-
Gebiet der
Erfindung
-
Diese
Erfindung ist im allgemeinen auf Einschaltstoßschützer bzw. Überspannungsschutzeinrichtungen
gerichtet und bezieht sich insbesondere auf Breitband-Überspannungsschutzeinrichtungen
zur Verwendung in Hochfrequenz-Kommunikationssystemen.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Eine Überspannungsschutzeinrichtung
bzw. Einschaltstoßschützer ist
eine Vorrichtung, die in eine elektrische Schaltung platziert wird
zum Verhindern des Passierens gefährlicher Überspannungen bzw. Stromstöße und Spannungsspitzen,
die elektronische Geräte
beschädigen
könnten.
Eine besonders nützliche
Anwendung von Überspannungsschutzeinrichtungen
ist in den Antennenübertragungs-
und -empfangssystemen von drahtlosen Kommunikationssystemen. In
solchen Antennensystemen ist eine Überspannungsschutzeinrichtung
im allgemeinen in Reihe zwischen einem koaxialen Hauptzuführungskabel
und einem koaxialen Verbindungskabel verbunden. Während des
normalen Betriebs des Antennensystems durchqueren Mikrowellen- und
Funkfrequenz- bzw. Hochfrequenz-Signale ununterbrochen die Überspannungsschutzeinrichtung.
Wenn eine gefährliche Überspannung
in dem Antennensystem auftritt, verhindert die Überspannungsschutzeinrichtung
das Übertreten
der gefährlichen Überspannung
von einem koaxialen Kabel zu dem anderen koaxialen Kabel durch Ableiten
der Überspannung
zur Erde bzw. Masse.
-
Eine
Art einer Überspannungsschutzeinrichtung
für Antennensysteme
weist eine T-förmige
Konfiguration mit einem koaxialen Durchgangsabschnitt bzw. geraden
Strang und einer geraden Koaxialstichleitung bzw. einem geraden
koaxialen Abschnitt auf, der senkrecht mit einem Mittelteil des
koaxialen Durchgangsabschnitts verbunden ist. Ein Ende des koaxialen
Durchgangsabschnitts ist ausgebildet, sich an einen Gegensteckverbinder über eine
Schnittstelle anschließen
zu lassen am Ende des koaxialen Hauptführungskabels, während das
andere Ende des koaxialen Durchgangsabschnittes ausgebildet ist,
sich an einen Gegensteckverbinder am Ende des koaxialen Verbindungskabels über eine
Schnittstelle anschließen
zu lassen. Sowohl der koaxiale Durchgangsabschnitt als auch die
gerade Koaxialstichleitung enthalten einen inneren und äußeren Leiter.
An der T- förmigen Verbindungsstelle
zwischen der Koaxialstichleitung und dem koaxialen Durchgangsabschnitt
sind der innere und äußere Leiter
der Koaxialstichleitung mit dem jeweiligen inneren und äußeren Leiter
des koaxialen Durchgangsabschnittes verbunden. An dem anderen Ende
der geraden Koaxialstichleitung sind der innere und äußere Leiter
der Koaxialstichleitung miteinander verbunden und erzeugen einen
Kurzschluss. Der Kurzschluss ist indirekt mit einer Erdungsvorrichtung
verbunden, wie zum Beispiel einer geerdeten Busschiene, mittels
einer Art von Klammer. Die physikalische Länge von der Anschlussstelle
an einem Ende der Koaxialstichleitung und dem Kurzschluss an dem
anderen Ende der Koaxialstichleitung ist in etwa gleich einem Viertel
der Mittenfrequenz-Wellenlänge für ein gewünschtes
schmales Mikrowellen- oder Hochfrequenzband.
-
Während des
normalen, "überspannungsfreien" Betriebs lässt eine Überspannungsschutzeinrichtung Signale
innerhalb des Frequenzbandes durch die Überspannungsschutzeinrichtung
zwischen zwei damit verbundenen Kabeln in beiden Richtungen hindurchtreten.
Die Richtung des Signalverlaufs hängt davon ab, ob die Überspannungsschutzeinrichtung
auf der Übertragungsseite
oder der Empfangsseite eines Antennensystems verwendet wird. Signale
innerhalb des erwünschten
Betriebsfrequenzbandes passieren eine der Schnittstellen (je nach
der Richtung des Signalverlaufs) zu der Überspannungsspannungsschutzeinrichtung.
Wenn Signale innerhalb des erwünschten
Frequenzbandes die Überspannungsschutzeinrichtung
passieren, laufen sie durch den koaxialen Durchgangsabschnitt der Überspannungsschutzeinrichtung.
Ein Teil des erwünschten Signals
trifft jedoch auf die Stichleitung, während es den koaxialen Durchgangsabschnitt
passiert. Die Stichleitung streut diesen Signalteil, was zur Folge
hat, dass dieser Signalteil die Stichleitung hinabläuft. Nachdem
er an dem Kurzschluss reflektiert wurde, kehrt der gestreute Signalteil
entlang der Stichleitung zurück.
Da die physikalische Länge
der Stichleitung ab der Anschlussstelle mit dem inneren Leiter des
koaxialen Durchgangsabschnitts bis zu dem Kurzschluss so ausgestaltet
ist, dass sie gleich einem Viertel der Mittenfrequenz-Wellenlänge für das gewünschte Betriebsfrequenzband
ist, wird der gestreute Signalteil in Phase zu dem nicht-gestreuten
Signalteil hinzugefügt
und passiert das andere Ende des koaxialen Durchgangsabschnitts.
