DE1540120B2 - Elektrisches Nieder- oder Hochfrequenzenergiekabel mit selektiver, frequenzabhängiger Absorption - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Niederoder Hochfrequenzenergiekabel mit selektiver frequenzabhängiger Absorption, welches wenigstens einen Leiter mit einer in radialer Richtung geschichteten Struktur aufweist.

Ein solches Kabel ist aus der deutschen Patentschrift 8 75 054 bekannt. Dieses bekannte Kabel besteht abwechselnd aus leitenden und aus nichtleitenden konzentrischen Schichten.

Weiterhin sind aus der französischen Patentschrift 12 05158 selektiv absorbierende Kabel bekannt, insbesondere Entstörungskabel. Bei diesen bekannten Kabeln werden die Verluste durch Verwendung von Kernen oder Hüllen erreicht, welche Verluste infolge magnetischer oder dielektrischer Resonanz aufweisen.

Den bekannten Kabeln ist jedoch der Nachteil eigen, daß die erreichbare Dämpfung verhältnismäßig gering ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Nieder- oder Hochfrequenzenergiekabel zu schaffen, das in einem bestimmten Frequenzbereich eine jeweils vorgebbare Absorption und Impedanz für Störfrequenzen aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Leiter wenigstens zwei konzentrische leitende Schichten aufweist, die miteinander unmittelbar in Berührung stehen, und daß wenigstens einer der spezifischen Parameter Widerstand, Permeabilität und Dielektrizitätskonstante in einer äußeren Schicht größer ist als derjenige einer inneren Schicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß auf Grund eines verbesserten Energieaustausches zwischen einem leitenden Element und einem dieses Element umgebenden Verlustelement exakt steuerbare Dämpfungswerte erzeugt werden können.

Gemäß der Erfindung ist weiterhin der Vorteil erreichbar, daß beispielsweise bei Zündkabeln für Explosionsmotoren bestimmte Störfrequenzen unterdrückt werden können.

Weiterhin eignet sich das erfindungsgemäße Kabel auch hervorragend zur Entstörung von Haushaltsgeräten oder industriellen Einrichtungen, welche Störungen für Hochfrequenzempfangseinrichtungen erzeugen.

Weiterhin ist das erfindungsgemäße Kabel zur Herstellung von Koaxialkabeln vorteilhaft anwendbar.

Weiterhin ist es allgemein besonders vorteilhaft, daß sich ein erfindungsgemäßes Kabel praktisch wie ein reiner Widerstand verhält, der sich mit der Frequenz ändert. Aus einzelnen Stücken solcher Kabel können gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise Tiefpaßfilter hergestellt werden, insbesondere RC-Filter.

AusführungsbeispieJe der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben. In dieser zei"t

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines zylindrischen Leiters,

F i g. 2 ein Diagramm mit Kurven der Änderung der Stromdichte als Funktion des Radius in einem Leiter gemäß Fig. 1,

F i g. 3 ein Diagramm mit theoretischen Kurven der Änderung des spezifischen Leistungswiderstandes als Funktion des Radius,

F i g. 4 ein Beispiel eines Leiters mit geschichteter Metallstruktur,

F i g. 5 ein Diagramm der Stromdichten in einer Verlustschicht mit parabolischer Änderung des spezifischen Widerstandes für verschiedene Werte der Schichtstärke (σ₀ = Dichte in der Leitermitte),

F i g. 6 für verschiedene Frequenzen die Änderungen des Widerstandes R_nF eines Kupferleiters, der mit einer Verlustschicht mit parabolischer Änderung des spezifischen Widerstandes ummantelt ist, als Funktion der Schichtstärke,

F i g. 7 als Funktion der Frequenz die Änderungen des Widerstandes R_nF eines Leiters von 1 mm Durchmesser mit progressiver Änderung seiner Parameter ρ und μ gemäß verschiedenen Gesetzmäßigkeiten,

F i g. 8 als Funktion des Gesamtradius, für verschiedene Frequenzen, die Änderungen des Widerstandes eines Kupferleiters mit einem Radius von 1 mm, der mit einer homogenen, wiederstandsfähigen Verlustschicht ummantelt ist,

F i g. 9 in ähnlicher Weise, aber für die konstante Frequenz von 200 kHz, die Änderungen des Verhältnisses /?hf/-^o ^a*^s Funktion des Radius für verschiedene Werte des spezifischen Widerstandes,

Fig. 10 die Wirkung einer magnetischen Verlustschicht variabler Stärke auf einen Kupferdraht mit einem Radius von 0,7 mm,

Fig. 11 ein Beispiel eines metallischen Aufbaues mit magnetischen Verlustschichten,

Fig. 12 einen Leiter mit nichtmetallischer, geschichteter Ummantelung,

Fig. 13, 15, 17 und 19 verschiedene Ausführungsformen von Kabeln gemäß der Erfindung,

Fig. 14, 16, 18 und 20 Diagramme, die jeweils den vorhergehenden vier Figuren entsprechen,

Fig. 21 eine Ausführungsform eines Kabels gemäß F ig. 15 und

F i g. 22 eine Ausführungsform von Kabeln gemäß der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt eine vollständig metallische Struktur, und zwar eine zylindrische Struktur mit einer Änderung des spezifischen Widerstandes des Metalls von innen nach außen.

