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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines Kabels zur Ausführung eines
Tiefpasskabels.
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Aufgabe
eines elektrischen Übertragungskabels
ist es, Signale in einem elektrischen oder elektronischen System
oder zwischen zwei Systemen dieser Art in einem breiten Frequenzbereich
dieser Signale zu übertragen.
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Ein
Tiefpass-Übertragungskabel
weist eine niederfrequente Bandbreite auf, das heißt es lässt nur
die Ausbreitung von Signalen zu, deren Frequenz unterhalb einer
bestimmten Grenze, der so genannten Schnittfrequenz, des Kabels
liegt.
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Die
Schnittfrequenz ist gemäß der amerikanischen
Norm MIL-C-85 485 als die Frequenz definiert, deren Dämpfung 4,3
dB pro Meter entspricht.
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Es
sind bereits abgeschirmte Tiefpasskabel bekannt, bei denen zusätzlich zur üblichen
Abschirmung durch Metallgeflecht eine Zwischenschicht zur magnetischen
Absorption ausgeführt
ist, die bei diesen bekannten Kabeln auf der Basis von Ferrit realisiert
ist. Derartige Tiefpasskabel weisen eine Schnittfrequenz von 100 MHz
in dem vorstehend erwähnten
Sinne auf. Eine derartige Schnittfrequenz wird für eine bestimmte Zahl von Anwendungen
als annehmbar angesehen. Soll jedoch ein Nutzsignal übertragen
werden, ohne dass dieses hierbei durch Störungen beeinträchtigt wird,
die durch das Kabel weitergeleitet werden oder von einer äußeren Strahlung
besserer Qualität
resultieren, wäre
es wünschenswert, über abgeschirmte
Tiefpasskabel verfügen zu
können,
die eine deutlich niedrigere Schnittfrequenz aufweisen, zum Beispiel
höchstens
einige Dutzend MHz.
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Es
versteht sich, dass diese Schnittfrequenz an die maximale Frequenz
der elektrischen Signale angepasst werden muss, die durch das Kabel übertragen
werden sollen.
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In
jedem Fall ist es wünschenswert, über Kabel
mit oder ohne eigene Abschirmung verfügen zu können, deren Schnittfrequenz
deutlich niedriger als 100 MHz ist, die mit Tiefpasskabeln nach
dem Stand der Technik erreicht werden.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Tiefpasskabel
bereitzustellen, dessen Schnittfrequenz, das heißt die Frequenz, die einer
Dämpfung
von 4,3 dB pro Meter entspricht, im Wesentlichen unter 100 MHz liegt
und typischerweise kleiner oder gleich 20 MHz ist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kabel dieses Typs
bereitzustellen, bei dem die Transferimpedanz Zt des Kabels nicht
mit der Frequenz äußerer Störsignale
stark zunimmt, um einen wirksamen Schutz vor elektromagnetischen
Interferenzen zu gewährleisten.
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Schließlich ist
es auch äußerst wünschenswert,
dass das Kabel seine Eigenschaften hinsichtlich der magnetischen
Absorption in einem Temperaturbereich behält, der seiner gewöhnlichen
Verwendung entspricht, das heißt
typischerweise bis 260°C.
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Zum
Lösen dieser
beiden erfindungsgemäßen Aufgaben
zeichnet sich das abgeschirmte Tiefpasskabel dadurch aus, dass es
von innen nach außen
umfasst:
- – eine
Ader;
- – eine
erste dielektrische Schicht;
- – eine
Magnetabsorptionsschicht aus einer amorphen ferromagnetischen Metall-Legierung; und
- – eine
Isolierhülle.
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Vorzugsweise
hat die ferromagnetische Legierung die folgende Zusammensetzung:
A80±10% B20±10%
wobei
A den prozentualen Gesamtanteil an Atomen der ferromagnetischen
Elemente der Legierung darstellt, die aus der Gruppe bestehend aus
Co, Fe, Mn und Ni gewählt
sind; und
B den prozentualen Gesamtanteil an Atomen der Halbmetall-Elemente
der Legierung darstellt, die aus der Gruppe bestehend aus B, Si
und P gewählt
sind. Die Verbindung ist amorpher Art.
