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Modellierung mehrfach beschichteter, koaxialer Luftleitungen

Kategorien:
  • Metrologie für die Wirtschaft
25.11.2014

Es wurde ein analytisches Mehrschichten-Modell für die Berechnung von Stromverteilung und Dämpfung einer mehrfach beschichteten, koaxialen Luftleitung entwickelt.

Koaxiale Luftleitungen spielen eine wichtige Rolle bei der Kalibrierung von Netzwerkanalysatoren. Die Genauigkeit der vorgenommenen Kalibrierung hängt vordergründig von der präzisen Bestimmung der elektrischen Eigenschaften der verwendeten Kalibrierstandards (z.B. Dämpfung und elektrische Länge) sowie der daraus abgeleiteten Messgrößen (z.B. Transmissions- und Reflexionsfaktor) ab. Zur theoretischen Bestimmung der elektrischen Eigenschaften werden Modelle verwendet, welche das Verhalten der elektromagnetischen Felder bzw. der Ströme und Spannungen unter Berücksichtigung der physikalischen Parameter der verwendeten Leitung (z.B. geometrische Abmessungen, elektrische Materialeigenschaften) vorhersagen.

Die in der Praxis verwendeten Koaxialleitungen bestehen fast immer aus mehrfach beschichteten Innen- und Außenleitern, um gleichzeitig hohe Leitfähigkeit, Korrosionsschutz und präzise mechanische Abmessungen zu ermöglichen.

Da die aus der Fachliteratur bekannten Modelle auf die Berechnung unbeschichteter Koaxialleitungen beschränkt sind, wurde ein analytisches Mehrschichten-Modell entwickelt, mit dem Stromverteilung und Dämpfung beliebig beschichteter Koaxialleitungen berechnet werden können. Bild 1 zeigt eine Koaxialleitung mit zweifach beschichtetem Innen- und Außenleiter. Das Modell behandelt den quasistationären Fall (Verschiebungsströme werden vernachlässigt), wodurch die Beschichtungen auf metallische (leitfähige) Materialien beschränkt sind und die elektromagnetischen Felder ausschließlich in den Metallregionen betrachtet werden. Dennoch ist das verwendete Modell bis weit über 100 GHz gültig. Bild 2 zeigt den Vergleich der vom analytischen Modell vorhergesagten Stromverteilung mit numerischen Simulationsdaten (QuickField). Die Bestimmung der Verlustleistungen in den Einzelschichten ermöglicht nicht nur die Berechnung der gesamten Verlustleistung über den Frequenzbereich, sondern auch z.B. die Optimierung des Dämpfungsverlaufs über der Frequenz durch Variation der Geometrie- und Materialparameter (Bild 3).

 

Bild 1: Querschnitt einer Koaxialleitung mit zweifach beschichtetem Innen- und Außenleiter

 

 

 

Bild 2: Stromverteilung in einer 1,85 mm Luftleitung aus Kupfer (56 MS/m), beschichtet mit 5µm Silber (62 MS/m) und 2,5 mm Gold (45 MS/m) bei der Frequenz 1 GHz

 

 

 

Bild 3: Verlustleistung in den Einzelschichten

 

 

 

 

Ansprechpartner: S. Zinal
Fachbereich 2.2:
 
Hochfrequenz und Felder

 

 

 

 

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