DE1017675B - Elektromagnetisches Verzoegerungskabel (Laufzeitkabel) - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem elektromagnetischen Verzögerungskabel niedrigen Wellenwiderstandes, wie es für elektrische Übertragungslinien verwendet werden kann. Es sind bisher verschiedene Methoden und Konstruktionen angewendet worden, um elektromagnetische Verzögerungskabel herzustellen. So ist es in der Kabeltechnik bekannt, elektromagnetische Verzögerungskabel zu verwenden, die mit koaxialem Aufbau im wesentlichen aus einem dielektrischen Kern, einem wendelförmig um diesen Kern herumgewickelten isolierten Leiter, möglicherweise einer Lage dielektrischen Materials, die die Wendel bedeckt, einem als Außenleiter dienendes Metallgeflecht und endlich einem Schutzmantel auf diesem Geflecht bestehen. Verzögerungskabel dieser bekannten physikalischen und elektrischen Aufgabenstellung sind für viele Zwecke geeignet. Für Verzögerungskabel mit niedrigem Wellenwiderstand ist es aber notwendig, daß das Verhältnis von Kapazität zu Induktivität groß ist. Die Verwendung von Kabeln des vorstehend erwähnten Aufbaues versagt jedoch, wenn man die erforderlichen physikalischen und elektrischen Parameter verwirklichen will.

Es ist zwar vorgeschlagen worden, verschiedene Materialien mit großer Dielektrizitätskonstante zu verwenden, wie z. B. Polyäthylen- oder Polyäthylen-Isobutylen-Mischungen, die mit Substanzen wie Titandioxyd, Kupfer- oder Aluminiumpulver gefüllt sind. Diesen Kabeln mit gefüllten Dielektrika haften jedoch gewisse Mängel an. Die Isolation ist wesentlich härter und weniger biegsam als diejenige von ungefüllten Materialien, und die Durchschlagsfeldstärke der metallgefüllten Mischung sinkt beträchtlich ab und liegt z. B. bei nur 276 V/mm oder weniger bei einer Wandstärke von 3,18 mm.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes elektromagnetisches Verzögerungskabel mit niedrigem Wellenwiderstand zu finden, das aber auch über die bisher bekannte Größe der Verzögerungszeit hinausgeht. Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgäbe der Erfindung, hinsichtlich einer geeigneten Herstellung eines derartigen Kabels Angaben zu machen.

Die Erfindung betrifft daher ein elektrisches Verzögerungskabel (Laufzeitkabel) mit einer als Innenleiter dienenden Wendel aus isoliertem Draht, bei dem erfindungsgemäß zwischen dem metallischen Innenleiter und dem Außenleiter eine den Innenleiter isolierende, mit einer dünnen, leitenden Auflage versehene Schicht und dann über der aus ihm gebildeten Wendel eine verhältnismäßig dickere, halbleitende Schicht aus Kunststoffen angeordnet ist und der Wellenwiderstand des Kabels unter 200 Ohm, insbesondere unter 50 Ohm, liegt und die Verzögerungszeit wenigstens 0,164 Mikrosekunden pro Meter beträgt.

Elektromagnetisches Verzögerungskabel
(Laufzeitkabel)

Anmelder:

International Standard Electric
Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. Juni 1953

Henry G. Nordlin, Livingston, N. J. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 1 zeigt die vergrößerte Abbildung des Kabelaufbaues ;

Fig. 1 a zeigt einen Teil der aus dem isolierten Leiter bestehenden Wendel mit der auf ihr liegenden halbleitenden Schicht;

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild mit den zwischen dem inneren und äußeren Leiter vorhandenen elektrischen Widerständen;

Fig. 3 und 4 zeigen äquivalente Schaltbilder, die sich bei bestimmten Frequenzen aus dem Schaltbild der Fig. 2 ergeben.

Grundsätzlich wird für ein elektromagnetisches Verzögerungskabel der koaxiale Aufbau verwendet. In Fig. 1 dient die Innentrense 1 als Träger der dielektrischen Schicht 2, die z. B. aufgespritzt werden kann. Der Träger 1 kann aus einem blanken Kupferdraht bestehen, wenngleich die Verwendung eines nichtleitenden Trägers, wie z. B. ein Glasfaserstrang, zu bevorzugen ist. Für den dielektrischen Kern 2 kann Polyäthylen verwendet werden. Die dicht aufgewikkelte Wendel 3 besteht aus einem isolierten Leiter, der fest auf den inneren Kern gewickelt ist und an allen Stellen des Kabels genau gleichen Durchmesser haben soll.