-
Wenn
in dem Antennensystem eine Überspannung
bzw. ein Stromstoß auftritt
(z.B. durch einen Blitzschlag), ist die physikalische Länge der
Stichleitung viel kürzer
als ein Viertel der Mittenfrequenz-Wellenlänge, da die Überspannung
bei einer viel niedrigeren Frequenz auftritt als das gewünschte Betriebsfrequenzband. In
dieser Situation läuft
die Überspannung
entlang des inneren Leiters des koaxialen Durchgangsabschnittes zu
der Stichleitung, durch die Stichleitung zu dem Kurzschluss, durch
den Kurzschluss zu dem Erdungsanschluss und durch den Erdungsanschluss
zu einer damit befestigten Erdungsvorrichtung. Somit wird die Überspannung
durch die Überspannungsschutzeinrichtung
zur Erde abgeleitet.
-
Ein
Nachteil der obigen T-förmigen Überspannungsschutzeinrichtung
ist, dass diese Überspannungsschutzeinrichtungen
eine begrenzte Betriebsbandbreite aufweisen. Von Originalausstattern
(engl. Original Equipment Manufacturers bzw. "OEM")
und Anbietern von Drahtlosdiensten (Wireless Service Providers)
wird gegenwärtig
verlangt, dass sie eine Vielzahl von Überspannungsschutzeinrichtungen
mit kurzgeschlossener Stichleitung erwerben, um sämtlichen
verschiedenen Anwendungen zu begegnen, die bei unterschiedlichen Frequenzen
arbeiten. Da Überspannungsschutzeinrichtungen
mit kurzgeschlossener Stichleitung zunehmend bevorzugt werden aufgrund
ihrer Fähigkeit
bei Mehrfachschlägen
sowie ihrer überlegenen
Passivintermodulationsverzerrungsleistung, müsste ein OEM oder Diensteanbieter
eine Vielzahl unterschiedlicher Überspannungsschutzeinrichtungen
mit kurzgeschlossener Stichleitung für die üblichen zugewiesenen Betriebsbandbreiten
der heutigen Systeme (800–870
MHz, 824–896
MHz, 870–960
MHz, 1425–1535
MHz, 1700–1900 MHz,
1850–1990
MHz, 2110–2170
MHz, 2300–2485
MHz, etc.) auf Lager haben bzw. in sein Inventar aufnehmen. Eine Überspannungsschutzeinrichtung
mit kurzgeschlossener Stichleitung, die über diesen gesamten Frequenzbereich
betriebsfähig
ist, würde
es einem OEM oder Diensteanbieter erlauben, ein Produkt zu führen; was
naheliegenderweise die Anforderungen an das Inventar vereinfachen
und die zu höheren
Einkaufsvolumen führenden
Kostenvorteile bieten würde.
-
Zusätzlich besteht
ein erheblicher Bedarf an einer Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung,
da in der Gesellschaft der Druck wächst, die Zahl der mit Drahtloskommunikationssystemen
einhergehenden Zellenstandorte zu beschränken. Zu diesem Zweck wird
es zunehmend notwendig, dass Drahtlosdiensteanbieter ihre Betriebssysteme
unter Verwendung von Diplex- und Triplex-Techniken über die
bestehenden koaxialen Übertragungsleitungen
gemeinsam errichten. Dieser Trend zum Multiplexen verschiedener
Betriebsfrequenzen machte es unbedingt erforderlich, alle herkömmlichen
Schmalbandkomponenten, wie zum Beispiel Überspannungsschutzeinrichtungen,
zu Breitbandgeräten
aufzurüsten.
-
In
US-Patent 3 289 117, das als nächstliegender
Stand der Technik betrachtet wird, ist ein Breitband-Überspannungsschutzableiter
offenbart, der Viertelwellen-Stichleitungen verwendet und bei dem
eine Kurzschlussplatte leitend zwischen dem inneren und äußeren Leiter
der Stichleitung gekoppelt ist.
-
Während heutzutage
andere Arten von Breitband-Überspannungsschutzeinrichtungen
hergestellt werden und erhältlich
sind, verwenden viele eine Technik, bei der ein Gasentladungsrohr
zwischen dem inneren und äußeren Leiter
der koaxialen Überspannungsvorrichtung
eingebaut wird. Während
diese Arten von Vorrichtungen eine Breitband-Leistungsfähigkeit bieten, haften ihnen
mehrere unerwünschte
Merkmale an, einschließlich
der Notwendigkeit der regelmäßig einzuplanenden
Wartung, der Unfähigkeit,
Mehrfachschlägen standzuhalten
und einer schlechten Passivintermodulationsverzerrungsleistung.
