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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Funkenstrecken-Überspannungsableiter zum Schutz vor Überspannungen und Überströmen in elektrischen Systemen, insbesondere in Koaxialkabel-Hochfrequenz-Signalübertragungssystemen.
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Technischer Hintergrund
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Ein Hochfrequenz-Koaxialkabel ist eine Übertragungsleitung für Hochfrequenzsignale (d. h. Frequenzen elektromagnetischer Wellen, die zwischen 3 kHz und 300 GHz liegen), die aus zwei konzentrischen Leitern gebildet ist, wobei der zentrale Kern und die umfängliche Abschirmung von einer dielektrischen Isolierung getrennt sind.
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Die Elektronikvorrichtungen, die Hochfrequenzsignale (HF-Signale) von Koaxialkabeln empfangen, unterliegen besonders elektrischen Überspannungen und Überströmen. Die Hochfrequenz-Koaxialkabel hängen im Allgemeinen über dem Erdboden, an Strommasten oder anderen Strukturen befestigt, über weite Strecken, auf welchen sie von Blitzen getroffen werden können.
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Blitze sind von einem gepulsten Entladungsstrom mit hoher Spitzenintensität mit einer Anstiegszeit in der Größenordnung einer Mikrosekunde gekennzeichnet, der dominante Komponenten an niedrigeren Frequenzen als die Hochfrequenzsignale, die übertragen werden sollen, umfasst. In der Regel kann der Blitz Überspannungen von mehreren Millionen Volt und Überströme von Tausenden Ampere verursachen. Hochfrequenzausrüstung ist nun nicht dazu ausgelegt, derartigen vorübergehenden Überspannungen und über Strömen standzuhalten.
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Um derartige Hochfrequenzausstattung zu schützen, offenbart
WO 2018/127650 Funkenstrecken-Überspannungsableiter, die parallel in der Übertragungsleitung zwischen dem zentralen Kern und der Abschirmung des Koaxialkabels montiert sind, um den Fluss der hohen gepulsten Ströme zu tragen. Eine Funkenstrecke ist ein elektrisches Bauelement, das, wenn die Übertragungsleitung im normalen Betrieb ist, das heißt bei Fehlen von Überspannung und/oder Überstrom, einen sehr hohen Isolationswiderstand darlegt, der als fast unendlich betrachtet werden kann. Wenn sie einer vorübergehenden Überspannung und/oder einem vorübergehenden Überstrom unterliegt, schlägt die Funkenstrecke plötzlich über und wird mit einer sehr niedrigen Impedanz leitfähig. Die Funkenstrecke kann dann mit einem Kurzschluss verglichen werden, was es daher ermöglicht, über die umfängliche Abschirmung einen starken Entladungsstrom, der der vorübergehenden Überspannung und/oder dem vorübergehenden Überstrom entspricht, zur Masse abzuleiten. Es ist somit möglich, die Hochfrequenzausstattung, die stromabwärts der Funkenstrecke liegt, vor gepulsten Strömen zu schützen.
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Aufgrund der kapazitiven Wirkung von Funkenstrecken, können derartige Funkenstrecken-Überspannungsableiter funktional enge Frequenzbereiche und eine begrenzte zulässige maximale Frequenz aufweisen. Außerdem können die ferromagnetische Materialien, die in Überspannungsableitern verwendet werden, unerwünschte Signale aufgrund von Effekten der Modulation zwischen mehreren übertragenen Trägerwellen induzieren. Diese passive Intermodulationserscheinung (Passive Intermodulation Phenomenon, kurz PIM) verschlechtert die Übertragungsqualität der Hochfrequenzsignale.
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WO 2011/150087 offenbart eine Schutzvorrichtung vor Überspannungen und Überströmen für ein Koaxialkommunikationssystem, die Kondensatoren umfasst, um die Niederfrequenzkomponenten zu blockieren.
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Kurzdarstellung
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Eine Idee, auf der die Erfindung basiert, besteht darin, eine Schutzvorrichtung für Funkkommunikationsausstattung vor gepulsten Strömen zu erzeugen, die gleichzeitig kompakt und in der Lage ist, Hochfrequenzen über einen weiten Bereich von Betriebsfrequenzen ohne Verschlechterung der Übertragungsleitung zu übertragen.
