DE2056845C2

DE2056845C2 - Verlustbehafteter aperiodischer Lastwiderstand

Info

Publication number: DE2056845C2
Application number: DE2056845A
Authority: DE
Inventors: Francois Paris Ursenbach
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1969-11-21
Filing date: 1970-11-19
Publication date: 1983-08-11
Also published as: DE2056845A1; GB1326275A; US3646482A; FR2069871A1; NL7016946A; CH523596A

Description

Die Erfindung betrifft verlustbehaftete aperiodische ic Lastwiderstände nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Lastwiderstände werden insbesondere für Hochfrequenzgeneratoren verwendet und bilden künstliche Antennen für Funksender großer Leistung.

Für einen solchen Lastwiderstand werden im wesentliehen die folgenden Eigenschaften gefordert:

- eine ausreichende Frequenzunabhängigkeit, damit die Nennimpedanz mit genügender Genauigkeit in dem ganzen Frequenzbereich der Generatoren, mit denen sie verbunden werden sollen, eingehalten wird;

- CiPi gutes Verhalten bei der Höchstleistung dieser Generatoren, die beträchtlich groß sein kann (mehrere 100 Kilowatt), was den Umlaufeines Kühlmittels zwingend erforderlich macht;

- günstige praktische Anwendungsbedingungen, insbesondere einen möglichst kleinen Raumbedarf unter Berücksichtigung der niedrigsten Betriebsfrequenzen.

Es ist bekannt, solche Lastwiderstände mit Hilfe einer dünnen Widerstandsschichl zu realisieren, welche auf den Innenleiter einer Koaxialleitung aufgebracht ist.

Durch eine sorgfältige Wahl der Kenngrößen ist es ohne weiteres möglich, eine gute Frequenzunabhängigkelt zu erreichen, doch da die Energie In dem kleinen Volumen der dünnen Schicht vernichtet wird, ist diese sehr empfindlich; sie kann trotz Kühlung durch Umlauf eines Kühlmittels keine größeren Leistungen vernichten, ohne unerwünscht große Abmessungen zu erreichen.

Eine andere bekannte Ausführungsfurm besteht darin, daß die Energie In dem Kühlmittel, im allgemeinen Wasser, vernichtet wird, Indem dieses als Dielektrikum in dem koaxialen Aufbau des Lastwiderstand verwendet wird. Man erreicht dadurch eine gute Wärmeabführung in einem beträchtlichen und ständig erneuerten Volumen. Solche Lastwiderstände weisen die meisten gewünschten Eigenschaften auf, doch Ist es wegen des großen Wertes der Dielektrizitätskonstante von Wasser im allgemeinen nur möglich, Impedanzwerte zu errei-

J) chen, die wesentlich unter den üblichen Ausgangsimpedanzen der Generatoren liegen.

Man versucht diesem Umstand beispielsweise dadurch abzuhelfen, daß ein Anpassungstransformator eingefügt wird, doch ergibt dieser eine Verringerung der Bandbreite und zusätzliche Komplikationen, die das Interesse an dieser Lösung beschränken. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß der Volumenanteil des Wassers entlang dem Lastwiderstand allmählich erhöht wird, wodurch es möglich Ist, die gewünschte Impedanz direkt zu erzielen, doch Ist dann ein großer Teil der vernichteten Leistung In einem kleinen Volumen konzentriert, wodurch wieder ein großer Teil der Vorteile dieser Lösung verlorengeht.
Aufgabe der Erfindung Ist die Schaffung eines verlustbehafteten aperiodischen Lastwiderstandes, der eine ausreichend frequenzunabhängige und ausreichend hohe Impedanz aufweist und sich durch geringen Raumbedarf auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weilerbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt

Fig. 1 eine schematische Srhnittansicht eines Lastwiderstands bekannter Art, der das Grundelement des erfindungsgemäßen Lastwiderstands dargestellt,

Fi g. 2 eine schematische Schnittansicht eines aus zwei Grundelementen aufgebauten Lastwiderstands nach der Erfindung,

Fi g. 3 eine Abart der Ausführungsform von Fi g. 2,

F i g. 4 eine Erweiterung des Lastwiderstandes von F i g. 2 auf vier Grundelemente,

Fig. 5 eine Erweiterung des Lastwiderstandes von Fig. 3 auf vier Grundelemesite und

Fig. 6 eine Abänderung des Grundelementes von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein Speisekoaxialkabel C, mit einem Innenleiter 1 und einem Außenleiter 2. Diese sind durch den -nnenleiter 5 bzw. den Außenleiter 4 der Last verlängert, die durch eine Scheibe 6 leitend untereinander verbunden sind.