-
Demgemäß besteht
der Bedarf nach einer Überspannungsschutzeinrichtung
mit einer breiten Betriebsbandbreite zur Verwendung in Drahtloskommunikationssystemen.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Überspannungsschutzeinrichtung mit
einer breiten Betriebsbandbreite zur Verwendung in Drahtloskommunikationssystemen.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Überspannungsschutzeinrichtung
bereitgestellt, umfassend: einen koaxialen Durchgangsabschnitt mit
einem ersten inneren Leiter, einem ersten äußeren Leiter und einem ersten
Dielektrikum, das zwischen dem ersten inneren Leiter und dem ersten äußeren Leiter
angeordnet ist; eine koaxiale Kurzschlussstichleitung mit einem
zweiten inneren Leiter und einem zweiten äußeren Leiter, wobei die koaxiale
Kurzschlussstichleitung ein Eingangsende und ein Ausgangsende aufweist
und die koaxiale Kurzschlussstichleitung mit dem koaxialen Durchgangsabschnitt
gekoppelt ist, wobei der zweite innere Leiter leitend mit dem ersten
inneren Leiter an dem Eingangsende der Stichleitung gekoppelt ist
und der zweite äußere Leiter
leitend mit dem ersten äußeren Leiter
an dem Eingangsende der Stichleitung gekoppelt ist; eine Kurzschlussplatte,
die leitend mit dem zweiten inneren Leiter und dem zweiten äußeren Leiter
an dem Ausgangsende der Stichleitung gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite innere Leiter im wesentlichen hohl ist und mindestens
eine spiralförmige Öffnung aufweist,
die darin kontinuierlich für
mindestens eine Umdrehung um den zweiten inneren Leiter angeordnet
ist.
-
Die
obige Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung soll nicht jede
Ausführungsform
oder jeden Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellen. Zusätzliche
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
detaillierten Beschreibung, den Figuren sowie den nachstehend angegebenen
Ansprüchen
ersichtlich.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Weitere
Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden
detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
-
1 eine
Seitenansicht einer Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine
Explosionsansicht einer Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
3 eine
Seitenansicht einer Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
4 eine
andere Seitenansicht einer Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
5 eine
Unteransicht eines koaxialen Durchgangsabschnitts einer Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
6 eine
Darstellung der Frequenzbandbreite von drei herkömmlichen Überspannungsschutzeinrichtungen
mit kurzgeschlossener Stichleitung aus dem Stand der Technik, jeweils
mit einer unterschiedlichen Stichleitungs-Impedanz;
-
7a eine
Seitenansicht eines inneren Leiters einer Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
7b eine
Unteransicht eines inneren Leiters einer Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
-
8 eine
Darstellung, die die Bandbreite einer herkömmlichen Überspannungsschutzeinrichtung
mit kurzgeschlossener Stichleitung aus dem Stand der Technik mit
einer Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung vergleicht.
-
Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
-
Nun
wird Bezug genommen auf die Zeichnungen; 1 und 2 stellen
eine Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 10 mit
kurzgeschlossener Stichleitung zur Verwendung in drahtlosen Hochfrequenz-Kommunikationssystemen
dar. Die Überspannungsschutzeinrichtung 10 weist
einen koaxialen Durchgangsabschnitt 12 und eine gerade
koaxiale kurzgeschlossene Stichleitung 14 auf, welche im
wesentlichen senkrecht zu dem koaxialen Durchgangsabschnitt 12 angeordnet
ist. Ein erstes Ende 15 und ein zweites Ende 16 sind
an ein erstes Koaxialkabel bzw. ein zweites Koaxialkabel (nicht
gezeigt) in einem drahtlosen Hochfrequenz-Kommunikationssystem gekoppelt. Die
Kurzschlussstichleitung ist an ein Erdungsgerät (nicht gezeigt) gekoppelt.
Ein abstrahlendes Koaxialkabel ist eine Art von in drahtlosen Hochfrequenz-Kommunikationssystemen
eingesetzten Koaxialkabeln, die in Verbindung mit der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können. Das
nach "Common Law" übertragene US-Patent Nr. 5
809 429 mit dem Titel "Radiating
Coaxial Cable and Communication System Using Same" offenbart ein solches
Koaxialkabel.
-
Unter
Bezugnahme auch auf 3, 4, 5 weist
die Überspannungsschutzeinrichtung 10 einen geeigneten
ersten Verbinder 18 und einen zweiten Verbinder 19 auf,
die an dem ersten bzw. zweiten Ende 15, 16 angeordnet
sind zum Koppeln der Überspannungsschutzeinrichtung 10 an
das erste und zweite Kabel in dem System. Weitere Details geeigneter
Verbinder, die in Verbindung mit der in 1 und 2 dargestellten Überspannungsschutzeinrichtung 10 verwendet
werden können,
sind in dem nach "Common
Law" übertragenen
US-Patent Nr. 5 982 602 mit dem Titel "Surge Protector Connector" und US-Patent Nr.
4 046 451 mit dem Titel "Connector
for Coaxial Cable with Annularly Corrugated Outer Conductor" offenbart.
-
Der
koaxiale Durchgangsabschnitt 12 weist einen inneren Leiter 20 auf,
der von einem äußeren Leiter 22 durch
ein dielektrisches Material 24 isoliert wird. Der innere
Leiter 20 definiert die Längsachse des koaxialen Durchgangsabschnitts.
Die gerade koaxiale Stichleitung 14 enthält einen
inneren Leiter 26 und einen äußeren Leiter 28. Der
innere und äußere Leiter 20, 22 des
koaxialen Durchgangsabschnitts 12 ist leitend mit dem inneren
bzw. äußeren Leiter 26, 28 der
Stichleitung 14 verbunden. In einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
die Stichleitung 14 ein Dielektrikum, das in dem Zwischenraum 29 zwischen
dem inneren und äußeren Leiter 26, 28 angeordnet
ist.