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Gemäß einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine Schutzvorrichtung vor gepulsten Strömen bereit, die bezweckt, Signale zu übertragen, die Frequenzen aufweisen, die in einem Übertragungsfrequenzband liegen, wobei die Schutzvorrichtung einen Signalleitungspfad und eine Abschirmung umfasst, die um den Signalleitungspfad angeordnet ist, wobei der Signalleitungspfad Folgendes umfasst:
- - zwei Funkenstrecken, die in Reihe geschaltet sind; und
- - ein Drosselspulenelement, das einen Abschnitt des Leitungspfades, der zwischen den Funkenstrecken liegt, mit der Abschirmung verbindet; derart, dass die Schutzvorrichtung als ein Hochpassfilter konfiguriert ist, das das Durchgehen über den Signalleitungspfad der Signale gestattet, die Frequenzen aufweisen, die in dem Übertragungsfrequenzband liegen.
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Dank dieser Merkmale kann die Schutzvorrichtung einerseits bei Fehlen von Überspannungen und Überströmen die kontinuierlichen Stromflüsse und die Niederfrequenzen, in der Regel die Frequenzen der elektromagnetischen Wellen, die zwischen 3 Hz und 1 MHz liegen, blockieren, während das Durchgehen der Hochfrequenzsignale über einen weiten Bereich von Betriebsfrequenzen gestattet wird, und, andererseits, wenn Überspannungen und Überströme vorhanden sind, die unerwünschten gepulsten Ströme, die beispielsweise von Blitzeinschlag erzeugt werden, an ein Massensystem über das Drosselspulenelement ableiten. Das Drosselspulenelement weist nämlich eine hohe Impedanz für die hohen Frequenzen auf, aber eine niedrige Impedanz für die niedrigen Frequenzen, die den Großteil des Energiespektrums des Blitzstroms bilden.
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Gemäß Ausführungsformen kann eine derartige Schutzvorrichtung eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schutzvorrichtung ferner mindestens ein kapazitives Element, das mit einer der Funkenstrecken auf dem Signalleitungspfad parallel geschaltet ist, beispielsweise zwei kapazitive Elemente, die jeweils mit jeder der Funkenstrecken parallel geschaltet sind.
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Wenn somit die spezifische Kapazität der Funkenstrecken unzureichend ist, ermöglicht es das Hinzufügen eines oder mehrerer kapazitiver Elemente, das Entkoppeln der niedrigen Frequenzen durch Einstellen der Grenzfrequenz der Schutzvorrichtung einzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das mindestens eine kapazitive Element einen Kondensator oder besteht daraus, der Platten aufweist, die von einer dielektrischen Isolierung, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen, getrennt sind.
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Als eine Variante können andere Materialien als Polytetrafluorethylen verwendet werden, um die leitenden Platten zu trennen.
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Gemäß einer Ausführungsform, umfasst der Signalschutzpfad mindestens ein Paar von Elektroden, wobei jede Elektrode des Paares von Elektroden eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, die an die erste Oberfläche angrenzt, umfasst. Die ersten Oberflächen des Paares von Elektroden können einander zugewandt positioniert werden, und die Funkenstrecke kann zwischen den ersten Oberflächen des Paares von Elektroden montiert werden. Die zweiten Oberflächen des Paares von Elektroden können einander und der elektrischen Isolierung, die zwischen den zweiten Oberflächen des Paares von Elektroden montiert ist, derart zugewandt positioniert werden, dass die zweiten Abschnitte des Paares von Elektroden die Platten des Kondensators bilden.
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Bei einer Ausführungsform umfasst jede der Elektroden des oder jedes Paares von Elektroden eine Sacklochbohrung, wobei die erste Oberfläche an dem Grund der Sacklochbohrung derart positioniert ist, dass ein Aufeinandertreffen der Sacklochbohrungen einen Innenraum bildet, der die Funkenstrecke unterbringt, wobei die zweite Oberfläche um die Sacklochbohrung positioniert ist.
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Die Einrichtung des Paares von Elektroden und der Funkenstrecken ermöglicht es somit, eine kompakte Schutzvorrichtung zu erzeugen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Schutzvorrichtung eine in einer Längsrichtung gestreckte Form auf. Gemäß einer Ausführungsform weist jede der Elektroden des Paares von Elektroden eine Drehform um eine Drehachse parallel zu der Längsrichtung auf.
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Gemäß einer Ausführungsform werden zwei der oben erwähnten Paare von Elektroden bereitgestellt, nämlich ein jeweiliges Paar von Elektroden für jede der zwei Funkenstrecken.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Drosselspulenelement ein zentrales Teil und ein umfängliches Teil auf, wobei das zentrale Teil mit der Elektrode des Paares von Elektroden in elektrischem Kontakt steht, wobei das umfängliche Teil mit der Abschirmung in elektrischem Kontakt steht. Das zentrale Teil steht beispielsweise in elektrischem Kontakt mit einer Elektrode jedes der zwei oben erwähnten Paare von Elektroden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Drosselspulenelement eine Spule, die eine flache Spiralform aufweist.
