DE10308211A1

DE10308211A1 - Element zur Gleichspannungstrennung in Leitungen, insbesondere bei Übertragung von Frequenzen im Bereich von 5 GHz bis 110 GHz

Info

Publication number: DE10308211A1
Application number: DE2003108211
Authority: DE
Inventors: Uwe Hinneck
Original assignee: SHF Communication Technologies AG
Current assignee: SHF Communication Technologies AG
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2004-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein koaxiales Leitungsstück, über das Frequenzen im Bereich von etwa 5 GHz bis 45 GHz, maximal 110 GHz, übertragen werden sollen. Das Leitungselement (1) ist mit einem Außenleiter (2) und einem im Wesentlichen koaxialen Innenleiter (3) versehen. Der Innenleiter ist bei im Wesentlichen durchgängigem Außenleiter an wenigstens einer Trennstelle (5) durch einen Spalt (6) getrennt und dort mit einem passiven Bauelement (8) überbrückt. Um im Frequenzbereich zwischen etwa 5 GHz und etwa 45 GHz, maximal 110 GHz, eine möglichst geringe Dämpfung zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das passive Bauelement (8) in den Innenleiter (3) eingesetzt ist. Als passives Bauelement (8) kann insbesondere ein Kondensator verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leitungselement zur Gleichspannungs- und Gleichstromtrennung, insbesondere bei Übertragung von Frequenzen im Bereich von 5 GHz bis 110 GHz, mit einem Außenleiter und einem im Wesentlichen koaxialen Innenleiter, der an wenigstens einer Stelle durch einen Spalt aufgetrennt ist, wobei der Spalt mit einem passiven Bauelement überbrückt ist.
Um Verbraucher mit elektrischer Leistung zu versorgen, werden in der Regel zwei Leiter, ein Hin- und ein Rückleiter, benötigt. Dies gilt sowohl für die Versorgung des Verbrauchers mit Gleichstrom auch als für die Versorgung des Verbrauchers mit einem Wechselstrom beliebiger Frequenz. Insbesondere zur Übertragung hoher Frequenzen im Mega- und Gigahertzbereich werden Koaxialkabel eingesetzt.
Bei Koaxialleitungen ist ein Innenleiter vorgesehen, der im Zentrum eines im Wesentlichen rohrförmigen Außenleiters als Hinleiter dient. Der Außenleiter dient üblicherweise als Rückleiter. Der Raum zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter ist mit einem Isoliermaterial gefüllt. Falls ein Gas als Isolator Verwendung findet, so wird der Innenleiter durch isolierende Abstandshalter in der Mitte des Außenleiters fixiert.
Für einige Anwendungen werden in das Leitungselement passive Bauelemente, wie beispielsweise Dioden, Widerstände, Induktivitäten und/oder Kondensatoren eingebaut. Durch Kondensatoren lässt sich eine Gleichstromtrennung erzielen, Dioden erlauben die Übertragung von Signalen erst oberhalb eines vorgegebenen Signalpegels und mit vorgegebener Polarität und durch Widerstände und Induktivitäten kann das Übertragungsverhalten des Leitungselements beeinflusst werden.
So ist aus der DE-OS-2 410 543 ist ein kapazitives Trennstück für den Frequenzbereich von 40 bis 900 MHz bekannt, das insbesondere für Zentralantennenanlagen geeignet ist.
Bei diesem Trennstück sind zwei röhrenförmige keramische Kondensatoren vorgesehen. Ein Kondensator ist im Außenleiter, der andere Kondensator im Innenleiter einer Koaxialleitung eingeschleift.
Für Frequenzen von mehreren GHz ist das Trennstück der DE-OS-2 410 543 nicht einsetzbar.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Leitungselement zur Gleichstromstrennung oder zur Einschleifung in die Leitung zu schaffen, mit dem Frequenzen im Bereich mehrerer GHz übertragbar sind.
Diese Aufgabe wird für ein Leitungselement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das passive Bauelement in den Innenleiter eingesetzt ist.
Durch diese konstruktiv einfache Maßnahme wird eine überragend niedrige Dämpfung erzielt, so dass eine sehr verlustarme Übertragung der Hochfrequenzenergie möglich ist.
Diese Übertragungseigenschaften können beim erfindungsgemäßen Leitungselement nochmals verbessert werden, wenn an der Trennstelle das passive Bauelement von der jeweils zum Spalt weisenden Stirnfläche des Innenleiters im Wesentlichen vollständig umgeben ist. Bei dieser besonders vorteilhaften Weiterbildung kann die Inhomogenität, die an den nicht leitenden Oberflächen des in den Innenleiter eingesetzten passiven Bauelements entsteht, besonders gering gehalten werden.
