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Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung
zum Schutz eines Hochfrequenzanschlusses z. B. eines
Verstärkers gegen Überspannung.
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Es ist bekannt, Hochfrequenzanschlüsse vor Überspannungen,
wie sie beispielsweise durch Blitzbeeinflussung auftreten
können, zu schützen, indem alle Ein- und Ausgänge eines
Verstärkers mit Schutzelementen versehen werden. Hierzu wird
in Meinke, Grundlach, "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik",
Springer-Verlag, 5. Auflage, ISBN 3-540-54717-7, 1992,
Seiten R6-R7, die Verwendung eines Grobschutzes in
Kombination mit einem Feinschutz vorgeschlagen. Als
Grobschutz dient dabei ein gasgefüllter
Überspannungsableiter, bei dem mittels einer gasgefüllten
Funkenstrecke die Überspannung abgebaut wird. Solche
Funkenstrecken werden beispielsweise bei einer größeren
Überspannung, wie sie durch einen Blitzeinschlag entsteht,
wirksam. Zum Schutz vor kleineren Überspannungen ist ferner
eine Anordnung von Zener- und Schaltdioden vorgeschlagen.
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Bei einer solchen Anordnung ist besonders nachteilig, daß
eine Abstimmung auf einen großen Frequenzbereich, in dem ein
solcher Verstärker arbeiten kann, zu Kompromissen in der
Beeinflussung des Verstärkers durch den Überspannungsschutz
zwingt. Ferner wird durch die vielen Einzelbauteile, die
erforderlich sind, um einen entsprechenden Schutz des
Verstärkers zu gewährleisten, die Anzahl möglicher
Fehlerquellen erhöht. Insbesondere sind hier die Lötpunkte
für die Zener- oder Schaltdioden zu nennen, die durch
parasitäre Effekte das Hochfrequenzverhalten des Verstärkers
beeinflussen. Die Anordnung von mehreren zusammenwirkenden
Bauelementen führt ferner dazu, daß der insgesamt
beanspruchte Bauraum erhöht wird. Dies gilt insbesondere,
sofern eine Anpassung zum Beispiel des Leiterplatten-Layouts
erforderlich wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Überspannungsschutzvorrichtung zu schaffen, die in einem weiten
Frequenzbereich wirksam ist und einen geringen Bauteile- und
Bauraumaufwand erfordert.
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Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße
Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Zum Schutz einer Schaltung, beispielsweise eines
Verstärkers, gegen Überspannungen beispielsweise durch
Blitzschlag, die Bauelemente des Verstärkers beschädigen
können, wird erfindungsgemäß eine Spule verwendet, welche
sich in Richtung eines Endes verjüngt. Durch das verjüngte
Ende der Spule wird erreicht, daß aufgrund der damit
verbundenen Reduzierung der parasitären Kapazität der Spule
die Resonanzfrequenz erhöht wird. Der Arbeitsbereich der so
erzeugten Überspannungsschutzvorrichtung wird damit zu
höheren Frequenzen hin vergrößert. Gleichzeitig wird durch
den sich in der anderen Richtung öffnenden oder zumindest in
der radialen Ausdehnung konstant bleibenden Teil der Spule
erreicht, daß auch für niedrige Frequenzen eine ausreichend
hohe Induktivität sichergestellt ist und dadurch der
Blindwiderstand der Spule deutlich oberhalb der Nennimpedanz
des Hochfrequenzanschlusses (in der Regel 50 Ω) liegt. Durch
die so erreichte hohe Induktivität der Spule kann die
Gesamtbaulänge der Spule gering gehalten werden, so daß ein
Einbau auch unter schwierigen räumlichen Umständen möglich
ist.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Überspannungsschutzvorrichtung möglich.
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Durch das zusätzliche Ausbilden eines zylindrischen
Spulenteils kann dabei die Gesamtbauhöhe der Spule gering
gehalten werden, so daß bei Anordnung auf einer Leiterplatte
die gesamte Schaltung in einem flachen Gehäuse
unterzubringen ist, was insbesondere bei Flugfunkanwendungen von
Bedeutung ist.
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Für einen Verstärker, der z. B. in einem Frequenzbereich von
30 MHz bis 400 MHz arbeitet, ist es vorteilhaft eine Spule
zu verwenden, die einen zylindrischen Teil sowie einen sich
daran anschließenden konischen Teil verwendet, wobei die
Längen des zylindrischen sowie des konischen Teils in etwa
gleich sind. Das durch den konischen Teil vorgegebene
Flächenverhältnis zwischen den Flächen, welche durch die
engste bzw. die weiteste Wicklung umgeben sind, liegt
zwischen 2 und 10, vorzugsweise zwischen 3 und 6, besonders
bevorzugt bei etwa 4,5.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, die
Überspannungsschutzvorrichtung so in dem die Schaltung umgebenden Gehäuse
anzuordnen, daß die Spulenachse möglichst symmetrisch
zwischen den zur Schirmung verwendeten, mit einem
Massepotential verbundenen Flächen liegt. Die so bewirkte
Reduzierung der parasitären Kapazitäten bewirkt ebenfalls
eine Erhöhung der Resonanzfrequenz der
Überspannungsschutzvorrichtung.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Überspannungsschutzvorrichtung ist in den Zeichnungen dargestellt und in
der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Spule mit
einem sich verjüngenden Teil;
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Fig. 2 eine Seitenansicht der Spule der erfindungsgemäßen
Überspannungsschutzvorrichtung;
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Fig. 3 eine stirnseitige Ansicht der Spule; und
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Fig. 4 einen Ausschnitt eines Verstärkers mit einer darin
angeordneten erfindungsgemäßen
Überspannungsschutzvorrichtung in perspektivischer Darstellung.
