DE1640559A1 - Dielektrischer Wellenleiter - Google Patents
Dielektrischer WellenleiterInfo
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Description
Dipl.-Ing. H. Ciaessen
Pat entanwalt
Pat entanwalt
7 Stuttgart-Zuffenhausen
Hellmuth-Hirth-Strasae 42
Hellmuth-Hirth-Strasae 42
ISE 3744
C.C.Eaglesfield-C.K.Kao 17-5
C.C.Eaglesfield-C.K.Kao 17-5
INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, 67 Broad Street, New York 4, N.Y., USA
Die Priorität der entsprechenden britischen Anmeldung 46448/66 vom 18· Oktober I966 wird in Anspruch genommen.
Die Erfindung bezieht sich auf einen dielektrischen Wellenleiter für die Übertragung elektromagnetischer Energie mit
einem zylindrischen Kern aus einem transparenten, dielektrischen Festkörper. Solche Wellenleiter werden vorwiegend
bei optischen Frequenzen oder im Mikrowellenbereich benötigt.
Es sind dielektrische Wellenleiter für die Übertragung elektromagnetischer Energie bekannt, die aus einem transparenten
dielektrischen Kern bestehen, der von einer dielektrischen transparenten Schicht, dessen Brechungsindex
geringer ist als der des Kerns, umgeben ist. Die
I0.10.1967 109809/0596
be-gu -2-
Wellenfortpflanzung iat auf eine totale innere Reflexion
an den zwischen Kern und Schicht befindlichen Grenzflächen
zurückzuführen. Dieses schliesst Jedoch nicht aus, dass
die Energie vollständig in dea Kern enthalten ist, da durch die totale innere Reflexion das Feld um einen kleinen
Betrag in das Mediusi geringeren Brechungsindex eindringt.
Das Feld erstreckt sich in die Schicht hinein, fällt aber sehr schnell alt dea Radius ab und kann deshalb in einem
kleinen Abstand tob Kern als vernachlässigbar betrachtet werden·
Wenn der Wellenleiter für die Übertragung von Informationen
benutzt werden soll, ist es wünschenswert, die Zahl der Wellentypen, ait welchen die Energie transportiert wird,
zu beschranken, da ia allgemeinen jeder Wellentyp eine
verschiedene Geschwindigkeit besitzt und die Information am Ende der Yellenführung für verschiedene Yellentypen zu
verschiedenen Zeiten ankäae. Ua eine solche Verwirrung auszuschliessen, zieht man einen Wellenleiter vor, der
nur einen einzigen Wellentyp zulässt.
Dieses kann man dann erreichen, wenn der Durchmesser des Kerns klein genug ist. Der kritische Durchmesser für einen
einzigen Wellentyp hängt von dem Sprung des Brechungsindex zwischen dea Kern und der Schicht ab. Wenn dieser
Sprung gross ist, kann der Kerndurchmesser einen Bruchteil der Wellenlänge betragen, und das Feld des ersten
109809/0596
-3-
16A0559
Wellentyps kann wirksam genug in einem Durchmesser von
wenigen Wellenlängen begrenzt werden. Venn der Sprung
klein ist, kann der Kerndurchmesser ein paar Wellenlängen betragen, wobei sich das Feld entsprechend tiefer in die
Schicht hineinjerstreckt.
zn begrenzen, entweder um die Materialkosten oder den
höhen. Je nach der Wellenlänge kann der eine oder andere
form bevorzugt werden.
Der Durchmesser der Schicht nuss jedoch gross genug sein,
damit praktisch das gesamte Feld des Wellentype darin eingeschlossen ist. Bei Wellenlängen im Millimeterbereich
ist der Raumbedarf der wichtigste Gesichtspunkt, und es soll deshalb der Durchmesser der Schicht auf etwa Io Wellenlängen begrenzt sein, vorausgesetzt, dass ein grosser "
Sprung des Brechungsindex vorhanden ist. Bei dem oben erwähnten zweiten Fall der wesentlich kleineren optischen
Wellenlängen ist ein kleiner Sprung des Brechungsindex vorhanden und es kann ein Schichtdurchmesser von ungefähr
loo Wellenlängen gewühlt werden. Diese Wahl hat den Vorteil, dass die Energie weniger über den Querschnitt
-fc-
10 98 no.'* 596
BAD ORIGINAL
konzentriert tat und die Welle mehr Energie ohne unnötige dielektrische Kraft transportieren kann.