Bestimmte Größen sind in dem Diagramm der Fig. 2 dargestellt, in dem der Radius R auf der Abszisse aufgetragen ist, während die Werte der Stromdichte in einem logarithmischen Maßstab auf der Ordinate aufgetragen sind. Die Kurve A _t gibt den Verlauf der Änderung der Stromdichte als Funktion des Stromes in einem homogenen Kupferleiter bei der Frequenz von 200 kHz an.

Bei A₂ ist der Anfang der entsprechenden Kurve bei der Frequenz von 2 MHz dargestellt.

Die Kurve B₀ gibt die Gleichstromänderungen der Stromdichte in dem bereits definierten geschichteten Leiter mit parabolischer Änderung des spezifischen Widerstandes an. Diese Kurve zeigt also gleichzeitig die Änderungen des spezifischen Leitwertes als Funktion des Radius. In dem so gebildeten geschichteten Leiter ändert sich die Stromdichte bei der Frequenz von 200 kHz gemäß der Kurve B₁. Die Verteilung bei 2 MHz ist bei B₂ dargestellt.

Es ist also zu sehen, daß in einem derart aufgebauten Leiter, in dem bis zu einer bestimmten Frequenz zwischen 200 kHz und 2 MHz die Stromdichte in den Randzonen unterhalb der Stromdichte in der Mitte bleibt; die geschichtete Struktur des Leiters steht folglich der Entwicklung des Skineffekts entgegen, und auf diese Weise ist eine Lokalisierung

ίο der Felder im Inneren des Leiters gewährleistet, also in den Verlustzonen der inneren Struktur des Leiters.

Es kann andererseits erwartet werden, daß eine Frequenz existiert (die in dem betrachteten Fall zwisehen 200 kHz und 2 MHz liegt), für die man sich einer Gleichverteilung der Stromdichte als Funktion des Radius nähert.

In der F i g. 4 ist ein Vielschicht-Leiter dargestellt, der aus einem Kupferdraht 11 und einer Folge von

ao koaxialen, röhrenförmigen Schichten 12 bis 15 besteht, die folgendermaßen zusammengesetzt sind:

Schicht	Material	Spezifischer Widerstand
12	Messing (Cu + Zn)	7
13	Neusilber (60 Cu, 10 Ni, Zn)	30
14	Manganstahl (13 Mn, 1C, 18 Cr, 68 Fe)	64
15	Chromnickelstahl (61 Ni, 15 Cr, Fe)	112

Die Änderungen des spezifischen Leitwertes dieses Leiters als Funktion des Radius sind durch die Treppenkurve B₀ der F i g. 2 dargestellt. Sie kann als eine Näherung der theoretischen Kurve B₀ betrachtet werden.

Es besteht dabei insbesondere die Möglichkeit, dem Skineffekt entgegenzuwirken.

Die F i g. 3 zeigt bei C1, C 2 und C 3 berechnete Änderungen des spezifischen Widerstandes als Funktion des Radius, um eine gleichförmige Verteilung der Stromdichte jeweils bei 0,2, 2 und 6 MHz zu erreichen. Bei C 4 ist eine Kurve mit drei Stufen 17, 18,19 dargestellt, die einer praktischen Ausführungsform entspricht, die unten beschrieben wird. Es handelt sich dabei um einen Kupferleiter (Stufe 17), der von zwei, jeweils durch die Stufen 18 und 19 dargestellten, dünnen Schichten ummantelt wird, welche folglich von Materialien gebildet werden, die einen etwa 100- und lOOOmal größeren Widerstand als Kupfer besitzen.

Einem Dämpfungsmaximum entspricht im allgemeinen eine Gleichverteilung des Stromes. Ein absolutes Maximum wird auf diese Weise mit einem besonderen Gesetz der Änderung des spezifischen Widerstandes (F i g. 3) erreicht, und man erhält ein Maximum im Fall eines für eine bestimmte Frequenz gegebenen Gesetzes.