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Alternativ
hat die ferromagnetische Legierung die folgenden Zusammensetzung:
A75±10% B20±10% C5±3%
wobei
A die ferromagnetischen Elemente Co, Fe, Mn und Ni darstellt, die
entweder alleine oder zu mehreren kombiniert in die Zusammensetzung
eingehen;
B die Halbmetall-Elemente B, Si und P darstellt,
die entweder alleine oder zu mehreren kombiniert in die Zusammensetzung
eingehen; und
C den prozentualen Gesamtanteil an Atomen eines
Metall-Elements darstellt, das aus der Gruppe bestehend aus Cu und
Nb oder einer Mischung von beiden gewählt ist.
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Durch
die vorhandene Magnetabsorptionsschicht, die aus einer amorphen
oder nanokristallinen Metall-Legierung ausgeführt ist, welche vorzugsweise
die vorstehend genannte Zusammensetzung hat, wird tatsächlich sowohl
eine Reduzierung der Schnittfrequenz auf einen Wert kleiner oder
gleich 20 MHz bei einer Dämpfung
von 4,3 dB/m als auch eine Verringerung des Anstiegs der Transferimpedanz
bei hohen Frequenzen erzielt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die nachfolgende
Beschreibung mehrerer Ausführungsformen
der Erfindung verdeutlicht, die beispielhaft in nicht einschränkender
Weise angeführt
sind. Die Beschreibung nimmt Bezug auf die beigefügten Zeichnungen,
in denen:
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1 einen
perspektivischen Teilschnitt eines Tiefpasskabels zeigt;
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2 einen
Querschnitt durch das Kabel aus 1 zeigt;
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3 Kurven
zeigt, welche die Dämpfung
des Kabels entsprechend dem Beispiel 1 in Abhängigkeit von der Frequenz wiedergeben;
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4 eine ähnliche
Ansicht für
das Kabel aus Beispiel 2 ist;
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5 Kurven
zeigt, welche die Änderungen
der Transferimpedanz in Abhängigkeit
von der Frequenz für
die vier Kabelbeispiele gemäß Beispiel
6 wiedergeben;
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6A bis 6D Kurven
zeigen, welche die Schirmwirkung in Abhängigkeit von der Frequenz für die vier
in Beispiel 6 definierten Kabel wiedergeben;
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7 die
Dämpfungskurve
(A) des Kabels gemäß den Beispielen
aus Tabelle II in Abhängigkeit
von der Frequenz (F) zeigt; und
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8 die
Veränderung
des imaginären
Teils der Permeabilität
des absorbierenden Werkstoffs in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt.
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Mit
Bezug auf 1 und 2 wird zunächst die
allgemeine Struktur des Kabels beschrieben. Das Kabel ist zuerst
aus einer Ader 10 gebildet, die natürlich aus mehreren Drähten zum
Beispiel aus versilbertem Kupfer gebildet sein kann. Die Ader kann
von AWG08 bis AWG26 reichen. Um die Ader 10 herum befindet
sich eine erste Schicht 12 aus dielektrischem Material.
Auf der ersten dielektrischen Schicht 12 ist gemäß einem wesentlichen
Merkmal der Erfindung eine Magnetabsorptionsschicht 14 ausgeführt. Danach
kommt eine zweite Schicht 16 aus dielektrischem Material
und anschließend
ein Standard-Metallabschirmgeflecht 18 und schließlich eine äußere Isolierhülle 20.
In 2 sind von D1 bis D6 die Außendurchmesser der einzelnen Schichten
gekennzeichnet.
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Es
sei bereits an dieser Stelle erwähnt,
dass das Kabel gemäß bestimmter
Ausführungsformen
ohne die zweite dielektrische Schicht 16 ausgeführt sein
kann, die zwischen die Magnetabsorptionsschicht 14 und das
Abschirmgeflecht 18 eingefügt ist.
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Alternativ
kann das Kabel auch ohne seine eigene Abschirmschicht ausgeführt sein.