Das passive Bauelement kann auch in einem Querschnitt quer zur Längserstreckung des Innenleiters eine Außenkontur aufweisen, die in den Querschnitt des Innenleiters vollständig, vorzugsweise mit Abstand zur Außenkontur des Innenleiters, einschreibbar ist.
Ferner kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Durchmesser des passiven Bauelements kleiner als der Durchmesser des Innenleiters sein.
Um möglichst hohe Frequenzen zu übertragen, ist der Durchmesser des Innenleiters gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung möglichst gering. Beispielsweise kann der Durchmesser des Innenleiters einer luftisolierten, bis 18 GHz nutzbaren Koaxialleitung höchstens 3,0 mm betragen. Um insbesondere Frequenzen von bis zu 45 GHz zu übertragen, muss der Durchmesser des Innenleiters in einer vorteilhaften Weiterbildung höchstens etwa 1,25 mm betragen. Innenleiter mit einem Durchmesser von höchstens etwa 0,5 mm können für Übertragungsfrequenzen bis etwa 100 GHz verwendet werden.
Der Außenleiter kann sich im Wesentlichen durchgängig über die Trennstelle hinweg fortsetzen. Vorzugsweise bleibt der Durchmesser des Außenleiters im Bereich der Trennstelle im Wesentlichen konstant bzw. unverändert.
Die Gleichstromtrennung oder die Beeinflussung der Übertragungseigenschaften wird durch den Spalt an der wenigstens einen Trennstelle erzeugt. Überraschend hat sich herausgestellt, dass die Durchlassdämpfung bei einer Spaltbreite von 100 μm minimal wird.
Neben diesem Wert für die Spaltbreite können auch Spaltbreiten von zwischen 50 μm und etwa 75 μm verwendet werden, wobei die Übertragungsdämpfung gegenüber einem Spalt von 100 μm leicht erhöht ist. Bei Spaltbreiten über etwa 200 μm erreicht die Durchlassdämpfung jedoch Werte, die den heutigen Anforderungen an Trennstücke nicht genügen. Die Spaltbreiten können insbesondere zwischen etwa 30 μm und 200 μm liegen, vorzugsweise unterhalb etwa 100 μm.
Das passive Bauelement ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung in eine Ausnehmung des Innenleiters eingesetzt. Die Ausnehmung kann unabhängig von der Form des passiven Bauteils einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Die Ausnehmung kann in den Innenleiter auf unterschiedliche Art und Weise eingebracht werden: Bohrung, Erodierung, Pressung, Blechfaltung oder ähnliche Verfahren. Der Vorteil einer eingebohrten Ausnehmung liegt in der präzisen Fertigung zu geringen Kosten bei vergleichsweise geringer Verformungsgefahr des Innenleiters.
Um bei den hohen Frequenzen im GHz-Bereich und den daraus resultierenden kurzen Wellenlängen möglichst geringe Verluste zu verursachen, können die Oberflächen des Innenleiters und/oder des Außenleiters poliert sein. Zusätzlich oder alternativ zu der möglichst glatten Oberflächengestaltung können die Oberflächen des Innenleiters und/oder des Außenleiters auch vergoldet sein, um bei hoher Leitfähigkeit einen Korrosionsschutz zu bewirken.
Um im Hochfrequenzbereich Reflexionen und stehende Wellen am Übergang zwischen dem Innenleiter und dem passiven Bauelement zu vermeiden, kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Wellenwiderstand im Bereich des passiven Bauelements im Wesentlichen den Wellenwiderstand des Koaxialleitungsstücks fortführt.
Um das Leitungselement möglichst kostengünstig zu fertigen, kann das passive Bauelement durch einen leitenden Klebstoff oder durch Löttechnik mit dem Innenleiter verbunden sein. Die Leitfähigkeit des Klebstoffes kann insbesondere dadurch gewährleistet sein, dass der Klebstoff mit Metallpartikeln, beispielsweise Silber, gefüllt ist.
Um die Dämpfungseigenschaften des Leitungselements am Spalt nicht negativ zu beeinflussen, können die Stirnflächen des den Spalt begrenzenden Innenleiters, bzw. lediglich eine Stirnfläche, plan und glatt und vorzugsweise im Wesentlichen leitklebstofffrei ausgestaltet sein. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Spalt zwischen den Stirnflächen des Innenleiters eine konstante Breite und damit wohl definierte Übertragungseigenschaften aufweist.