Die F i g. 5 und 6 betreffen den Fall, bei dem auf einer Kupferseele von 0,5 mm Radius eine Schicht von variablem spezifischen Widerstand nach einem parabolischen Gesetz aufgebracht ist und bei dem die bereits angeführten Grenzen für verschiedene Werte der Gesamtdicke der Schicht angegeben sind.

Die F i g. 5 zeigt für eine konstante Frequenz von

10 MHz die radiale Änderung der Stromdichte für verschiedene Werte der Schichtdicke, wobei von einer gleichen Dichte an der Oberfläche der Kupferseele ausgegangen wird.

Es ist zu bemerken, daß diese Dichte unabhängig von der Schichtdicke bleibt und für einen bestimmten Wert der Gesamtdicke der Schicht, z. B. etwa 0,25 mm, die Verteilung der Stromdichte sich dem Maximum einer gleichförmigen Verteilung nähert.

Die F i g. 6 zeigt, daß dies einem Maximum des Verhältnisses R_UF/R₀ des Widerstandes bei der betrachteten Frequenz bezüglich des Gleichstromwiderstandes entspricht, d. h. dem Absorptionsmaximum.

Im folgenden wird ein parabolisches Änderungsgesetz untersucht. In der Fig. 7 zeigt die Kurve Zl die Änderung des Verhältnisses R_BF/R₀ als Funktion der Frequenz für ein solches parabolisches Änderungsgesetz des spezifischen Widerstandes, und zwar von der Mitte des Leiters bis zum Rand. Die Änderungen desselben Verhältnisses wurden gleicher- ao maßen für die anderen Gesetze der Art

P = P₀(I + <xR")

mit denselben Werten von P₀ und von P_max untersucht.

Die Kurve Z 2 zeigt die erhaltenen Änderungen mit einem linearen Gesetz (n = 1).

Die Kurve Z 3 entspricht η = 10.

Es kann festgestellt werden, daß die Absorption mit η wächst mit einem Maximum für η in der Größenordnung von 10. Dies entspricht einer maximalen Absorption für diese Art von Gesetz.

Die Kurve Z 4, die einer im umgekehrten Sinn erfolgenden Änderung des spezifischen Widerstandes als Funktion des Radius, indem P_max in der Mitte angeordnet wird) entspricht, zeigt, daß eine sehr geringe Änderung von R_EF/R₀ als Funktion der Frequenz erhalten werden kann. Dies gibt den Weg zur Erlangung eines Leiters mit frequenzunabhängigem Widerstand, also ohne Skineffekt, an.

Bisher wurden nur die Änderungen des spezifischen Widerstandes betrachtet. Es soll nun der Einfluß der Änderungen der Permeabilität^ des Materials als Funktion des Radius R betrachtet werden.

Die Kurven Z 5 und Z 6 zeigen zuerst die Folgen der alleinigen Änderung der Permeabilität als Funktion des Radius, wobei der spezifische Widerstand konstant bleibt. ZS entspricht einer zunehmenden parabolischen Änderung und Z 6 einer abnehmenden parabolischen Änderung der Permeabilität. Es kann festgestellt werden

1. daß erhöhte Dämpfungen erhalten werden können,

2. daß es die nach außen zunehmende Permeabilität ist, die die höhere Absorption ergibt.

Die Kurve Z 7 entspricht schließlich einer gemeinsamen Änderung in nach außen zunehmendem Sinn des spezifischen Widerstandes und der Permeabilität. Es ist die Möglichkeit der Erreichung von sehr hohen Dämpfungen zu erkennen, was im folgenden bestätigt wird.

Die Fig. 11 und 12 zeigen zwei erste Beispiele von geschichteten Strukturen, welche es ermöglichen, mit stufenförmigen Änderungen von Parametern praktische Näherungen des Gesetzes kontinuierlicher Änderungen zu erreichen.

Die Fig. 11 zeigt einen geschichteten Leiter mit einem geraden Kupferleiter 21 (ju = 1, ρ = 1) und einer Reihe von dünnen Schichten 22 bis 25, die jeweils aus Messing (μ = 1, ρ = 10) aus Chromnickelstahl (μ = 1, ρ = 100), aus Eisen (μ = 1000, ρ = 10) und aus Nickel-Eisen (.μ = 10 000, ρ — 100), (diese spezifischen Widerstände sind relative Näherungswerte, bezogen auf Kupfer) bestehen. Es handelt sich also um ein rein metallisches Ausführungsbeispiel, in dem man durch gleichzeitiges Einwirken auf die Permeabilität und den spezifischen Leitwert eine Änderung der Parameter hinsichtlich einer maximalen Absorption erreicht.

