DE10241431B4

DE10241431B4 - Überspannungsschutzsystem für eine koaxiale Übertragungsleitung

Info

Publication number: DE10241431B4
Application number: DE10241431A
Authority: DE
Inventors: Takashi Shikano; Kiyotaka Ando; Chikashi Okabayashi
Original assignee: NTT Docomo Inc; Sankosha Corp; Sankosha Co Ltd
Current assignee: NTT Docomo Inc; Sankosha Corp
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2022-09-07
Also published as: JP3619796B2; HK1054626A1; US20030043524A1; US6791813B2; CN1407680A; CN1286238C; JP2003087036A; DE10241431A1

Abstract

Überspannungsschutzsystem für eine koaxiale Übertragungsleitung, das aus einem Außenleiter (2) und einem Innenleiter (1) besteht, der ein zylindrisches erstes Innenleiterteilstück (1a) und ein hohles, zylindrisches zweites Innenleiterteilstück (1b) aufweist, die ineinandergreifen und dazwischen einen Innenisolator (3) aufnehmen, um einen offenen &lner bestimmten Wellenlänge durchlässt und Signale mit Blitzfrequenzkomponenten sperrt, wobei der Außenleiter ein hohlzylindrisches erstes Außenleiterteilstück (2a) und ein hohlzylindrisches zweites Außenleiterteilstück (2c) aufweist, die ineinandergreifen und dazwischen einen hohlzylindrischen Außenisolator (4) aufnehmen, um den offenen λ/4-Wellenkreis zu bilden, und wobei ein parallel geschalteter λ/4-Kurzschlusswellenkreis aus einem dritten Innenleiterteilstück (1c) des Innenleiters und einem dritten Außenleiterteilstück (2e) des Außenleiters, zwischen denen ein Isolator (6) angeordnet ist, gebildet wird, der die Signale mit der bestimmten Wellenlänge nicht nach Erde ableitet, und Signale mit den Blitzfrequenzkomponenten erdet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung für eine Koaxialübertragungsleitung 1.
Eine derartige Schutzvorrichtung ist aus EP 0 938 166 A1 bekannt.
Wenn bei einer solchen Schutzvorrichtung eine Überspannung auf den Innenleiter oder dem Außenleiter an dem Ende auftritt, an dem kein zu schützendes Gerät angeschlossen ist, kann zwar der größte Teil dieser Überspannung durch den parallel geschalteten λ/4-Kurzschlusskreis nach Erde abgeleitet werden, jedoch kann ein Teil der Überspannung zu dem angeschlossenen Gerät gelangen.
Aus EP 0 978 894 A2 ist eine Schutzvorrichtung bekannt, in deren Innenleiter ein transformierendes koaxiales Leitungsstück mit einer Länge < λ/4 eingesetzt ist, durch das sich das Übertragungsverhalten der Schutzvorrichtung hinsichtlich der Bandbreite verbessern lässt, nicht jedoch das Verhalten bei auftretenden Überspannungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Schutzverhalten der Überspannungsschutzvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass auch Überspannungsanteile, die durch den parallel geschalteten λ/4-Kurzschlusskreis nicht abgeleitet werden, das angeschlossene Gerät nicht erreichen können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Überspannungsschutzsystem für eine koaxiale Übertragungsleitung gemäß Anspruch 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die axiale Teilung des Innen- und des Außenleiters der Koaxialübertragungsleitung ermöglicht es zwischen den so gebildeten zylindrischen Teilstücken des Innen- und Außenleiters zylindrische Isolatoren anzuordnen, deren Länge λ/4 des Nutzsignals beträgt. Dadurch werden offene λ/4-Kreise gebildet, die eventuell am Innen- oder Außenleiter noch auftretende Überspannungen sperren und so das angeschlossene Gerät schützen.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer in 1 im Vertikalschnitt dargestellten Ausführungsform beispielsweise beschrieben.
1 ist ein Innenleiter einer Koaxialübertragungsleitung, der aus einem ersten zylindrischen Innenleiterteilstück 1a, einem zweiten Innenleiterteilstück 1b, das konzentrisch zum ersten Innenleiterteilstück 1a angeordnet ist und einen zylindrischen Abschnitt 1b1 hat, und einem dritten Innenleiterteilstück 1c, das in eine Durchgangsbohrung 1b2 im zweiten Innenleiterteilstück 1b geschraubt ist, besteht, wobei sich das dritte Innenleiterteilstück 1c senkrecht zum ersten Innenleiterteilstück 1a und zum zweiten Innenleiterteilstück 1b erstreckt.