Im allgemeinen liegt der gewählte Schichtdurchmesser im
Bereich Ton Ιο-loo Wellenlängen. Welche Wahl auch immer getroffen wird, es ist notwendig, den Einfluss der äusseren
Oberfläche der Schicht zu berücksichtigen.
Wenn die Schicht von einem Medium umgeben ist, das einen geringeren Brechungsindex aufweist, z. B. Luft, so entsteht
Totalreflexion und die Schicht trägt dann selbst die
Welle. Diese Schichtwellen entkräften die Bedenken, die gegen die Verwendung eines einzelnen Kernwellentyps gerichtet
sind.
Wenn die Schicht von einem Medium höheren Brechungsindex umgeben ist, entsteht an der Grenzfläche zu diesem äusseren
Medium eine Brechung und es ergibt sich dann die gleiche Erscheinung, wie an der Oberfläche des äusseren Mediums.
Es tritt ausserdem an den Flächen zwischen der Schicht und diesem äusseren Medium eine Reflexion auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wellenleiter zu schaffen, der unter Berücksichtigung der obigen
Ausführungen eine einwandfreie Wellenführung gestattet und herstellungstechnisch sehr einfach ist.
109809/0596 ~5~
Gemäss der Erfindung weist der dielektrische Wellenleiter eine mit dem Kern in inniger Berührung stehende
erste zylindrische Schicht aus transparentem dielektrischem Material auft dessen Brechungsindex kleiner ist als der
des Kerns, sowie eine zweite, mit der ersten Schicht in engem Kontakt stehende dielektrische, zylindrische
Aus s ens chi eh. t mit dem gleichen Brechungsindex jedoch geringerer
Durchlässigkeit wie die erste Schicht·
Bs sei daraufhingewiesen, dass die Bezeichnung "Brechungsindex"
nur für den realen Teil des Brechungsindex zutrifft und nicht auch für die imaginäre Komponente, die
im allgemeinen kleiner ist als die reale Komponente, die die Undurchlässigkeit des Materials charakterisiert.
Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierin zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen zylindrischen, dielektrischen Wellenleiter,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den gleichen Wellenleiter.
-6-
109809/05 9 6
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Aueführungsbeispiel besteht der Kern 1 aus Glasfasern und wird von einer inneren Glasschicht
2 umgeben, welche ihrerseits von einer äusseren Glasschicht 3 ummantelt ist. Ursprünglich sind der Kern und
die beiden Schichten von grösserem Durchmesser und ineinander angeordnet. Diese Anordnung wird dann erhitzt, bis dass das
Glas flüssig wird, wonach die konzentrische Anordnung in Längsrichtung gestreckt wird, bis dass die herausgezogenen
Fasern die gewünschten Diaensionen aufweisen» Beia Herausziehen
des zähflüssigen Glases erfährt das ursprünglich lose Schichtmaterial einen Einschrumpfungsprozess· Der
Brechungsindex des Kerns und der Schichten und die Durchlässigkeit
der äusseren Schicht hängen von der Zusammensetzung des verwendeten Glases ab·
Im folgenden soll der übertragene Yellentyp in den beiden Schichten näher betrachtet werden. Es zeigt sich, dass es
zwei Arten von Yellentypen gibt· Der erste Typ χ entsteht durch die Reflexion an der Grenzfläche zwischen der inneren
Schicht 2 und der ausβeren Schicht 3. Wegen des gleichen
Brechungsindex ist die Reflexion ausschliesslich auf die Änderung in der Durchlässigkeit zurückzuführen und weist
keine Besonderheit auf mit Ausnahme derjenigen Yellentypen, die beim Einfall die Grenzfläche nur streifen.
-7-
1098 0 9/0596
BAD ORlÄÖIr ? y
Venn der Einfall weniger flach erfolgt, dringen die Wellen
in die Mussere Schicht ein und werden an der ttuaaeren
Fläche totalreflelciert (Ea wird davon ausgegangen, daaa die Auaaenachicht von Luft uageben iat). Hierdurch wird
ein zweiter Wellentyp y erzeugt.