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Insbesondere kann die Spule eine kreisförmige flache Spule sein. Als eine Variante kann die Spiralspule eine vieleckige Form (z. B. quadratische, sechseckige, achteckige Form usw.) oder jede andere Form aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst mindestens eine der zwei Funkenstrecken:
- - einen Isoliermantel, der einen Innenraum abgrenzt und zwei Öffnungen jeweils an zwei entgegengesetzten Enden des Innenraums aufweist;
- - zwei Funkenstreckenelektroden, die die zwei Öffnungen des Innenraums auf eine gasdichte Weise schließen, wobei jede Funkenstreckenelektrode ein Innenteil umfasst, das in dem Innenraum des Isoliermantels untergebracht ist, und ein Außenteil, das von der Außenseite des Isoliermantels zugänglich ist,
wobei das Innenteil eine Endoberfläche aufweist, wobei die Endoberflächen der Funkenstreckenelektroden einander zugewandt derart positioniert sind, dass sie dazwischen einen Luftspalt abgrenzen; und - - ein Inertgas, das in dem Innenraum des Isoliermantels gefangen ist.
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Gemäß einer Ausführungsform besteht der Isoliermantel aus Keramik.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Dichtigkeit zwischen den Funkenstreckenelektroden und dem Isoliermantel durch Hartlöten erzeugt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Enden des Isoliermantels eine Schicht aus einer Legierung aus Eisen und Nickel, wobei die Dichtigkeit zwischen den Funkenstreckenelektroden und dem Isoliermantel durch Hartlöten erzeugt wird.
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Da die Legierung aus Eisen und Nickel einen Dehnungskoeffizienten darlegt, der dem Dehnungskoeffizienten von Keramik sehr nahe ist, dehnen und ziehen sich die Schicht und der Isoliermantel ähnlich derart zusammen, dass die Kräfte, die sie aufeinander beim Zusammenziehen oder beim Dehnen ausüben, nicht Gefahr laufen, den Isoliermantel zu beschädigen.
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Die Verringerung von Rauschen in den Koaxialkabel-Hochfrequenz-Datenübertragungssystemen wird durch die passive Intermodulation begrenzt, d. h., dass sich die Intermodulationsverzerrungen aus nichtlinearen Interferenzen ergeben, die in passiven Bauteilen des Systems erzeugt werden. Es wird angenommen, dass die ferromagnetischen Materialien, wie Eisen und Nickel, nichtlineare Merkmale darlegen, die zu der passiven Intermodulation beitragen.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die Funkenstreckenelektroden aus einem Metall hergestellt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Kupfer und Legierungen davon besteht.
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Die Schutzvorrichtung legt daher extrem niedrige passive Intermodulation dar.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Gas, das in dem Isoliermantel gefangen ist, aus der Gruppe ausgewählt, die aus Argon, Neon, Wasserstoff, Stickstoff, seltenen Gasen und Gemischen dieser Gase besteht. Dies ermöglicht es, die Überschlagsbedingungen der Funkenstrecke fein abzustimmen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schutzvorrichtung ferner zwei Anschlusssteckverbinder für Koaxialkabel, wobei jeder Anschlusssteckverbinder einen umfänglichen leitenden Abschnitt umfasst, der dazu bestimmt ist, mit der umfänglichen Abschirmung eines Koaxialkabels verbunden zu werden, und einen zentralen leitenden Abschnitt, der dazu bestimmt ist, mit dem zentralen Kern eines Koaxialkabels verbunden zu werden, wobei der Signalleitungspfad mit dem zentralen leitenden Abschnitt mit jedem der Anschlusssteckverbinder in elektrischem Kontakt steht, und wobei die Abschirmung mit dem umfänglichen leitenden Abschnitt jedes der Anschlusssteckverbinder in elektrischem Kontakt steht.
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Gemäß Ausführungsformen kann der Anschlusssteckverbinder als ein standardisierter Typ erzeugt werden, der aus der Liste ausgewählt wird, die aus SMA, BNC, TNC, NEX10, N, 4,3-10 und 7/16 besteht.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird besser verstanden, und andere Ziele, Einzelheiten, Merkmale und davon ergeben sich klar aus der folgenden Beschreibung mehrerer besonderer Ausführungsformen der Erfindung, die rein veranschaulichend und nicht einschränkend gegeben werden, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
- [1] 1 ist eine schematische Darstellung eines Koaxialkabel-Hochfrequenz-Signalübertragungssystems, das eine Schutzvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst.