2 ist der Außenleiter der Übertragungsleitung. Der Außenleiter 2 hat ein erstes zylindrisches Außenleiterteilstück 2a, ein zweites zylindrisches Außenleiterteilstück 2b mit einem kleineren Durchmesser als das erste, ein drittes zylindrisches Außenleiterstück 2c und ein viertes zylindrisches Außenleiterteilstück 2d. Das erste Außenleiterteilstück 2a, das zweite Außenleiterteilstück 2b, das dritte Außenleiterteilstück 2c und das vierte Außenleiterteilstück 2d sind konzentrisch angeordnet.
Außerdem hat der Außenleiter 2 ein fünftes Außenleiterteilstück 2e, das in eine Durchgangsbohrung 2c1 in der Umfangswand des dritten Außenleiterteilstücks 2c geschraubt ist, wobei das fünfte Außenleiterteilstück 2e rechtwinklig zum ersten, zweiten, dritten, vierten verläuft.
Außerdem ist das dritte Außenleiterteilstück 2c mit dem vierten Außenleiterteilstück 2d durch einen Gewindeabschnitt s1 verbunden, und das zweite Außenleiterteilstück 2b ist mit dem dritten Außenleiterteilstück 2c durch einen Gewindeabschnitt s2 verbunden.
3 ist ein Innenisolator, der einen Zylinder 3b mit einer Seitenwand 3a an einem Ende und am anderen Ende einem äußeren Flansch 3d, der an einer Öffnung 3c im Zylinder 3b gebildet ist, hat.
Das erste zylindrische Innenleiterteilstück 1a des Innenleiters 1 ist in den Zylinder 3b des Innenisolators 3 eingesetzt, so daß eine Endfläche des ersten Innenleiterteilstücks 1a an der Seitenwand 3a des Innenisolators 3 anliegt. Außerdem ist der Zylinder 3b des Innenisolators 3 in den zylindrischen Abschnitt 1b1 des zweiten Innenleiterteilstücks 1b eingesetzt.
4 ist ein Außenisolator, der einen Zylinder 4b an seinem einen Ende und einen inneren Flansch 4a mit einer Durchgangsöffnung 4a1, sowie einen Abschnitt 4d mit größerem Durchmesser nahe einer Öffnung 4c am anderen Ende des Zylinders 4b hat, wobei der Abschnitt 4d einen größeren Außendurchmesser als der Zylinder 4b hat.
Das erste zylindrische Außenleiterteilstück 2a und der Außenisolator 4 sind durch einen Gewindeabschnitt s3 am ersten Außenleiterteilstück 2a und am Außenisolator 4 verbunden. Außerdem ist das zweite zylindrische Außenleiterteilstück 2b in den Zylinder 4b des Außenisolators 4 eingesetzt.
Der Abschnitt 4d mit größerem Durchmesser des Außenisolators 4 erstreckt sich über die äußere Umfangsfläche des ersten Außenleiterteilstücks 2a. Der Flansch 3d des Innenisolators 3 ist in die Durchgangsbohrung 4a1 des Flansches 4a des Außenisolators 4 eingesetzt.
5a ist ein Isolierring, der zwischen dem ersten Innenleiterteilstück 1a und dem ersten Außenleiterteilstück 2a angeordnet ist. 5b und 5c sind Isolierringe, die zwischen dem zweiten Innenleiterteilstück 1b und dem dritten Außenleiterteilstück 2c angeordnet sind.
Ein Isolator 5 ist zwischen dem Innenleiterteilstück 1c und dem fünften Außenleiterteilstück 2e angeordnet. Ein oberer Endabschnitt 1c1 des dritten Innenleiterteilstücks 1c ist in eine Durchgangsbohrung eingesetzt, die in einen oberen Abschnitt 2e1 gebohrt ist, der nahe einer oberen Öffnung im fünften Außenleiterteilstück 2e ausgebildet ist.
Außerdem ist eine Mutter 7 auf einen Gewindeabschnitt am oberen Ende 1c1 des dritten Innenleiterteilstücks 1c geschraubt. Das dritte Innenleiterteilstück 1c, und das fünfte Außenleiterteilstück 2e, sind somit verbunden und bilden einen Erdungsabschnitt 8. 9 ist ein Deckel, der die obere Öffnung im fünften Innenleiterteilstück 2e abdeckt.
Wie oben beschrieben, hat der zentrale Innenleiter 1 das dritte Innenleiterteilstück 1c, das den Innenleiter 1 erdet. Außerdem zweigt das fünfte Außenleiterteilstück 2e, das den dritten Innenleiter 1c umgibt, vom dritten Außenleiterteilstück 2c ab. Weiterhin sind das dritte Innenleiterteilstück 1c und das fünfte Außenleiterteilstück 2e über den Erdungsabschnitt 8 verbunden.
10, 11 sind Verbindungsteile, die den Innenleiter 1 und den Außenleiter 2 mit anderen Außenleitern verbinden. Die Verbindungsteile 10, 11 werden mit anderen Außenleitern durch Montageflansche 12 verbunden. 13 ist ein Hohlraum zwischen dem zweiten Außenleiterteilstück 2b und dem zweiten Innenleiterteilstück 1b.
Die Länge des Innenisolators 3 und die Länge des Außenisolators 4 sind jeweils auf 1/4 der Nutzwellenlänge eingestellt, so dass ein offener λ/4-Kreis für die Nutzwellenlänge λ gebildet wird. Die Länge La des Isolators wird wie folgt bestimmt:
Die Eingangsimpedanz Zin des offenen λ/4-Kreises ist gegeben durch: Zin = JZo × cot(2πLa/λ) wobei