Beide Wellentypen werden gedaapfti die erittn Wellen durch
die unvollständige Reflexion und die zweiten durch den
doppelten Durchgang durch die teilweiae undurchlässige Auseenechicht. Der erate Wellentyp wird starker gedäapft,
«•na die Auaaenachicht durohlMaaiger gewacht wird, wahrend
der zweite Wellentyp eine atftrkere Daapfung erfahrt, indeai
die Ausaenschicht undurchlKsaiger gemacht wird. Da beide
Bxtreafalle nicht vorteilhaft sind, sollt· hiaslehtlich
der Durchlässigkeit «in XoHproniss geschlossen werden.
sehr geringe Undurchlasslgkeit ausreicht, in eine hohe ί
hervorzurufen, dann wird auch der erste Wellentyp stark gedaapft infolge der sehr geringen Reflexion. Dieses ist
aber nicht günstig, da der Durchaesaer der Schicht be-
i«t.
schrankt Aind die ttussere Schicht den Oesaatdurchaesser
schrankt Aind die ttussere Schicht den Oesaatdurchaesser
nicht stark vergr»sseren sollte.
-8-
109809/0596 BAD ORfGiMAl,
Ee erscheint günstig, einen Durchmesser der Aussenschicht
zu wählen, der den Schichtdurchmesser um etwa 1o $ überschreitet.
Bei einer solchen äusseren Schichtdicke ist es möglich, einen Kompromiss hinsichtlich der Undurchlässigkeit
zu erreichen, bei welcher die gleiche Dämpfung für die am wenigsten gedämpften Wellentypen beider Arten
erreicht wird.
Im folgenden soll eine theoretische Berechnung einer geeigneten Undurchlässigkeit für die äussere Schicht vorgenommen
werden für die zwei genannten Yellentypent
Dieser Wellentyp entsteht an der Reflexion der Grenzfläche zwischen der inneren und äusseren Schicht und ist mit χ
gekennzeichnet (Fig.2).
Je nach dem, ob die Welle mit dem elektrischen Vektor in der Zeichenebene oder senkrecht hierzu polarisiert ist,
sind die Koeffizenten der Amplitudenreflexion durch folgende Gleichung gegeben:
-9-
109809/0596
BAD
1 + R,., / Ji\rt 1 + R., n
11 (n + ik)cosQ 1 η cosO
1 - R11 ~ η cos© ' 1 - R ~ (η + ik)cosQ '
wobei sinfl1 . η ^n-/ λ .,
ist und wobei R1 und R11 die Amplitudenreflexionskoeffizenten
an der Grenzfläche zwischen der inneren Schicht und der ausseren Schicht darstellen, η + ik der komplexe Brechungsindex
der ausseren Schicht und η der Brechungsindex der
inneren Schicht. Ferner bedeuten K s k/n oder Dämpfungskoeffizent
(Löschungskoeffiζent) der ausseren Schuht
und θ, Θ1 die Einfalls- und Brechungswinkel an der Grenzfläche
zwischen der inneren und der äusseren Schicht.
Hieraus ergibt sieht
cos© -^ ji - (1 - Xk)2SXn2QJ
N-- !cos2© + 2ik sin2Qj
Da nur von einer geringen Undurchlässxgkeit der Schicht
ausgegangen ist, wurde K in der vorstehenden Formel als klein angenommen.
-1ο-
10 9 8 0 9/0 B 3 6
BAD
- Io -
Wie bereit· oben bemerkt, ist die Reflexion nur beachtlich
bei nahezu streifenden Einfall, d.h. für einen Vert von 0 von ungefähr '' /2. Somit kann man sinO ungefähr als 1
und cosO ala sehr klein annehmen. Darüberhinaus kann man
2
davon ausgehen, das* cos 0 im Verhältnis zu 2K klein ist.
davon ausgehen, das* cos 0 im Verhältnis zu 2K klein ist.
T + R
-^
cosO
- R CT 1 - cos© Cl - i)
R2 ~=^ 1 - 2cosO
?72~
db.
Da der axiale Abstand zwischen den Reflexionen (wenn man
den Einfluss des Kerns vernachlässigt)
d tan© 2s —~
cosQ
cosQ
-11-
109809/0 5 96
BAD
beträgt, wobei d der Kutter« Durchmesser der inneren Schicht
bedeutet, dann 1st die Dämpfung pro axialer Längeneinheitt
8.a cot ft ..