- [2] 2 ist eine schematische Darstellung ähnlich der 1, die eine Schutzvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst.
- [3] 3 ist eine perspektivische schematische Ansicht der Schutzvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
- [4] 4 ist eine perspektivische schematische Ansicht der Schutzvorrichtung, die in 3 dargestellt ist, wobei der Körper weggelassen wurde.
- [5] 5 ist eine schematische Ansicht im Querschnitt auf einer Ebene in rechten Winkeln zu der Längsachse der Schutzvorrichtung, die in 3 dargestellt ist.
- [6] 6 ist eine schematische Ansicht einer Funkenstrecke, die in der Schutzvorrichtung, die in 3 dargestellt ist, verwendet werden kann, gemäß einer ersten Ausführungsform.
- [7] 7 ist eine schematische Ansicht ähnlich der der 6, gemäß einer zweiten Ausführungsform.
- [8] 8 ist eine grafische Darstellung der Fehlerdämpfung als eine Funktion der Frequenz der Schutzvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
- [9] 9 ist eine grafische Darstellung der Einfügungsdämpfung als eine Funktion der Frequenz der Schutzvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Die nachstehenden Ausführungsformen sind in Bezug auf eine Schutzvorrichtung beschrieben, die dazu bestimmt ist, die vorübergehenden Überspannungen und Überströme in einem Koaxialkabel-Hochfrequenz-Signalübertragungssystem zu begrenzen.
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Unter Bezugnahme auf 1 ist eine Schutzvorrichtung 1 auf einer bidirektionalen Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3 installiert, die beispielsweise für den Empfang oder die Übertragung von Hochfrequenzsignalen, die innerhalb eines gegebenen Betriebsfrequenzbandes liegen, verwendet wird. Insbesondere kann die umfängliche Abschirmung des Koaxialkabels als Erdpotenzial dienen. Die Schutzvorrichtung 1 wird im Allgemeinen in eine Koaxialkopplung eingebaut, die zwei Anschlusssteckverbinder 30 umfasst, die dazu bestimmt sind, auf der Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3 eingefügt zu werden. Weitere Einzelheiten zu einer derartigen Koaxialkopplung sind der Patentanmeldung FR-A-3061813 zu entnehmen.
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Die Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3 kann zu einem Telekommunikationsnetzwerk gehören, das Ausrüstung enthält, die geschützt werden soll (nicht dargestellt), beispielsweise Funkkommunikationsausstattung in CDMA-, GSM/UMTS-, WiMAX- oder TETRA-Basisstationen.
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Einige Ereignisse können den Fluss hoher pulsierter Ströme auf der Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3 hervorrufen, die die Form abrupter Überspannungen und Überströme während eines kurzen Augenblicks annehmen. Nun können derartige Anstiege der Spannung und/oder der Intensität des elektrischen Stroms Übertragungsunterbrechungen, ja sogar Schäden an der Ausrüstung, die mit der Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3 verbunden ist, verursachen.
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Um die vorübergehenden Überspannungen und Überströme zu begrenzen, leitet die Schutzvorrichtung 1 die gepulste Stromentladung, die in der Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3 induziert wird, über die umfängliche Abschirmung zur Masse ab.
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Die Schutzvorrichtung 1 umfasst einen Signalleitungspfad, der elektrisch auf dem zentralen Kern der Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3 eingerichtet ist, und eine Abschirmung in elektrischem Kontakt mit der umfänglichen Abschirmung der Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3.
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Der Signalleitungspfad umfasst zwei Funkenstrecken 4, die in Reihe montiert sind, und eine Drosselspule 5, die einen Abschnitt des Signalleitungspfades, der zwischen den zwei Funkenstrecken 4 liegt, mit der Abschirmung verbindet.
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Unter normalen Betriebsbedingungen, d. h. bei Fehlen vorübergehender Überspannungen oder Überströme, werden die Hochfrequenzsignale ohne Integritätsverlust in der Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3 übertragen.