Für die Isolierung 5 des Leiters 4 können verschiedene Isoliermaterialien, wie z. B. Polyäthylen, PoIyäthylen-Polyisobutylen-Mischung, Polyvinylchlorid, Polyvinylchloridazetat, Polymonochlortrifluoräthylen, Polytetrafluoräthylen oder Azetalharze, verwendet werden, doch ist ein Material mit möglichst geringem Verlustfaktor zu bevorzugen, wie z. B. Polytetrafluoräthylen.

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Diese Isolation wird mittels des Tauch verfahr ens überwunden. Da der elektrische Widerstand der halbauf dem Innenleiter 4 aufgebracht, der vorzugsweise leitenden Schichten viel kleiner ist als derjenige der aus einem versilberten Kupferdraht besteht, der durch Leiterisolation 5, so wirkten die halbleitenden Schicheine wäßrige Suspension dieses Kunststoffes hindurch- ten 6 und 7 als Kurzschluß für das elektrische Feld, gezogen wird. Dieser Überzug 6 besteht zweck- 5 Wenn der Widerstand der halbleitenden Schicht um mäßigerweise aus einer - Dispersion von kolloidalem mehrere Dekaden größer ist als der Widerstand der Graphit und Polytetrafluoräthylen, und er wird vor- Kupferleiter, so fließt der Strom im wesentlichen nur teilhaft vor der Herstellung der Wendel im Tauch- im Innen- und Außenleiter, und die Induktivität wird verfahren auf die Schicht 5 aufgetragen. Es wird durch die halbleitenden Schichten nicht beeinflußt, hierdurch die elektrische Stabilität des Verzögerungs- io Für den Frequenzbereich unter 100 MHz kann der kabeis 6 günstig beeinflußt, da die räumliche Lage Halbleiter als reiner Widerstand von konstantem dieser Schicht durch das Auftragsverfahren genau Wert betrachtet werden.

definiert ist und unabhängig von der Biegung bzw. Die Wirkung der halbleitenden Schicht im elektri-

Bewegung des Kabels unverrückbar auf der Isolation 5 sehen Feld des Kabels geht aus dem vereinfachten liegt. 15 Ersatzschaltbild der Fig. 2 hervor. In ihm bedeuten C_t

Über dieser Wendel aus isoliertem Leiter ist die bzw. R_t die Kapazität bzw. den Isolationswiderstand halbleitende Schicht 7 aufgespritzt, die ebenfalls aus zwischen dem Innenleiter 4 und der an die halbleitende polymerem Kunststoff besteht. Für diese Schicht ist Schicht6 grenzenden Oberfläche der Isolation5 und R_s besonders eine Mischung von Polyäthylen, Polyiso- den damit in Serie liegenden halbleitenden Widerstand butylen, Azetylenruß, Stearinsäure und mikrokristal- 20 der Schichten 6 und 7 von der innenliegenden Oberlinem Wachs geeignet. Der Außenleiter besteht aus fläche der halbleitenden Schicht 6 bis zur außenliegeneiner Lage von vorzugsweise zwei leitenden Geflech- den Oberfläche der halbleitenden Schicht 7.
ten 8 und 9 aus verzinntem Kupferdraht. Darüber wird Nach bekannten Rechenregeln läßt sich das Ersatzein elastischer Mantel 10 gespritzt, der vorzugsweise schaltbild der Fig. 2 in die äquivalenten Schaltungen aus weichgemachtem Polyvinylchlorid besteht. ²5 der Fig. 3 und 4 umwandeln. In dem hier betrachteten

Fig. 1 a zeigt in vergrößertem Maßstab die Lage Frequenzbereich ist in Fig. 3 die Kapazität C_t wegen

der Wendel 3 in der halbleitenden Lage 7, in der sie des zu vernachlässigenden Verlustfaktors gleich C't,

hohlraumfrei eingebettet ist. der Widerstand R_t nimmt der Umwandlung entspre-

Um derartige Kabel mit einem unter etwa 200 Ohm chend den neuen Wert R'_t an, während der Widerliegenden Wellenwiderstand, wie z.B. 50 Ohm, her- 30 stand R_s identisch gleich R'_s bleibt. Fig. 4 ist dann das zustellen, waren besondere Überlegungen notwendig. eigentliche Äquivalentersatzschaltbild für die zwischen Der charakteristische Wellenwiderstand eines solchen Innen- und Außenleiter angeordneten isolierenden und

_T^ ,, .^ Ί/ i_ · τ, j ^/ 1· _, 1 j halbleitenden Schichten.