Das erfindungsgemäße Leitungselement ist insbesondere für die Verwendung eines Kondensators als passives Bauelement geeignet. Die Kondensatoren können einen zylindrischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Insbesondere kann der Kondensator als ein im Wesentlichen quaderförmiges Bauelement ausgestaltet sein, das an zwei gegenüberliegenden Flächen mit leitenden Anschlussflächen bzw. Anschlusskappen versehen ist.
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft an einer Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Perspektivansicht im Teilschnitt;
2 einen Längsschnitt entlang der Ebene II der 1.
3 einen Querschnitt des Mittelleiters an der Trennstelle entlang der Linie III – III der 2.
In 1 ist ein Leitungselement 1 dargestellt, das einen im Wesentlichen rohrförmigen Außenleiter 2 und einen koaxialen Innenleiter 3 aufweist. Zwischen dem Außenleiter 2 und dem Innenleiter 3 befindet sich ein isolierender Stoff, beispielsweise Luft oder ein aufgeschäumter Kunststoff, wie beispielsweise Polyethylen.
An einer Stelle – oder auch an mehreren Stellen – ist der Innenleiter 3 mit einer Trennstelle 5 versehen, an der er durch einen mit dem isolierenden Stoff 4 gefüllten Spalt 6 getrennt ist. Der Spalt 6 wird von den einander gegenüberliegenden Stirnflächen 7 der beiden durch die Trennstellen 5 gebildeten Abschnitte des Innenleiters 3 begrenzt.
Die Trennstelle 5 bzw. der Spalt 6 wird durch ein passives Bauelement 8, bei der dargestellten Ausführungsform ist dies ein Kondensator, überbrückt. Es können jedoch für andere Anwendungen auch andere passive Bauelemente wie Widerstände, Dioden oder Induktivitäten verwendet werden.
Das passive Bauelement 8 weist eine Außenkontur auf, die so bemessen ist, dass sie sich vollständig in die Querschnittsfläche des Innenleiters 3 einschreiben lässt und von der Außenfläche 3' des Innenleiters einen Abstand behält. Das passive Bauelement 8 ist in Bohrungen 9 eingesetzt und mittels eines Leitklebers, beispielsweise einem silberhaltigen Epoxy-Kleber, verklebt oder an den Enden verlötet.
Dabei ist das passive Bauelement 8 vorzugsweise mittig im Koaxialleiter angebracht. Auf diese Weise ist das passive Bauelement vollständig an seiner Außenfläche von den Stirnflächen 7 der beiden durch den Spalt 6 getrennten Abschnitte des Innenleiters 3 umgeben.
Um möglichst hohe Frequenzen übertragen zu können, beträgt der Außendurchmesser D_AI des Innenleiters höchstens 3,0 mm, für Frequenzen um die 45 GHz, um die 1,25 mm. Zur Übertragung noch höherer Frequenzen bis etwa 100 GHz kann der Außendurchmesser D_AI auch etwa 0,5 mm und weniger betragen. Zur Übertragung hoher Frequenzen sind die Außenflächen des Außenleiters 2 sowie des Innenleiters 3 oberflächenbehandelt, vorzugsweise poliert, so dass sie nur eine geringe Oberflächenrauhigkeit aufweisen. Zusätzlich sind die Oberflächen des Außenleiters 2 sowie des Innenleiters 3 vergoldet.
Die Breite B des Spaltes 6 in Längsrichtung L des Leitungselements 1 beträgt vorzugsweise um die 100 μm. Um ausreichend niedrige Dämpfungseigenschaften bei der Übertragung von Frequenzen oberhalb von 25 GHz zu erhalten, beträgt die Spaltbreite B höchstens 200 μm. Gute Dämpfungswerte werden auch bei Spaltbreiten zwischen 50 μm und etwa 75 μm erreicht.
Die Stirnflächen 7 sind möglichst plan und weisen keine Verschmutzung durch leitende Materialien, wie beispielsweise dem leitenden Klebstoff, mit dem das passive Bauelement 8 in der Ausnehmung 9 befestigt ist, auf.
Das Leitungselement 1 kann als Kabel ausgestaltet sein, wobei die Trennstelle insbesondere von außen unsichtbar innerhalb des Kabels angeordnet sein kann. Da der Außendurchmesser des passiven Bauelements 8 kleiner als der Außendurchmesser des Innenleiters 3, die Spaltbreite B kleiner als etwa 200 μm ist und die Länge des passiven Bauelements kleiner als etwa 2 mm, vorzugsweise sogar kleiner als etwa 1 mm ist, behält das solchermaßen ausgebildete Leitungselement seine Flexibilität bei und kann als bewegliches Kabel ausgebildet sein.