In diesem Fall weist meistens ein Bündel der Kabel eine Gesamtabschirmung
auf, das heißt
Abschirmmittel, die dem gesamten Kabelbündel gemeinsam ist.
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Alternativ
könnte
die Ader 10 auch durch mehrere leitende Elemente gebildet
sein, wobei jedes leitende Element von seiner eigenen dielektrischen
Isolierung umgeben ist. Die leitenden Elemente sind vorzugsweise
verdrillt. Die erste dielektrische Schicht 12 ist demnach
in diesem Fall durch die einzelnen Isolierungen gebildet. Die Magnetabsorptionsschicht
ist um die durch die einzelnen isolierten leitenden Elemente gebildete Einheit
herum ausgeführt.
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Gemäß einem
wesentlichen Merkmal der Erfindung ist die Magnetabsorptionsschicht
aus einer ferromagnetischen Metall-Legierung amorpher oder nanokristalliner
Art ausgeführt.
Wie bereits kurz erläutert,
und wie mit Bezug auf die beigefügten
Kurven noch aufgezeigt wird, erlaubt es dieses Merkmal, eine sehr
deutliche Reduzierung der Schnittfrequenz zu erzielen, die der Dämpfung von
4,3 dB/m entspricht, wodurch somit eine Übertragung des Nutzsignals
unter wesentlich besseren Bedingungen erreicht werden kann, da auf
diese Weise eine Filterung der nicht nutzbaren induzierten oder
ausgestrahlten Frequenzen sowie eine deutliche Verbesserung der
Transferimpedanz erzielt wird.
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Vorzugsweise
hat das amorphe ferromagnetische Material folgende Zusammensetzung:
A80±10% B20±10%
und
das nanokristalline ferromagnetische Material folgende Zusammensetzung:
A75±10% B20±10% C5±3%
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In
diesen Formeln
- – stellt A die ferromagnetischen
Elemente Co, Fe, Mn und Ni dar, die entweder alleine oder zu mehreren kombiniert
in die Zusammensetzung eingehen;
- – stellt
B die Halbmetall-Elemente B, Si und P dar, die entweder alleine
oder zu mehreren kombiniert in die Zusammensetzung eingehen;
- – stellt
C die Metall-Elemente Cu und Nb dar, die entweder alleine oder zu
mehreren kombiniert in die Zusammensetzung eingehen.
- – Der
prozentuale Anteil ist in Atomen und nominal wiedergegeben.
- – Die
prozentual zulässige
Abweichung stellt den Bereich dar, in dem die elektromagnetischen
Eigenschaften für
die Anwendung als Tiefpasskabel zufriedenstellend sind.
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Die
Komponente A bestimmt nämlich
die den Werkstoffen eigenen ferromagnetischen Eigenschaften, während es
die Komponente B ermöglicht,
beim Erstarren der Legierung den amorphen Zustand zu erlangen, der
allein durch die Komponente A nicht erzielt werden kann. Die Komponente
C dient als Puffer zwischen der Kristallisation und der amorphen
Erstarrung und ermöglicht
es, einen so genannten nanokristallinen Zustand zu erzeugen, in
dem die ferromagnetischen Eigenschaften ebenso interessant sind
wie im amorphen Zustand.
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Es
wurden spezielle Legierungen zum Testen ihrer Wirksamkeit als Magnetabsorptionsschicht
gebildet. Die nachfolgende Tabelle I nennt mehrere Zusammensetzungen
von Legierungen mit amorphem oder nanokristallinem Zustand.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
wird die Absorptionsschicht vorzugsweise durch Umwicklung mit Feinstdrähten erzielt,
die mit der amorphen oder nanokristallinen Metall-Legierung ausgeführt sind
und einen Durchmesser zwischen 9 und 22 Mikrometer haben und vorzugsweise
einzeln mit Glas überzogen
sind. Die auf diese Weise erzielte Schicht hat vorzugsweise eine
Dicke zwischen 50 und 150 Mikrometer.
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Es
werden nun mehrere Ausführungsbeispiele
des Tiefpasskabels gemäß der ersten
Ausführungsform
beschrieben.