Kabels ist ML /C, wobex L und C die entsprechende _{Dk Wirkung der} halbleitenden Schicht auf die

Induktivität und Kapazität pro Längeneinheit be- 35 Kabeleigenschaften kann ferner durch die Betrachtung deuten. Es geht aus dieser Formel hervor, daß der des Verlustfaktors und der äquivalenten Parallel-Wellenwiderstand entweder durch Verkleinerung der kapazität des Kreises erläutert werden. Der Verlust-Kapazität oder Vergrößerung der Induktivität ver- faktor des mit Polytetrafluoräthylen isolierten Leiters größert werden kann. Die Zeitverzögerung der Weiter- ist ausreichend niedrig, so daß C_t annähernd gleich leitung von Impulsen über das Kabel ist aber bestimmt 40 wird C'₍. Der Verlustfaktor tg δ ist gegeben durch

durch ]/L' · C. Es kann aus diesen beiden Formeln tgd=(R'_t+R_s)-cuC_t.

entnommen werden, daß die Zeitverzögerung gleich In bezug auf die halbleitende Schicht ist dann ist der Quadratwurzel aus dem Produkt von Indukti- tg d_s=R_s· co C _f. Wenn man diese Gleichung über einen vität und Kapazität und der Wellenwiderstand der 45 Frequenzbereich von 0,1 bis 100 MHz für verschie-Quadratwurzel des Quotienten aus Induktivität und dene Werte des spezifischen Widerstandes verschie-Kapazität. Es geht daraus hervor, daß bei einem dener halbleitender Schichten betrachtet, so findet man elektromagnetischen Verzögerungskabel mit niedrigem für die üblichen Widerstandswerte der halbleitenden Wellenwiderstand und großer Verzögerungszeit die Schicht, daß die durch die halbleitende Schicht verKapazität im Vergleich zur Induktivität sehr hoch 5° ursachte Dämpfung erst dann einen bedeutenden Teil sein muß. Eine Methode, derartig hohe Kapazität zu der Gesamtdämpfung bei Frequenzen ausmacht, die erzielen, besteht darin, den inneren Leiter in Form sich 100 MHz nähern. Durch diese Frequenz ist daher eines wendelförmig aufgewundenen isolierten Leiters auch die obere Grenze des günstigen Verwendungsauszubilden, dessen Leiterisolation so dünn wie mög- bereiches des elektromagnetischen Verzögerungskabels lieh ist. Es hat sich aber herausgestellt, daß es un- 55 dieser Konstruktion gegeben.

möglich ist, für die Herstellung von Verzögerungs- Ein derartiges Kabel kann folgendermaßen aufge-

kabeln mit 50 Ohm Wellenwiderstand und einer Ver- baut sein:

zögerungszeit von 0.164 Mikrosekunden/Meter die ,

Isolation 5 des zur Wendel aufgewickelten isolierten ^mm Durchmesser

Leiters ausreichend dünn zu machen. Insbesondere ist 60 Trägertrense 1,37

das Spritzverfahren und die Aufbringung der Iso- Dielektrischer Kern 2,34

lation durch Bandierung des Leiters nicht geeignet. Isolierter Leiter/Wendel 4,00

Aus diesem Grunde wird vorteilhafterweise das Halbleiterschicht 4,70

Tauchverfahren zur Erzielung der halbleitenden Doppelgeflechtleiter 6,70

Schicht 5 angewandt. 65 Elastischer Mantel 8,45

Mit der Verwendung der halbleitenden Schicht 7

zwischen der isolierten Leiterwendel 3 und dem Es ist, wie bereits oben erwähnt, wichtig, den Leiinneren Geflecht 8 sind die Schwierigkeiten, die mit ter 4 mit einer außerordentlich dünnen Isolierschicht der Herstellung elektromagnetischer Verzögerungs- zu bedecken. Mit dem bereits erwähnten, hierfür erkabel mit niedrigem Wellenwiderstand verbunden sind, 70 findungsgemäß geeigneten Tauchverfahren ist es mög-

Claims (1)

1 U 17 BV &

5 6

lieh, eine Schichtdicke von nur etwa 0,1 mm zu er- laufen zu lassen, der es ermöglicht, die notwendige

reichen. Hierfür dienen erfindungsgemäß die an sich Toleranz von etwa 0,05 mm einzuhalten,
bekannten Verfahren zur Herstellung elektrischer

