DE944564C - Koaxiale oder symmetrische ebene Leitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft koaxiale und symmetrische ebene Leitungen und bezweckt, deren Dämpfung im Bereich hoher Frequenzen herabzusetzen. Nach den bisherigen Anschauungen erhält man.bei Koaxialleitungen dann die niedrigsten Dämpfungswerte über einen großen Frequenzbereich, wenn man einerseits das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser des Außenleiters und dem Außendurchmesser des Innenleiters auf ein Dämpfungsminimum bemißt und andererseits zur Erzielung einer kleinen Ableitungsdämpfung das Dielektrikum zwischen dem Innen- und Außenleiter als Luftraumisolierung mit einem möglichst hohen Luftantedl ausbildet.

Gemäß der Erfindung wird bei koaxialen Leitungen und ebenso bei symmetrischen' ebenen Leitungen eine Dämpfungsherabsetzung dadurch erreicht, daß man in das zwischen den beiden Leitern der Leitung befindliche Dielektrikum eine oder mehrere, aber nur wenige leitende Schichten einbettet, deren Dicke klein gegen den gegenseitigen Abstand der leitenden Schichten ist.

Die Erfindung steht in keinem Zusammenhang mit dem bekannten Vorschlag, zwei koaxiale Leitungen in konzentrischer Lage übereinander anzuordnen, wobei der mittlere rohrförmige Leiter gleichzeitig den Außenleiter der inneren Koaxialleitung und den Innenleiter der äußeren Koaxial-

leitung bildet. Bei diesen Doppel-Koaxialleitungen muß der in der Mitte liegende rohrförmige Leiter zur elektrischen Trennung der beiden Leitungen mit genügend dicker Wandung ausgeführt werden, und zwar weit dicker als das Doppelte der äquivalenten Leitschichtdicke.

Ferner ist die Erfindung nicht identisch mit den bekannten Schichtenleitungen, die aus vielen abwechselnd aufeinandergeschichteten dünnen Metall- und Isolierschichten bestehen. Bei diesen Schichtenleitungen muß für' die Gültigkeit der bisherigen Anschauungen und Berechnungen die Metallschichtdicke wesentlich kleiner als die äquivalente Leitschichtdicke sein, und zwar kleiner als ein Zehntel der Leitschichtdicke. Die für die bekannten Schichtenleitungen angestellten Berechnungen zeigen, daß sich ein Dämpfungsminimum dann ergibt, wenn die Metallschichtdicke' etwa das Doppelte der Isolierschichtdicke beträgt. Der sehr 2o' kleine gegenseitige -Abstand der Metallschichten hat aber zur Folge, daß die Widerstandsdämpfung bei gegebener Metallschichtdicke und bei gegebenen Gesamtabmessungen wegen der einsetzenden Stromverdrängung in den Metallschichten mit steigender Frequenz sehr stark (etwa mit dem Quadrat der Frequenz) anwächst. Diese Dämpfungserhöhung ist - bereits bei Frequenzen, bei denen die Metallschichtdicke noch vergleichsweise klein gegen die äquivalente Leitschichtdicke ist, so groß, daß die Widerstandsdämpfung ein Mehrfaches der nach den bekannten Gesichtspunkten ermittelten Optimaldämpfung beträgt.

