DE1665270A1 - Elektrische Leitung zur Signaluebertragung oder zur Wechselstrom-Energieuebertragung - Google Patents

Description

»AT« »TA 11WAI·»

Dipl. iNo. B. HOLZEK

1565770

Augsburg, den 5. Oktober 1967

National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74· Victoria Street, London S.W.1, England

Elektrische Leitung zur Signalübertragung oder zur Wechselstrom-Energieübertragung

Sie Erfindung betrifft elektrische Leitungen und ist sowohl auf Leitungen zur Signalübertragung als auch auf Leitungen zur Wechselstrom-Energieübertragung anwendbar.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Übertragung elektromagnetischer Energie bei der Portleitung zwischen zwei Leiteroberflächen, beispielsweise längs einer Bandleitung oder eines Koaxialkabels, im Gegensatz zu einer allgemein gemachten Annahme nach zwei verschiedenen Formen vor sich geht und nicht einfach die Form einer transversalen elektromagnetischen Welle (TEM-Welle) hat. Diese Zwitterform der Energieausbreitung besteht in einer Kombination einer

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Oberflächenwelle und einer transversalen elektromagnetischen Welle, wobei die erstere von der jeweiligen Oberflächenreaktanz der Leiteroberflächen abhängig ist·

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die Dämpfung elektrischer Leitungen zu vermindern.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einer elektrischen Leitung zur Signalübertragung oder zur Wechselstrom-Energieübertragung mit zwei im Abstand voneinander angeordneten Leiteroberflächen aus und eine derartige elektrische Leitung ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erzeugung einer asymmetrischen Ausbildung der beiden, sich auf den Leiteroberflächen ausbreitenden Oberflächenwellen die Oberflächenreaktanz einer der Leiteroberflächen größer als diejenige der anderen Leiteroberfläche ist.

Durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Oberflächenreaktanz einer der beiden Leiteroberflächen ergeben sich asymmetrische Verhältnisse hinsichtlich der Oberflächenwelle und es wurde gefunden, daß die Dämpfung einer entsprechenden Welle bedeutend geringer ist als ohne das Auftreten von Asymmetrie. Vorzugsweise ist die Asymmetrie so stark, daß

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der Nullpunkt des elektrischen Feldes der beide Ausbreitungsformen aufweisenden Hybridwelle so nahe wie möglich an der jeweils gegenüberliegenden Leiteroberfläche liegt.

Die Mittel zur Erzeugung der asymmetrischen Oberflächenwelle können die Fora eines Belages aus einen Dielektrikumswerkstoff haben, welcher auf einer der beiden μ Leiteroberflächen in solcher Dicke vorgesehen ist, daß die Dämpfungszunahme aufgrund der zusätzlichen Verluste in dem Belag geringer als die Dämpfungsabnahme aufgrund der sich ergebenden besonderen Oberflächenwelle ist.

Andererseits können die Kittel zur Erzeugung der asymmetrischen Oberflächenwelle auch die Form eines Wellenprofiles haben, welches an einer der beiden Leiteroberflächen vorgesehen ist. Dieses Profil kann durch Rillen gebildet sein, die rechtwinkelig zur Ausbreitungsrichtung { der Welle verlaufen und vorzugsweise etwas geringere Tiefe als eine Viertelswellenlänge des Wellenprofils haben, so daß das Verhältnis der Oberflächenreaktanz zum Oberflächenwider at and einen maximalen Wert erhält.

Hat die Übertragungsleitung die Form eines Koaxial-»

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kabeis, so kann vorzugsweise auf der Oberfläche des Innenleiters ein Belag aus einem Dielektrikumswerkstoff aufgebracht sein. Ist das Hauptdielektrikum in dem Kabel Luft, so kann der Belag Polyäthylen (Polythene) oder Polystyrol enthalten. Ist als Hauptdielektrikum im Koaxialkabel Polyäthylen (Polythene) oder Polystyrol vorgesehen, so muß der Belag aus einem Werkstoff bestehen, dessen Dielektrizitätskonstante größer als diejenige des Hauptdielektrikums ist.

Die Erfindung kann auf Resonatoren Anwendung finden, welche eic bestimmtes, in der erfindungsgemäßen V/eise aufgebautes Leitungsstück enthalten können, das anseinen einander gegenüberliegenden Enden mit Reflexionselementen abgeschlossen ist.

Außerdem ist die Erfindung auf 7/echselstrom-Energieübertragungsleitungen mit der normalen Betriebsfrequenz von 50 Kz oder 60 Hz anwendbar. Solche Übertragungsleitungen haben im ellgemeinen die Form einer Paralleldrahtleitung mit zwei im Abstand voneinender parallel verlaufenden Leitern, von denen einer erfindungsgemäß mit einem Belag aus einem dielektrischen Jerkstoff versehen ist, der eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante

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aufweist, wofür beispielsweise ein Ferrit in Frage kommt.

Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:

Figur 1 einen Querschnitt durch ein Koaxial

kabel nach der Erfindung,

Figur 2 einen Axiallängsschnitt durch das

erfindungsgemäße Kabel nach Figur 1,

Figur 3 eine graphische Darstellung der

Beziehung zwischen der Dämpfung und der Dicke des Dielektrikumsbelages des erfindungsgemäßen Kabels nach den Figuren 1 und 2,

Figur 4- einen Axiallängsschnitt durch eine

andere Ausführungsform der Erfindung mit einer mit einem Wellenprofil versehenen Leiteroberfläche, und

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Figur 5 ein erfindungsgemäßes Kabel bzw.

eine erfindungsgemäße Leitung zur Leistungsübertragung.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Querschnitt durch ein Koaxialkabel nach der Erfindung ist ein Innenleiter mit 1 bezeichnet, welcher von einem Außenleiter 2 umgeben ist. Der Innenleiter 1 besitzt einen Belag 3 aus einem W Dielektrikumswerkstoff. Das in Figur 1 dargestellte Kabel kann luftisoliert sein und in diesem Falle sind Abstandshalter aus Isolierstoff vorgesehen, welche den Innenleiter 1 in dem gewünschten Abstand von dem Außenleiter 2 halten. Es hat sich herausgestellt, daß bei Einspeisung von Hochfrequenz in das Kabel nach Figur Λ die Ausbreitungsform zweigestaltig ist und sowohl eine reine transversale elektromagnetische Welle als auch eine duale Oberflächenwelle enthält. Die Wirkung des Belages 3» welcher die Oberflächenreaktanz des Leiters 1 erhöht, stellt sich in einer Erhöhung der Asymmetrie der Oberflächenwelle dar. Figur 2 der Zeichnungen zeigt ein Bild des elektrischen Feldes, das sich in dem Kabel ausbildet.

Vergrößert man die Dicke des Belages 3 von dem Wert Hull ausgehend nach aufwärts, so zeigt sich, daß

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die Dämpfung des Kabels zuerst auf ein !.ünimum abfällt und dann wieder ansteigt. Die 3eziehung zwischen der Dämpfung α und der Dicke t des Belages 3 ist in Figur 2 der Zeichnungen größenordnungsmäßig wiedergegeben.

Anstelle eines Dieiektrikumsbelriges auf dem Innenleiter 1 kann jedoch auch die nsch innen weisende Fläche des äußeren Leiters 2 in entsprechender Weise belegt werden, dock wird vorzugsweise der Innenleiter mit einem italag versehen. Ist der Isolntionsrnum des K-*⁵bels mit einem festen Dielektrikum'ausgefüllt, so muß der Belag 3 eine höhere B-elektrizitätskcnstTinte aufweisen sis der übrige Isolationsv;erkstoff. Als für den Belag 3 geeignete Werkstoffe sind Titandioxyd, Kslzitmtitanat und Strontiumtitaiu'.t zu nenne::. Die genannten Werkstoffe kennen dadurch als 3elag auf den Innenleiter aufgebracht werden, daß sie zu Pulver gemahlen und dann in Pulverform z\visehen zwei Schichten aus biegsame::: Isolierband eingeschlossen werden, wofür beispielsweise 3ellulosebünder Verwendung finden können, welche unter dem ,Varerm;-ren "Sellct'-pe" im Handel erhältlich sind. Das so hergestellte mehrlagige 3~ni mit dem darin eingelagerten Pulverwerkstoff wird dann spiralig um den Innenleiter 1 gewunden.

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BAD

Anstatt eine der Leiteroberflächen mit einem Belag nach der Art des Belages 3 zu versehen, kann man auch an der einen oder an der anderen Leiteroberfläche des Kabels, vorzugsweise an der Oberfläche des Innenleiters, ein Wellenprofil vorsehen, das durch Umfangsrillen oder -kanäle gebildet wird. Eine solche Anordnung ist in Figur 4· der Zeichnungen dargestellt, gemäß welcher ein Innenleiter eines Koaxialkabels mit rundum laufenden Nuten 11 versehen ist, deren wirksame Tiefe etwas geringer als ein Viertel der Wellenlänge des Wellenprofils ist. Hierdurch wird erreicht, daß das Verhältnis der Oberflächenreaktanz zum Oberflächenwiderstand einen maximalen Wert hat. Das Verhältnis der ITutbreite b zum Hutabstand B ist so gewählt, daß b/B dem Verhältnis von Nutreaktanz zu Oberflächenreaktanz gleich ist· Ein Koaxialkabel mit einem Innenleiter nach Figur 4 der Zeichnungen verhält sich ähnlich wie das in den Figuren 1 und 2 gezeigte Kabel.

Ein Vorteil der oben beschriebenen Kabelformen ist es, daß bei ihrer Verwendung zur Signalübertragung über große Entfernungen, beispielsweise als Seekabel, die Anzahl der Relaisstationen bzw* der Wiederholerstationen beträchtlich verringert werden kann, da die Dämpfung des Kabels bedeutend geringer ist als die Dämpfung bei gebräuchlichen

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Kabeltypen mit normal ausgebildetem Dielektrikum, in welchen fast nur die transversale elektromagnetische Welle auftritt. Ferner zeigt sich bei den erfindungsgemäßen Säbeln eine bedeutend geringere Dispersion als bei den bekannten Kabeln, so daß sich eine geringere Notwendigkeit hinsichtlich Ausgleichsschaltungen ergibt.