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Beispiel 1
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Ein
erstes Kabel wurde gemäß den in
oben stehender Tabelle festgelegten Merkmalen ausgeführt. Zum
Herstellen der Magnetabsorptionsschicht wird ein Bündel von
32 Feinstdrähten
verwendet, das mit einer Legierung ausgeführt ist, welche die Zusammensetzung
aus Reihe XII der Tabelle 1 hat. Diese Magnetabsorptionsschicht
wird durch Umwicklung mit einer Litze erzielt, die aus dem Bündel mit
32 Feinstdrähten
gebildet ist. Es wird eine im Wesentlichen aneinandergrenzende Schicht
mit Feinstdrähten
erzielt. Die Steigung der Umwicklung beträgt 1 mm. Die in 3 dargestellte
Messung der Dämpfung
des Kabels zeigt, dass für
eine Dämpfung
von 4,3 dB/m die Schnittfrequenz 20 MHz beträgt, was wesentlich geringer
ist als die Schnittfrequenz von 100 MHz nach dem Stand der Technik.
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In
der Regel weist das Bündel
30 bis 35 Feinstdrähte
auf und die Umwicklungssteigung liegt zwischen 0,25 mm und 1,1 mm.
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Beispiel 2
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Ein
anderes Kabel wurde unter Verwendung der gleichen Fertigungstechniken
wie in Beispiel 1 und der gleichen Struktur für das Kabel ausgeführt. Der
Unterschied besteht darin, dass die Umwicklungssteigung der Feinstdrähte aus
einem amorphen ferromagnetischen metallischen Werkstoff 0,3 mm statt
1 mm beträgt. Wie 4 zeigt,
weist das Kabel eine Schnittfrequenz auf, die bei einer Dämpfung von
4,3 dB/m noch niedriger ist, da diese Frequenz 3 MHz beträgt.
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Beispiel 3
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Es
wurde ein drittes Kabel ausgeführt,
das sch von den vorstehend genannten Beispielen nur dadurch unterscheidet,
dass der Durchmesser D3 der Absorptionsschicht 1,10 mm statt 1 mm
beträgt,
das heißt
die Feinstdrähte
haben einen Durchmesser von 20 Mikrometer. Die anderen Parameter
sind unverändert.
Die Messung der Dämpfung
des Kabels zeigt, dass die Schnittfrequenz bei 4,3 dB/m unter 1
MHz abgesenkt wird.
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Beispiel 4
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Ein
anderes Kabel wurde gemäß den in
der nachfolgenden Tabelle aufgeführten
Spezifikationen ausgeführt.
Es ist festzustellen, dass in diesem Fall zwischen der Absorptionsschicht 14 und
dem Abschirmgeflecht 18 effektiv die zweite dielektrische
Schicht 16 vorhanden ist. Die Ergebnisse gleichen denen,
die im Fall von Beispiel 2 erzielt wurden.
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Beispiel 5
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Ausgeführt wurde
ein anderes Kabel, das dem Kabel aus Beispiel 4 ähnlich ist, mit Ausnahme des
dielektrischen Werkstoffs, der zur Ausführung der beiden dielektrischen
Schichten und der Außenhülle dient. Das
FEP ist durch eine Verbundfolie aus PTFE/Polyimid/PTFE oder eine
Verbundfolie aus Polymid/PTFE ersetzt. Die Ergebnisse der Dämpfungsmessung
zeigen hinsichtlich Dämpfung
und Schnittfrequenz Ergebnisse, die denen aus Beispiel 2 ähnlich sind.
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Beispiel 6
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Im
folgenden Beispiel wurden vier jeweils mit 1, 2, 3 und 4 nummerierte
Kabel ausgeführt,
um die Wirksamkeit hinsichtlich einer verbesserten Transferimpedanz
der erfindungsgemäßen Kabel
in Bezug auf das Kabel nach dem Stand der Technik aufzuzeigen. Die
nachstehende Tabelle zeigt die Zusammensetzung der Kabel 1, 2, 3
und 4.
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Der
Unterschied zwischen Kabel 3 und 4 besteht in der chemischen Zusammensetzung
der verwendeten Feinstdrähte,
wobei der erste der Legierung XII aus Tabelle I und der zweite der
Legierungen XIII aus derselben Tabellen entspricht.