Die Erfindung schließt sich an die bekannten koaxialen Leitungen an und geht von der Überlegung aus, daß sich bei einer Koaxialleitung die Widerstandsverluste sehr, ungleichmäßig auf den Innenleiter und den Außenleiter verteilen. Wegen des wesentlich größeren elektrisch wirksamen Querschnittes des Außenleiters gegenüber dem Innenleiter weist der Außenleiter für alle Frequenzen einen kleineren Verlustwiderstand auf als der Innenleiter. Durch die erfindungsgemäß vorge- - nommene Einbettung von wenigen leitenden Schichten in das Dielektrikum wird erreicht, daß - sich die Übertragungsströme im Innen- und Außenleiter in dem für die Übertragung ausgenutzten Frequenzbereich so einstellen, daß die Verluste in beiden Leitern gleich bzw. annähernd gleich werden. In der Fig. ι der Zeichnung wird unter der Annähme gleicher Gesamtabmessungen (Außendurchmesser der Leitung) die Abhängigkeit der Dämpfung α in Neper (N) von der Frequenz f für eine Koaxialleitung (Kurve d), für eine vielschichtige Schichtenleitung mit dünnen Metall- und Isolierschichten (Kurve b) und für eine .gemäß der Erfindung ausgebildete koaxiale Leitung mit wenigen im Dielektrikum angeordneten leitenden Schichten (Kurve c) dargestellt. Wie ersichtlich, hat die erfindungsgemäß vorgenommene Einfügung von wenigen leitenden Schichten in das Dielektrikum in einem weiten Frequenzbereich eine wesentliche Dämpfungsherabsetzung zur Folge. Durch den bekannten Schichtenleiter auf bau lassen sich zwar entsprechend der Kurve b noch kleinere Dämpfungswerte· in einem noch größeren Frequenzbereich erreichen, doch sind hierfür wesentlich dünnere und wesentlich mehr Metall- und Isolierschichten erforderlich. Derartige Schichtenleitungen sind daher sehr teuer in der Herstellung, wodurch deren Wirtschaftlichkeit in Frage gestellt ist. Zum Unterschied von diesen bekannten vielschichtigen Schichtenleitungen werden ernndungsgemäß sowohl wesentlich weniger als auch dickere Metallschichten angewendet. Die Dicke der einzelnen Metallschichten wird erfindungsgemäß vorteilhaft so gewählt, daß sie mehr als ein Fünftel bis etwa die Hälfte der bei der vorgesehenen höchsten Übertragungsfrequenz wirksamen äquivalenten Leitschichtdicke beträgt.

' Nach der Erfindung ist die Dämpfung und damit der Dämpftmgsgewinn gegenüber der koaxialen Leitung ohne Zwischenschichten bei dieser Frequenz derart von der Zahl der Schichten abhängig, daß sich für eine eindeutig zu bestimmende Schichtenzahl bzw. einen Schichtenabstand eine niedrigste Dämpfung und damit ein optimaler Dämpfungsgewinn ergibt.

Bei den diesbezüglichen Betrachtungen sei eine koaxiale Leitung angenommen, deren Innendurchmesser D des Außenleiters und deren Außendurchmesser d des Innenleiters gegebene feste Abmessungen haben. In das Dielektrikum zwischen dem Innen- und Außenleiter seien η Metallschichten gleichmäßig verteilt eingefügt, so daß sich η -\- I Isolierschichten ergeben. Weiterhin werde die Dämpfung bei einer Frequenz f₀ betrachtet, bei der durch die Einführung der Zwischenschichten gegenüber der gegebenen koaxialen Leitung ein möglichst hoher Dämpfungsgewinn erzielt werden soll. Die Dicke d_m der einzufügenden· Metallschichten sei nach den obigen Einschränkungen bei der Frequenz f₀ größer als ein Fünftel der äquivalenten Leitschichtdicke, im allgemeinen durch fabrikatorische und wirtschaftliche Gesichtspunkte gegeben.

Nach den angestellten Berechnungen setzt sich die.Dämpfung der betrachteten Leitung aus einem frequenzunabhängigen und einem frequenzabhängigen Teil zusammen, so daß für die Dämpfung α_(ίο) bei der Frequenz f₀ geschrieben werden kann:

Nach den weiteren, für die Erfindung wesentlichen Berechnungen ist die Abhängigkeit von der Schichtenzahl η für diese beiden Anteile derart verschieden, daß .sich für eine bestimmte Schichtenzahl n₀ 'bei gegebener Frequenz f₀ ein niedrigster Gesamtwert a^₀) ergibt.