Während die oben beschriebenen Übertragungsleitungen hauptsächlich zur Übertragung von Signalen bei Hochfrequenz und noch höheren Frequenzen verwendet werden, ist die Erfindung außerdem mit Vorteil auch auf die Energieübertragung bei Frequenzen von 50 Hz oder von 60 Hz anwendbar. XJm die Oberflächenreaktanz eines Leiters bei diesen Frequenzen in ausreichendem Maße erhöhen zu können, sind Dielektrikumsbeläge mit sehr hoher Dielektrizitätskonstante erforderlich. Ein hierfür geeigneter Werkstoff ist Mangan-Zink-Ferrit, welches eine relative Dielektrizitätskonstante von ungefähr 10 , eine relative Permeabilität von ΊΟ^ und einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 3,3 x 10'Λ cm aufweist, woraus sich ein Verlustwinkel von tg <f « 10 ergibt.

Nachdem die ferrite harte, brüchige Werkstoffe sind, kann der Dielektrikumsbelag des einen Leiters die Form

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einer Reihe von Ringen aus dem betreffenden Werkstoff haben, wodurch die erforderliche Biegsamkeit des Leiters erhalten bleibt. Man kann den Belag jedoch auch in Pulver-. form zwischen zwei Trägerbändern aufbringen. Eine solche Anordnung führt auch zu einer Verringerung des geringen Längsstromes innerhalb des Ferrites·

Es ist von Vorteil, dafUr zu sorgen, daß ein möglichst fe hoher Anteil der Energie in der Oberflächenwelle und nicht in der transversalen elektromagnetischen Welle enthalten ist. Dies wird bei einer Betriebsfrequenz von 50 Hz am besten entweder durch ein Paar von in gegenseitigem Abstand voneinander verlaufenden Leitern von jeweils kreisförmigem Querschnitt oder durch eine koaxiale Anordnung von Leitern erreicht· Ein Beispiel der erstgenannten Leiteranordnung ist in Jigur 5 wiedergegeben, welche zwei parallel im Abstand voneinander verlaufende Leiter 10a und 11a von kreisförmigem Querschnitt zeigt, welche eine elektrische Hoch-" leistungs-übertragungsleitung bilden. Der Leiter 10a ist mit einer Reihe von Ringen 12 aus Mangan-Zink-Perrit umgeben. Vorzugsweise ist nur einer der beiden Leiter mit •Inen Belag versehen·

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Claims (10)

1. Patentansprüche

   ■". Elektrische Leitung zur Signalübertragung oder zur Wechselstrom-Energieübertragung, mit zwei im Abstand voneinander angeordneten Leiteroberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erzeugung einer asymmetrischen Ausbildung der beiden, sich auf den Leiteroberflächen ausbreitenden Oberflächenwellen die Oberflächenreaktanz einer der Leiteroberflächen größer als diejenige der anderen %

   Leiteroberfläche ist.
2. 2. Elektrische Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Leiteroberflächen einen deren Qberflächenreaktmiz erhöhenden Dielektrikumsbelag (3 bzw. 12) aufweist (Figuren 1, 2 und 5).
3. 3. Elektrische Leitung nach Anspruch 2 in Form eines Koaxialkabels mit einem festen Dielektrikum zwischen Außenleiter und Innenleiter, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Dielektrikumsbelag der einen der beiden Leiteroberflächen eine höhere Dielektrizitätskonstante aufweist als das Kabeldielektrikum«
4. 4. Elektrische Leitung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch

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   gekennzeichnet, daß der Dielektrikumsbelag durch einen zwischen biegsame Isolationsbänder eingelagerten pulverisierten Stoff gebildet ;vird und daß das auf diese Weise gebildete Isolierband spiralig vorzugsweise um den Innenleiter des Koaxialkabels gewickelt ist.
5. 5. Elektrische Leitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte pulverisierte Stoff Titandioxyd enthält.
6. 6. Elektrische Leitung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte pulverisierte Stoff ein Ferrit enthält.
7. 7· Elektrische Leitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Leiteroberflächen ein deren Oberflächenreaktanz erhöhendes 7/ellenprofil (11) aufweist, dessen Wellen quer zur Leitung (10) verlaufen (Figur Mr).
8. 8. Elektrische Leitung nach Anspruch 7 in Form einer Koaxialleitung, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenprofil durch Uinfangsrillen (11) am Innenleiter (10) des Koaxialkabels gebildet ist (Figur 4-).

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9. 9. Elektrische Leitung nach einem der Ansprüche 1

   bis 8, insbesondere zur Übertragung von Wechselstromenergie, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteroberflächen höherer Oberflächenreaktanz an zwei im Abstand voneinander verlaufenden Leitungsdrähten (10a, 11a) gebildet sind (Figur 5)<
10. 10. Elektrische Leitung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der eine (10a) der beiden Leitungsdrähte einen Jerritbelag (12) aufweist (Figur 5)·

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