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Kabel
1 weist keine Magnetabsorptionsschicht auf, Kabel 2 weist eine Magnetabsorptionsschicht
aus Ferrit nach dem Stand der Technik auf, Kabel 3 weist eine erfindungsgemäße Absorptionsschicht
auf, wobei die ferromagnetische amorphe Metall-Legierung der im Beispiel XIII aus Tabelle
I genannten Zusammensetzung entspricht.
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5 zeigt,
dass eine deutliche Verbesserung der Transferimpedanz für die Kabel
3 und 4 erreicht wird, das heißt
für die
erfindungsgemäßen Kabel.
Die Messungen wurden nach der triaxialen Methode durchgeführt.
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6A bis 6D zeigen
ferner für
die Kabel 1 bis 4 in einem hochfrequenten Bereich von 500 MHz bis
2 GHz die Schirmwirkung A, ausgedrückt in dB/M, in Abhängigkeit
von der Frequenz F, ausgedrückt
in MHz. Der Vergleich von 6A und 6B einerseits
und von 6C und 6D andererseits
zeigt, dass bei diesen hohen Frequenzen die Schirmwirkung der erfindungsgemäßen Kabel
3 und 4 deutlich höher
ist (10 bis 20 dB/m) als die mit Kabel 1 und 2 nach dem Stand der
Technik erzielte.
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Diese
Messungen wurde gemäß der Hallraum-Technik
nach Norm MIL-STD 1344 ausgeführt.
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Beispiel 7
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Ausgeführt wird
ein Kabel nach denselben Merkmalen wie in Beispiel 4, jedoch mit
einer Ader vom Typ AWG26. Die anderen Konstruktionsparameter sind
unverändert.
Es werden Ergebnisse erzielt, die mit denen der vorhergehenden Beispiele
vergleichbar sind. Dies wäre
ebenso, wenn die Ader vom Typ AWG08 wäre.
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In
den Beispielen 1 bis 7 weist das Kabel seine eigene Schirmung auf.
Wie bereits erwähnt,
könnte das
Kabel aber auch ohne Abschirmgeflecht ausgeführt sein.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
ist die Magnetabsorptionsschicht anhand eines oder mehrerer Bänder ausgeführt, die
aus einem amorphen oder nanokristallinen ferromagnetischen Werkstoff
gebildet sind, dessen verschiedene Zusammensetzungen vorstehend
bereits genannt wurden.
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Das
Band kann im Rascherstarrungsverfahren durch Schmelzspinnen, dem
so genannten Melt Spinning, oder im Rascherstarrungsverfahren durch
Planar Flow Casting gefertigt werden.
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Diese
Techniken bestehen darin, die Legierung durch eine äußerst schmale
Düse in
flüssiger
Form auf ein Rad aufzuspritzen, das sich bei einer Geschwindigkeit
von 2.500 Umdrehungen pro Minute dreht. Die flüssige Legierung verteilt sich
am Rand des Rades. Beim Erstarren bildet die Legierung ein Band,
das eine sehr geringe Dicke haben kann.
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Es
wurden Bänder
anhand der Legierungen I bis XI aus Tabelle I gefertigt. In der
folgenden Tabelle II ist für
jede Legierung eine Ausführungsform
des Bandes angegeben, mit näheren
Angaben zu seinen Maßen und
seinem Herstellungsverfahren.
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Diese
Bänder
wurden anschließend
in erfindungsgemäße Kabel
mit einer Steigung von 0,1 bis 1,5 mm mit der in der Kabelfertigung
häufig
eingesetzten Technik der Umbänderung
integriert.
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Die
Umbänderung
kann mit Hilfe eines einzigen Bandes erfolgen, wobei sich die Windungen
gegenseitig oder auch nacheinander mit Hilfe von zwei Bändern mit
nebeneinander liegenden Windungen überlagern, wobei die Spiralwicklung
der beiden Lagen entgegengesetzt sind.
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Anhand
der in Tabelle II definierten Bänder
wurden erfindungsgemäße geschirmte
Kabel gefertigt.