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In Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung einer Spule 1
der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung
dargestellt. Die Spule 1 ist bezüglich einer Spulenachse 2
symmetrisch gewickelt, wobei sich die Spule 1 in einem
vorderen Teilabschnitt in Richtung auf ein erstes Ende 3
verjüngt. An ihrem ersten Ende 3 weist die Spule 1 ein
erstes Anschlußstück 4 auf, an ihrem davon abgewandten Ende
ein zweites Anschlußstück 5.
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Als Ausgangsmaterial zum Wickeln der Spule 1 wird
beispielsweise Kupferlackdraht verwendet, der bei einem
Drahtdurchmesser von ca. 0,8 mm eine ausreichende Leitfähigkeit
aufweist, um auch bei einem Blitzeinschlag eine ausreichende
Stromführung zu gewährleisten.
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Im Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Wicklungen der
Spule 1, wie in Fig. 2 dargestellt, eng anliegend gewickelt.
Die Spule 1 weist einen zylindrischen Teil 7 sowie einen
sich daran anschließenden sich verjüngenden Teil 6 auf. Der
sich verjüngende Teil 6 ist dabei so gewickelt, daß seine
Einhüllende eine Mantelfläche eines Kegelstumpfes bildet.
Die Spule 1 weist an ihrem ersten Ende 3 einen ersten
Durchmesser D1 auf, an dem entgegengesetzten Ende einen
zweiten Durchmesser D2. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
liegt das Verhältnis der ersten Fläche A1 = RD1 2π, die durch
den ersten Durchmesser D1 definiert wird, und der zweiten
Fläche A2 = RD2 2π, die durch den Durchmesser D2 definiert
wird, bei etwa 4, 5.
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Die Länge l1 des sich verjüngenden Teils 6 ist im
Ausführungsbeispiel in etwa gleich groß wie die Länge l2 des
zylindrischen Teils 7, wobei sich die Längen l1 und l2
maximal um 1/3 der Gesamtlänge 1 unterscheiden können. Das
erste bzw. zweite Anschlußstück 4 bzw. 5 der Spule 1 ist so
an dem jeweiligen Spulenende herausgeführt, daß das erste
Anschlußstück 4 zu dem zweiten Anschlußstück 5 parallel
orientiert ist, jedoch in entgegengesetzter Richtung
bezüglich der Spulenachse 2 von der Spule 1 herausgeführt
ist. Dies ist in Fig. 3 noch einmal deutlich dargestellt.
Ferner ist zu erkennen, daß die Mittelachsen des ersten
Anschlußstücks 4 und des zweiten Anschlußstücks 5 einen
unterschiedlichen Abstand von einer Montageebene 10
aufweisen können, in der die Spulenachse 2 der Spule 1
liegt. Zwischen den Mittelachsen des ersten Anschlußstücks 4
und des zweiten Anschlußstücks 5 wird somit ein Versatz Δh
ausgebildet. Der Versatz Δh kann durch Variation der Länge
eines ersten Schenkels 8 oder eines zweiten Schenkels 9
angepaßt werden, so daß eine Anpassung an verschiedene
Einbausituationen beispielsweise in einem Verstärker möglich
ist. Bei einer gemeinsamen Änderung der Schenkellängen wird
dagegen die relative Lage der Montageebene 10 der Spule 1 in
einer Schaltung variiert, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 4
erläutert wird.
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Anstelle der in dem Ausführungsbeispiel dargestellten
Geometrie der Spule 1 mit einem sich verjüngenden Teil 6 und
einem zylindrischen Teil 7, wobei der sich verjüngende Teil
6 kegelförmig ausgebildet ist, ist es ebenso möglich, daß
sich an den sich verjüngenden Teil 6 ein weiterer
zylinderförmiger Teil anschließt oder mehrere sich
verjüngende Abschnitte mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln
aufeinanderfolgen. Ebenso ist es z. B. denkbar, den sich
verjüngenden Teil 6 so zu wickeln, daß die Einhüllende eine
gekrümmte Kontur aufweist. Der sich verjüngende Teil 6 kann
auch durch eine Abfolge von Teilabschnitten mit
abschnittsweise konstantem und sich von Stufe zu Stufe
verringerndem Durchmesser gebildet werden.
