DE1665270A1

DE1665270A1 - Electric line for signal transmission or for alternating current energy transmission

Info

Publication number: DE1665270A1
Application number: DE19671665270
Authority: DE
Inventors: Barlow Harold Everard Banstead
Original assignee: British Railways Board
Current assignee: British Railways Board
Priority date: 1966-10-07
Filing date: 1967-10-06
Publication date: 1971-02-11
Also published as: NL6713572A; US3668574A; GB1207491A

Description

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Dipl. iNo. B. HOLZEKDipl. INo. B. HOLZEK

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Augsburg, den 5. Oktober 1967Augsburg, October 5th, 1967

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

Elektrische Leitung zur Signalübertragung oder zur Wechselstrom-Energieübertragung Electric cable for signal transmission or for alternating current energy transmission

Sie Erfindung betrifft elektrische Leitungen und ist sowohl auf Leitungen zur Signalübertragung als auch auf Leitungen zur Wechselstrom-Energieübertragung anwendbar.The invention relates to electrical wiring and is applicable to both signal transmission lines and AC power transmission lines.

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 einerThe invention is based on the knowledge that the transmission of electromagnetic energy in the port line between two conductor surfaces, for example along a ribbon line or a coaxial cable, as opposed to one general assumption is made according to two different forms and not simply the form of a transversal one electromagnetic wave (TEM wave). This hybrid form of energy propagation consists of a combination of one

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Oberflächenwelle und einer transversalen elektromagnetischen Welle, wobei die erstere von der jeweiligen Oberflächenreaktanz der Leiteroberflächen abhängig ist·Surface wave and a transverse electromagnetic Wave, the former depending on the respective surface reactance depends on the conductor surface

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die Dämpfung elektrischer Leitungen zu vermindern.The invention aims to achieve the object of reducing the attenuation of electrical lines.

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.The invention goes in terms of solving this problem of an electrical line for signal transmission or for AC power transmission with two spaced apart conductor surfaces arranged from one another and such an electrical line is thereby according to the invention characterized in that in order to produce an asymmetrical design of the two spreading on the conductor surfaces Surface waves make the surface reactance of one of the conductor surfaces greater than that of the other Conductor surface is.

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, daßThe inventive increase in the surface reactance of one of the two conductor surfaces results asymmetrical conditions with regard to the surface wave and it has been found that the attenuation of a corresponding wave is significantly less than without the occurrence of Asymmetry. Preferably the asymmetry is so strong that

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der Nullpunkt des elektrischen Feldes der beide Ausbreitungsformen aufweisenden Hybridwelle so nahe wie möglich an der jeweils gegenüberliegenden Leiteroberfläche liegt.the zero point of the electric field of the hybrid wave exhibiting both forms of propagation is as close as possible on the opposite conductor surface.

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.The means for generating the asymmetrical surface wave can have the form of a covering made of a dielectric material, which is provided on one of the two μ conductor surfaces in such a thickness that the increase in attenuation due to the additional losses in the covering is less than the decrease in attenuation due to the resulting special surface wave is.

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.On the other hand, the gowns for generating the asymmetrical surface wave can also have the shape of a wave profile which is provided on one of the two conductor surfaces. This profile can be formed by grooves which run at right angles to the direction of propagation {of the wave and preferably have a depth somewhat less than a quarter wavelength of the wave profile, so that the ratio of surface reactance to surface resistance is given a maximum value.

Hat die Übertragungsleitung die Form eines Koaxial-»If the transmission line is in the form of a coaxial »

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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.kabeis, so can preferably on the surface of the inner conductor a covering made of a dielectric material can be applied. If the main dielectric in the cable is air, the covering can contain polyethylene (polythene) or polystyrene. Is used as the main dielectric in the coaxial cable Polyethylene (polythene) or polystyrene provided, the covering must consist of a material whose Dielectric constant is greater than that of the main dielectric.

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.The invention can be applied to resonators which eic certain, in the inventive method may contain built-up line piece, the anseinen opposite ends with reflective elements is completed.