λ: = Nutzwellenlänge,
La: = Länge des Isolators, und
Z0: = charakteristische Impedanz.

Es wird angenommen, daß La = λ/4 und Zo = 50 Ohm. Dann gilt Zin = 0 Ω auf der Grundlage der obigen Gleichung. Wenn daher die Länge La auf 1/4 der Nutzwellenlänge λ eingestellt ist, dann läßt der offene λ/4-Kreis ein Signal mit einer bestimmten Frequenz f ohne Verluste durchlaufen.
Wenn dagegen ein Signal mit der doppelten Frequenz, das von dem Signal mit der Nutzfrequenz f verschieden ist, in die Übertragungsleitung eindringt, dann ist die Wellenlänge dieses Signals λ/2 aufgrund der Frequenz 2f, und die Eingangsimpedanz Zin des offenen λ/4-Kreises: Zin = –JZo × cot((2π(λ/4)/(λ/2)) Zin = ∞ Ω
Daher hat der offene λ/4-Kreis eine hohe Impedanz, das heißt eine sehr ausgeprägte Isoliercharakteristik für Signale außer dem mit der Nutzfrequenz f, das heißt, für Signale, die zum Beispiel einer Blitzschlagüberspannung entsprechen. Der offene λ/4-Kreis verhindert daher den Durchgang von Signalen außer dem Signal mit der Nutzfrequenz f. Dies bedeutet, daß der Erdungsabschnitt 8 des offenen λ/4-Kreises die Blitzschlagüberspannung nach Erde ableitet.
Wenn z. B. ein Signal eine Frequenz f von 3 GHz hat, beträgt die Wellenlänge λ 10 cm wie in der folgenden Gleichung gezeigt ist. Der Isolator des offenen λ/4-Kreises ist dann 2,5 cm lang. λ = c/f = 3 × 10⁸/3 × 10⁹ = 0,1 m λ/4 = 0,1/4 = 0,025 m wobei

λ: = Nutzwellenlänge,
c: = Geschwindigkeit (= 3 × 10⁸), und
f: = Signalfrequenz

Dies bedeutet, daß ein Signal mit einer Übertragungsfrequenz von 3 GHz ohne Verluste durch den offenen λ/4-Kreis läuft.
Das dritte Außenleiterteilstück 2e, das dritte Innenleiterteilstück 1c und der Isolator 6 bilden einen zum offenen λ/4-Kreis parallel geschalteten λ/4-Kurzschlußkreis. Die Eingangsimpedanz Zin des λ/4-Kurzschlußkreises ist gegeben durch: Zin = + jZo × tan(2πLb/λ) wobei

λ: = Nutzwellenlänge
Lb: = Länge des Isolators 6, und
Zo: = charakteristische Impedanz.