Diese verlängernde Anordnung bildet eine Koaxialleitung 7, die mit einer verlustbehafteten dielektrischen Flüssigkeit, beispielsweise Wasser gefüllt ist, wobei die Abdichtungen gegenüber dem Kabel C durch ein Fenster 3 erfolgt, das aus einem für die Hochfrequenzenergie durchlässigen Material besteht.

Die Leitung 7 stellt eine im wesentlichen ohmsche Lastimpedanz bekannter Art dar, bei der die Energie im Wasser vernichtet wird. Die Länge dieser Lastimpedanz ist so bemessen, daß die von der Scheibe 6 reflektierte Welle bei allen Frequenzen des zu übertragenden Frequenzbands an der Scheibe 3 so stark gedämpft ankommt, daß ein maximal zulässiges Stehwellenverhältnis, das durch die zugehörige Anordnung vorgeschrieben ist, eingehalten wird.

Das Stehwellenverhältnis kann für eine gegebene Länge dadurui herabgesetzt werden, daß der Kurzschluß 10 durch einen Widerstand ersetzt wird, der einen Teil der an dieser Stelle eintreffenden Energie absorbiert, oder auch die ganze Energie, wenn der Wert dieses Widerstands den Wert des Wellenwiderstands der Leitung erreicht.

Das so gebildete Element ist ein Koaxialleitungsabschnitt der an einem Ende offen und am anderen Ende geschlossen ist und als Grundbestandteil der erfindungsgemäßen Lastwiderstände dient.

Der erzielte Wellenwiderstand ist klein, und selbst wenn dem Innenleiter 5 ein verringerter Durchmesser gegeben whd, (wobei man wegen der Möglichkeiten der praktischen Herstellung des Innenleiters schnell an Grenzen stößt), bleibt er sehr viel kleiner als die allgemein erwünschten Wellenwiderstände.

Bei der In Fig. 2 gezeigten Anordnung ist der Innenleiter 12 zwei Grundelementen der in Fig. 1 gezeigten Art gemeinsam, deren zylindrische Außenleiter 11 und 22 von gleichem Durchmesser und gleicher Länge an ihren einander benachbarten offenen Enden durch ein zylindrisches Verbindungsstück 9 getrennt sind, das aus einem für die Hochfrequenzwellen durchlässigen, für das Wasser jedoch undurchlässigen Material besteht, während die entgegengesetzten Enden durch Scheiben 15 bzw. 16 mit dem !nnenleiter 12 kurzgeschlossen sind. Die so gebildete Koaxialleitung 8 ermöglicht einen Wasserumlauf, wobei das Wi jser über Öffnungen 13 und 14 im Kurzschluß 15 eingeführt wird, während der Rücklauf durch den zu diesem Zweck hohl ausgebildeten Leiter 12 erfolgt. Diese Leitung 8 wird durch ein Speisekabel - D gespeist, dessen Innenleiter 27 am Kurzschluß 16 endet, während der Außenleiter 21 eine Verlängerung aufweist, die an einem durch eine Ringscheibe 23 gebildeten ' Absatz mit dem offenen Ende des Leiters 11 verbunden ist.

Die vom Kabel D aus gesehene Lastimpedanz ist doppelt so groß wie der gemeinsame Wellenwiderstand der beiden die Leitung 8 bildenden Elemente.