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 DielektrizitätskonstanteThe invention also applies to full-current power transmission lines applicable with the normal operating frequency of 50 Kz or 60 Hz. Such transmission lines are generally in the form of a parallel wire line with two parallel conductors at a distance from one another, one of which is according to the invention is provided with a covering made of a dielectric material, which has a very high dielectric constant

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aufweist, wofür beispielsweise ein Ferrit in Frage kommt.has, for which, for example, a ferrite comes into question.

Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:In the following, the invention is illustrated by the description some exemplary embodiments explained in more detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings represent:

Figur 1 einen Querschnitt durch ein KoaxialFigure 1 shows a cross section through a coaxial

kabel nach der Erfindung,cable according to the invention,

Figur 2 einen Axiallängsschnitt durch dasFigure 2 is an axial longitudinal section through the

erfindungsgemäße Kabel nach Figur 1,cable according to the invention according to Figure 1,

Figur 3 eine graphische Darstellung derFigure 3 is a graphical representation of

Beziehung zwischen der Dämpfung und der Dicke des Dielektrikumsbelages des erfindungsgemäßen Kabels nach den Figuren 1 und 2,Relationship between the attenuation and the thickness of the dielectric coating of the cable according to the invention according to Figures 1 and 2,

Figur 4- einen Axiallängsschnitt durch eineFigure 4- an axial longitudinal section through a

andere Ausführungsform der Erfindung mit einer mit einem Wellenprofil versehenen Leiteroberfläche, undAnother embodiment of the invention with one with a wave profile provided conductor surface, and

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Figur 5 ein erfindungsgemäßes Kabel bzw.Figure 5 shows a cable according to the invention or

eine erfindungsgemäße Leitung zur Leistungsübertragung.a line according to the invention for power transmission.

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.In the cross section through a coaxial cable according to the invention shown in FIG. 1, an inner conductor is denoted by 1, which is surrounded by an outer conductor 2. The inner conductor 1 has a covering 3 made of a W dielectric material. The cable shown in FIG. 1 can be air-insulated and in this case spacers made of insulating material are provided, which hold the inner conductor 1 at the desired distance from the outer conductor 2. It has been found that when high frequency is fed into the cable according to FIG. 3, the form of propagation is two-fold and contains both a pure transverse electromagnetic wave and a dual surface wave. The effect of the coating 3, which increases the surface reactance of the conductor 1, is represented by an increase in the asymmetry of the surface wave. FIG. 2 of the drawings shows an image of the electric field which is formed in the cable.

Vergrößert man die Dicke des Belages 3 von dem Wert Hull ausgehend nach aufwärts, so zeigt sich, daßIf the thickness of the covering 3 is increased upwards from the Hull value, it can be seen that

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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.the attenuation of the cable first drops to a minimum and then increases again. The relationship between the Damping α and the thickness t of the covering 3 is shown in the order of magnitude in FIG. 2 of the drawings.

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.Instead of a dielectric layer on the inner conductor 1, however, the surface of the outer conductor 2 facing inward can also be covered in a corresponding manner; the inner conductor is preferably provided with an italag. If the Isolntionsrnum the K * ⁵ bels with a solid Dielektrikum'ausgefüllt, the pad 3 has a higher B-sis elektrizitätskcnstTinte have the remaining Isolationsv; erkstoff. Suitable materials for the covering 3 are titanium dioxide, calcium titanate and strontium titanium. The materials mentioned are applied to the inner conductor as a layer by grinding them into powder and then enclosing two layers of flexible insulating tape in powder form, for which, for example, cellulose ties can be used, which are known as Varerm; - ren "Sellct'-pe" are commercially available. The multilayer 3-ni produced in this way with the powder material embedded therein is then wound spirally around the inner conductor 1.

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BADBATH

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.Instead of one of the ladder surfaces with a covering to be provided according to the type of covering 3, one can also use one or the other conductor surface of the cable, preferably on the surface of the inner conductor, provide a wave profile that is formed by circumferential grooves or channels is formed. Such an arrangement is shown in FIG. 4 of the drawings, according to which an inner conductor of a coaxial cable is provided with grooves 11 running all around, the effective depth of which is somewhat less than a quarter is the wavelength of the wave profile. This ensures that the ratio of the surface reactance to Surface resistance has a maximum value. The ratio of the ITut width b to the hat distance B is chosen so that that b / B is equal to the ratio of nut reactance to surface reactance · A coaxial cable with an inner conductor after Figure 4 of the drawings behaves similarly to the cable shown in Figures 1 and 2.