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Einerseits weisen die Funkenstrecken 4 sehr niedrige Kapazitätswerte derart auf, dass die Schutzvorrichtung 1 als ein Hochpassfilter fungiert, das die direkten Stromflüsse und die niedrigen Frequenzen blockiert, aber die Hochfrequenzsignale durchlässt. Bei der Dimensionierung, für den typischen Wellenwiderstand von 50 Ω, legen Funkenstrecken 4 Kapazitätswerte in der Größenordnung von 5,3 pF dar, und eine Drosselspule 5 legt Induktivitätswerte in der Größenordnung von 6,6 nH dar, was der Schutzvorrichtung 1 eine Grenzfrequenz in der Größenordnung von 600 MHz erlaubt.
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Als eine Variante, falls die Kapazitätswerte der Funkenstrecken 4 zu niedrig sind, um mit dem Betriebsfrequenzband des Hochfrequenz-Signalübertragungssystems kompatibel zu sein, können kapazitive Elemente 6 mit der Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3, wie in 2 dargestellt, montiert werden. Bei der Dimensionierung für den typischen Wellenwiderstand von 50 Ω, ein Paar von Funkenstrecken 4, das Kapazitätswerte in der Größenordnung von 0,7 pF darlegt, und ein Paar kapazitiver Elemente 6, die Kapazitätswerte in der Größenordnung von 63 pF darlegen, und eine Drosselspule 5, die Induktivitätswerte in der Größenordnung von 79,6 nH darlegt, erlaubt die Schutzvorrichtung 1 eine Grenzfrequenz in der Größenordnung von 50 MHz.
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Andererseits ist die Drosselspule 5 dazu konfiguriert, eine sehr hohe Impedanz gegenüber den Hochfrequenzsignalen darzulegen, insbesondere in dem Betriebsfrequenzband des Übertragungssystems derart, dass die Schutzvorrichtung 1 den zentralen Kern der Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3 von der umfänglichen Abschirmung, die als ein Erdpotenzial dient, isoliert.
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Umgekehrt, bei vorübergehenden Überspannungen oder Überströmen, die in dem zentralen Kern der Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3 induziert werden, beispielsweise unter der Einwirkung eines Blitzeinschlags, wird der erzeugte gepulste Strom zu der umfänglichen Abschirmung, die als ein Erdpotenzial dient, abgeleitet, was es ermöglicht, die Ausrüstung, die mit der Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3 verbunden ist, zu schützen.
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Wenn beispielsweise ein Blitzeinschlag die Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3 trifft, breitet sich ein starker gepulster Strom, der von einem direkten Stromfluss und niederfrequenten elektromagnetischen Wellen gekennzeichnet ist, entlang der Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3 aus, um den Signalleitungspfad der Schutzvorrichtung 1 zu erreichen. Eine der zwei Funkenstrecken 4 unterliegt dabei einer vorübergehenden Überspannung, deren Wert einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, der einer Überschlagsspannung der Funkenstrecke 4 entspricht. Vorteilhafterweise wird die Überschlagsspannung dazu ausgewählt, etwas größer zu sein als die Nennbetriebsspannung der Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3. Die Funkenstrecke 4 schlägt dann plötzlich über und wird mit einem sehr niedrigen Widerstand derart leitend, dass sie sich wie ein geschlossener Schalter verhält. Stromabwärts der Funkenstrecke 4, bewirkt die Drosselspule 5, die bei Gleichstrom eine Impedanz gleich Null und eine sehr niedrige Impedanz bei niedrigen Frequenzen aufweist, einen Kurzschluss, der den gepulsten Strom, der von dem Blitzeinschlag erzeugt wird, an die Abschirmung ableitet.
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Unter Bezugnahme auf 3, nimmt die Schutzvorrichtung 1 die Form eines rechteckigen Körpers 7 an, der beispielsweise aus Messing hergestellt ist, der sich entlang der X-Achse zwischen den zwei Enden 8 erstreckt. Der Körper 7 bildet die Abschirmung der Schutzvorrichtungen 1. An jedem Ende 8 umfasst die Schutzvorrichtung 1 einen Anschlusssteckverbinder 30, um die Schutzvorrichtung 1 an die Koaxialkabel-Übertragungsleitung 3 zu koppeln. Die Anschlusssteckverbinder 30 weisen eine im Allgemeinen zylindrische Form um die Längsachse X auf. Jeder Anschlusssteckverbinder 30 umfasst einen umfänglichen leitenden Abschnitt 30a, der dazu bestimmt ist, mit der umfänglichen Abschirmung des Koaxialkabels 3 verbunden zu sein, und einen zentralen leitenden Abschnitt 30b, der dazu bestimmt ist, mit dem zentralen Kern des Koaxialkabels 3 verbunden zu sein. Der Körper 7, der die Abschirmung der Schutzvorrichtung 1 bildet, steht mit dem umfänglichen leitenden Abschnitt 30a jedes der Anschlusssteckverbinder 30 in elektrischem Kontakt.