In der Fig. 2 sind mehrere errechnete Dämpfungskurven für verschiedene Schichtenzahlen η lao gezeigt, und zwar gelten die Kurven von oben nach unten betrachtet für wachsende Schichtenzahlen, so daß also die obere Kurve, für eine niedrige und die untere Kurve für eine höhere Schichtenzahl gilt. Aus den gezeigten Kurven geht hervor, daß die Dämpfung mit Ansteigen der Schichtenzahl im

unteren Frequenzbereich fällt, aber im oberen Frequenzbereich höhere Werte annimmt. Aus der Fig. 2 ist auch die Abhängigkeit der Dämpfung α von der Schichtenzahl bei gegebener Frequenz f₀ zu entnehmen. Diese Abhängigkeit der Dämpfung von der Schichtenzahl wird in der Fig. 3 noch besonders veranschaulicht, in der gleichzeitig auch die Abhängigkeit der Grunddämpfung a₀ und der Zusatzdärnpfung Δ α von. de-r Schichtenzahl darger stellt ist. Aus der Fig. 3 ist zu entnehmen, daß sich bei dem betrachteten Beispiel ein Dämpfungsminimum bei der Schichtenzahl n₀ ergibt. Durch eine derartige optimale Bemessung der Schichtenzahl lassen sich im Rahmen der Erfindung auch optimale Dämpfungswerte erreichen.

Die in das Dielektrikum eingebetteten Metallschichten brauchen nicht als geschlossene Schichten ausgeführt zu werden. Irgendwelche, vorzugsweise gleichmäßig verteilte Spalten bzw. Lücken in den Metallschichten sollen aber bevorzugt in Längsrichtung verlaufen. Beispielsweise können die Schichten aus innerhalb der Schichten in Abständen angeordneten dünnen Metallfolien bestehen.

Eine besonders einfache und billige Ausführung besteht darin, die leitenden Schichten aus in Abständen voneinander angeordneten, möglichst in Längsrichtung verlaufenden Leitern auszubilden, deren Dicke klein gegen den gegenseitigen Abstand ist. Für diesen Fall ist es sogar möglich, die Dicke der einzelnen Leiter' größer als die äquivalente Leitschichtdicke zu machen. Die in Abständen angeordneten Leiter können aus mehreren gegeneinander isolierten Teilleitern bestehen, so daß in Abständen angeordnete Leitergruppen entstehen.

Innerhalb dieser Leitergruppen werden die Teilleiter vorteilhaft miteinander verdrillt. Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, etwa drei oder vier isolierte Teilleiter um eine gemeinsame Achse miteinander zu verdrillen. Ferner können die Teilleiter nach Art von Hochfrequenzlitzen nach dem Wiederkehrprinzip miteinander vereinigt werden. Insbesondere bei Aufbau der Leiter aus nur wenigen Teilleitern genügt die Isolierung der Teilleiter mit dünnen Isolierschichten. Im Rahmen der Erfindung wird es aber vorgezogen, die Dicke der Teilleiter klein gegen deren gegenseitigen Abstand zu machen, indem man die Teilleiter beispielsweise mit einer verhältnismäßig dicken Luftraumisolierung versieht. Auch bei dieser Ausführung kann die Dicke der Teilleiter größer als die äquivalente Leitschichtdicke sein.

In den Fig. 4 bis 8 sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen zunächst den prinzipiellen Aufbau von Leitungen gemäß der Erfindung, und zwar zeigt die Fig. 4 eine koaxiale und die Fig. 5 eine symmetrische ebene Leitung. Die koaxiale Leitung nach der Fig. 4 besteht aus dem Innenleiter 10, dem Außenleiter 11 und den in das Dielektrikum eingebetteten dünnen Metallschichten 12, während die ebene Leitung nach der Fig. 5 a"s den beiden parallel verlaufenden Flachleitern 13 und 14 und den Metallschichten 15 besteht. Wie ersichtlich, ist der gegenseitige Abstand α der Metallschichten und deren Abstand von den beiden Leitern der Leitung sehr groß gegen die Metallschichtdicke.