Es wird angenommen, daß L = C/4 und Zo = 50 Ω. Dann gilt die folgende Gleichung: Zin = +Jzo × tan((2π(λ/4))/λ) = ∞ Ω
Wenn daher die Länge Lb des Isolators 6 1/4 der Nutzwellenlänge beträgt, hat der λ/4-Kurzschlußkreis für das Signal f eine Eingangsimpedanz entsprechend einem unendlichen Widerstand, so daß der Durchgang der Signalfrequenz f verhindert wird. Dagegen hat der λ/4-Kurzschlußkreis eine niedrige Impedanz für Signale der Blitzschlagüberspannung, die Frequenzen verschieden von der Signalfrequenz f haben. Daher laufen die Signale mit diesen Frequenzkomponenten vom Innenleiter 1 über den Erdungsabschnitt 8 nach Erde.
Der offene λ/4-Kreis hat eine Isolierstruktur, bei der die Übertragungsleitung gesperrt wird. Beim offenen λ/4-Kreis ändert sich die gegen Blitzschlagüberspannung zu schützende Isolierstrecke mit der Stromgröße, der Temperatur und der Feuchtigkeit. Es muß jedoch nur eine Impulsstehspannung von etwa 100 V angenommen werden, um einen dielektrischen Durchschlag zu vermeiden. Folglich muss nur eine räumliche Strecke von 0,5 mm sichergestellt werden, und eine Oberflächenstrecke von 1 mm muß nur für eine gedruckte Schaltungsplatte oder dergleichen sichergestellt werden.
Eine negative Blitzschlagüberspannung wird von Erde durch den Außenleiter und ein Anschlussgerät in den Innenleiter übertragen. Der offene λ/4-Kreis hat jedoch eine hohe Impedanz, so daß eine Blitzschlagüberspannung am Eindringen in das Anschlussgerät gehindert wird.
Bei Versuchen, bei denen die Vorrichtung mit einem Anschlussgerät verbunden war, wurde eine Spannung von 10 KV zwischen den Innenleiter und den Außenleiter unter Anwendung einer Impulswellenform vom 10/200 μs angewandt. Die Spannung am Anschlussgerät betrug dann 2,2 V maximal und etwa 1,6 V minimal. Außerdem betrug der Wert für die Reflektionscharakteristik (Spannungsstehwellenverhältnis) 1,1 oder weniger, und der Einfügungsverlust betrug 0,1 dB oder weniger, was für den praktischen Gebrauch ausreichend ist.