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Unter Bezugnahme auf die 4 und 5, ist der Körper 7 der Schutzvorrichtung 1 hohl und bildet ein zylindrisches Innengehäuse 10 für zwei Paare von Elektroden 11a, 11b, zwei Funkenstrecken 4 und eine Drosselspule 5. Die Paare von Elektroden 11 a, 11b, die Funkenstrecken 4, die Drosselspule 5 und die Anschlusssteckverbinder 30 sind koaxial.
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Jede Elektrode eines Paares von Elektroden 11a, 11b umfasst einen Körper mit Rotationssymmetrie mit aufgeweiteter Form zwischen zwei entgegengesetzten Enden. Ein Ende des Körpers der Elektrode weist eine zweite Elektrodenoberfläche auf, die eine Sacklochbohrung 12a, 12b mit einem flachen Grund umfasst. Der flache Grund bildet die erste Elektrodenoberfläche. In dem Innengehäuse 10 sind die erste und die zweite Elektrode eines Paares von Elektroden 11 a, 11b derart eingerichtet, dass sie die erste und die zweite Elektrodenoberfläche der ersten Elektrode 11 a jeweils der ersten und der zweiten Elektrodenoberfläche der zweiten Elektrode 11b zugewandt positionieren. Das Aufeinandertreffen der Bohrungen 12a, 12b der ersten und der zweiten Elektrode 11a, 11b bildet einen Innenraum, der dazu bemessen ist, eine Funkenstrecke 4 aufzunehmen. Jedes Paar von Elektroden 11 a, 11b fasst daher eine Funkenstrecke 4 in elektrischem Kontakt mit der ersten Elektrodenoberfläche an dem Grund der Bohrungen 12a, 12b.
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Ein flacher Dichtring 13, der aus Polytetrafluorethylen hergestellt ist, ist zwischen den einander zugewandten Elektrodenoberflächen der ersten und der zweiten Elektrode 11a, 11b eingesetzt. Jede Elektrodenoberfläche bildet die leitende Platte eines Kondensators, der baulich parallel zu der Funkenstrecke 4 montiert ist, die in den Paaren von Elektroden 11a, 11b gefasst ist. Als eine Variante können andere Materialien als Polytetrafluorethylen verwendet werden, um die leitenden Platten zu trennen.
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Jedes Paar von Elektroden 11a, 11b ist in einem jeweiligen Teil des Innengehäuses 10, das die Hälfte des Innengehäuses 10 darstellt, untergebracht. Für jedes Paar von Elektroden 11 a, 11b, steht das Ende ohne die Bohrung 12a der ersten Elektrode 11 a in elektrischem Kontakt mit dem zentralen leitenden Abschnitt 30b eines Anschlusssteckverbinders 30, und das Ende ohne eine Bohrung 12b der zweiten Elektrode 11b steht in elektrischem Kontakt mit der Drosselspule 5. Die Einzelheiten der Anschlusssteckverbinder 30 sind in 5 nicht dargestellt.
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Die Drosselspule 5 umfasst eine kreisförmige flache Spiralspule 14, die ein zentrales Teil 14a und ein umfängliches Teil 14b aufweist, oder besteht daraus. Als eine Variante kann die Spiralspule 14 eine vieleckige Form (z. B. quadratische, sechseckige, achteckige Form usw.) oder jede andere Form aufweisen. Die Spiralspule 14 ist in der Mitte des Innengehäuses 10 in der Ebene an rechten Winkeln zu der Längsachse X positioniert. Der zentrale Teil steht mit der zweiten Elektrode jedes Paares von Elektroden (wie oben angegeben) in elektrischem Kontakt, während das umfängliche Teil mit dem Körper 7 der Schutzvorrichtung 1 in elektrischem Kontakt steht. Die Spiralspule 14 ist daher zwischen den zwei Funkenstrecken 4 montiert und über den Körper 7, der die Abschirmung der Schutzvorrichtung 1 bildet, mit der umfänglichen Abschirmung des Koaxialkabels 3 verbunden.
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Der zentrale leitende Abschnitt 30b der Anschlusssteckverbinder 30, die Paare von Elektroden 11 a, 11b und der zentrale Abschnitt 14a der Spiralspule 14 bilden somit den Signalleitungspfad der Schutzvorrichtung 1.