Die Erfindung ist sowohl für Leitungen mit einem festen bzw. vollen Dielektrikum als auch für Leitungen mit einem lufthaltigen Dielektrikum anwendbar. Zur Erzielung einer kleinen Ableitungsdämpfung ist aber naturgemäß das lufthaltige Dielektrikum vorzuziehen. Vorzugsweise werden für das Dielektrikum Isolierstoffe mit kleiner Dielektrizitätskonstante und kleinen dielektrischen Verlusten verwendet, z. B. Polystyrol, Polyäthylen od. dgl.

Die Fig. 6 zeigt in Anlehnung an die Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwischen den Metallschichten 12 fortlaufende Abstandhalter 16 in offene Windungen gewickelt sind. Für diese Abstandhalter werden vorzugsweise Fäden aus Polystyrol oder Polyäthylen verwendet.

Nach der Fig. 7 sind die in das Dielektrikum eingebetteten Metallschichten mit Längsspalten 17 versehen. Die Schichten werden vorteilhaft durch längsverlaufende dünne Metallfolien gebildet.

In der Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Metallschichten aus in verhältnismäßig großem Abstand voneinander angeordneten dünnen Leitern 18 bestehen. Zur Herstellung einer derartigen Leitung werden auf den Innenleiter 10 aufeinanderfolgend dicke Isolierschichten und offene Leiterlagen aufgebracht.

Die Erfindung hat wegen der geringen Anzahl von leitenden Schichten gegenüber den vielschichtigen Schichtenleitungen außerdem noch den Vorteil, daß die Ankopplung von Übertragungselementen, wie Sender, Empfänger und eingeschaltete Verstärker, sowie die gegenseitige Verbindung von aufeinanderfolgenden Kabellängen wesentlich erleichtert wird.

Die Fig. 9 bis 12 zeigen einige Ausführungsbeispiele von Ankopplungsschaltungen für koaxiale Leitungen, die sinngemäß auch für symmetrische ebene Leitungen in Frage kommen. In allen Figuren ic« sind in Übereinstimmung mit den Fig. 4 und 6 bis 8 der Innenleiter mit io, der Außenleiter mit 11 und die Metallschichten mit 12 bezeichnet.

Es wird angenommen, daß eine Koaxialleitung gemäß der Erfindung mit einer Leitung 19 über einen Übertrager 20 verbunden wird. Nach der Fig. 9 sind nur der Innen- und Außenleiter mit dem Übertrager 20 verbunden. Abweichend hiervon ist nach der Fig. 10 die dem Innenleiter am nächsten liegende Metallschicht mit dem Innenleiter und die dem Außenleiter am nächsten liegende Metallschicht mit dem Außenleiter kurzgeschlossen, so daß nur noch die mittlere Metallschicht unverbunden bzw. frei liegen bleibt. In der Fig. 11 ist ein Beispiel dargestellt, bei dem alle Metallschichten einzeln mit bestimmten Potentialen des Übertragers 20 oder eines anderen Spannungsteilers verbunden sind. Es ist aber auch möglich, jeweils mehrere Metallschichten zu einer Gruppe zusammenzufassen und die so gebildeten Gruppen an bestimmte Potentiale des Übertragers anzu-

schließen, wie dies die Fig. 12 beispielsweise zeigt. Durch derartige Ankopplungsschaltungen, insbesondere mittels der Ankopplungsschaltungen nach den Fig. 11 und 12, läßt sich eine reflexionsfreie Anpassung der Koaxialleitung an die weitergeführte Leitung 19 erreichen.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene weitere Ausführungsmöglichkeiten denkbar, und zwar sowohl hinsichtlich des Aufbaues der Leitungen als auch hinsichtlich der Ankopplungs-■ schaltungen. Eine vorteilhafte Aasführungsform, insbesondere für symmetrisch ebene Leitungen, besteht darin, die Isolierung zwischen den leitenden Schichten als Schaumstoffisolierung auszubilden.

