Kapazität.

Ist aber das Verhältnis des Biegedurchmessers D zum Die Kapazität aber steigt mit der Größe der Dielektrizi-Kabeldurchmesser d gleich dem Biegefaktor: tätskonstante des Isoliermaterials, fällt jedoch mit dem

j) Abstand von Außenleiter zum Innenleiter. Innerhalb

^ = "7> einer der Ganghöhe der Isolationswendel entsprechenden

35 Länge erfährt also die Dielektrizitätskonstante jedesmal

so läßt sich andererseits errechnen, welche relative einen Sprung entsprechend dem Wert der Dielektrizi-Längenänderung in der gestreckten Zone einer Biegung tätskonstante 1 für Luft auf den Wert der Dielektrizitäts-

um den Durchmesser D entsprechen würde. Es ist: konstante des Isoliermaterials, welcher beispielsweise in

. ,. . ,. , . der Größenordnung von 2,5 liegt. Beim zylindrischen

l_{r =} πψ + *^α) —πψ + α>) ₌ a ₌ 1 ^ _{4Q Außenleiter ergibt sich} hierdurch ein Sprung der Kapa-

π (D + d) D + d k + 1 zität auf einen größeren Wert. Dieser Sprung wird bei

der neuen Konstruktion durch den gleichzeitigen Sprung

Durch Gleichsetzen ergibt sich für eine solche Wellung des Durchmessers mindestens teilweise kompensiert, der kleinstzulässige Biegefaktor des Kabels: Durch geeignete Wahl der Wellungsabmessungen b und ν

45 kann hier eine völlige Kompensation erzielt werden.

£ _ Jt ^ _ 1 _ j Die Isolationswendel wird im Innern der Wölbung

l_r 1/4 £2 _)- Φ i) ' des Wellungselementes fest gehaltert. Da zwischen Innen

leiter, Isolierstoff und Außenleiter beträchtliche Unter-

Im Falle der optimalen Wellungsform, bei welcher der schiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten be-Krümmungskreis im Gipfelpunkt Teil eines Halbkreises 50 stehen können, sind beim zylindrischen Außenleiter hier über der Verlängerung des zylindrischen Teiles ist, ergibt gegenseitige Verschiebungen möglich, die sich mechanisch sich somit: und elektrisch nachteilig auswirken.

_r Wird daher durch die neue Konstruktion dafür gesorgt,

β _ ]>3 ^ daß die Isolationswendel in der Wellung fest eingespannt

12 1/3") ' 55 ist, so werden sich solche Verschiebungen nicht mehr

' ergeben können. Der Außenleiter nämlich ist vermöge

In dieser Formel ist noch der Faktor υ als Variable seiner Wellung so nachgiebig, daß er derartige Verschieenthalten, welcher angibt, ein wie großer Teil der Gang- bungen als einziges Aufbauelement des Kabels aufnimmt, höhe der Wellung tatsächlich gewellt ist. Die Praxis wobei die geometrischen Abmessungen im zylindrischen ergibt optimale Verhältnisse, wenn ν .·=»0,66 beträgt, 60 Teil, die für die elektrischen Eigenschaften des Kabels dann ist k sx 9, d. h., der minimale Krümmungsdurch- ausschlaggebend sind, praktisch nicht beeinflußt werden, messer für das Kabel entspricht etwa seinem neunfachen Dieser Vorteil kann noch unterstützt werden, wenn

Durchmesser. Dies ist, wie dem Praktiker bekannt ist, der obere Teil des Profils der Isolationswendel dem ein sehr guter Wert, und im allgemeinen wird dem Kabel Krümmungsradius im Innern der Wellungskuppe angeeine solche Biegefähigkeit schon mit Rücksicht auf die 65 paßt wird.

Standfestigkeit der Isolationswendel nicht zugemutet Oft werden derartige Kabel als Speisekabel in Hochwerden. Die für den Außenleiter geltenden optimalen frequenzantennen senkrecht hochgeführt. Hier ergeben Verhältnisse werden also nicht voll ausgenutzt werden sich weitere Vorteile der Konstruktion: können. Vielmehr besteht die Möglichkeit, ν kleiner zu Die senkrechten Haltekräfte für das Kabel können

machen, womit der Vorteil entsteht, daß der zylindrische 70 leicht durch Schellen abgefangen werden, die in ihrem

Innern das Gegenproßl der Wellung haben. Dadurch sind auch Isolationswendel und Innenleiter fest mit abgefangen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Konzentrisches, luftraumisoliertes Hochfrequenzkabel mit schraubenünienförmig gewelltem Außenleiter und wendeiförmigem Abstandhalter aus Isoliermaterial zwischen Innen- und Außenleiter, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlaglänge des wendelförmigen Abstandhalters mit der Schlaglänge der schraubenhnienartigen Wellen des Außenleiters übereinstimmt und daß dabei die Wellung des Außenleiters genau über den Gängen des wendeiförmigen Abstandhalters die nach außen gehenden Wölbungen besitzt, während sie zwischen diesen Gängen im wesentlichen zylindrisch bleibt.

2. Konzentrisches Hochfrequenzkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenform des Außenleiters so gestaltet ist, daß die Wellen- ao

höhe δ gleich dem Radius R der Wellenkuppe und gleich dem Radius r ist, in welchem der zylindrische Teil der Wellenform ausläuft.

3. Verfahren zur Herstellung eines Hochfrequenzkabels nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Arbeitsgang der wendeiförmige Abstandhalter auf den Innenleiter aufgebracht wird und in einem späteren Arbeitsgang mit Hilfe eines umlaufenden, entsprechend der Wellenform gestalteten Profilwerkzeuges die Wellentäler in das zunächst mit größerem Durchmesser über der Isolationswendel angebrachte Außenleiterrohr eingedrückt werden.

4. Profilwerkzeug zur Herstellung eines Hochfrequenzkabels nach dem Verfahren gemäß Anspruch 3 in Form einer Schraubenmutter, dadurch gekennzeichnet, daß es sowohl um seine Achse, die beim Wellvorgang mit der Kabelachse zusammenfällt, eine rotierende Bewegung ausführt als auch parallel zur Achse beweglich gelagert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 697/383 12.60