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Eine Möglichkeit die Resonanzfrequenz der Spule 1 zu
verändern, besteht darin, die Ganghöhe Hn über die Länge der
Spule 1 zu variieren und damit bei unverändertem
Längenverhältnis die Induktivität und die parasitäre
Kapazität für einzelne Abschnitte zu ändern. Durch die damit
bewirkte Reduzierung der parasitären Kapazitäten läßt sich
ebenfalls eine Erhöhung der Resonanzfrequenz bewirken.
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In Fig. 4 ist als zu schützende Schaltung ein Verstärker 20
als perspektivischer Ausschnitt dargestellt, in dem die
erfindungsgemäße Überspannungsschutzvorrichtung angeordnet
ist. Der Verstärker 20 weist ein Gehäuse auf, mit
Seitenwänden 21.1 und 21.3, sowie einem Gehäusedeckel 21.2,
wobei sämtliche Gehäusebauteile mit einem Massepotential
verbunden sind. Im Inneren des Gehäuses ist weiterhin eine
Trennwand 21.4 dargestellt, mit der das Innere des Gehäuses
in einzelne Kammern unterteilt wird. Die Trennwand 21.4 ist
ebenfalls mit dem Massepotential verbunden. Der Verstärker
20 weist einen in der Seitenwand 21.3 angeordneten
Hochfrequenzanschluß 22 auf, an dem beispielsweise eine
Antenne angeschlossen ist. Der koaxiale Hochfrequenzanschluß
22 besteht aus einer Schirmung 24, die ebenfalls,
vorzugsweise über die Seitenwand 21.3, mit dem
Massepotential verbunden ist. Die eigentliche Signalleitung
erfolgt über einen Kontakt 23, der in das Innere des
Gehäuses durchgeführt ist und dort als durchgeführter
Kontakt 23' bezeichnet ist.
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Die Spule 1 ist mit dem sich verjüngenden Teil 6, also dem
ersten Ende 3 der Spule 1, in Richtung des durchgeführten
Kontakts 23' orientiert. Das erste Anschlußstück 4 ist
mittels einer Lötverbindung 30 mit dem durchgeführten
Kontakt 23' leitend verbunden. Die Lötverbindung 30 ist
dabei so anzuordnen, daß die Länge des durchgeführten
Kontakts 23' möglichst klein ist. Über eine weitere
Lötverbindung 29 ist das zweite Anschlußstück 5 mit einem
Massepotential 28 verbunden. Anstelle der Lötverbidnungen 29
und 30 können auch andere geeignete Kontaktierungen
verwendet werden. Das Massepotential 28 kann beispielsweise
die metallische Rückseite einer Leiterplatte 25 sein, auf
der die Bauelemente der Verstärkerschaltung angeordnet sind.
Beispielhaft sind Bauelemente 26.1 und 26.2 im Teilaufriß
dargestellt. Auf der Leiterplatte 25 sind in an sich
bekannter Weise Hochfrequenzleiter 27 ausgebildet.
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Das Massepotential 28 bildet mit der Trennwand 21.4 sowie
den übrigen ebenfalls mit dem Massepotential 28 verbundenen
Bauteilen eine leitende Einheit. Bei dem dargestellten
quaderförmigen Aufbau des Gehäuses des Verstärkers 20 bilden
das Massepotential 28 sowie der Gehäusedeckel 21.2 damit
parallele Flächen aus, die beide auf Massepotential liegen.
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Mittels des zu Fig. 3 beschriebenen Versatzes Δh sowie der
Gesamtlänge des ersten Schenkels 8 und des zweiten Schenkels
9 wird die Montageebene 10 symmetrisch zwischen der Fläche
des Gehäusedeckels 21.2 und der Fläche des Massepotentials
28 angeordnet. Idealerweise ist dabei der Abstand der
Spulenachse 2 von der Seitenwand 21.3 etwa ebenso groß, wie
der Abstand der Montageebene 10 von dem Massepotential 28
bzw. dem Gehäusedeckel 21.2. Eine solchermaßen symmetrische
Anordnung führt wiederum zu einer Minimierung der
parasitären Kapazitäten, und damit letztlich zu einer
Maximierung der Resonanzfrequenz und damit des Frequenzbands
in dem die Schutzvorrichtung einsetzbar ist.
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Hat der dargestellte Hochfrequenzanschluß 22 eine
Nennimpedanz von 50 Ω, so sollte die Spule 1 bereits bei der
niedrigsten Betriebsfrequenz von z. B. 30 MHz des
Verstärkers 20 einen Blindwiderstand von z. B. 500 Ω
aufweisen. Bei einer gedanklichen Zerlegung der Spule 1 in
mehrere in axialer Richtung aufeinanderfolgender Abschnitte
wird dagegen bereits durch die ersten Wicklungen am ersten
Ende 3 der Spule 1 eine ausreichend hohe Induktivität
erreicht um für hohe Frequenzen einen Blindwiderstand von
500 Ω sicherzustellen. Da für die hohen Frequenzen nur das
sogenannte "heiße Ende" der Spule relevant ist, wird,
bedingt durch den kleinen Wicklungsdurchmesser in diesem
Bereich, eine ausreichend hohe Resonanzfrequenz von mehr als
400 MHz gewährleistet, die außerhalb der Nutzbandbreite
liegt.