DE2011554A1 - Wendelhohlleiter - Google Patents

Description

Western Electric.- Gompany Incorporated Miller, S» E.. 53

New York, NvY. 10007 V. St. A,

W e η; d e; I h ο h I l· e Γ t: e* r

Die Erfindung betrifft eine Hohlleiter anordnung zur Übertragung elektromagnetischer- Energie mit einem eng gewickelten Wendelleiter, dessen benachbarte Windungen gegeneinander isoliert sind.

Für die Übertragung von Mikrowellen-Breitbandsignalen über große Strecken sind H„, »Wellen-in Hohlleitern mit Kreisquerschnitt besonders geeignet, da die Dämpfung dieser Schwingungsform im Gegensatz zu allen anderen Schwingungsformen mit zunehmender Frequenz abnimmt. Bei diesem Übertragungsverfahren tritt jedoch eine Schwierigkeit dadurch auf, daß die H_{n Λ} -Schwingungsform nicht die in einem

Höhlleiter mit Kreisquerschnitt dominante Schwingungsförm ist, so daß ein Energieverlust an andere Schwingungsförmen auftreten kann, die sich in: dem Hohlleiter ebenfalls ausbreiten können. In einem Hohlleiter, der ideal gerade, einheitlich und leitend ist; tritt keine Störung/ der über ihn übertragenen H». -Wellen,auf', Kleine; Abweichungen des Hohlleiters und insbesondere eine Krümmung seiner Achse, können jedoch zur Anregung;anderer Schwingungsförmen und zur Entstehung,

beträchtlicher Verluste führen. Diese Verluste beruhen in der Hauptsache darauf, daß eine Krümmung des Hohlleiters eine Kopplung zwischen der gewünschten H_n -Sehwingungsförm und anderen Schwingungsformen bewirkt, und zwar in der Hauptsache mit den E₁..-, H₁ - und H₁ ,,-Schwingungsformen.

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Führt man sich vor Augen, daß die Kopplung zwischen diesen Schwingungsformen der Kopplung zwischen Wellen ähnelt, die auf miteinander gekoppelten Übertragungsleitungen laufen, so daß ein Energieaustausch zwischen den Wellen stattfindet, wenn sie sich zusammen mit der gleichen Phasengeschwindigkeit ausbreiten, so ist nach dem Stand der Technik eine große Zahl von Einrichtungen geschaffen worden, um Krümmungen oder Windungen der Hohlleiter unschädlich zu machen. Dabei ist die Phasengeschwindigkeit der E₁ ..-Schwingungsform (die normalerweise gleich der der H_..-Schwingungsform ist) mit Bezug auf die Phasengeschwindigkeit der H -Sehwingungsförm geändert worden, um die relativen Unterschiede ihrer Ausbreitungskonstanten zu erhöhen und die wirksame Kopplung zwischen ihnen zu verringern.

Von den verschiedenen bekannten Einrichtungen, die nach diesem Prinzip arbeiten, ist eine der zweckmäßgsten der in der USA-Patent-

schrift 2 848 696, (19. August 1958) beschriebene Wendelhohlleiter. Im wesentlichen umfaßt dieser Hohlleiter ein längliches Teil aus isoliertem leitendem Material, beispielsweise Lackdraht, das in Form einer Wendel mit Kreisquerschnitt gewickelt ist. Die Wendel ist im allgemeinen mit einem elektrisch verlustbehafteten Material bedeckt und von einer Abschirmhülle umgeben, beispielsweise einem Stahlrohr, das die Wendel gegen äußere mechanische und elektrische Einflüsse schützt. Wenn der Innendurchmesser der Wendel größer als dem 1, 22-fachen der Wellenlänge im freien Raum für die niedrigste, zu übertragende Frequenz ist und der Abstand zwischen der Mitte benachbarter Windungen der ,Wendel kleiner als der 0, 25-fache Wert der Wellenlänge für die höchste zu übertragende Frequenz ist, so überträgt die Wendel diese Frequenzen in der kreisförmigen H_n1 »Schwingungsform. In bekannter Weise erzeugt die unerwünschte E «Schwingungsform in der Hauptsache Wandströme in Längsrichtung, so daß diese Schwingungsform durch die isolierende Trennung zwischen benachbarten Windungen der Wendel stark beeinträchtigt wird. Dagegen erzeugt die kreisförmige H -Schwingungsform Ströme in der Umfangsrichtung, die nicht wesentlich durch den wendeiförmigen Aufbau gestört werden. Darüberhinaus werden die Längsströme der unerwünschten E₁₁ -Schwingungsform gezwungen, über