* - io ab·
* - io ab·
Um die geringste Dampfung dieser Wellentypen zu ermitteln,
muss der kleinstmögliche Wert von cos· eingesetzt werden.
Aus der obigen Formel ergibt sich, dass R-^-I ist. Dieser
Wert trifft auch für die TE-WeIlentypen in einem hohlen
kreisförmigen Wellenleiter mit einer reflektierenden Metallhülle zu. Die niedersten Wellentypen dieser Art entsprechen
ungefähr den niedersten Typen der metallischen Wellenleiter, die mit TE bezeichnet werden und wofür gilts
cot« β 1.8*» ,
wobei 4 die in dem Dielektrikum gemessene Wellenlänge ist. Setzt man den Wert von coeO ein, so ergibt sich die niedrigste
Dampfung des ersten Wellentyps von
I 2
3 — '— db/pro axiale Längeneinheit. (i)
IT' d3
Diese Wellentypen entstehen bei Reflexion an der Grenzfläche
zwischen der ausseren Schicht und werden mit y in Fig. 2 gekennzeichnet. Es wird davon ausgegangen, dass
8 0 9/0596
-12
BAD
der Einfall derart ist, dass praktisch durch die Grenzfläche zwischen der inneren und äusseren Schicht ein
vollständiger Durchgang stattfindet. Dieses wird später
noch näher erläutert.
Die Dämpfung pro Längeneinheit in der äusseren Schicht beträgt:
db.
Bei einen Durchgang durch den Wellenleiter wird die äAssere
Schichtdicke zweimal durchdrungen. Die Länge des Weges in der äusseren Schicht beträgt
2t/cosö,
wobei t die Dicke der äusseren Schicht ist und die Dämpfung
pro Durchgang
beträgt.
-13 -
109809/0596
BAD ORIGINAL
Die axiale Länge eines Durchgange· (wenn man den Kern ver nachlässigt) beträgt:
(2t + d) tan O.
Die Dämpfung pro axiale Yellenlängeneinheit ist dann:
Die Dämpfung pro axiale Yellenlängeneinheit ist dann:
Den kleinsten Wert der Dämpfung erhält man nach dieser Formel durch Einsetzen von ein© m 1. Vie später noch
erläutert wird, ist diese Annahme gerechtfertigt. Der
Ausdruck kann vereinfacht werden, indem man annimmt, dass der Durchmesser der äusseren Schicht denjenigen
der inneren Schicht um 1e $ überragt» Der geringste Dämpfungswert für den zweiten Wellentyp beträgt dann:
5 j db/axiale Längeneinheit. (2)
3 = 5 j
ist, dann erhält man
ist, dann erhält man
κ. o. 7 4p2 .109809/0596 (3)
1640553
Di·*·« ist der ang*noaa«ne Dämpfungsindex. Das Minimum
der Dämpfung wird erreicht bei
ψ * · (M
Bei einer optischen (sichtbaren) Wellenlänge von O.5 x 1o~ m und d/Jl m loo, vie bereite früher angenommen
wurde, ist die Minimumdämpfung bei den Schichtwellen um
700 db/m (Gleichung h) , also eine« Wert, der die Dämpfung
der Kernwellen so weit überragt, dass die Schichtwellen mit
Sicherheit vernachlässigt werden können.(Die Dämpfung der Kernwellen wird durch die Durchlässigkeit der erhältlichen
Materialien begrenzt! zur Zeit sind Materialien mit ungefähr
1 db/m erhältlich, aber es ist anzunehmen, dass zukünftig Materialien mit 0.0I db/m erhältlich sind.)· Die
Dämpfung des Schichtmaterials ist bei diesem Beispiel zufällig ungefähr 75oo db/m, so dass eine Dicke von ungefähr
3 mm oder grosser vollständige Schwärze hervorruft.
Bei einer Wellenlänge im Millimeterbereich, z. B. 1o m,
ist die Minimumdämpfung der Schichtwellen bei ein am Wert
von ä./χ = Io, wie früher angenommen wurde, gleich 35 db/m.