Wenn man nämlich annimmt, daß in einem bestimmten Zeitpunkt ein elektrischer Strom entlang dem Leiter 21 in der Richtung der Pfeile α vorhanden ist, so fließt dieser Strom nacheinander in der Richtung der Pfeile b (entlang dem Leiter II), der Pfeile c (entlang dem Leiter 12), der Pfeile d (entlang der Innenseites des Leiters 22) und der Pfeile e (entlang der Außenseite des Leiters 22); dies bedeutet hinsichtlich der Impedanz, daß die beiden Grundelemente in Bezug auf das Kabel D, dessen Abmessungen entsprechend bemessen sind, in Serie geschaltet sind. Die vom Kabel üben-iigene Energie wird in dem im Hohlraum 8 umlaufenden Wasser vernichtet, doch ist ein richtiger Betrieb nur dann gewährleistet, wenn die Länge der Grundelemente, d. h. die Län£;e der entsprechenden Leiter 11 und 12, so groß ist, daß die von den Kurzschlüssen 15 und 16 reflektierte Energie für die gewünschte Anpassungsgüte ausreichend gedämpft wird.

Da die Dämpfungszahl der Leitungselemente mit der Frequenz ansteigt, ist der Reflektionskoeffizient für die niedrigste Betriebsfrequenz am größten.

Eine beträchtliche Verbesserung der Anpassung kann dadurch erreicht werden, daß die beiden Grundelemente mit einem Längenunterschied ausgebildet werden, der gleich einer Viertelwellenlänge der sich aus einem Grundlelement bei dieser niedrigsten Frequenz ausbreitenden Welle ist, weil dies eine Gegenphasigkeit der reflektierten Spannungen an den Eingängen der Grundelemente zur Folge hat.

Eine andere Ausführungsform des zuvor beschriebenen Lastwiderstandes kann durch eine andere Anordnung der beiden Grundelemente erreicht werden.

Fig. 3 zeigt einen Innenleiter 112, der zwei Grundelementen gemeinsam ist. Der zylindrische Außenleiter 11!

und der Kurzschluß 115 des ersten Grundelernents sind mit den entsprechenden Bestandteilen 11 bzw. 15 der Ausführungsform von Fig. 2 identisch, während die Lage des zweiten Grundelements gegenüber derjenigen des entsprechenden Teils von Fig. 2 umgekehrt ist, so daß der Kurzschluß 215 vor dem offenen Ende des Leiters 111 liegt, von dem er durch ein Verbindungsstück 109 getrennt ist, das mit dem Verbindungsstück 9 von Fig. 2 identisch ist. Das offene Ende des Leiters 211 ist mit Hilfe eines Verbindungsstücks 209, das dem Verbindungsstück 109 gleich ist, von der Kurzschlußebene 28 getrennt, die den innenleiter 122 eines Spe'.sekoaxlalkabels E abschließt.

Dadurch wird eine Leitung 108 gebildet, in der ein Wasserumlauf bis zum Kurzschluß 215 Öffnungen, vor· zugsweise in radia'^r Richtung, so angebracht werden, daß die elektrische Trennung zwischen den Elementen aufrechterhalten wird. Die Wassereinliisse sind bei 113 und 114 dargestellt, während der Rücklauf durch den Innenleiter 112 staltfinden kann, der dann als Rohr ausgebildet ist.

Der Außenleiter l'.l des Kabels E ist an das offene Ende des Leiters 111 über einen zylindrischen Umfangsleiter 26 angeschlossen, der den Leiter 211 koaxial

umgibt, sowie über zwei Absätze, die von Ringscheiben 25 und 24 gebildet sind.

Die Leiter 211 und 26 bilden einen Koaxialleitungsabschnitt. und ihr Radius ist so bemessen, daß der Wellenwiderstand gleich dem Wellenwiderstand eines der Elemente der Leitung 108 ist. Die gesamte Lastanordnuni; weist daher auf der Höhe des Verbindungsstücks 209 eine Impedanz auf, die gleich der Summe der Impedanzen dieser Leitung und eines damit radial in Serie geschalteten Elements Ist. n

Diese Ausführungsform ergibt offensichtlich Kompensationsmöglichkeiten, die denjenigen der zuvor beschriebenen Ausführungsform entsprechen. Eine zusätzliche Kompensation kann durch Einwirken auf die Eigenschaften des von den Leitern 211 und 26 gebildeten Leltungs- ι abschnitte erreicht werden.