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das verlustbehaftete Material zu fließen, so daß sich für diese Schwingungsform eine erhöhte Dämpfung ergibt. Dagegen dringt das Feld der kreisförmigen EL₁ -Schwingungsform nicht durch den freien Raum zwischen benachbarten Leitern in das verlustbehaftete Material ein (vorausgesetzt, daß der Durchmesser des leitenden Drahtes dem Abstand zwischen benachbarten Windungen vergleichbar oder größer als dieser ist), weil die beiden benachbarten Leiter als Wellenleiter oberhalb der Grenzfrequenz arbeiten. Wegen der unterschiedlichen Reaktanz und Dämpfung ist die Phasengeschwindigkeit der E."-Schwingungsform in einem solchen Hohlleiter wesentlich von der der H_ni -Schwingungsform verschieden, und die zwischen den beiden Schwingungsformen bei einer Krümmung übertragene Leistung ist wesentlich verringert.

Eine in Verbindung mit Wendelhohlleitern auftretende Schwierigkeit ist jedoch die Herstellung der Wendel. Sie wird im allgemeinen dadurch hergestellt, daß ein einzelner dünner Strang aus emailliertem Draht auf einen Präzisionsdorn gewickelt wird, der einen Durchmesser von einigen Zoll besitzt und etwa 6 m lang ist. Da der Durchmesser des Drahtes im allgemeinen nur einige wenige Hundertstel eines Millimeters beträgt, dürfte es klar sein, daß die Herstellung

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von hunderten oder gar tausenden Meilen von Hohlleitern auf diese Weise schwierig ist, die für ein Hohlleiterübertragungsnetzwerk erforderlich sein können. Beispielsweise besitzen solche dünnen Drähte aus typischem Leitermaterial nur !deine Zugfestigkeit und reißen folglich leicht, wenn sie unter Spannung gewickelt werden. Außerdem werden die Drähte noch dünner, wenn höhere Frequenzen benutzt werden.. ·

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Schwierigkeiten zu beseitigen. Sie geht dazu aus von einer Hohlleiteranordnung der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnetj, daß der Wendelleiter wenigstens einen leitenden, auf einem dielektrischen Band aufgebrachten Streifen umfaßt, und daß die so gebildete Kombination im wesentlichen wendelförmig gewickelt ist.

Zur Vermeidung größerer Verluste für die H_n1 -Schwingungsform aufgrund einer Abstrahlung durch die Wendel und eines Eindringens in die verlustbehaftete Schicht sollten die leitenden Streifen dicker sein als dies gewöhnlich in Verbindung mit gedruckten Schaltungen der Fall ist. Wie oben erläutert, sollten die leitenden Schichten eine Dicke haben, die dem Abstand zwischen benachbarten Streifen

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vergleichbar oder größer als dieser ist, um Verluste für die H_n1-Schwingungsform zu vermeiden. Der minimal zulässige Abstand ist jedoch durch die Forderung begrenzt, daß die Kapazität zwischen benachbarten Streifen klein zu halten ist. Folglich soll bei Hohlleitern für den Millimeterwellenbereich die Leiterdicke in der Größenordnung von etwa einem Zehntel Millimeter liegen, während übliche m Druckschaltungsverfahren typischerweise auf Leiter beschränkt ist,

deren Dicke in der Größenordnung von etwa zwei Hundertstel Millimeter liegt.

Zur Überwindung dieses Problems kann mit Vorteil eine Doppelwendel dadurch geschaffen werden, daß eine Vielzahl von Paaren von dünnen leitenden Streifen auf entgegengesetzte Seiten eine dielektrischen Bandes mit niedrigem Verlustfaktor gedruckt wird.

^ . Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen

und in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben; es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Bandes für eine gedruckte Schaltung, das zur Herstellung eines Wendelhohlleiters nach der Erfindung zweckmäßig benutzt wird; Fig. 2 einen Teilschnitt eines typischen Wendelhohlleiters nach der Erfindung.

