DE1665270A1 - Elektrische Leitung zur Signaluebertragung oder zur Wechselstrom-Energieuebertragung - Google Patents
Elektrische Leitung zur Signaluebertragung oder zur Wechselstrom-EnergieuebertragungInfo
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Description
»AT« »TA 11WAI·»
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.
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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)
- 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. 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. 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. Elektrische Leitung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch- 11 009887/0423gekennzeichnet, 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. Elektrische Leitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte pulverisierte Stoff Titandioxyd enthält.
- 6. Elektrische Leitung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte pulverisierte Stoff ein Ferrit enthält.
- 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. 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-).- 12 009887/0423
- 9. Elektrische Leitung nach einem der Ansprüche 1bis 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. Elektrische Leitung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der eine (10a) der beiden Leitungsdrähte einen Jerritbelag (12) aufweist (Figur 5)·- 13 -009887/0423
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