Inhomogenes Nabel. In der Hochfrequenztechnik treten Fälle auf, in denen elektrische Energie von einem Gerät zu einem von diesem mehr oder weni ger -Bit entfernten zweiten Gerät, zum Bei spiel von einem Sender zur Antenne, über tragen werden muss, die Eingangs- bezw. Ausgangsünpedanzen der beiden Geräte Biber nicht gleich gross sind. Die Übertragung er folgt entweder über Kabel oder eventuell auch über Freileitungen.
Um Reflexionsver luste an den Übergangsstellen von einer Impedanz zur andern zu vermeiden, wurde in den meisten Fällen durch einen Impedanz transformator an diesen Stellen eine Impc- danztransforniation vor@;cuominen. In gewis- sen Fällen bestand auch die Möglichkeit, so fern es sich um die Übertragung von nur einer Frequenz oder eventuell auch mehrerer fester Frequenzen, die aber in' einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen müssen, han delte, die Transformation durch geeignete Wahl der Kabellänge durch dieses selbst. vor zunehmen.
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein Kabel, das die Transformation in einem festen, frequenzunabhängigen Über setzungsverhältnis, bei reellem, frequenz- unabhängigenä Wellenwiderstand, durch ilas Kabel selbst gestattet. Die Zwischenschaltung eines Impedanztransforinators sowie die Be schränkung auf bestimmte Frequenzen fallen damit dahin.
Leitungen, wie Kabel- und Paralleldraht freileitungen, mit. transformierenderWirkun- wurden schon früher untersucht und her gestellt.. Bei diesen Ausführungen wurden die geometrischen Dimensionen oder die Drahtabstände entlang der Leitung' geändert (zum Beispiel gespreizte Paralleldrahtleitun- gen). Die Änderung der Leitungsiinpe < ianz entlang der Leitung wurde dabei durch die gleichzeitige Änderung der beiden Leitungs konstanten Kapazität und Induktivität her vorgerufen.
Bei gleichzeitiger Änderung die ser beiden Konstanten wird der @Vellenwider- stand der Leitung komplex und frcquenz- abhängig. Die Leitung weist neben der trans- -formierenden Wirkung auch eine Filterwir kung auf und lässt sich infolge der auftreten den Sperrbereiche nicht für ganze Frequenz- händer verwenden.
Im Gegensatz dazu wird beim Kabel be- mä.ss vorliegender Erfindung nur eine der bei- den Kapazität und In duktivität, geändert, und zwar nach bestimm ten Gesetzen in bezub auf den Abstand vom Kabelaufanb, zum Beispiel linear oder ex ponentiell.
Dabei ergibt sich für den Wellen- Im von der Einbanässeite des Kabels (gleich l#,inganbswiderstand bei reflexions freiem rlbschluss) ein reeller, frequenziuiab- hünbiber Wert, vorausgesetzt, dass die Olim- schen und dielektrischen Verluste klein sind, eine Forderung,
die bei hohen Frequenzen und bei Verwendung hochwertiger Isolier- materialien erfüllt ist, sowie dass die über tragene @Vellenlänbe klein ist in bezug auf die Kabellänge.
Die letztere Forderung er- bibt sich daraus, dass sich die in theoretischen I:ntersuchunrren des Problems auftretenden Besselschen Funktionen mir bei grossenA.rgu- menten durch trigonometrische Funktionen ersetzen lassen.
Die Erfindunzu sei am nachstehenden Aris- führungsbeispiel ,erklärt (Fib. 1). Die Diel.=k- trizitätskontakte e der Isolation eines ein adrigen abgeschirmten konzentrischen Kabels nehme entlang der Kahelaxe exponentiell zu:
<B>Ex</B> - Eo . E & x F" = Dielektrizit:itskonstante am Kabel- .Infam,., ex = Dielektrizitiitskonstante an der Stelle x, r3 = Steigungskonstante.
Der @@'cIlcn -liderstand pro T.äuheneinheit an der Stelle x ist:
EMI0002.0072
L = Induktivität pro L:in;,eneinlic-it=l:ori- starit, C. = Kapazität pro L:
in"eneinlirit an der Stelle x<B>==</B> Funktion von<I>x.</I> Wenn R, = <U>Z,</U>, so wird<U>Z =</U> Za, Dabei ist Re = 3bschlusswiderstand des Kabels, Z = Wellenwiderstand von der Eingangs seite des Kabels = Eingangswider- stand, -wenn das Kabel reflexionsfrei abgeschlossen ist, das heisst -nenn Re - Z,.
