DE3135515A1 - Verfahren und vorrichtung zum schutz eines elektronischen geraetes gegen zerstoerung durch starke elektromagnetische impulse - Google Patents

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EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

ZELLWEGER USTER AG CH-861O Uster SCHWEIZ

DEUTSCHE PATENTANWALTS

DR. GERHART MANITZ · DlPL-PHYS

MANFRED FINSTERWALD ■ DiPL -ING., dipl -wirtsch -ING

WERNER GRÄMKOW · DiPL -ing.

DR. HELIANE HEYN ■ dipl.-chem HANNS-JÖRG ROTERIMUND dipl.-phys

BRITISH CHARTERED PATENT AGENT JAMES G. MORGAN B SC (PHYS) D M s

ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE MANDATAIRES AGREES PRES L OFFICE EUROPEEN DES BREVETS

München, den 8.9.1981 S/Sv-Z 2112

Verfahren und Vorrichtung zum Schutz eines elektronischen Gerätes gegen Zerstörung durch starke elektromagnetische Impulse

MANlTZ-FMSTERWALD HEYN MORGAN-COOOMÜNCHEN22 HOBERiT-KOCH-STBASSEI TEL.(039)224211 TELEX03-29672PATMF

GFWMKOW · ROTERMUND 7000 STUTTGART 50 (SAD CANNSTATT) · SSELBERGSTR23/25 JEL-(0711)^7281 ZENTRALKASSE BAYER VOLKS3ANKEN ■ MÖNCHEN · KONTO-NUMMER 7270 POSTSCHECK: MONCHEM 770Θ2-Μ5

Verfahren und Vorrichtung zum Schutz eines elektronischen Gerätes gegen Zerstörung durch starke elektromagnetische Impulse . ·

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schutz eines elektronischen Gerätes gegen Zerstörung durch starke elektromagnetische Impulse, insbesondere solcher nuklearen Ursprungs. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens. Die Merkmale des Verfahrens und der Vorrichtung sind, in den Patentansprüchen .niedergelegt.

Zum Stand der Technik werden genannt:

.1. EMP Radiation and Protective Techniques, L.W. Ricketts, J.E. Bridges, J. Miletta John Wiley and Sons, New York 1976 ISBN 0-471-01 403-6, insbesondere Fig. 4.51, S. 205

2. US-Patent 4,021,759

3. DAS 2550915 . "

4. DOS 2753171' ■ ·

5. EM.P Electronic Design Handbook, Boeing, Seattle Washington

Schutzeinrichtungen mit einem Grobschutzmittel, wie Funkeristrecke oder Entladungsröhre, und über eine Sicherung und/oder eine Impedanz nachgeschaltetem Feinschutzmittel, wie Halbleiterelement und/oder Varistor sind bekannt. Es ist auch bekannt

3 80 01-

»β ο *

» «so t.

zwischen Grob- und Feinschutzmittel ein Verzögerungsglied anzuordnen .

Ijti folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung, beispielsweise erläutert. Dabei zeigt:

Pig. I einen typischen zeitlichen Verlauf der Feldstärke eines nuklearen elektromagnetischen Impulses;

Fig. 2 den Verlauf der Feldstärke in Funktion der Frequenz; Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels;

Fig. 4 einen beispielsweisen zeitlichen Spannungsverlauf am Ausgang eines Grobschutzmittels;

Fig. 5 einen beispielsweise zeitlichen Verlauf eines Stör- ' impulses am Ausgang eines frequenzselektiνen Verzögerungsgltedes;

Fig. 6 einen St.örimpuls gemäss Fig, 5₃ welcher durch ein.. Feinschutzmittel begrenzt ist;

Fig. 7 eine Struktur eines Tiefpassfilters; Fig. 8 eine Struktur eines Bandpassfilters; Fig. 9 eine Struktur eines Hochpassfilters;

Fig. 10 eine Struktur eines Filters für ein erstes Ausführungsbeispiel ;

Fig. 11 eine praktische Verwirklichung eines ersten Ausführungs b f > i > ρ i ο 11; ■ . · .

3 80 Ol

Fig. 12 eine Struktur eines Filters für ein zweites Ausführungsbeispiels;

Fig. 13 eine praktische Verwirklichung eines zweiten Ausfüh rungsbeispiels.