Es ist auch möglich, mehr als zwei Grundelemente zusammenzufassen.

Fig. 4 zeigt rechts von der Linie A-A₁, den in Fig. 2 dargestellten Lastwiderstand, dessen Bestandteile mit :i den gleichen Bezugszeichen wie zuvor versehen sind. I inks von der Linie A-A₁, ist ein Speisekoaxialkabel F dargestellt, dessen Innenleiter 43 mit der Leitung 8 über eine gleiche Leitung 48 verbunden ist, und dessen Außenleiter 44 mit dem L'mfangsleiier 21 über einen y gleichartigen Leiter 45 und eine Unsietigkeit 46 in Form einer Ringscheibe verbunden ist. Die Axlalleltung 48 enthält einen Innenleiter 47. zwei Außenleiter 42 und 41 sowie ein Verbindungsstück 49. wobei diese Teile den entsprechenden Teilen 12, 22, 11 bzw. 9 der Leitung 8 ic völlig gleich sind.

Zu der an der Stelle A-A_n zwischen den Leitern 21 und 22 erscheinenden Impedanz, die doppelt so groß wie der Wellenwiderstand der Grundelemente ist. addiert sich die Summe der beiden anderen Grundelemente mit dem )5 Hohlraum 48. wodurch die Impedanz zwischen den Leitern 43 und 44 auf das Vierfache des Wellenwiderstands des Grundcicmenis gebracht wird.

Ganz allgemein wird durch die Serienschaltung von -Y Paaren von Grundelementen der Impedanz R die -¹O Gesamtimpedanz 2Λ7? erhalten.

Die entsprechende Erweiterung auf eine beliebige Anzahl von Elementen kann auch mit dem in Fig. 3 dargestellten Lastwiderstand erreicht werden.

In Fig. 5 findet man rechts von der Linie B-B_n den Lastwiderstand von Fig. 3. dessen Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Links von der Linie B-B befindet sich ein Koaxialkabel O. dessen Innenleiter 53 mit dem Leiter 112 über zwei Grundelemente 51 und 52 verbunden ist. die demjenigen der Leilung 108 völlig gleich sind, während der Außenleiter 54 mil dem Absatz 24 über die l'nifangsleiter 55, 56 und die Absätze 57, 58 verbunden Ist.

Wenn man die Ausbildung der Impedanz von dem am

F.nde befindlichen Kurzschluß 115 zum anderen Ende

, des Lastwiderstands hin verfolgt, läßi sich feststellen.

daß die auf der Höhe eines beliebigen zylindrischen Umfangsleiters erscheinende Impedanz gleich der auf der Höhe des vorangehenden Umfangsleiters erscheinenden Impedanz vergrößert um die Impedanz K eines Grund-

) elements lsi.

Allgemein wird durch die Serienschaltung von // Grundelementen also die Gesamtimpedanz nR erhalten. Es Ist zu bemerken, daß die im Zusammenhang mil Flg. 2 und 3 beschriebenen Kompensationsmaßnahmen allgemein anwendbar sind.

Bei den zuvor beschriebenen Beispielen sind die verwendeten Leiter zylindrisch und koaxial, was einer herkömmlichen Ausführungsform entspricht. Es ist aber offensichtlich auch möglich, Leiter zu verwenden, deren Achsen nicht zusammenlallen, aber parallel zueinander liegen, die Berechnung des entsprechenden Wellenwiderstands Ist allgemein bekannt. Das gleiche gilt für den Querschnitt der Leiter, der andere geometrische Formen als die Kreisform aufweisen kann.

Es ist auch nicht notwendig, daß alle Koaxialleltungselemente den gleichen Wellenwiderstand haben; es genüg'., die Abmessungen der Leiter entsprechend zu bemessen.

Ferner ist es möglich, bei den zuvor beschriebenen Lastwidersländen die in anderem Zusammenhang bekannten Maßnahmen anzuwenden, die eine Erhöhung des Wellenwiderstandes ermöglichen.

