DE913431C

DE913431C - Hochfrequenzkabel mit konstanter Daempfung

Info

Publication number: DE913431C
Application number: DEL5547D
Authority: DE
Inventors: Dr Fritz Gutzmann; Robert Herzog; Dr Rudolf Hintze; Willy Kohl; Heinrich Peters; Dipl-Ing Alfred Wiessner
Original assignee: IALOVAKABELIA LORENZ VACHA HOC
Current assignee: IALOVAKABELIA LORENZ VACHA HOC
Priority date: 1941-04-04
Filing date: 1941-04-05
Publication date: 1954-06-14

Description

Die Erfindung schlägt ein Hochfrequenzkabel mit konstanter Dämpfung über einen größeren Frequenzbereich vor. Das Kabel hat den Vorteil, daß es bis zu einer bestimmten Frequenz für eine verzerrungsfreie Übertragung verwendet werden kann. Erfindungsgemäß ist sowohl der aus Hochfrequenzlitze geklöppelte Innen- wie der Außenleiter nach demDimensionie-

i. 7 O ·> ^IC)6 °)°7 £

rungsgesetz h_cu = 8, ι · io~² · —=- ■ mm aufgebaut, wobei als Dielektrikum zwischen dem Innen- und Außenleiter elastische Polymerisationsprodukte ungesättigter Kohlenwasserstoffe der Alkylenreihe verwendet werden, wie Polyäthylen, Polyisobutylen usw., bzw. Mischpolymerisate der Kohlenwasserstoffe dieser Reihe, wie Polyvinylbenzol (Polystyrol), Polydivinylbenzol, Polyvinyldibenzopyrrol (Polyvinylcarbazol), oder auch Gemische einzelner Polymerisate dieser Reihe. Um die gleichen Verhältnisse sowohl im Innenleiter wie auch im Außenleiter zu haben, werden beide Leiter aus Hochfrequenzlitze geklöppelt, wobei bei der ao einen Klöppelrichtung die Hochfrequenzlitze mit Rechtsdrall, bei der anderen Klöppelrichtung die Litze mit Linksdrall aufgebaut ist. Für die beiden einzelnen Leiter der konzentrischen Leitung können verschiedene Einzeldrahtstärken verwendet werden. In der Praxis kommt für den Innenleiter nur ein Hohlleiter in Frage. Die elektrischen Verhältnisse einer Hohllitze sind mit denen einer langen Spule gleichzusetzen. In beiden

Fällen steigt die magnetische Feldstärke innerhalb des Litzenraumes' linear vom Wert Null auf den Höchstwert ξ>_ηαχ an. Der. einzige Unterschied besteht darin, daß bei der Hohllitze die Höchstfeldstärke außen, bei der Spule hingegen innen ist. Die Höchstfeldstärken sind dieselben, wenn der Strombelag je Zentimeter Länge der Spule gleich dem Strombelag je Zentimeter Umfang der Hohllitze ist.

Hieraus ergibt sich, daß die Formeln für die Wider-Standserhöhung von Hohllitzen dieselben sind wie für Hochfrequenzlitzen in langen Spulen.

Für lange Litzenspulen gilt

W₀

ni²v — ι

Zweckmäßig wird der Wirbelstromfaktor K = —

W₀

eingeführt.

*M²V-*	■ψ (ξ),
3	■ (ο · σ r*
'3,56 ·
— ι

*yv.*

wobei -ξ = π·τ |/³'⁵⁶ ' ^ ^v' ^a>"^y'^r ist. (3) ²S γ h

Hierbei bedeutet .

w = Widerstand bei Hochfrequenz,

W₀ = Widerstand bei Gleichstrom, f = Radius des Einzeldrahtes (in Zentimeter) der Hochfrequenzlitze,

ν = Anzahl der Einzeldrähte je Litze, ω = Kreisfrequenz,

σ — Leitfähigkeit,
A= Ganghöhe der Spule,

m = Lagenzahl der Spule,

φ (ξ) = ί ■

<5m 2 ξ + sin 2 ξ eof 2 ξ — cos 2 ξ

<5ίηξ

•sin

eof ξ -j

cos

(4)

(5)

Das Gebiet mit der Bedingung ξ ΐ£ ι ist dasjenige, innerhalb dessen Litze besser ist als ein Volleiter. Auf

· 1/ 3,56

Grund der Formel (3) ξ = π ■

und Einführung des Füllfaktors f _te ergibt sich bei lagenweiser Anordnung der Litzendrähte und Vernachlässigung jeglicher Isolation ξ = π · r ■ Yi,j8 · ω · σ. Für die normalerweise schlechteren Füllfaktoren gilt dann ξ ^ % · r 1/1,78 · ω ·σ.