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Um die Erscheinung passiver Intermodulation der Schutzvorrichtung 1 zu begrenzen, wird die Spiralspule 14 vorteilhafterweise aus einem nicht magnetischen Metall oder aus einer Legierung aus nicht magnetischen Metallen hergestellt, bevorzugt aus einer Legierung aus Kupfer und aus Beryllium. Die ferromagnetischen Metalle, wie Eisen oder Nickel, die im Allgemeinen in den bekannten koaxialen Funkenstrecken-Überspannungsableitern verwendet werden, legen nämlich nichtlineare Merkmale dar, die Verzerrungen durch Intermodulation der Hochfrequenzsignale erzeugen.
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Unter Bezugnahme auf die 6 und 7, umfasst die Funkenstrecke 4 einen Isoliermantel 15 mit hohler zylindrischer Form, der sich zwischen zwei Enden entlang der X-Längsachse erstreckt. Der Isoliermantel 15 grenzt einen Innenraum der Funkenstrecke ab, der an zwei Öffnungen mündet, die jeweils an den zwei entgegengesetzten Enden des Innenraums der Funkenstrecke 4 liegen. Vorteilhafterweise wird der Isoliermantel 15 aus Keramik hergestellt.
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Die Funkenstrecke 4 umfasst auch zwei Funkenstreckenelektroden 16. Vorteilhafterweise werden die Funkenstreckenelektroden aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung hergestellt. Jede Funkenstreckenelektrode 16 umfasst ein Innenteil 16a, das in dem Innenraum des Isoliermantels untergebracht ist, und ein Außenteil 16b, das aus dem Isoliermantel vorragt. Wie in 5 veranschaulicht, steht das Außenteil 16b mit dem flachen Grund der Bohrung 12a, 12b einer Elektrode 11a, 11 b der Schutzvorrichtung 1 in elektrischem Kontakt. Das Innenteil 16a weist eine flache Endoberfläche 17 auf.
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Der Innenraum der Funkenstrecke 4, die Endoberflächen 17 der zwei Funkenstreckenelektroden 16 sind einander zugewandt derart positioniert, dass sie dazwischen einen Luftspalt 18 abgrenzen. Der Abstand, der die Endoberflächen 17 der Funkenstreckenelektroden 16 trennt, ermöglicht es, die Überschlagsspannung zu definieren. Wenn die Spannung an der Funkenstreckenelektrode 16 die Überschlagsspannung erreicht, tritt ein elektrischer Strom zwischen den Funkenstreckenelektroden 16, der einen Lichtbogen bildet, auf. Die Funkenstrecke 4 wird mit einem sehr niedrigen Widerstand leitend, der das Durchgehen des gepulsten Stroms erlaubt, der dann von der Spiralspule 14 zu der Abschirmung der Schutzvorrichtung 1 geleitet wird.
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Um die Haltezeit zu begrenzen oder den Lichtbogen zwischen den Funkenstreckenelektroden 16 zu stoppen, ist ein Inertgas in dem Isoliermantel 15, der den Luftspalt 18 beinhaltet, gefangen. Ein derartiges Inertgas ist beispielsweise Argon, Neon, Wasserstoff, Stickstoff, ein seltenes Gas oder ein Gemisch dieser Gase. Dieses Inertgas wird an niedrigem Druck in der Funkenstrecke 4 gehalten, beispielsweise an einem Druck von 50 mbar. Dieser niedrige Druck beeinflusst den Wert der Überschlagspannung der Funkenstrecke 4. Dieses Gas kann in der Funkenstrecke 4 an unterschiedlichen Drücken gefangen sein, die von der Überschlagsspannung, die für die Funkenstrecke 4 gewünscht wird, abhängt.
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Um sicherzustellen, dass das Inertgas in der Funkenstrecke 4 gefangen ist, ist der Innenraum abgedichtet. Wie in 6 veranschaulicht, kann die Dichtigkeit des Innenraums durch hermetisches Abdichten durch einen schnellen Wärmezyklus, des Außenteils 16b der Funkenstreckenelektrode 16 an einem offenen Ende des Isoliermantels 15 hergestellt werden. Vorteilhafterweise kann die Dichtigkeit für eine Funkenstreckenelektrode 16, die aus Kupfer hergestellt ist, und einen Isoliermantel 15, der aus Keramik hergestellt ist, von einem Wärmezyklus von 30 Min. mit einer Höchsttemperatur von 1120 K hergestellt werden.