3 80

Starke elektromagnetische Impulse, insbesondere solche, welche anlässlich von Nuklearexplosionen im Raum entstehen, kön-' nen noch in einem beträchtlichen Abstand vom Ex.plosiönszentrum, beispielsweise noch in Hunderten von Kilometern, für elektronische Geräte zerstörend wirken. Seit diese Effekte bekannt sind, wurde auch eine Reihe von Massnahmen vorgeschlagen, um solche schädliche Einflüsse abzuwehren. Sehr ausgiebig sind di.ese Probleme in dem zitierten Buch: EMP Radiation and Protec- . tive Techniques, a Wi1ey-Intersience Publication, John Wiley and Sons, New York, 1976 behandelt.

Wenn auch beispielsweise durch fachgerechte, metallische Ab-. schirmung für viele Geräte bereits ein weitgehender Schutz möglich ist, so besteht für bestimmte Gattungen von elektronischen Geräten, insbesondere Nachrichtengeräte wie Sender und Empfänger, ein bisher nur unzureichend gelöstes'Problem. Sowohl, ein Sender als auch ein Empfänger, beispielsweise für den Kurzwellenbereich, ist betriebsmässig an eine Antenne oder Antennenanlage, beziehungsweise an eine Antennenzuleitung anges-.chlossen. Es ist offensichtlich, dass über diese im Aussenraum angeordnete Antenne, beziehungsweise Antennenanlage oder Antennenzuleitung von der .Antenne oder der Zuleitung aufgenommene Impulsenergie aus dem Aussenraum unmittelbaren das betreffende Gerät hineingeführt wird, so gut es im übrigen auch selbst abgeschirmt sein mag, Mindestens ein Teil der Impulsenergie .1iegt frequenzmässig im Arbeitsbereich des betreffenden Senders oder Empfängers und erreicht. dessen Schaltelemente Über die Üblichen", im

3 BO.01

Arbeitsbereich ja durchlässigen Eingangsfi1 tor dos Empfängers, beziehungsweise Ausgangsfilter des Senders.

Da der Zeitpunkt einer allfälligen Nuklearexplosion nicht voraussehbar ist, können solche Geräte auch nicht .durch vorsorgliches Abschalten von der Antenne geschützt werden. Sie müssen vielmehr in der Regel dauernd einsatzbereit sein. Während des Ablaufs einer Nuklearexplosion wird zwar keine Betriebsbereitschaft verlangt, da· während dieser Zeitspanne die 'Signal Übertragungsverhältnisse ohnehin gestört sind. Unmittelbar nach Abklingen der Nuklearexplosion sollten aber die betreffenden Gerä.te ihre normale Funktionstüchtigkeit und -bereitschaft aufweisen.

Aus diesem Grunde liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für elektronische Geräte, wie beispielsweise Sender oder Empfänger, ein Verfahren zum Schutz gegen starke elektromagnetische Impulse, insbesondere nuklearelektromagnetische Impul- ' se zu schaffen und ebenso eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.

Sowohl bei Empfängern, als auch bei Sendern, sind die Nutzsignalpegel um viele Grossenordnungen kleiner als die möglicherweise auftretenden Pegel der genannten nuklearen Störimpulse, Beispielsweise Werden Empfänger dimensioniert für Empfangsignale in der Grössenordnung von etwa einem Volt abwärts und militärische Kurzwellensender sind beispielsweise ausgelegt

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für eine Leistung bis zu einigen Kilowatt, sodass sich an üblichen Antennenimpedanzen Spannungspegel bis etwa 100 Vo'lt. ergeben. ■

Demgegenüber treten bei nuklearen elektromagnetischen Impulsen Feldstärken in der Grössenordnung von TOO Kilovolt pro Meter und induzierte Ströme von 250 Ampere pro Meter auf. Die hierdurch zu erwartenden Störpegel liegen daher um viele Gr.össenordnungen höher als die genannten Nutz- oder Signalpegel, für welche diese Geräte normalerweise dimensioniert sind. .

Eine Eigenart der nuklearen, elektromagnetischen Impulse liegt ferner in ihrer ausserordentlichen hohen Flankensteilheit.''So wird beispielsweise in einer Anstiegszeit von etwa 10 bis50 Nanosekunden der Maximalwert eines solchen Impulses erreicht. Die Abklingzeit des Impulses liegt dabei in einer Grössenordnung von etwa 1 Mikrosekunde.