In einer in der Fig. 12 angegebenen Ausführungsform wurden auf einen geraden Kupferleiter 26 eine Reihe von Schichten 27, 28, 29 aus absorbierenden, plastischen Mischungen aufgebracht. Die verschiedenen Schichten besitzen folgende Zusammensetzungen (PVC = Polyvinylchlorid; C = Kohlenstoff; Ferrit auf der Basis von Mangan und von Zink):

27: PVC/35 — Ferrit/35 — C 30
28: PVC/30 — Ferrit/50 — C 20
29: PVC/20 — Ferrit/70 — C 10

Diese Schichten schaffen also zugleich eine stufenförmige Vergrößerung der Permeabilität und des spezifischen Widerstandes. Jede dieser Schichten ist andererseits so ausgeführt, daß sie gleichzeitig Leitungsverluste auf Grund des Kohlenstoffzusatzes und durch magnetische Resonanz verursacht, gemäß der Technik der Herstellung von absorbierenden Mischungen.

Zur genaueren Untersuchung des Einflusses von solchen stufenförmigen Änderungen durch Parameter wurde eine detaillierte Prüfung des einfachsten Falls, nämlich einer einzigen Schicht mit konstanten Parametern, vorgenommen.

Die Fig. 8 und 9 entsprechen der Anordnung einer einzigen, widerstandsfähigen Schicht auf einem Kupferleiter vom Radius R 1, die sich bis zu einem Radius R 2 erstreckt. Die drei Kurven Hl, H 2, H 3 der F i g. 8 zeigen die Änderungen des Verhältnisses R_EF/R₀ als Funktion der Dicke der widerstandsfähigen Schicht, und zwar jeweils für die drei Frequenzen von 200 kHz, 1 MHz und 10 MHz. Die Kurve H'l zeigt für 200 kHz die dem Verhältnis LwAR₀ entsprechende Änderung. Es kann festgestellt werden, daß jede der Kurven D durch ein Maximum M geht und daß die drei Maxima Ml, M2, M3 sich in Nähe der Leitschichtdicke befinden, die für das betrachtete widerstandsfähige Material (p = 112 · 10~⁸) jeweils die Werte von 1,2 mm bei 200 kHz, 0,54 mm bei 1 MHz und von 0,17 mm bei 10 MHz annimmt.

Die F i g. 9 zeigt für die konstante Frequenz von 200 kHz einige Kurven der Änderung des Verhältnisses /?_HF/i?₀ als Funktion der Schichtstärke für verschiedene Werte des spezifischen Widerstandes. Es wird nun noch die Korrelation zwischen den Absorptionsmaxima und den verschiedenen Werten der Leitschichtdicke untersucht.

Die Kurven El, E2 entsprechen, als Bezugswerte, jeweils homogenen Leitern aus Kupfer und aus Chromnickelstahl.

Es kann festgestellt werden, daß die Höhe des Maximums des Verhältnisses R_UF/R₀ (Absorptionsmaximum) dazu tendiert, mit dem spezifischen Widerstand der angefügten Schicht (F i g. 9) zu wachsen, und daß es mit der Frequenz größer wird (Fig. 8).

Für eine solche isotrope Schicht auf einem leiten-

den Kern hängt die Verteilung der Stromdichte in der Schicht bei einer festen Frequenz einzig ab

vom Kerndurchmesser,

vom Verhältnis der spezifischen Widerstände Schicht/Kern und von dem spezifischen Widerstand des Kernes.

Bei fester Frequenz ist für einen gegebenen Punkt innerhalb der widerstandsfähigen Schicht die Stromdichte unabhängig vom Außenradius der Schicht.

Wie es die Kurve H'l (Fig. 8) zeigt, bleibt der Gütefaktor des ummantelten Leiters (Lw/7?_IIF) in der Umgebung des Maximums von R₁₁₁JR₀ in der Nähe von Eins und kann für größere Dicken kleiner als Eins werden. Diese Tatsache, nach der die Techniken gemäß der Erfindung nicht noch eine Reaktanzwirkung hinzufügen, sondern im Gegensatz sie bezüglich der Induktanz des blanken Grundleiters verringern, ist besonders wichtig.

Die F i g. 8 offenbart ein anderes Grundphänomen, und zwar die Durchgänge der Kurven H durch die Maxima m 1, m 2, m 3, welche die Möglichkeiten aufzeigen, eine viel schwächere Absorption zu erhalten als die des homogenen Grundleiters. Die grundlegende Bedeutung dieser Entdeckung wird den Spezialisten der Hochfrequenztechniken, und insbesondere denen der Fernübertragungen mittels Leitungen über große Entfernungen, nicht entgehen.