IS Die koaxialen. Leitungen können auch einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt erhalten.

Claims (15)

Patentansprüche.·

1. Koaxiale oder symmetrische ebene Leitung, ao dadurch gekennzeichnet, daß in dem zwischen den beiden Leitern der Leitung befindlichen Dielektrikum eine oder mehrere, aber nur wenige leitende Schichten (Metallschichten) eingebettet sind, deren Dicke klein gegen den gegenseitigen Abstand der leitenden Schichten ist.

2. Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Metalischichten bei gegebener Schichtdicke und gegebenen Gesamtabmessungen so bemessen ist, daß sich bei der höchsten Übertragungsfrequenz ein Minimum der Dämpfung ergibt.

3. Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß" die Dicke der Metallschichten mehr als ein Fünftel bis etwa die Hälfte der bei der höchsten Übertragungsfrequenz wirksamen äquivalenten Leitschichtdicke beträgt.

4. Leitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl η der Metallschichten kleiner gewählt ist, als sie sich bei dem berechneten Optimum ergibt.

5. Leitung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten mit gleichmäßig verteilten Spalten bzw. Lücken versehen sind, die· vorzugsweise in Längsrichtung verlaufen.

6. Leitung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht geschlossenen Metällschichten aus in Abständen angeordneten dünnen Metallfolien bestehen.

7. Leitung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht geschlossenen Metallschichten aus in Abständen voneinander angeordneten Leitern bestehen, deren Dicke klein gegen den gegenseitigen Abstand ist.

8. Leitung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Leiter größer als die äquivalente Leitschichtdicke ist.

9. Leitung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter aus mehreren gegeneinander isolierten, vorteilhaft miteinander verdrillten Teilleitern bestehen.

10. Leitung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß etwa drei oder vier isolierte Teilleiter um eine gemeinsame Achse miteinander verdrillt sind.

11. Leitung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß- die Teilleiter nach Art von Hochfrequenzlitzen nach dem Wiederkehrprinzip zusammengefaßt sind. .

12. Leitung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Teilleiter klein gegen deren gegenseitigen Abstand ist.

13. Leitung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder .Teilleiter mit einer Luftraumisolierung versehen ist.

14. Leitung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Teilleiter größer ist als die äquivalente Leitschichtdicke.

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15. Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den leitenden Schichten liegenden Isolierschichten als lufthaltige Schichten unter Verwendung von Isolierstoffen mit kleiner Dielektrizitätskonstante und kleinen dielektrischen Verlusten, z. B. Polystyrol, Polyäthylen od. dgl., ausgebildet sind.

16. Leitung mit -koaxialer Leiteranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die.Isolierschichten durch in offenen Windungen verlaufende fortlaufende Abstandhalter gebildet sind.

17. Leitung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichten bzw. die Abstandhalter aus Schaumstoff bestehen. ·

18. Ankopplungsschaltung für eine Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das angeschlossene .Übertragungselement nur mit den beiden Leitern der Leitung verbunden ist, so daß die Metallschichten unverbunden bzw. frei liegen, bleiben (Fig. 9).

19. Ankopplungsschaltung für eine Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das angeschlossene Übertragungselement mit den beiden Leitern der Leitung einschließlich der den beiden Leitern am nächsten liegenden, mit diesen kurzgeschlossenen Metallschichten verbunden ist, so daß eine oder mehrere in der Mitte liegende Metallschichten unverbunden bzw. frei liegen bleiben (Fig. 10).

20. Ankopplungsschaltung für eine Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten einzeln oder gruppenweise mit bestimmten Potentialen eines angeschlossenen Spannungsteilers, z. B. eines Übertragers, verbunden sind (Fig. 11 und 12).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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