Alternativ kann das Leitungselement 1 auch als ein Trennstück ausgestaltet sein, das zwischen zwei Kabeln wiederholt lösbar einschleifbar ist, beispielsweise indem an beiden Seiten Standardkoaxial-Kupplungen (BNC-, N-, SMA-, 3.5mm-, 2.9mm-, 1.85mm-, W- oder 1mm-Norm) vorgesehen sind.
Da keine zusätzlichen, die Innenleiter überragenden mechanischen Komponenten notwendig sind, die das passive Bauelement 8 aufnehmen oder tragen, ist ein einfacher und robuster Aufbau möglich.

Claims

Leitungselement (1) zur Gleichstromtrennung, insbesondere zur Übertragung von Frequenzen im Bereich über 5 GHz bzw. 40 GHz, mit einem Außenleiter (2) und einem im Wesentlichen koaxialen Innenleiter (3), der an wenigstens einer Stelle (5) durch einen Spalt (6) getrennt ist, wobei der Spalt (6) mit einem passiven Bauelement (8) überbrückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (8) in den Innenleiter (3) eingesetzt ist.
Leitungselement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Trennstelle (5) das passive Bauelement (8) von der zum Spalt (6) weisenden Stirnfläche (7) des Innenleiters (3) im Wesentlichen vollständig umgeben ist.
Leitungselement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des passiven Bauelements (8) kleiner als der Außendurchmesser (D_AI) des Innenleiters (3) ist.
Leitungselement (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des passiven Bauelements (8) in Richtung quer zur Längsrichtung (L) des Innenleiters (3) innerhalb des Querschnitts des Innenleiters (3) liegt.
Leitungselement (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des passiven Bauelements (8) von der Außenfläche (3') des Innenleiters einen Abstand behält.
Leitungselement (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (D_AI) des Innenleiters (3) höchstens etwa 3 mm beträgt.
Leitungselement (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (D_AI) des Innenleiters (3) höchstens etwa 1,25 mm beträgt.
Leitungselement (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (D_AI) des Innenleiters (3) höchstens etwa 0,5 mm beträgt.
Leitungselement (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite (B) zwischen etwa 30 μm und etwa 200 μm beträgt.
Leitungselement (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite (B) höchstens etwa 100 μm beträgt.
Leitungselement (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite (B) des Spaltes (6) höchstens etwa 75 μm beträgt.
Leitungselement (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite (B) des Spaltes (6) mindestens etwa 50 μm beträgt.
Leitungselement (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Bauelement (8) in eine Ausnehmung (9) des Innenleiters (3) eingesetzt ist.
Leitungselement (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (9) in den Innenleiter (3) gebohrt ist.
Leitungselement (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (4) einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Leitungselement (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Innenleiters (3) und/oder des Außenleiters (2) poliert ist.
Leitungselement (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Innenleiters (3) und/oder des Außenleiters (2) vergoldet ist.
Leitungselement (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenwiderstand des passiven Bauelements (8) im Wesentlichen den Wellenwiderstand des Innenleiters (3) fortführt.
Leitungselement (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Bauelement (8) durch einen leitenden Klebstoff (10) mit dem Innenleiter (3) verbunden ist.
Leitungselement (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff mit Metallpartikeln gefüllt ist.
Leitungselement (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Bauelement (8) mittels Weichlötung mit dem Innenleiter (3) verbunden ist.
Leitungselement (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Spalt (6) begrenzenden Stirnflächen (7) des Innenleiters (3) im Wesentlichen blank und vorzugsweise sind.
Leitungselement (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenleiter (2) im Wesentlichen unterbrechungsfrei ausgestaltet ist.
Leitungselement (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Bauelement (8) ein Kondensator, ein Widerstand, eine Induktivität oder eine Diode ist.
Leitungselement (1) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des passiven Bauelements (8) in Längsrichtung (L) des Innenleiters höchstens etwa 2 mm beträgt.
Leitungselement (1) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des passiven Bauelements (8) in Längsrichtung (L) des Innenleiters (3) höchstens etwa 1 mm beträgt.
Leitungselement (1) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des passiven Bauelements (8) in Längsrichtung (L) des Innenleiters (3) minimal etwa 0,1 mm beträgt.