Bereits in F i g. 7 war zu sehen (Kurve Z 4), daß die von der Mitte nach außen abnehmenden Änderungen des spezifischen Widerstandes zur Schaffung von Leitern führen können, deren Hochfrequenz-Widerstand sich nicht mit der Frequenz ändert, d. h. in denen die Einwirkung des Skineffektes beseitigt wurde. Hier wird also unter anderem festgestellt, daß durch die Anordnung einer widerstandsfähigen Schicht gegebener Dicke auf einem beispielsweise aus Kupfer bestehenden Grundleiter, in der Nähe einer bestimmten Frequenz, bei der diese Dicke ein Bruchteil der Leitschichtdicke des widerstandsfähigen Materials ist, der Leiter weniger Verluste haben wird als bei Gleichstrom, und dies bei gleichem Gleichstromwiderstand und sogar bei gleichem äußerem Durchmesser.

Es kann, und zwar auf den ersten Blick überraschend, geschehen, daß eine widerstandsfähige oder widerstandsfähige und magnetische Schicht auf der Oberfläche eines Leiters, der beispielsweise aus Kupfer oder versilbertem Kupfer besteht, ihren Widerstand bei Hochfrequenz R_nF erniedrigt. Es kann jedoch eine physikalische Erklärung aus der Analyse des Einflusses dieser Schicht auf die Verteilung der Stromdichte auf der Oberfläche des Leiters abgeleitet werden. Grob dargestellt, treibt die Widerstands-Schicht die Ströme entsprechend einer umgekehrten Wirkung des Skineffektes, der letztlich die Verluste bei Hochfrequenz bestimmt, in das Innere des Leiters. Die Möglichkeit der Verringerung der Hochfrequenzverluste des Kupfer- oder sogar Silberleiters um 25 bis 35 % ist vorherzusehen. Dieser Effekt ist sehr frequenzabhängig, aber es kann, wie das beim Absorptionseffekt der Fall ist, eine Verbreiterung des Bandes erhalten werden, und zwar durch eine optimale Änderung der Parameter in der Schicht, die den Strom in das Innere des Leiters zurückdrängt.

Fig. 10 zeigt die Ergebnisse einer Untersuchung des Verhaltens einer einzigen magnetischen Schicht (p und μ konstant). Es handelt sich dabei um den Kupferleiter von 1,4 mm Durchmesser, der mit einer Schicht von variabler Dicke aus Magnetdraht NILOMAG 771 ummantelt ist, der einen spezifischen Widerstand von 57 · 10~⁸Ω -m und bei der Frequenz von 200 kHz eine Permeabilität von 2000 besitzt. Es ist zu sehen, daß für eine Dicke in der Größenordnung von 0,3 mm bei dieser Frequenz ein Wert von R_nv/R₀ der Größenordnung von 650 und ein R_llv von 7 Ω/m erreicht wird.

Es kann also festgestellt werden, daß die magnetische Permeabilität auf die Wirksamkeit einer Verlustschicht eine vervielfachende Wirkung im Verhältnis der Größe ]/// ausübt, wobei dieses Verhältnis dazu tendiert, bei höheren Frequenzen, unter Berücksichtigung der zusätzlichen Verluste durch Resonanz oder magnetische Relaxation, zu wachsen.

Bei den theoretischen und experimentellen Untersuchungen wurde, ausgehend vom System der Differentialgleichungen (E), die bereits angegeben wurden, der Fall des kreisförmigen Leiters behandelt, aber es ist selbstverständlich, daß die Leiter andere Querschnittsformen haben können. Beispielsweise drängt sich eine Erweiterung auf die ebenen Leiter auf, die insbesondere bei Wellenleitern verwendet werden.

Es kann gezeigt werden, daß in allen Fällen der Widerstand bei hoher Frequenz R_nF eines Leiters vom Radius/- (Fig. 1) durch den folgenden Faktor bedingt ist:

F =

IU

(F)

Dabei ist σ_Γ die Stromdichte an der Leiteroberfläche, p_x der spezifische Widerstand an der Oberfläche, j /_/ot J das Modul des Gesamtstromes in dem Leiter, d. h.

Ao, = 2

Diese einfach aussehende Formel kann als Grundlage der Vorrichtungen gemäß der Erfindung betrachtet werden.

Die Fig. 13 zeigt einen Leiter, der aus einem Kupferdraht 41 von 1 mm Durchmesser besteht, der in einer absorbierenden plastischen Umhüllung mit starkem Ferritzusatz 42 angebracht ist (Ferrit 80 ⁰Zo, PVC 20 %), wobei diese plastische Umhüllung selbst mit einem Überzug 43 ummantelt ist, der eine widerstandsfähige äußere Umhüllung bildet und einen Widerstand von ungefähr 4000 Ohm/m aufweist und aus einer leitenden Anstrichschicht besteht.