Lackdrähte. Patentansprüche =

Da die Kapazität des Kabels durch die Abmessung 5 1. Elektrisches Verzögerungskabel (Laufzeit-

des Innenleiters 4 und den Innendurchmesser der halb- kabel) mit einer als Innenleiter dienenden Wendel

leitenden Lage 7 bestimmt wird, ist es notwendig, daß aus isoliertem Draht, dadurch gekennzeichnet, daß

diese Masse ebenso wie diejenigen der dazwischen- zwischen dem metallischen Innenleiter und dem

liegenden Schichten außerordentlich genau eingehalten Außenleiter eine den Innenleiter isolierende, mit

werden. Es ist daher auch besonders wichtig, daß sich io einer dünnen, leitenden Auflage versehene Schicht

in diesen Lagen keine Hohlräume bilden, sondern die und dann über der aus ihm gebildeten Wendel eine

Schichten unmittelbar aufeinanderliegen. Dies ge- verhältnismäßig dickere, halbleitende Schicht aus

winnt besondere Bedeutung, wenn man bedenkt, daß Kunststoffen angeordnet ist und der Wellenwider-

es schwierig ist, die Zwickel der Wendel 3 ebenfalls stand des Kabels unter 200 Ohm, insbesondere

vollständig mit der halbleitenden Schicht 6 bzw. 7 15 unter 50 Ohm, liegt und die Verzögerungszeit

auszufüllen. wenigstens 0,164 Mikrosekunden pro Meter be-

Es ist daher vorteilhaft, daß der isolierte Leiter 5 trägt.

im Tauchverfahren mit der halbleitenden Schicht 6 2. Elektrisches Verzögerungskabel nach Anbedeckt wird, und zwar vor Herstellung der Wendel. spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die HaIb-Die auf diese Weise hergestellte halbleitende Schicht 6 a° leiterschicht aus einer Mischung von 10 bis wird zweckmäßigerweise 0,0127 mm dick aufgetragen. 40 Gewichtsprozent Polyäthylen, 20 bis 60 Ge-

Wie bereits oben erwähnt, besteht die halbleitende wichtsprozent Polyisobutylen und 25 bis 50 GeSchicht 6 aus einer wäßrigen Suspension aus kolloida- wichtsprozent feinteiligem Lampenruß besteht,
lern Graphit und Polytetrafluoräthylen. Um eine be- 3. Elektrisches Verzögerungskabel nach Ansonders gute Bindung zwischen den verschiedenen 25 spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterpolymeren Schichten zu erhalten, ist es zweckmäßig, isolation aus Polytetrafluoräthylen besteht,
nach Aufbringung der dünnen, leitenden Schicht 6 die 4. Elektrisches Verzögerungskabel nach Anisolierte Leitung leicht zu erhitzen, so daß ein ober- spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne, flächliches Schmelzen stattfindet, und darauf die halb- leitende Auflage auf der Isolation des Innenleiters leitende Schicht 7 aufzubringen und diesen leichten 3° aus einer Suspension aus Polytetrafluoräthylen, Schmelzvorgang danach zu wiederholen. kolloidalem Graphit und Wasser besteht.

Zur Herstellung der halbleitenden Schicht 7 eignet 5. Elektrisches Verzögerungskabel nach An-

sich folgende Kunststoffmischung in besonderem spruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als

Maße, wobei die eingeklammerten Zahlen zur Er- mechanischer Träger der isolierten Drahtwendel

reichung besonders guter Werte zu bevorzugen sind: 35 eine Mitteltrense aus Glasfasern mit einem dar-

überliegenden Kunststoffmantel aus Polyäthylen

Gewichtsprozente dient.

Polyäthylen 10 bis 40 (19) 6. Elektrisches Verzögerungskabel nach An-

Polyisobutylen 20 bis 60 (38) spruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese

Azetylenruß 25 bis 50 (36) 40 Isolation auf dem die Wendel bildenden Innen-

Stearinsäure 0 bis 5(4) leiter und die darauf liegende dünne, leitende Auf-Mikrokristallines Wachs .... 0 bis 5(3) lage nach dem an sich bekannten Tauch- und Einbrennverfahren hergestellt sind.

Da es bei den Verzögerungskabeln außerordentlich 7. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen

wichtig ist, die Abmessungen der einzelnen Kabelbau- 45 Verzögerungskabels nach einem der Ansprüche 1,3

teile konstant zu halten, empfiehlt es sich, den dielek- oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation

irischen Kern 2 besonders maßhaltig herzustellen. Es des zur Wendel geformten Innenleiters vor dem

ist daher zur Herstellung dieses Kernes zweckmäßig, Aufbringen der leitenden Auflage kurzzeitig leicht

ihn nach dem Verlassen der Spritzmaschine noch geschmolzen und nach Aufbringen der leitenden

einmal durch einen erhitzten, kalibrierenden Nippel 5° Auflage dieser Vorgang wiederholt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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