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Wie in 7 veranschaulicht, kann als eine Variante eine Metallschicht 19 verwendet werden, um die Enden des Isoliermantels 15 abzudecken. Die Dichtigkeit zwischen der Schicht 19 und dem Außenteil 16b der Funkenstreckenelektrode 16 und zwischen der Schicht 19 und dem Ende des Isoliermantels 15 wird beispielsweise durch Hartlöten hergestellt. Wenn der Isoliermantel 15 aus Keramik hergestellt ist, wird die Schicht 19 vorteilhafterweise aus einer Eisen- und Nickellegierung hergestellt, die einen Dehnungskoeffizienten sehr nahe an dem Dehnungskoeffizienten von Keramik darlegt. Somit dehnen sich die Schicht 19 und der Isoliermantel 15 ähnlich und ziehen sich ähnlich zusammen, so dass die Kräfte, die sie aufeinander beim Zusammenziehen oder Dehnen ausüben, nicht Gefahr laufen, den Isoliermantel 15 zu beschädigen.
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Beispiel
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Ein Beispiel der Schutzvorrichtung 1, wie sie unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 beschrieben ist, wurde mit der folgenden Bemessung implementiert:
- - charakteristische Impedanz in der Größenordnung von 50 Ω;
- - zwei Funkenstrecken 4, die jeweils eine Kapazität in der Größenordnung von 0,7 pF aufweisen;
- - zwei kapazitive Elemente 6, die jeweils eine Kapazität in der Größenordnung von 30,5 pF aufweisen;
- - eine Drosselspule 5, die einen Induktivitätswert in der Größenordnung von 28,5 nH aufweist.
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Die Fehlerdämpfung, abgekürzt RL, die in dB gemessen wird, quantifiziert den Leistungsverlust des Signals, das von einer Unterbrechung in einer Übertragungsleitung reflektiert wird. Je größer für eine gegebene Frequenz die Fehlerdämpfung ist, desto höher sind die Leistungsniveaus der Übertragungsleitung. Insbesondere für eine Schutzvorrichtung, die die vorübergehenden Überspannungen und Überströme in einer Koaxialkabel-Hochfrequenz-Signalübertragungsleitung begrenzen soll, sind Verluste von 20 dB oder mehr in dem Übertragungsfrequenzband wünschenswert.
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In 8 stellt der Graph 20 die Fehlerdämpfung (dB) als eine Funktion der Frequenz (MHz) dar. Die Schutzvorrichtung gemäß dem Beispiel legt eine Fehlerdämpfung dar, die zwischen 20 dB und 50 dB in einem Übertragungsfrequenzband zwischen 0,4 GHz und 2,7 GHz variiert.
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Die Einfügungsdämpfung, abgekürzt IL, gemessen in Dezibel, quantifiziert den Leistungsverlust des Eingangssignals in Bezug auf das Ausgangssignal, der sich aus der Einfügung einer Vorrichtung in einer Übertragungsleitung ergibt. Je niedriger für eine gegebene Frequenz die Einfügungsdämpfung ist, desto höher sind die Leistungsniveaus der Übertragungsleitung. Insbesondere für eine Schutzvorrichtung, die die vorübergehenden Überspannungen und Überströme in einer Koaxialkabel-Hochfrequenz-Signalübertragungsleitung 3 begrenzen soll, sind Verluste von 0,1 dB oder weniger in dem Übertragungsfrequenzband wünschenswert.
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In 9 stellt der Graph 21 eine Variation der Einfügungsdämpfung (dB) als eine Funktion der Frequenz (MHz) dar. Die Schutzvorrichtung gemäß dem Beispiel legt eine Einfügungsdämpfung dar, die zwischen 0 dB und 0,05 dB in einem Übertragungsfrequenzband zwischen 0,4 GHz und 2,7 GHz variiert.
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Obwohl die Erfindung in Bezug auf mehrere besondere Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es völlig klar, dass sie in keiner Weise darauf beschränkt ist, und dass sie alle technischen Äquivalente der beschriebenen Mittel und Kombinationen davon, sofern sie in den Kontext der Erfindung fallen, einschließt.
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Die Verwendung des Verbs „umfassen“ oder „beinhalten“ und seiner konjugierten Formen schließt das Vorhandensein anderer Elemente oder Schritte als der in einem Anspruch erwähnten nicht aus.
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In den Ansprüchen sollte ein Bezugssymbol in Klammern nicht als eine Einschränkung des Anspruchs ausgelegt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018127650 [0005]
- WO 2011150087 [0007]