In der Fig. 14 sind die Dämpfungsverläufe als Funktion der Frequenz dargestellt, und zwar in db/m:

Bei D 1: für den Kupferdraht 41 allein in blankem Zustand,

bei Dl: für den Draht 41 und die Umhüllung 42 und
bei D 3: für die Anordnung 41 +42 4- 43.

Die Kurven zeigen eine überraschende Dämpfungswirkung. Für 10 MHz besitzt das Kabel eine Impedanz, die vicrzigmal höher ist als die bei nicder-

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frequentem Strom gemessene Impedanz, und für 100 MHz ist diese Impedanz 2000mal höher.

Die Fig. 15 zeigt eine Anwendung, bei der der Leiter einen bestimmten Ohmschen Widerstand haben kann (beispielsweise bei Zündkabeln für Explosionsmotore) und der Leiter 45 schraubenförmig auf einen Kern oder eine Seele 46 gewickelt und von einer widerstandsfähigen äußeren Umhüllung 47 ummantelt ist. In dem betrachteten Beispiel ist der Draht 45 aus einer magnetischen Legierung mit großer Permeabilität hergestellt und weist einen Wicklungsschritt von 30 Windungen pro Zentimeter auf. Der Gleichstromwiderstand ist ungefähr 1500 Ohm/m. Die Seele 46 besteht aus 80 °/o Ferrit und 20 ⁰Zo PVC und besitzt einen Durchmesser von 2,1 mm.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit entlang des Drahtes wird unter diesen Bedingungen verringert, auf Grund der erhöhten Permeabilität des Drahtes, auf Grund der im Verhältnis l/sin<p eine Verlangsamung bewirkenden Wicklung, wobei φ die Neigung des Wicklungsschrittes ist, und auf Grund des Kerns 46, der eine erhöhte Permeabilität und eine erhöhte Dielektrizitätskonstante aufweist. Andererseits zeigt hier nur die Schicht 47 eine schnellere Ausbreitung.

Die Untersuchung zeigt, daß im Fall einer Schicht wie 47, die schraubenförmig auf einem Leiter angebracht ist, die maximale Absorption bei einer gegebenen Frequenz für eine Dicke erreicht wird, die mehrere Male geringer als die Leitschichtdicke ist. Diese Reduktion scheini der Verlangsamung der Welle entlang der Schraube zugeordnet werden zu können.

In der Fig. 16 ist jeweils die Dämpfung dargestellt, die auf einem Meter eines solchen Kabels gemessen wurde. Die Kurven El, El zeigen jeweils die Ergebnisse ohne die und mit der äußeren Umhüllung 47.

Neben den Anwendungen bei Zündkabeln hat man hier ein Element für die Herstellung von Filtern.

Die Fig. 17 zeigt ein zu dem Kabel der Fig. 15 analoges Kabel, das aber einen Kupferleiter 48 besitzt, auf dem eine widerstandsfähige äußere Umhüllung 49 angebracht ist, die aus mehreren halbleitenden Anstrichschichten zusammengesetzt ist. Der Kupferdraht 48 hat einen Durchmesser von 0,12 mm und war mit 15 Windungen pro Zentimeter gewickelt.

In der Fig. 18 sind die mit verschiedenen Ausführungsformen erhaltenen Dämpfungswerte dargestellt, die jeweils eine (F = 1), zwei (F == 2), drei (F — 3) und fünf (F - 5) Anstrichschichten aufweisen. Die auf der Ordinate aufgetragene Größe stellt die durch die Frequenz dividierte Dämpfung pro Meter dar.

Dies zeigt den Einfluß der Änderung der Parameter einer Verlustschicht. Die Frequenz, bei der das Verlustmaximum auftritt, ist proportional zum spezifischen Widerstand, umgekehrt proportional zum Quadrat der Dicke der Schicht und umgekehrt proportional zu ihrer Permeabilität, wenn man eine Schicht konstanter Dicke betrachtet. Aus der Fig. 16 ist die Verringerung (von Fl zu F 5) der Frequenz ersichtlich, wo die Absorption optimal ist. Gleichzeitig verringert sich der Wert der Gesamtdämpfung (vervielfachen des Maßstabes mit der Frequenz), da bei den tiefen Frequenzen die Leitschichtdicke größer wird und man sich nicht mehr in den Bedingungen maximaler Dämpfung befindet.

Genauso wie die schraubenförmige Anordnung des Leiters zu einer Verlangsamung der Axialwelle führt, so ist ihre Wirkung äquivalent zu der, die durch Vergrößerung des spezifischen Leitwertes erhalten wird. Gleichermaßen kann die vervielfachende Wirkung der Permeabilität und der Dielektrizitätskonstanten mitwirken, wobei alle dazwischenliegenden Kombinationen möglich sind. Eine solche Kombination kann beispielsweise aus einer Überlagerung von

ίο gegeneinander isolierten, widerstandsfähigen Schraubenwicklungen gleicher Dicke, aber zunehmendem Wicklungsschritt usw. gebildet werden.