Bei der Reihenentwicklung der Funktionen φ (ξ) und ψ (ξ) für den Bereich ξ ^ ι und Einführung der effektiven Kupferbelagshöhe ergibt nach Formel (2)

K = i —■ 0,0222 f⁴ — 0,0013 I⁸
• r² ■ 3,56^s · ω² ·σ² (ι — ■ 0,0411 ·

(6)

0,0017 ·

Aus dieser Formel (6) ist zu entnehmen, daß in dem Bereich ο < ξ < ι der Wirbelstromfaktor eines Litzenaufbaues im wesentlichen außer von der Frequenz nur von den beiden Aufbaugrößen h_ou und r abhängt. Beachtlich ist hierbei die Abhängigkeit von der Kupferbelagshöhe h_cu, da diese den Gleichstromwiderstand W₀ des Litzenaufbaues bestimmt. Es gibt somit bei gegebenem Durchmesser r und gegebenem ω eine Kupferauftragshöhe h_cu opt, die die kleinstmöglichen Verluste ergibt.

Bei der Betrachtung der Eindringtiefe E für Hochfrequenzlitze

12,2 · 10— ^l u

mm

(7)

unter Berücksichtigung der durch den Litzendrall entstehenden Stromumwege u erkennt man, daß ein Leiter aus Hochfrequenzlitze um so mehr Vorteile bringt, je kleiner der Einzeldrahtdurchmesser d ist.

Hieraus ergibt sich, daß nach dem Dimensionierungsgesetz

ΊΟ"

opt = 24,4 · ίο-² · -j-

0,07

mm

die Verwendung von Hochfrequenzlitze gegenüber dem Volleiter vorteilhafter ist.

Für die Frequenzabhängigkeit bei gegebenem Litzenaufbau gilt nach (4)

σ², (ο.)

Zur Vereinfachung der Frequenzabhängigkeit folgt aus (6) bei k — 2 und f = f₀, wobei die Grenzfrequenz /"q. diejenige Frequenz ist, für die die als gegeben betrachtete Litze den optimalen Aufbau hat:

(10)

Die Eindringtiefe E für gegebenen Litzenaufbau als Funktion der Frequenz ergibt

ι +

Da konstante Dämpfung konstante Eindringtiefe

f f \ ² bedeutet, muß nach (11) der Faktor 1 -*- I -j- möglichst

konstant sein. Läßt man für die höchsten Frequenzen des Bereiches 10 % Dämpfungsanstieg zu, so kann man das mit einer Litze erreichen, deren Grenzfrequenz f₀ etwa gleich dem dreifachen der höchsten Betriebsfrequenz f ist. Hierbei ist

Ku —

ίο"

IO⁶

0,07

mm.

(12)

Wie oben erwähnt, muß bei derartigen Kabeln Innen- wie Außenleiter aus Litze aufgebaut sein, da sonst der Außenleiteranteil der Dämpfung einen zu großen frequenzabhängigen Anteil· bringt.

Bei den ernndungsgemäßen Kabeln besteht das Dielektrikum aus plastischen Polymerisationsprodukten der Alkylene. Vorteilhaft ist es aus Gemischen einzelner Polymerisate bzw. Mischpolymerisate dieser Reihe aufgebaut, beispielsweise aus einem Gemisch von Polyisobutylen mit Polyvinylbenzol, das in Form von Bändern lagenweise auf den Innenleiter aufgebracht und/oder aufgespritzt wird. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, dem Gemisch Monomerestyrol

ίο und/oder Divinylbenzol beizugeben, das bei der Verarbeitung polymerisiert. Die Anteile des Gemisches können aus io bis 90 % der einen oder der anderen Komponente bestehen. Ebenfalls können andere als die der beiden Grundkomponente zugemischt werden.

Auf den auf geklöppelten Außenleiter wird wiederum eine Schicht aus Polymerisationsprodukten der Alkylenreihe aufgebracht. Hierbei hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, Gemische von Polyäthylen mit Polyisobutylen zu verwenden. Zur Verhütung von

ao Beschädigungen dieser elastischen wasserundurchlässigen Schicht gegen mechanische oder sonstige Beschädigungen ist es vorteilhaft, über diese Bänder zu spinnen, die mit Substanzen getränkt sind, die gegen öle unempfindlich sind. Hierzu eignen sich vorzugsweise Polyvinylchlorid oder auch Mischpolymerisate dieser mit Phthalsäureglyzerine. Das Kabel ist an sich so schon zur Verwendung geeignet, wird aber für die Erdverlegung vorteilhafterweise noch mit einer üblichen Erdarmierung aus Eisen versehen. Durch die '30 Verwendung des oben bezeichneten Kunststoffes ist das erfindungsgemäße Hochfrequenzkabel feuchtigkeitsgeschützt, da die oben bezeichneten Polymerisationsprodukte bzw. die Gemische dieser eine Diffusionskonstante besitzen, die kleiner als io~⁹g/h · cm · mm Hg ist.