-
Einer
der vorgenannten Nachteile der herkömmlichen T-förmigen Viertelwellen-Überspannungsschutzeinrichtungen
mit kurzgeschlossener Stichleitung aus dem Stand der Technik ("herkömmliche
QWS" bzw. Quarter
Wave Shorted Stub Protectors) ist, dass diese Überspannungsschutzeinrichtungen
eine begrenzte Betriebsbandbreite aufweisen. Jedoch weisen beispielsweise
die Mikrowellen- und/oder Funksignale in drahtlosen Hochfrequenz-Kommunikationssystemen
Frequenzen auf, die von ungefähr
800 MHz bis 2500 MHz reichen. Nicht weniger als zehn herkömmliche
QWS können
erforderlich sein, um diesen Frequenzbereich abzudecken. Die Bandbreite
einer herkömmlichen
QWS kann erhöht
werden durch Erhöhen
der Impedanz der Kurzschlussstichleitung. Beispielsweise hat eine
herkömmliche,
für eine
Mittenresonanzfrequenz von 870 MHz ausgelegte QWS eine theoretische
Bandbreite von 155 MHz mit einer Rückflussdämpfung von 20dB auf, wenn die
Stichleitungsimpedanz 150 Ohm beträgt. Die gleiche herkömmliche
QWS mit einer Resonanzmittenfrequenz von 870 MHz weist eine theoretische
Bandbreite von 226 MHz mit einer Rückflussdämpfung von 20 dB auf, wenn
die Impedanz 50 Ohm beträgt.
Setzt man dies fort, so weist die gleiche herkömmliche QWS mit einer Resonanzmittenfrequenz
von 870 MHz eine theoretische Bandbreite von 580 MHz mit einer Rückflussdämpfung von
20 dB auf, wenn die Impedanz 150 Ohm beträgt. Dieser Effekt des Erhöhens der
Stichleitungsimpedanz einer herkömmlichen
QWS ist in 6 dargestellt.
-
Ein
Erhöhen
der Impedanz der Stichleitung einer herkömmlichen QWS schafft eine breitere
Bandbreite. Eine höhere
Stichleitungsimpedanz kann entweder durch Verringern des Durchmessers
des inneren Leiters der Stichleitung oder durch Erhöhen des
Durchmessers des äußeren Leiters
der Stichleitung erreicht werden. Jedoch haben beide diese Verfahren
signifikante Konsequenzen. Ein Verringern des Durchmessers der Kurzschlussstichleitung
gefährdet
die Strombelastbarkeit der Stichleitung. Dies entspricht analog
dem Gedanken des Schmelzens eines metallischen Leiters. Deshalb
sind dem Verringern des Durchmessers des zentralen Leiters der Stichleitung
strikte Grenzen gesetzt und es ist mit Leistungsabstrichen verbunden.
Ein Erhöhen
des Durchmessers des äußeren Leiters
der Stichleitung führt
zu einer größeren Überspannungsschutzeinrichtung, was
sich in erhöhten
Kosten der Einrichtung niederschlägt. Dies ist auch keine wünschenswerte
Lösung.
-
Der
Wirkungsgrad einer Überspannungsschutzeinrichtung
ist gekennzeichnet durch die Durchlassenergie, welche ein Maß der Energiemenge
darstellt, die hindurchgelangt zu dem Ausgang der Überspannungsschutzeinrichtung,
wenn der Eingang der Überspannungsschutzeinrichtung
einer Überspannung
bzw. einem Stromstoß ausgesetzt
ist (z.B. einer transienten Blitzwellenform). Gewöhnlicherweise
wird in der Industrie eine transiente Blitzwellenform als eine Stromwellenform
moduliert, die aus einer acht Mikrosekunden langen Anstiegszeit
(von 10%-igem auf 90%-igen Spitzenwert) und einer zwanzig Mikrosekunden
langen Abfallszeit (herunter auf einen Spitzenwert von 50%) besteht
mit einem Amplitudenpegel, der von einem Spitzenstrom von 2000 Ampere
bis zu einem Spitzenstrom von nicht weniger als 20000 Ampere variieren
kann. Die konkrete Amplitude hängt
davon ab, wo die Überspannungsschutzeinrichtung
angebracht ist sowie von der erwarteten transienten Aktivität, der sie
ausgesetzt sein wird. Die Durchlassenergie lässt sich durch Anlegen des
Eingangsstromstoßes,
Aufzeichnen der Restausgangsspannungswellenform und Integrieren
des Quadrats dieser Restspannungswellenform über die Dauer des Stromsstoßereignisses
berechnen. Das Dividieren dieses Werts durch die Lastimpedanz liefert
einen numerischen Wert (ausgedrückt
in Joule) für
die Durchlassenergie. Die Restspannungswellenform ist proportional
zu der Induktivität
der Stichleitung, ist proportional zu der Veränderung des Stroms während der
Anstiegszeit und ist umgekehrt proportional zu der Anstiegszeit
der angelegten Stromwellenform. Die Induktivität der Stichleitung kann manipuliert
werden, um die Durchlassenergie zu reduzieren. Für eine herkömmliche QWS lässt sich
die Eigeninduktivität
der Stichleitung durch den folgenden Ausdruck annähern
wobei Länge, Dicke und Breite die Länge, Dicke
und Breite der Stichleitung darstellen. Wie aus dem obigen Ausdruck
ersichtlich, resultiert das Verringern der Länge der Stichleitung in einer
Verringerung der Induktivität, was
sich in einer Verringerung der Durchlassenergie niederschlägt. Demgemäß ist es
wünschenswert,
die Länge
der Stichleitung zu verringern, um die Durchlassenergie der Überspannungsschutzeinrichtung
zu verringern. Die Länge
der Stichleitung kann durch Hinzufügen eines dielektrischen Materials
verringert werden, um die effektive dielektrische Konstante zwischen
dem inneren und äußeren Leiter
der Stichleitung zu erhöhen.