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In Fig. 1 ist eine Vielzahl dünner Streifen IQ aus leitendem Material, beispielsweise Kupfer, gezeigt, die sich auf gegenüberliegende parallele Seiten eines biegsamen dielektrischen Bandes mit kleinem Verlustfaktor, beispielsweise ein "Mylar"-Band aufgebracht sind. Die leitenden Streifen erstrecken sich im wesentlichen in der gleichen Richtung auf dem Band. Wie bei bekannten Anordnungen ist der Mittenabstand D zwischen benachbarten leitenden Streifen 10 kleiner als eine Viertelwellenlänge. Für Millimeterwellen liegt dieser Ab-

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stand in typischer Weise in der Größenordnung von einem Zehntel Millimeter. Der Abstand S zwischen den Kanten benachbarter Streifen wird durch die gewünschte Kapazität bestimmt und liegt in typischer Weise in der Größenordnung von zwei Hundertstel Millimeter. Die Dicke T der Streifen läßt sich so wählen, daß eine bequeme Herstellung möglich ist. Zweckmäßig werden die Streifen mit Hilfe von Druckschaltungsverfahren hergestellt, und ihre Dicke liegt in der Größenordnung von 2 bis 3 Mikron. Die Dicke T¹ des dielektrischen Bandes 11 ist vergleichbar dem Abstand S oder größer als dieser, aber kleiner als eine halbe Wellenlänge der höchsten zu übertragenden Frequenz. Für Millimeterwellen-Hohlleiter kann dieser Wert bei etwa 0, 08 mm liegen. Die Breite L des dielektrischen Bandes ist durch den maximal zulässigen Steigungswinkel

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des Wendelhohlleiters bestimmt. In typischer Weise ist sie wenigstens so groß, daß zwei oder drei leitende Streifen Platz finden.

Wie oben angegeben, läßt sich ein solches Band bequem xinter Verwendung von Druckschaltungsverfahren zur Erzeugung der leitenden Streifen herstellen. Das Band kann dann zu einem Wendelhohlleiter unter Verwendung im wesentlichen der gleichen Verfahren wie nach dem Stand der Technik gewickelt werden, wobei das Band einen einzelnen Drahtstrang ersetzt. Da das Band kräftiger als ein einzelner dünner Drahtstrang ist, ist ein Bruch weniger wahrscheinlich. Da ferner das Band mehr als einen leitenden Streifen trägt, wird die Anzahl der zur Herstellung einer Wendel gegebener Länge erforderlichen Windungen proportional herabgesetzt. Außerdem ergibt sich, da wesentlich dünnere Leiter benutzt werden, eine Einsparung an Leitermaterial.

Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt einer typischen Wendelhohlleiteranordnung, die nach der Erfindung hergestellt ist. Der Hohlleiter weist eine Wendel 20 in Form eines Druckschaltungsbandes nach Fig. 1 auf, ferner eine elektrisch verlustbehaftete Schicht 21, d.h., in typischer Weise ein Material mit einem spezifischen Widerstand

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in der Größenordnung von einem Ohm . cm, die die Wendel 20 umgibt und mit dieser verbunden ist, sowie einen äußeren Abschirmmantel 22, der die Wendel gegen äußere mechanische und elektrische Einflüsse schützt. Die leitenden Streifen bilden einen Wendelhohlleiter. Außerdem durchdringt keine oder eine nur sehr kleine Energie der H₀₁ -Schwingungsform die Abstände zwischen benachbarten leitenden Streifen* Die einander benachbarten Streifen des inneren und des äußeren Durchmessers verhalten sich wie ein Wellenleiter, der den Abstand zwischen den Streifen umgibt. So« lange also die Dicke T vergleichbar dem Abstand S oder größer als dieser ist, bietet sich dieser Raum zwischen benachbarten Streifen der H _.. -Schwingungsform als Wellenleiter dar, der außerhalb seiner Grenzfrequenz betrieben ist.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   V 1. Aiohlleiteranordnung zur Übertragung elektromagnetischer ¹ Energie mit einem eng gewickelten Wendelleiter, dessen benachbarte Windungen gegeneinander isoliert sind,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Wendelleiter wenigstens einen leitenden, auf einem, dielektrischen Band (11) aufgebrachten Streifen (10) umfaßt und daß die so gebildete Kombination im wesentlichen wendelförmig gewickelt ist.
2. 2. Hohlleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß leitende Streifen (10) auf entgegengesetzte Flächen des dielektrischen Bandes (11) aufgebracht sind.
3. 3. Hohlleiter anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des dielektrischen Bandes (11) kleiner als eine halbe Wellenlänge bei der Frequenz der zu übertragenden Energie ist.
4. 4. Hohlleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wendelförmig gewickelte Streifenleiter (10) von einem elektrisch verlustbehafteten Mantel (21) umgeben ist.

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