Claims

Überspannungsschutzsystem für eine koaxiale Übertragungsleitung, das aus einem Außenleiter (2) und einem Innenleiter (1) besteht, der ein zylindrisches erstes Innenleiterteilstück (1a) und ein hohles, zylindrisches zweites Innenleiterteilstück (1b) aufweist, die ineinandergreifen und dazwischen einen Innenisolator (3) aufnehmen, um einen offenen λ/4-Wellenkreis zu bilden, der Signale mit einer bestimmten Wellenlänge durchlässt und Signale mit Blitzfrequenzkomponenten sperrt, wobei der Außenleiter ein hohlzylindrisches erstes Außenleiterteilstück (2a) und ein hohlzylindrisches zweites Außenleiterteilstück (2c) aufweist, die ineinandergreifen und dazwischen einen hohlzylindrischen Außenisolator (4) aufnehmen, um den offenen λ/4-Wellenkreis zu bilden, und wobei ein parallel geschalteter λ/4-Kurzschlusswellenkreis aus einem dritten Innenleiterteilstück (1c) des Innenleiters und einem dritten Außenleiterteilstück (2e) des Außenleiters, zwischen denen ein Isolator (6) angeordnet ist, gebildet wird, der die Signale mit der bestimmten Wellenlänge nicht nach Erde ableitet, und Signale mit den Blitzfrequenzkomponenten erdet.
Überspannungsschutzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Innenleiterteilstück (1b) konzentrisch zum ersten Innenleiterteilstück (1a) angeordnet ist.
Überspannungsschutzsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Innenleiterteilstück (1c) in eine Durchgangsbohrung (1b2) im zweiten Innenleiterteilstück (1b) geschraubt ist, wobei sich das dritte Innenleiterteilstück (1c) senkrecht zum ersten Innenleiterteilstück (1a) und zum zweiten Innenleiterteilstück (1b) erstreckt.
Überspannungsschutzsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenleiter (2) weiter ein viertes Außenleiterteilstück (2b) und ein fünftes Außenleiterteilstück (2d) aufweist, wobei das erste Außenleiterteilstück (2a), das zweite Außenleiterteilstück (2c), das dritte Außenleiterteilstück (2e) und das vierte Außenleiterteilstück (2b) konzentrisch angeordnet sind.
Überspannungsschutzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Außenleiterteilstück (2e) in eine Durchgangsbohrung (2c1) in der Umfangswand des zweiten Außenleiterteilstücks (2c) geschraubt ist, wobei das dritte Außenleiterteilstück (2e) rechtwinklig zum ersten, zweiten, vierten und fünften Außenleiterteilstück verläuft.
Überspannungsschutzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenisolator (3) einen Zylinder (3b) mit einer Seitenwand (3a) an einem Ende und am anderen Ende einem äußeren Flansch (3d), der an einer Öffnung (3c) im Zylinder (3b) gebildet ist, aufweist, wobei das erste zylindrische Innenleiterteilstück (1a) des Innenleiters (1) in den Zylinder (3b) des Innenisolators (3) eingesetzt ist, so dass eine Endfläche des ersten Innenleiterteilstücks (1a) an der Seitenwand (3a) des Innenisolators (3) anliegt, und der Zylinder (3b) des Innenisolators (3) in den zylindrischen Abschnitt (1b1) des zweiten Innenleiterteilstücks (1b) eingesetzt ist.
Überspannungsschutzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenisolator (4) einen Zylinder (4b) an seinem einen Ende und einen inneren Flansch (4a) mit einer Durchgangsöffnung (4a1), sowie einen Abschnitt (4d) mit größerem Durchmesser nahe einer Öffnung (4c) am anderen Ende des Zylinders (4b) aufweist, wobei der Abschnitt (4d) einen größeren Außendurchmesser als der Zylinder (4b) hat, wobei das erste zylindrische Außenleiterteilstück (2a) und der Außenisolator (4) durch einen Gewindeabschnitt (s3) am ersten Außenleiterteilstück (2a) und am Außenisolator (4) verbunden sind.
Überspannungsschutzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Überspannungsschutzsystem einen Isolierring (5a), der zwischen dem ersten Innenleiterteilstück (1a) und dem ersten Außenleiterteilstück (2a) angeordnet ist, und Isolierringe (5b, 5c) aufweist, die zwischen dem zweiten Innenleiterteilstück (1b) und dem zweiten Außenleiterteilstück (2c) angeordnet sind.
Überspannungsschutzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (6) zwischen dem dritten Innenleiterteilstück (1c) und dem dritten Außenleiterteilstück (2e) angeordnet ist, wobei ein oberer Endabschnitt (1c1) des dritten Innenleiterteilstücks (1c) in eine Durchgangsbohrung eingesetzt ist, die in einen oberen Abschnitt (2e1) gebohrt ist, der bei einer oberen Öffnung im dritten Außenleiterteilstück (2e) ausgebildet ist.
Überspannungsschutzsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Überspannungsschutzsystem eine Mutter (7) aufweist, die auf einen Gewindeabschnitt am oberen Ende (1c1) des dritten Innenleiterteilstücks (1c) geschraubt ist, wobei das dritte Innenleiterteilstück (1c) und das dritte Außenleiterteilstück (2e) somit verbunden sind und einen Erdungsabschnitt (8) bilden.