Jedoch hat eine auf diese Weise vorgenommene Verringerung der effektiven
Länge der
Stichleitung auch den unerwünschten
Effekt, die Impedanz der Stichleitung zu verringern, was die Betriebsbandbreite
der Überspannungsschutzeinrichtung
enger werden lässt.
-
Die
vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass das Hinzufügen eines
sehr kleinen Serieninduktivitätsbetrags
zu einer Kurzschlussstichleitung zu einem einzigartigen Breitband-Effekt
führen
kann, zum Erhöhen
des Frequenzbetriebsbereichs der Überspannungsschutzeinrichtung.
Da das Hinzufügen
von Serieninduktivität
zu einer Kurzschlussstichleitung in Abstrichen bei der Leistung
bezüglich
der Durchlassenergie resultiert, ist es jedoch vorzuziehen, die
Gesamtlänge
der Stichleitung zu verringern, um niedrigere Durchlassenergiewerte
aufrechtzuerhalten. Da es schwierig ist, Serieninduktivität auf konzentrierte
Weise hinzuzufügen,
kann die Verringerung der Gesamtlänge durch das Verteilen der
Induktivität über die
Länge der
Kurzschlussstichleitung erreicht werden. Die Induktivität kann selektiv über einen
beträchtlichen
Teil der Stichleitung verteilt werden, indem der innere Leiter der
Kurzschlussstichleitung hohl hergestellt wird und eine kleine spiralförmige Öffnung durch
die Außenwand
des inneren Leiters gemacht wird. Mit anderen Worten hat der innere
Leiter der Kurzschlussstichleitung die Form eines Hohlzylinders
mit einer darin gebildeten spiralförmigen Öffnung.
-
Das
Ergebnis ist die Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 10 (1 und 2)
und der in 7a und 7b dargestellte
entsprechende inner Leiter 26. Nun wird Bezug genommen
auf 7a und 7b; die
dargestellte Ausführungsform
des inneren Leiters 26 der Stichleitung 14 weist
ein Eingangsende 30 und ein Ausgangsende 33 auf.
Das Eingangsende 30 der Stichleitung 14 ist an
den inneren Leiter 20 des koaxialen Durchgangsabschnitts
gekoppelt. Der innere Leiter 26 ist hohl im wesentlichen
von dem Eingangende bis zum Ausgangsende. Der innere Leiter 26 weist
einen Außendurchmesser φ von ungefähr 0,686
cm (0,270 Inch) auf. Die Außenwand 34 des
hohlen inneren Leiters 26 weist eine Dicke t von ungefähr 0,178
cm (0,070 Inch) auf. Der innere Leiter 26 weist eine Länge L von
ungefähr
3,101 cm (1,221 Inch) auf.
-
Der
hohle innere Leiter 26 weist eine Öffnung 36 auf, die
kontinuierlich spiralförmig
innerhalb dessen Außenwand 34 angeordnet
ist. Die spiralförmige Öffnung 36 beginnt
bei einem Abstand D1 von 0,279 cm (0,110
Inch) von dem Eingangsende des inneren Leiters und endet bei einem
Abstand Da von ungefähr
1,270 cm (0,500 Inch) von dem Ausgangsende 32 des inneren
Leiters 36. Die kontinuierliche spiralförmige Öffnung 36 weist eine
Breite W von ungefähr
0,076 cm (0,030 Inch) auf und führt
etwa fünf
Umdrehungen um den inneren Leiter 26 aus. Die spiralförmige Öffnung 36 ist
ausgebildet, eine Querschnittsfläche
beizubehalten, die imstande ist, einen Stoßstrom von mindestens 20 Kiloampere
zu führen
ohne Verschlechterung, Schmelzen oder Lichtbogenbilden. Die spiralförmige Öffnung 36 kann
auf effiziente Weise unter Verwendung moderner, per Computer numerisch
gesteuerter Bearbeitungszentren hergestellt werden. Dank der Abmessungen
der Stichleitung 14 ist die Überspannungsschutzeinrichtung 10 austauschbar
gegen viele Überspannungsschutzeinrichtungen,
die gegenwärtig
in drahtlosen Hochfrequenz-Kommunikationssystemen eingesetzt werden.
-
Das
Eingangsende 30 des inneren Leiters 26 enthält ein integrierendes
Glied 38 mit Außengewinde zum
Koppeln des inneren Leiters 26 der Stichleitung 14 an
den inneren Leiter 20 des koaxialen Durchgangsabschnitts 12.
Der innere Leiter 20 des koaxialen Durchgangsabschnitts 12 enthält eine
entsprechende konisch zulaufende Öffnung 40 (5).