Z, = Wellenwiderstand des Kabels von der Ausgangsseite. Am Beispiel der Energiciiiertragung von einem Sender zur Antenne ergibt sich somit folgendes: Wenn die Dielektrizitätskonstantc am Iialiclanfang e" so gewählt wird, dass
EMI0002.0098
ist, E entlang des Babels exponentiell zu nimmt und F,
ant Ende des Kabels so gewählt wird, dass
EMI0002.0108
ist, so beschickt die Energieübertragung ohne IIC.flexionen an den Anschlussstellen des Kabels.
Z, _ 3usgang.#impedanz des Senders, Z' --- Eingangsimpedanz der Antenne.
Die praktische Ausführung eines derarti gen Kabels sei ein einem Beispiel gemäss der schematischen Fib. 2 beschrieben. 1 ist der metallische Innenleiter, '2 der metallische Aussenleiter, 3 sind Isolierkörper. Da bekannt lich die Dielehtrizitätskonstante eines jeden Isoliermaterials grösser als diejenige von Luft ist, so ist, aus Fig. 2 sofort ersichtlich, dass sich die Dielektrizitätskonstanfe der Kabel isolation und damit auch Z,
entlang des Kabels ändert.
Dieselbe Wirkung kann auch erreicht. l@-erden, indeiu zum Beispiel Isolierscheiben in verschiedenen Abständen auf den fnnen- leiter < aufgebracht., oder dass Scheiben mit ver- schiedener Dicke verwendet n-erden. Die Grösse des Überaetzungsverhältnisses Z"/Z,
ist durch die Grösse der Dielektrizitäts- konstanten des Tsoliermaterials begrenzt. Eine Eriveiterui.g des Übersetzungsbereiches ist niöblich, indem mehrere Kabel nach obiger Beschreibung in Serie beschaltet werden.
Die Isolierkörper können in jedem Kabel gleich gewählt werden, aber es sind verschiedene Innenleiterdurchmesser zu verwenden (denn Z, ist nicht nur vom Isoliermaterial, sondern auch vom Verhältnis Aussenleiter- zu Innen- leiterdurchmesser abhängig), und zwar so.
(lass Z, am Ende des ersten Kabels dem Z" am Anfang des zweiten Kabels entspricht (siehe Fig.3). Als totales Übersetzungsver- hältnis ergibt sich dann:
EMI0003.0022
Gleichfalls ist es auch möglich, wenn es sich um Eirergi(@iihertr < < gung über grössere Distan zen handelt, diese auf einem homogenen Kabel zu übertragen und nur am Anfang oder Ende ein kurzes, inhomogenes Kabel cinzuscli < ilten, das (hie notwendige In.pedanz- transformation be-,virkt.
Dieselben Kabeleigenschaften, wie oben beschrieben. lassen sich auch dadurch er reichen. dass anstatt L konstant gehalten und (' verändert. L ver:indert und C konstant be halten wird.
Eine Änderung der Induktivität T, ist zum Beispiel dadurch zu erreichen, dass (lein Tsoliermaterial ein ferromagnetisches Material. zum Beispiel Eisenpulver, bei- gemengt wird, das die Perineabilität des Tso- liermaterials ändert.
Dieselben Prinzipien lassen sich nicht nur < auf konzentrische, sondern auch auf mehr aderige abgeschirmte und nicht abgeschirmte Kabel anwenden.
Inhomogeneous navel. In high-frequency technology there are cases in which electrical energy has to be transmitted from a device to a second device that is more or less remote from this bit, for example from a transmitter to the antenna. Output impedances of the two devices beaver are not the same. The transmission takes place either via cable or possibly also via overhead lines.
In order to avoid reflection losses at the transition points from one impedance to the other, in most cases an impedance transformer was used at these points to transform the impedance before @; cuominen. In certain cases there was also the possibility, insofar as the transmission of only one frequency or possibly also several fixed frequencies, but which must be in a certain ratio to one another, was concerned, the transformation through a suitable choice of cable length do this yourself.