Dabei ist noch die reine Widerstandstechnik, und zwar beispielsweise in Form von Bändern mit halbleitendem Anstrich, von dotiertem plastischem Stoff, von imprägnierter Textilfaser usw., praktisch einfach zu verwenden.

Auf diese Weise gelangt man zu einem besonders wichtigen Anwendungsbereich der Erfindung, nämlieh insbesondere zu den Freileitungen.

Die Fig. 19 zeigt einen solchen Leiter, der auf dem eigentlichen Leiter 51, im vorliegenden Fall einem vieladrigen Kupferleiter, eine schraubenförmige Wicklung 52 aus magnetischem Draht erhöhter Permeabilität aufweist, die mit einem Wicklungsschritt von 30 Windungen pro Zentimeter gewickelt und von einer äußeren Schicht 53 aus widerstandsfähigem Anstrich ummantelt ist.

Das Diagramm der Fig. 20 zeigt bei G1 eine Dämpfungskurve, die mit dem Kupferleiter allein erhalten wurde, bei G 2 eine Dämpfungskurve für den mit der magnetischen Schraube allein ummantelten Leiter und bei G 3 eine Dämpfungskurve für den Leiter, wie er in der Fig. 13 dargestellt ist. Dabei kann der beträchtliche Einfluß der einfachen äußeren, widerstandsfähigen Anstrichschicht festgestellt werden.

Ein solches vollständig metallisches Kabel eignet sich gut zur Herstellung von Hochspannungskabeln, ζ. B. für Freileitungen. Die bei höheren Frequenzen erhaltene Dämpfung führt zum Abschneiden der steilen Anstiege großer Impulse auf der Leitung (Blitzschlag, Auslösung usw.). Durch ein solches Kabel wird also gleichzeitig das Problem des Schutzes von Abschlußeinrichtungen und das Problem der Unterdrückung technischer Störungen gelöst, die auf Grund der großen Längen dieser Leitungen, die bei Hochfrequenz sehr leicht strahlen, besonders störend sind. Wenn Absorptionswirkungen geschaffen werden sollen, die auf bestimmte Frequenzbänder beschränkt sind, so können »quasiresonante« Wirkungen sehr einfach dadurch erhalten werden, daß gemäß Fig. 21 bei einem Kabel gemäß Fig. 19 in einer Schicht mit konstanter Ausbreitungsgeschwindigkeit, wie der Umhüllung 53, Zylinder einer Länge ausgeschnitten werden, die der Hälfte der Wellenlänge entspricht.

. Auf diese Weise werden Resonanzkreise mit geringer Güte gebildet, welche insbesondere Frequenzen absorbieren, die in der Nähe der Resonanzfrequenz liegen.

In einer noch einfacheren Ausführungsform kann die Anordnung einer Verlustschicht sogar an der Oberfläche des eigentlichen Leiters vorgesehen werden, indem man sich dann mit der aus der ausschließlich aus der Leitfähigkeit des Leiters herrührenden Verlangsamungswirkung begnügt. Auf diese Weise gelangt man zu einer Gruppe von Ganzmetall-Ausführungen mit bescheideneren Absorp-

tionsleistungen, aber mit einer erprobten Robustheit. Es kann also auf der Oberfläche eines Leiters eine Verlustschicht geschaffen werden, und zwar durch Galvanoplastik, die die Ablagerung einer Verlustschicht mit beschleunigter Ausbreitung aus einer widerstandsfähigen Legierung, wie beispielsweise Chromnickelstahl, ermöglichen. Weiterhin kann an der Oberfläche des Leiters, z. B. aus Aluminium, eine Schicht von Oxiden gebildet werden, die zur Erlangung eines geeigneten spezifischen Leitwertes entsprechend dotiert sind. Es handelt sich dabei um ein praktisches Ausführungsbeispiel der Leitfähigkeitsdiagramme mit einer oder mehreren Stufen, entsprechend der bei C 4 in der F i g. 3 dargestellten Art.

Wenn auch die erhaltenen Leitungsdämpfungen in diesem Fall, nämlich beim Fehlen einer besonderen Verlangsamung der Ausbreitungsgeschwindigkeit auf dem Leiter, sehr gering sind, so können die Ergebnisse im Hinblick auf die beträchtlichen Lan- ao gen äußerst interessant sein, die insbesondere im Fall von Freileitungen eine Rolle spielen.