Der innere Leiter 26 ist hohl von im wesentlichen dem Eingangsende 30 bis
zum Ausgangsende 32. An dem Eingangsende 30 ist
der innere Leiter über
eine kurze Strecke nicht hohl, was eine Basis 42 für das Glied 38 mit
Außengewinde
bereitstellt.
-
Es
wird rückverwiesen
auf 1 und 2, in denen eine Kurzschlussplatte 44 leitend
an den inneren Leiter 26 und den äußeren Leiter 28 an
dem Ausgangsende 32 der Stichleitung 14 gekoppelt
ist, um einen Kurzschluss zu erzeugen zum Kurzschließen einer Überspannung
bzw. eines Stromstoßes.
Der innere Leiter 26 der Kurzschlussstichleitung 14 enthält einer
Federfingerfassung 48 an seinem Ausgangsende 32 (7a). Die
Kurzschlussplatte 44 enthält einen entsprechenden vorspringenden
Federfinger 50, um die Kurzschlussplatte 44 an
den inneren Leiter 26 der Stichleitung 14 zu koppeln.
Um die die Stichleitung 14 passierende Überspannung zu erden, ist die
Kurzschlussplatte 44 mit einem Erdungsanschluss 46 versehen
zum Koppeln der Kurzschlussplatte 44 mit der Erde. In der
dargestellten Ausführungsform
ist der Erdungsanschluss 46 eine Öffnung mit Innengewinde zum
Koppeln der Kurzschlussplatte an ein Erdungsgerät mit einem entsprechenden Gewindeglied.
-
Nun
wird Bezug genommen auf 8, in der die Leistung der Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 4 der
vorliegenden Erfindung mit einer herkömmlichen QWS verglichen wird.
Der spiralförmig
verteilte Induktivitätseffekt
der Überspannungsschutzeinrichtung 14 resultiert
in einer Breitband-Funkfrequenzleistung, die eine Rückflussdämpfung von
20 dB und eine Einfügungsdämpfung von
0,06 dB über
den 800-MHz- bis 2500-MHz-Frequenzbereich
bereitstellt. Bei Frequenzen von unter 800 MHz weist die Überspannungsschutzeinrichtung 14 eine ähnliche
Leistungsfähigkeit
auf wie die herkömmliche
QWS, da die Induktivität
eine Funktion der Frequenz darstellt und bei geringeren Frequenzen
wenig Wirkung zeigt. Bei höheren
Frequenzen stellt sich jedoch heraus, dass die Überspannungsschutzeinrichtung 14 der
vorliegenden Erfindung imstande ist, mit einer breiten Bandbreite
zu arbeiten. In herkömmlichen
QWS war es oft notwendig, die Verwendung von Tuning-Isolatoren bzw.
Abstimmisolatoren, einem in dem Zwischenraum 29 zwischen
dem inneren Leiter und dem äußeren Leiter 28 angeordneten
Dielektrikum, zu implementieren, um die Impedanz der Kurzschlussstichleitung
zu verringern zum Verengen oder Feinabstimmen der Bandbreite. Da
die Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 10 über eine
derart breite Bandbreite arbeitet, wird jedoch die Notwendigkeit
eines Abstimmisolators vermieden. Das Weglassen von Abstimmisolatoren
führt auch
zu erheblichen Kosteneinsparungen, einer Verringerung der Bestandteile
sowie einer höheren
Herstellungsausbeute. In einer alternativen Ausführungsform kann ein dielektrisches
Material innerhalb des hohlen Innenraums 51 (7b)
platziert werden zum Anpassen der Betriebsfrequenzbandbreite der Überspannungsschutzeinrichtung 10.
-
Neben
ihrer Fähigkeit, über einen
breiten Frequenzbereich zu arbeiten, wurde die Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 10 getestet und
es wurde festgestellt, dass sie hervorragende Überspannungsschutzfähigkeiten
(z.B. eine geringe Durchlassenergie) aufweist. Eine als eine Stromwellenform
modellierte transiente Blitzwellenform, bestehend aus einer Anstiegszeit
von 8 Mikrosekunden und einer Abfallszeit von 20 Mikrosekunden mit
einem Spitzenstrom von 2000 Ampere, wurde an die Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 10 angelegt.
Die resultierende Durchlassenergie betrug weniger als 25 Mikro-Joule
(25 × 10–6 Joule).
Die Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung
erzielte auch in anderer Hinsicht eine außergewöhnliche Leistungsfähigkeit.
Beispielsweise erzielte die Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 10 in
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Breitband-Einfügungsdämpfungsleistung
von weniger als 0,1 dB über
die meist verwendeten Frequenzbereiche von 800 MHz bis 2500 MHz.
In einer anderen Ausführungsform
erreichte die Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 10 eine
bessere Rückflussdämpfungsleistung
als 20 dB über
die meist verwendeten Frequenzbereiche von 800 MHz bis 2500 MHz.
In noch einer anderen Ausführungsform
wurde festgestellt, dass die Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 10 imstande
ist, mindestens eine Durchschnittsleistung von 2000 Watt zu handhaben,
wenn sie irgendwo in dem Frequenzbereich von ungefähr 800 bis
2500 MHz arbeitet. In noch einer anderen Ausführungsform erreichte die Überspannungsschutzeinrichtung 10 eine
außergewöhnliche
Passivintermodulationsleistung bei Pegeln von –160 dBc (–120 dBm) mit zwei an den Überspannungsschutzeinrichtung 10 angelegten
Zwanzig-Watt-Trägern.