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 gebräuchlichenAn advantage of the cable forms described above is that when they are used for signal transmission over large Distances, for example as a submarine cable, the number of Relay stations or * the repeater stations can be reduced considerably, since the attenuation of the cable is significant is less than the attenuation of conventional ones

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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.Cable types with a normal dielectric, in which almost only the transverse electromagnetic wave occurs. Furthermore, the sabers according to the invention show a significantly lower dispersion than the known cables, so that there is less need for compensation circuits results.

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.While the transmission lines described above are mainly used to transmit signals at high frequency and even higher frequencies are used, the invention is also beneficial to energy transfer applicable at frequencies of 50 Hz or 60 Hz. XJm is the surface reactance of a conductor in these To be able to increase frequencies to a sufficient extent, dielectric coverings with a very high dielectric constant necessary. A suitable material for this is manganese-zinc-ferrite, which has a relative dielectric constant of about 10, a relative permeability of ΊΟ ^ and has a specific resistance of the order of 3.3 x 10 cm, which results in a loss angle from tg <f «10 results.

Nachdem die ferrite harte, brüchige Werkstoffe sind, kann der Dielektrikumsbelag des einen Leiters die FormAfter the ferrite are hard, brittle materials, the dielectric coating of one conductor can take its shape

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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·a series of rings made of the material in question, which gives the conductor the necessary flexibility preserved. However, the topping can also be powdered. apply the form between two carrier tapes. Such an arrangement also leads to a reduction in the small Longitudinal current within the ferrite

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·It is an advantage to make sure that as much as possible fe high proportion of the energy contained in the surface wave and not in the transverse electromagnetic wave is. This is best done at an operating frequency of 50 Hz either by a pair of spaced apart mutually extending conductors each of circular cross-section or by a coaxial arrangement of conductors · An example of the first-mentioned conductor arrangement is given in Jigur 5, which shows two parallel at a distance shows mutually extending conductors 10a and 11a of circular cross-section which have an electrical high " Form power transmission line. The conductor 10a is surrounded by a series of rings 12 made of manganese-zinc-perite. Preferably only one of the two conductors is with • Provided with a covering ·

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Claims

■ ". Electrical line for signal transmission or for alternating current energy transmission, with two conductor surfaces arranged at a distance from one another, characterized in that for the purpose of generating an asymmetrical formation of the two surface waves propagating on the conductor surfaces, the surface reactance of one of the conductor surfaces is greater than that of the other %

Conductor surface is.

2. Electrical line according to claim 1, characterized in that one of the two conductor surfaces is one their surface reaction with increasing dielectric coating (3 or 12) (Figures 1, 2 and 5).

3. Electrical line according to claim 2 in the form of a coaxial cable with a solid dielectric between the outer conductor and inner conductor, characterized in that said dielectric coating on one of the two conductor surfaces has a higher dielectric constant than the cable dielectric «

4. Electrical line according to claim 2 or 3, characterized

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characterized in that the dielectric coating by a powdered substance embedded between flexible insulating tapes; vird and that that way formed insulating tape is preferably wound spirally around the inner conductor of the coaxial cable.

5. Electrical line according to claim 4, characterized in that that said powdered substance contains titanium dioxide.

6. Electrical line according to claim 4-, characterized in that said pulverized substance is a Contains ferrite.

7 · Electrical line according to claim 1, characterized in that one of the two conductor surfaces has a flat profile (11) which increases its surface reactance and whose waves run transversely to the line (10) (Figure Mr).

8. Electrical line according to claim 7 in the form of a Coaxial line, characterized in that the wave profile is formed by circumferential grooves (11) on the inner conductor (10) of the Coaxial cable is formed (Figure 4-).

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9. Electrical line according to one of claims 1

to 8, in particular for the transmission of alternating current energy, characterized in that the conductor surfaces are higher Surface reactance are formed on two lead wires (10a, 11a) running at a distance from one another (FIG. 5)

10. Electrical line according to claim 9 »characterized in that one (10a) of the two lead wires has a Jerrit covering (12) (Figure 5)

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