Die F i g. 22 zeigt eine typische Anwendung der Erfindung bei einem zweiadrigen Starkstromkabel. Die Kupferleiter 61 tragen als Verlangsamungsmittel eine Schraubenwicklung 62 aus magnetischem Draht mit großer Permeabilität und sind mit einer absorbierenden magnetischen Schicht 64 umgeben. Darüber wurde ein Band oder Geflecht 66 aus widerstandsfähigem Material, eine mit Kohlenstoff versetzte plastische Schicht oder ein halbleitendes Textilgeflecht angeordnet, das die Dämpfungswirkung der Leiter unterstützt. Die gesamte Anordnung ist in eine Umhüllung 68 aus Polyvinylchlorid eingebettet, die eine genügend hohe Dielektrizitätskonstante und genügend hohe dielektrische Verluste aufweist.

Das auf diese Weise hergestellte Kabel bietet sich insbesondere zur Entstörung von allen Geräten im Haushalt oder Industrie an, die Störungen für Hochfrequenzempfangsanlagen erzeugen.

Die Anwendung der Erfindung bei Koaxialleitern ist naheliegend. In diesem Falle ist es möglich, die Folge der Verlangsamungs- und Verlustschichten, ausgehend von der Oberfläche jedes der beiden Leiter, in Richtung der Oberfläche des anderen anzuordnen.

Die Zahl, die Art und die Abmessungen der verschiedenen Zonen oder Schichten werden selbstverständlich in allen Fällen als Funktion der geforderten Leistungen gewählt. Da zur Schaffung einer progressiven Zunahme der Wellengeschwindigkeit eine progressive Änderung der elektrischen Parameter (spezifischer Leitwert, Permeabilität, Dielektrizitätskonstante und Verluste) wünschenswert ist, konnte in der Praxis festgestellt werden, daß dies durch Überlagerung einer Anzahl von verschiedenen Materialschichten, mit oder ohne Unterteilung dieses Aufbaus durch isolierende Zwischenschichten mit schnellerer Ausbreitung, erreicht werden kann.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

■ U I Patentansprüche:

1. Elektrisches Nieder- oder Hochfrequenzenergiekabel mit selektiver frequenzabhängiger Absorption, welches wenigstens einen Leiter mit einer in radialer Richtung geschichteten Struktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter wenigstens zwei konzentrische leitende Schichten (12 bis 15; 22 bis 25; 27 bis 29) aufweist, die miteinander unmittelbar in Berührung stehen, und daß wenigstens einer der spezifischen Parameter Widerstand, Permeabilität und Dielektrizitätskonstante in einer äußeren Schicht größer ist als derjenige einer inneren Schicht.

2. Elektrisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand der äußeren Schicht in radialer Richtung von innen nach außen fortschreitend zunimmt.

3. Elektrisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus dem spezifischen Widerstand und der Permeabilität der äußeren Schicht von innen nach außen fortschreitend zunimmt.

4. Elektrisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine innere Schicht aus einem schraubenförmig aufgewickelten Leiter (45; 52) besteht.

5. Elektrisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrischen leitenden Schichten die Form von konzentrischen Schrauben besitzen und daß die Steigung der äußeren Schicht größer ist als diejenige der jeweils anliegenden inneren Schicht.

6. Elektrisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht aus einem Leiter (45; 52) besteht, der schraubenförmig um einen geraden, nichtmagnetischen Leiter (wie 46) herumgewickelt ist, und daß die äußere Schicht aus einer mechanisch widerstandsfähigen Schicht (47; 53) besteht.

7. Elektrisches Kabel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht aus einem dünnen, magnetischen, isolierenden Material besteht, welches einen geraden, nichtmagnetischen Leiter (wie 46) umgibt, und daß die äußere Schicht aus einer mechanisch widerstandsfähigen Schicht (47) besteht.

8. Elektrisches Kabel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht aus einem geraden, nichtmagnetischen Leiter (48) besteht und daß die äußere Schicht aus einer auf galvanoplastischem Wege hergestellten Widerstandsschicht (49) besteht.

9. Elektrisches Kabel nach Anspruch 3, welches wenigstens zwei Leiter mit radial geschichteter Struktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht jedes Leiters einen schraubenförmig gewickelten magnetischen Draht aufweist, der auf einem geraden nichtmagnetischen Leiter (61) angeordnet und von einer magnetischen Schicht (64) umgeben ist, und daß die äußere Schicht (66) jedes Leiters aus einer Substanz mit geringer Leitfähigkeit besteht, die mit einem Verlust behaftenden isolierenden Material (68) umgeben ist.

10. Elektrisches Kabel nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht in Abschnitte unterteilt ist, deren Länge einer halben Wellenlänge der zu absorbierenden Frequenz entspricht.