-
Die
Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 10 der
vorliegenden Erfindung besitzt Mehrfachstoßfähigkeiten. Da die Überspannungsschutzeinrichtung
so gestaltet ist, dass alle Stoßstromführenden
Leiter aus massivem metallischen Material hergestellt sind, tritt
keine Leiterverschlechterung aufgrund von wiederholten Überspannungen
auf, was ein mit anderen Überspannungsschutzeinrichtungen
aus dem Stand der Technik verbundenes Problem darstellt, welche
Gasrohre, Metalloxidvaristoren oder Silizium-Avalanche-Dioden zum Führen des
Stoßstroms
verwenden. Eine Ausführungsform
der Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 10 ist
imstande, mindestens einhundert unmittelbar an den inneren Leiter
der Überspannungsschutzeinrichtung
angelegte Stromstöße einer
Höhe von
zwanzig Kiloampere standzuhalten ohne irgendeine physikalische oder
elektrische Verschlechterung. In ähnlicher Weise ist die Überspannungsschutzeinrichtung 10 so
gestaltet, dass sie nicht polarisiert ist; daher kann die Einrichtung
in jeder Ausrichtung installiert werden, ohne Abstriche bei irgendeiner
elektrischen, mechanischen oder umgebungsbezogenen Leistung.
-
Die
Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 10 ist
so gestaltet, dass sie schwierigen umgebungsbezogenen und mechanischen
Bedingungen standhält.
Beispielsweise ist die Überspannungsschutzeinrichtung 10 in
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung so gestaltet, dass sie ein mindestens
vierundzwanzigstündiges
Eintauchen in ein Meter tiefes Wasser ohne ein Eindringen von Feuchtigkeit
oder eine Leistungsverschlechterung überstehen kann. In einer alternativen
Ausführungsform
ist die Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 10 so
gestaltet, dass sie einen vierundzwanzigstündigen Schwingungstest in drei
Ebenen mit angelegten Schwingungen, die 10 bis 2000 Hz bei einem
Spitzenpegel von 5 G überstreichen,
ohne eine Leistungsverschlechterung oder Ermüdung übersteht. In einer anderen
alternativen Ausführungsform
ist die Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 10 so
gestaltet, dass sie einen mechanischen Stoßtest mit einer Amplitude von
30 G, drei Zyklen in allen drei Ebenen, ohne Leistungsverschlechterung
oder Ermüdung übersteht.
In noch einer anderen alternativen Ausführungsform ist die Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 10 so
gestaltet, dass sie einen mindestens tausendstündigen Korrosionstest (Salznebel)
ohne Leistungsverschlechterung übersteht.
In noch einer anderen alternativen Ausführungsform ist die Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 10 so
gestaltet, dass sie mindestens fünfundzwanzig
starke Wärmezyklen
(+85 C für eine
Stunde, –55
C für eine
Stunde) ohne Leistungsverschlechterung oder Ermüdung übersteht. In noch einer anderen
alternativen Ausführungsform
ist die Breitband-Überspannungsschutzeinrichtung 10 so
gestaltet, dass sie einen mindestens zehntägigen Feuchtigkeitstest bei
einer Luftfeuchtigkeit von 95% und einer Temperatur von 65 C ohne
eine Leistungsverschlechterung übersteht.
-
In
einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist ein Kondensator (nicht gezeigt) elektrisch
seriell an den koaxialen Durchgangsabschnitt 12 gekoppelt,
um die Verringerung der aus einer durch die Überspannungsschutzeinrichtung
fließenden
Stromstoß resultierenden
Energie zu unterstützen.
Unter einigen außergewöhnlichen
Umständen
kann das Schutz benötigende
Betriebssystem extrem empfindlich sein für Einschwingvorgänge bzw.
Ausgleichsvorgänge
und daher einen sogar noch niedrigeren Grad an Durchlassenergieleistung
erfordern. Bei solchen seltenen extremen Anwendungen kann ein Serienkondensator,
verwendet in Verbindung mit der Überspannungsschutzeinrichtung 10 mit
kurzgeschlossener Stichleitung und spiralförmiger Öffnung der vorliegenden Erfindung,
einen zusätzlichen
Grad an Überspannungsschutz
bereitstellen und ferner die Durchlassenergie verringern. Des weiteren
kann in einer anderen alternativen Ausführungsform ein seriell an den
koaxialen Durchgangsabschnitt 12 gekoppelter und an eine
separate Verbindungsschnittstelle angeschlossener Serieninduktor
implementiert werden zum Erlauben des Einführens von niedrigem Gleichstrom
(durch die separate Verbindungsschnittstelle) in das Übertragungsleitungssystem
für Leistungsanforderungen
des Übertragungsgeräts. Nur
der an den Induktor gekoppelte Verbinder 18, 19 würde Strom
führen.
Der Serienkondensator würde
den zweiten koaxialen Verbinder 18, 19 des koaxialen
Durchgangsabschnitts effektiv von dem Gleichstrom abkoppeln.
-
Die
dargestellten Ausführungsformen
der Überspannungsschutzeinrichtung 10 zeigen,
dass die spiralförmige Öffnung 36 kontinuierlich
ist über
etwa fünf
Umrundungen des inneren Leiters 26 der Stichleitung 14.