Gegenüber den in der Praxis bekannten konzentrischen Breitbandkabeln besitzt das erfindungsgemäße Kabel wesentliche Vorteile. Die bekannten Kabel verwenden im wesentlichen Luft als Dielektrikum.

Innen- und Außenleiter sind, da sie nur in wenigen Punkten gegeneinander abgestützt werden können, in Form von Massivleitern aufgebaut. Die Dämpfung ist daher frequenzabhängig. Das erfindungsgemäße Kabel verwendet demgegenüber als Innen- und Außenleiter Hochfrequenzlitzen. Die Dämpfung ist über einen bestimmten größeren Frequenzbereich konstant. Die Distanzierung der Leiter gegeneinander erfolgt durch eine Vollisolation, die vollkommen wasserfest ist. Eine Veränderung der elektrischen Werte, wie Isolationswiderstand, Verlustwinkel, Wellenwiderstand, Kapazität usw., kann mithin nicht eintreten. Durch den hochflexiblen Aufbau der Leiter und durch die Verwendung des elastischen Isoliermaterials können diese Kabel daher auch als bewegliche Kabel Verwendung finden.

Ein nach vorliegender Erfindung aufgebautes Breitbandhochfrequenzkabel hat bei einem Außendurchmesser von etwa 26,6 mm nachfolgende Werte: In einem Frequenzbereich von 60 bis 1300 kHz ergab sich folgendes: Bis 300 kHz ergab sich ein frequenzunabhängiger Dämpfungswert von etwa 72 mN/km. Von 300 kHz steigt die Dämpfung und erreicht bei etwa 600 kHz einen Wert von 85 mN/km, bei 1000 kHz einen Wert von 126 mN/km und bei 1300 kHz einen Wert von 160 mN/km. Nach diesen Meßergebnissen ist eindeutig zu erkennen, daß der Dämpfungswert bei kHz allein durch den ohmschen Widerstand von Innen- und Außenleiter bedingt ist und daß der Anteil der Ableitung an der gesamten Dämpfung auch bei höheren Frequenzen sehr gering ist. Der Ableitungsanteil beträgt in Prozent der gesamten Dämpfung bei 200 kHz 1,6 %, 400 kHz 3,7 %, 1000 kHz 8,5 %. In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kabels dargestellt. Auf den Kern 1, der aus einer Faser (Rohseide, Hanf od. dgl.) besteht, wird der aus Hochfrequenzlitze hergestellte Innenleiter 2 aufgeklöppelt. Auf diesen wiederum wird eine Isolierschicht aus Polyalkylene aufgebracht, auf die der Außenleiter 4 aufgeklöppelt wird. Der Außenleiter wird, wie die beispielsweise Ausführungsform zeigt, mit einem plastischen Mantel 5 umgeben, der ebenfalls aus Polyalkylene mit besonders niedriger Diffusionskonstante besteht, auf den dann ein weiterer Mantel 6 als mechanischer Schutz aufgebracht ist.

Claims

Patentansprüche:

I. Hochfrequenzkabel mit konstanter Dämpfung über einen Frequenzbereich mit koaxialer Leiteranordnung, bei der der Innenleiter aus Hochfrequenzlitze besteht, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der aus Hochfrequenzlitze geklöppelte Innen- wie der Außenleiter nach dem Dimensionierungsgesetz

cu = δ-¹ ·

10°

0,07

mm

aufgebaut ist, worin bedeutet: h_cu in Millimeter = radiale Stärke der Kupferschicht, f in Hertz = Betriebsfrequenz, d in Millimeter =*= Einzeldrahtdurchmesser.
2. Hochfrequenzkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrikum zwischen dem Innen- und Außenleiter PoIyalkylenen verwendet werden bzw. Mischpolymerisate dieser Reihe oder auch Gemische einzelner Polymerisate.
3. Hochfrequenzkabel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl beim Innenwie auch beim Außenleiter die Drallrichtung der Hochfrequenzlitze der beiden Klöppelrichtungen verschieden ist.
4. Hochfrequenzkabel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innen- und der Außenleiter verschiedene Einzeldrahtstärken, aber gleiche Grenzfrequenzen besitzen.
5. Hochfrequenzkabel nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter mit einer Isolierschicht aus Polymerisationsprodukten ungesättigter Kohlenwasserstoffe bzw. Mischpolymerisaten derselben umgeben ist, wobei die Diffusionskonstante der Isolierschicht kleiner als 0,1 · ίο—⁸ g/h · cm · mm Hg ist.
6. Hochfrequenzkabel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch von Polyisobutylen und Polyäthylen verwendet wird.
7. Hochfrequenzkabel nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum in Bandform um den Innenleiter ohne jeglichen Lufteinschluß aufgebracht oder aufgespritzt wird.
8. Hochfrequenzkabel nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern, der den als Hohlleiter ausgebildeten Innenleiter trägt, aus Rohseide und Hanf besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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