In Fig. 6 ist ein Grundelement dargestellt, bei dem die gleichen Bezugszeichen wie In Fig. 1 die gleichen Bestandteile bezeichnen. Der Innenleiter 5 ist durch einen schraubenförmig aufgewickelten Leiter 65 ersetzt, was eine Erhöhung des Induktivitätsbelags und damit eine Vergrößerung des Weiienwiderstands zur Foige hai. Auch die Verwendung eines metallischen Materials mit elektrischem Widerstand ermöglicht gegebenenfalls eine Vergrößerung des Wellenwiderstands.

Aus vorstehender Beschreibung ist klar erkennbar, daß bei den beschriebenen Lastwiderständen die üblichen Impedanzwerte (beispielsweise 50 Ohm) mit einem sehr verringerten Raumbedarf und einem großen Frequenzbereich erreicht werden können.

Die Ausbildung ist verhältnismäßig einfach, ohne schwierige und daher aufwendige Justierung.

Durch das Prinzip des verwendeten Grundelements werden Ausführungsformen ermöglicht, die für sehr hohe Leistungen geeignet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verlustbehafteter aperiodischer Lastwiderstand, der unter Verwendung eines Grundelementes aufgebaut ist, das aus einem HF-Leitungsabschnitt mit einem Innenleiter, einem diesen umschließenden, sich parallel dazu erstreckenden Außenleiter und einer Flüssigkeit als verlustbehaftetem Dielektrikum besteht, und bei dem die beiden Leiter am einen Ende des Leitungsabschnittes direkt oder unter Zwischenschaltung eines Widerstandes leitend miteinander verbunden sind und die Ankopplung am anderen Ende des Leitungsabschnittes über ein flüssigkeitsdichtes, HF-durchlässiges Fenster vorgenommen ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) eine Mehrzahl von gleichartigen Grundelementen ist in Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Wellen räumlich aufeinanderfolgend angeordnet

b) auf der Ankoppiungsseite def Grundeiemenie Ist das Endstück ihrer Außenleiter aus einem flüssigkeitsdichten, HF-durchlässigen und elektrisch isolierenden Material gefertigt;

c) allen Grundelementen ist ein durchgehender Innenleiter gemeinsam;

d) mit Ausnahme des in Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Wellen räumlich als letztes Element angeordneten Grundelementes sind alle Grundelemente von einem Umfangleiter umschlossen, der den Außenleiter des Lastwiderstandes darstellt und elek'^risch leitend mit dem Außenleiter des le-tztangeordneten Grundelementes verbunden ist und 1er ausgehend von diesem Grundelement abschnittsweise von einer Ankopplungsstelle zur nächsten sprungartig steigend seine Umfangslänge in einem solchen Sinne verändert, daß eine wellenwiderstandsgerechte Anpassung des Lastwiderstandes durch Taperung bewirkt wird.

2. Lastwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundelemente in einer sofchen räumlichen Aufeinanderfolge angeordnet sind, daß jeweils ein nachfolgendes Grundelement mit seiner Ankoppiungsseite der entgegengesetzten Seite des Ihm vorausgehenden Grundelementes gegenübersteht.

3. Lastwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Grundelemente paarweise zu einer Elementgruppe mit einander gegenüberstehenden Ankopplungsselten zusammengefaßt sind und eine einzelne derartige Elementgruppe oder gruppenweise aufeinanderfolgende Elementgruppen dieser Art den Lastwiderstand bilden.

4. Lastwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der Grundelemente unterschiedlich und so bemessen sind, daß die an den Enden der Grundelemente, an denen jeweils der Innenleiter des Grundelementes mit seinem Außenleiter verbunden Ist, reflektierten Wellen für eine gegebene Betriebsfrequenz einander durch Gegenphaslgkelt an den Ankopplungsstellen der Grundelemente kompensieren.

5. Lastwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundelemente gleiche Wellenwiderstände aufweisen und zyllndrl;, sehe, koaxiale Innenleiter und Außenleiter enthalten.

6. Lastwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die innenleiter der Grundelemente schraubenförmig ausgebildet sind.

7. Lastwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenleiter durch ein Rohr gebildet sind.