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Die
Ader wird anhand von Kupferdrähten,
die mit Ag, Sn oder Ni beschichtet sind und ein Drahtmaß AWG von
8 bis 26 aufweisen, durch konzentrisches Verlitzen oder Roplay-Verlitzen
ausgeführt.
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Die
dielektrische Schicht bzw. Schichten sind aus Fluorthermoplasten
durch Strangpressen, aus Polyolefine oder PVC durch Strangpressen
oder auch aus einer Polyimid-Folie durch Umbänderung ausgeführt.
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Die
Magnetabsorptionsschicht ist, wie bereits erwähnt, mit Hilfe der in Tabelle
II definierten Bänder durch
Umbänderung
ausgeführt.
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Vorzugsweise
ist die Magnetabsorptionsschicht mit wenigstens einem Band mit ferromagnetischer
Legierung ausgeführt,
dessen Breite zwischen 0,3 und 4,0 mm und dessen Dicke zwischen
2 und 100 Mikrometer liegt.
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Die
an den Kabeln vorgenommenen Messungen zeigen ferner, dass die Dämpfung in
Abhängigkeit von
der Schichtdicke des absorbierenden Werkstoffs zunimmt. Dies ist
in der nachfolgenden Tabelle aufgezeigt:
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Durch
Einwirkung auf die Bänderzahl
und/oder die Band- bzw. Bänderdicke
ist es somit möglich,
die Absorptionswirkung den Bedingungen der Kabelverwendung anzupassen.
Entsprechendes gilt auch, wenn die Absorptionsschicht mit Feinstdrähten ausgeführt ist.
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Die
Schirmung, sofern vorhanden, ist mit Hilfe eines mit Ag, Sn oder
Ni beschichteten Kupferdrahts durch Umflechtung oder Umwicklung
ausgeführt.
Der Außenmantel
schließlich
kann aus Fluorthermoplasten, Thermoplastelastomer oder PVC durch
Strangpressen oder mit einer Polyimid-Folie durch Umbänderung
ausgeführt
sein.
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Die
Messungen, die hinsichtlich der hochfrequenten Filterung und Transferimpedanz
an den vorstehend beschriebenen und ein amorphes oder nanokristallines
Band verwendenden Kabeln vorgenommenen wurden, haben ähnliche
Ergebnisse geliefert wie die, die bei Kabeln erzielt wurden, die
mit Feinstdrähten
ausgeführt
sind.
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In 7 ist
die Dämpfung
des Kabels A, ausgedrückt
in dB/m, in Abhängigkeit
von der Frequenz F, ausgedrückt
in MHz, wiedergegeben. Kurve I entspricht den Kabeln nach dem Stand
der Technik, und Kurve II entspricht den Kabeln aus Tabelle II.
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Es
wurden verschiedene Messungen durchgeführt, insbesondere für die Zusammensetzungsbeispiele der
ferromagnetischen Legierung VI, VII und XIV aus der vorstehenden
Tabelle I.
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Diese
Messungen zeigen, dass für
die Legierung VI die Curie-Temperatur bei 350°C und die Kristallisationstemperatur
bei 510°C
liegt. Für
die Legierung VII betragen die Temperaturen 320°C bzw. 500°C, und für die Legierung XIV 300°C bzw. 490°C.
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Bei
den anderen Legierungen sind diese Messungen gleichartig.
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Es
ist somit festzustellen, dass diese Temperaturen deutlich über den
normalen Kabeleinsatztemperaturen liegen, die 260°C praktisch
nicht übersteigen.
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In 8 ist
der Wert des imaginären
Teils der Permeabilität
(μ'') in Abhängigkeit von der Frequenz F, ausgedrückt in MHz,
für verschiedene
Legierungen dargestellt. Die Kurven A, B und C entsprechen jeweils
den Legierungen VI, VII bzw. XIV. Diese Kurven zeigen, dass der
imaginäre
Teil der Permeabilität,
der die Magnetabsorptionswirkung am besten wiedergibt, ein sehr
ausgeprägtes
Maximum bei einer Frequenz von 10 MHz aufweist.