Jedoch braucht die spiralförmige Öffnung 36 in
alternativen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung nur mindestens einmal den inneren Leiter 26 zu
umrunden. In einer alternativen Ausführungsform der Überspannungsschutzeinrichtung 10,
in der die Öffnung 36 für etwa zweieinhalb
Umdrehungen kontinuierlich um den inneren Leiter 26 verläuft, beträgt der Abstand
D1 0,762cm (0,300 Inch) und der Abstand
Da 1,473 cm (0,580 Inch). Bei einer solchen alternativen Ausführungsform
ist die spiralförmige Öffnung so
positioniert, dass hohe Rückflussdämpfungsleistungsgrade
bei einem sogar noch höheren
Frequenzbereich erreicht werden können. Für Systeme, die einen sogar
noch höheren
Leistungsgrad im Hinblick auf die Rückflussdämpfung erfordern, kann ein
innerer Leiter 26 mit einer spiralförmigen Öffnung 36 implementiert
werden, die über
etwa zweieinhalb Umdrehungen kontinuierlich ist, um eine Rückflussdämpfung von
etwa 30 dB von 1500 MHz bis 3400 MHz zu erzielen. In anderen alternativen
Ausführungsformen
erstreckt sich die spiralförmige Öffnung 36 über mindestens
etwa ein Fünftel
einer Länge
L des inneren Leiters. In noch anderen alternativen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung reicht die Erstreckung der spiralförmigen Öffnung von
etwa einem Viertel bis zu etwa drei Vierteln der Länge L des
inneren Leiters. In noch anderen alternativen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann der innere Leiter 26 der
Stichleitung 14 mehr als eine spiralförmige Öffnung enthalten oder die spiralförmige Öffnung kann,
weiterhin alternativ, in mehr als einen Abschnitt segmentiert sein.
-
Die
Länge L
des inneren Leiters und der Außendurchmesser φ können je
nach den alternativen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung variieren. Beispielsweise kann das Verhältnis des
Außendurchmessers φ zu der
Länge L
des inneren Leiters 26 irgendwo in dem Bereich von etwa
0,10 bis etwa 0,40 liegen. Die Dicke t der Wand des inneren Leiters 26 kann
von 0,127 cm (0,050 Inch) bis etwa 0,229 cm (0,090 Inch) gemäß anderer
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung reichen. Die praktischen Beschränkungen
des Herstellungsverfahrens und die gegenwärtigen Leistungsfähigkeiten
des Materials des inneren Leiters sind einige der Parameter, die
die Grenzen dieses Bereichs bestimmen. Das Material, aus dem der
innere Leiter 26 aufgebaut ist, kann gemäß anderer
alternativer Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung auch variiert werden. Beispielsweise
ist in alternativen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung der innere Leiter 26 aus einem
Vollhartmaterial der Phosphor-Bronze-Legierung 544 gebildet,
aus einer Beryllium-Kupfer-B196-Legierung-C oder aus halbhartem
ASTM-B16-Messing oder aus irgendeinem nichtferromagnetischen Material,
das sich zum Leiten eines Mikrowellensignals eignet und imstande
ist, Strom zu führen.
-
In
alternativen Ausführungsformen
kann die vorliegende Erfindung auf andere als die dargestellten T-förmigen Überspannungsschutzeinrichtungen
angewendet werden. Beispielsweise kann die gekrümmte Stichleitung des in gemeinschaftlichem
Besitz befindlichen US-Patents Nr. 5 892 602 mit dem Titel "Surge Protector Connector" hohl ausgebildet
werden und sie kann eine darin vorgesehene spiralförmige Öffnung aufweisen,
um die Betriebsbandbreite jener Überspannungsschutzeinrichtung
zu erhöhen.
In anderen alternativen Ausführungsformen
kann der hohle innere Leiter 26 mit einer darin vorgesehenen
spiralförmigen Öffnung 36 auch
auf andere Überspannungsschutzeinrichtungen
angewendet werden. Beispielsweise kann ein hohler innerer Leiter 26 mit
einer darin vorgesehenen spiralförmigen Öffnung 36 in
einer Überspannungsschutzeinrichtung
mit einer rechtwinkligen Geometrie des Durchgangsabschnitts implementiert
werden. In einer derartigen Ausführungsform
enthält
der koaxiale Durchgangsabschnitt eine 90°-Biegung an irgendeiner Stelle
(im allgemeinen an einer Stelle in der Mitte) in dem koaxialen Durchgangsabschnitt.
Der innere Leiter 26 der Stichleitung 14 wäre mit dem
koaxialen Durchgangsabschnitt von 90° an dem Eingangsende 30 des
inneren Leiters 26 verbunden und leitend an den äußeren Leiter 28 der
Stichleitung 14 gekoppelt, hierbei einen Kurzschluss erzeugend.
-
Während bestimmte
Ausführungsformen
und Anwendungen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben
worden sind, sollte verstanden werden, dass die Erfindung nicht
auf die hier offenbarte genaue Bauweise und die hier offenbarten
Zusammensetzungen beschränkt
ist und dass verschiedene Modifikationen, Änderungen und Variationen aus
den vorstehenden Beschreibungen hervorgehen mögen, ohne von dem Geist und
Umfang der Erfindung, wie in den anhängenden Ansprüchen definiert,
abzuweichen.