The present invention is a cable that allows the transformation in a fixed, frequency-independent transmission ratio, with a real, frequency-independent characteristic impedance, by the cable itself. The interposition of an impedance transformer and the restriction to certain frequencies are no longer necessary.
Lines, such as cable and parallel wire overhead lines, with. transforming effects have already been investigated and produced earlier. In these designs, the geometric dimensions or the wire spacing along the line were changed (for example, splayed parallel wire lines). The change in the line impedance along the line was caused by the simultaneous change in the two line capacitance and inductance.
If these two constants are changed at the same time, the wave resistance of the line becomes complex and frequency-dependent. In addition to the transforming effect, the line also has a filter effect and, due to the blocking areas that occur, cannot be used for entire frequency traders.
In contrast to this, with the cable according to the present invention, only one of the two capacitance and inductance is changed, namely according to certain laws with regard to the distance from the cable support, for example linear or exponential.
This results in a real, frequency-dependent value for the wave Im from the installation side of the cable (equal to l #, input resistance with reflection-free closure), provided that the oil and dielectric losses are small, a requirement
which is fulfilled at high frequencies and when using high-quality insulating materials, as well as that the transmitted @ Vellenlänbe is small in relation to the cable length.
The latter requirement arises from the fact that the Bessel functions appearing in theoretical investigations of the problem can be replaced by trigonometric functions for large arguments.
The invention is explained using the example below (Fig. 1). The dielectric contacts e of the insulation of a single-core shielded concentric cable increase exponentially along the kahelaxe:
<B> Ex </B> - Eo. E & x F "= dielectric constant at the cable. Infam,., Ex = dielectric constant at point x, r3 = slope constant.
The @@ 'cIlcn resistance per line unit at the point x is:
EMI0002.0072
L = inductance per L: in;, eneinlic-it = l: oristarit, C. = capacitance per L:
in "eneinlirit at the point x <B> == </B> function of <I> x. </I> If R, = <U> Z, </U>, then <U> Z = </ U> Za, where Re = termination resistance of the cable, Z = wave impedance from the input side of the cable = input resistance, -if the cable is terminated without reflection, that is -nenn Re - Z ,.
Z, = characteristic impedance of the cable from the output side. Using the example of the transmission of energy from a transmitter to the antenna, the following results: If the dielectric constant c at the beginning of the Iialic flange e ″ is chosen so that
EMI0002.0098
is, E increases exponentially along the Babel and F,
ant end of the cable is chosen so that
EMI0002.0108
is charged, the energy transfer is charged without IIC flexions at the connection points of the cable.
Z, _ 3output. # Impedance of the transmitter, Z '--- input impedance of the antenna.
The practical implementation of such a cable is an example according to the schematic Fib. 2 described. 1 is the metallic inner conductor, 2 the metallic outer conductor, 3 are insulating bodies. Since, as is well known, the dielectric constant of each insulating material is greater than that of air, it is immediately apparent from Fig. 2 that the dielectric constant of the cable insulation and thus also Z,
changes along the cable.
The same effect can also be achieved. I @ -earth, indeiu, for example, insulating washers applied at different distances to the inner conductor <., or that discs with different thicknesses are used n-earth. The size of the ratio Z "/ Z,
is limited by the size of the dielectric constant of the insulating material. It is necessary to extend the translation area by connecting several cables in series as described above.
The insulating bodies can be selected the same in every cable, but different inner conductor diameters must be used (because Z is not only dependent on the insulating material, but also on the ratio of the outer conductor to the inner conductor diameter).
(Let Z at the end of the first cable correspond to the Z "at the beginning of the second cable (see Fig. 3). The total gear ratio then results:
EMI0003.0022
Likewise, if it is a question of energy (transfer over longer distances), it can be transmitted on a homogeneous cable and only include a short, inhomogeneous cable at the beginning or end, which (here necessary in .pedance transformation affected, virkt.
The same cable properties as described above. can also be achieved thereby. that instead of L kept constant and ('changed. L changed and C kept constant.
The inductance T i can be changed, for example, by adding a ferromagnetic material, for example iron powder, to an insulating material, which changes the perineability of the insulating material.
The same principles apply not only to concentric cables, but also to more veined shielded and unshielded cables.