Um für den Millimeterbereich einsetzbar zu sein, lürfen
die Wellentypen des Kerns eine Dämpfung von höchstens
-15-
10 9 8 0 9/0596
o.oi db/m aufweisen, so dass die Schichtwellen relativ hoch
gedämpft werden, obschon hier ein geringerer Sicherheitsspielraim
vorhanden sein kann als bei den optischen Wellenlängen (Die derzeit erhältlichen Dielektrika begrenzen die
Dämpfung der Meilentypen dee Kerns auf ungefähr 1 db/m·)·
Der Brechungsindex der Musseren Schicht wurde gleich dem der inneren Schicht angenommen. Die notwendige Genauigkeit
dieser Anpassung wird nun naher betrachtet·
Venn man h. * für die relative Änderung des
Index annimmt, (der positive Wert zeigt an, dass der Brechungsindex der Museeren Schicht grosser ist), so ist
bei einem negativen ¥ert von £ die Gefahr einer inneren
Totalreflexion an den Grenzflächen. Es ist deshalb sicherer festzulegen, dass fc, nicht negativ ist. Bai einem positiven
Wert von t.- ergibt sich eine sehr geringe Wirkung auf die
Reflexion und auch auf die Dämpfung das ersten Wellontvps,
vorausgesetzt, dass (L kleiner als K ist. Es ergibt sich deshalb folgendes Erfordernis!
o< E £ κ.
-16-
109809/Π596
BAD ORiQINAt
Es sei noch daraufhingewiesen, dass es einen kritischen
negativen Wert von £ gibt, und zwar bei
1 + £ - sinO , .
wobei O der Winkel für den niedrigsten Wellentyp ist.
Sosit ist:
1 + £ «1-1/2 / 1.84
\ rr
also <£' ■ - 1A κ·
-k
Io liegt, einem Wert, der bei Glas annehmbar ist. Xm
Io liegt, einem Wert, der bei Glas annehmbar ist. Xm
_2 Milliaeterbereich kann K ungefähr 1o sein. Dieser Wert
trifft zu bei Kunststoff.
Während Glas das geeigneste Medium für die Fortpflanzung
elektromagnetischer Energie bei optischen Frequenzen zu sein scheint, können auch andere Materialien für die Verwendung
bei verschiedenen Frequenzen geeignet sein. So können «it Kunststoffen, die leicht gespritzt werden
können, zufriedenstellende Ergebnisse für die Übertragung
-17-
109809/0596
BAD ORiGfNAi
im Mikrowellenherd ich erzielt werden. Di· Verfahren zur
Herstellung von Glas oder anderen Stoffen «it besonderen Brechungeindices und Durchlässigkeiten sind gut bekannt
und brauchen hier nicht nSher erläutert zu werden·
- 18 -
109809/0596
Claims (8)
- — IO —PatiiitksiprttchΊ. Dielektrischer Wellenleiter fur die Übertragung elektromagnetischer Energie mit einem zylindrischen Kern aus einem transparenten, dielektrischen Festkörper, gekennzeichnet durch eine mit dem Kern (f) in inniger Berührung stehenden ersten zylindrischen Schicht (2) aus transparentem dielektrische« Material, dessen Brechungsindex kleiner ist als der des Kerns, sowie einer zweiten, mit der ersten Schicht in engem Kontakt stehenden dielektrischen, zylindrischen Aussenschicht (3) mit dem gleichen Brechung·index Jedoch geringerer Durchlässigkeit wie die erste Schicht.
- 2. Dielektrischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durehmesser der ausseren Schicht mindestens 5 Jt grSsser ist als der Durchmesser der inneren Schicht.
- 3. Wellenleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Xusseren Schicht den Durchmesser der inneren Schicht um ungefähr Io % überragt.
- 4. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfungeindex des Materials der äusseren Schicht weniger109809/0596BAD ORiGfNAI.al· da· Zweifach· des Quadrat« au« de« Quotienten von der Wellenlänge und des Durcheesaer der äusseren Schicht beträgt.
- 5. Wellenleiter nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, daas der Däapfungsiiidex ungefähr 70 £ des Quadrat« au« de· Quotienten von der Wellenlänge und dea Durchmesser der äusseren Schicht beträgt.
- b. Wellenleiter nach Anspruch 1a dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus des Durchmesser der äusseren Schicht und der Wellenlänge zwischen Io und I00 liegt·
- 7. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« dass er aus Glas besteht.
- 8. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« | dass er aus Kunststoff besteht.109ΡΠ9BAD OBiGINAL.toeerseite
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