Das Frequenzspektrum eines nuklearen elektromagnetischen Impulses erstreckt sich über einen Bereich von unter einem Megahertz bis über 100 Megahertz hin.aus, wobei in einem Bereich von etwa 100 Kilohertz bis 100 Megahertz der grösste Teil der Energie auftritt.

Betrachtet man nun beispielsweise als zu schützendes elektronisches Gerät einen militärischen Kurzwellensender oder Kurzweil enempfänger, so muss dieser beispielsweise für einen Frequenzbereich von 10 Megahertz bis 15 Megahertz ausgelegt sein.

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Man erkennt also, dass der Arbeitsbereich dieses Gerätes inmitten des Spektrums des nuklearen elektromagnetischen Impulses liegt, sodass trotz allfälliger ausreichender Abschirmmassnahmen beim Gerätegehäuse Über die Anschlussklemmen von der Sendeantenne, beziehungsweise Empfangsantenne die elektromagnetische Impulsenergie praktisch ungehindert in das Gerät eindringen kann, da ja der Durchlassbereich der eingangssei-· .· tigen Empfangsfilter, beziehungsweise der ausgangsseitigen ' Sendefilter · im Spektral bereich des elektromagnetischen Impulses liegen. Mindestens innerhalb des Arbeitsbereiches des zu schützenden Gerätes, im angenommenen Fall 10 bis 15 Megahertz, muss daher mit dem Eintritt zerstörend wirkender Störenergie gerechnet werden.

Zur wirksamen Begrenzung der Zufuhr allenfalls zerstörerisch wirkender Impulsenergie zu dem zu schützenden Gerät wird nun vorgeschlagen, mindestens zwei unterschiedliche Abwehrmassnahmen zu kombinieren. Als erste Massnahme wird die insgesamt ' von der Antenne, der Antennenanlage oder Antennenleitung aufgenommene Störimpulsenergie frequenzmässig in verschiedene Anteile aufgeteilt und dafür gesorgt, dass nur derjenige Störimpulsenergieanteil des breitbandigen Störimpulses, welcher im tatsächlichen Arbeitsbereich des zu· schützenden Gerätes, oder welche" sogar nur in einem Teilbereich dieses Arbeitsbereiches liegt, dem zu schützenden Gerät zugeführt wird, während ausserhalb des genannten Bereiches oder Teilbereiches liegendeStörenergieantei Ie reflektiert werden und zweitens durch

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eine zeitliche Verzögerung des dem Gerät zugeführten Impulsenergieanteils, um eine optimale Zündfolge oder Ansprechfqlge vom Grobüberspannungsschutz und Feinüberspannungsschutz sicherzustellen. '

Eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens weist daher in bekannter Weise mindestens ein Grobüberspannungsschutzmittel und·mindestens ein Feinüberspannungsschutzmittel auf, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass die_s die Störimpulsenergie führende Antenne, Antennenanordnung oder Antennenleitung zunächst an mindestens ein Grobschutzniittel , dann über mindestens ein frequenzselektives Verzögerungsglied und da-, nach an mindestens ein Feinüberspannungsschutzmittel und von da an die Anschlussklemmen des zu schützenden Gerätes, das heisst an den Eingang eines Empfängers, beziehungsweise an den Ausgang eines Senders geführt ist. " '

Die Fig. 1 zeigt einen typischen zeitlichen Verlauf der Feldstärke eines nuklearen elektromagnetischen Impulses. In einer sehr kurzen Anstiegzeit von 10 bis 50 Nanosekunden erreicht die Feldstärke ihr Maximum. Etwa innerhalb 1 Mikrosekunde klingt der nukleare elektromagnetische Impuls wieder ab.

Die Fig. 2 zeigt den Verlauf der Feldstärke F eine nuklearen elektromagnetischen Impulses in Funktion der Frequenz. Der Hauptenergieinhalt liegt etwa im Bereich von®,] bis 100 MHz. In Fig. 2 ist die Durchlasscharakteristik D eines frequeaz-

3' 80' Ol

"selektiven Verzögerungsgliedes V (In Fig. 2 nicht gezeichnet) mit einer strichpunktierten Linie eingezeichnet. Das Verzögerungsglied V hat dabei vorteilhaft eine Durchlasscharakteristik D, welche dem Arbeitsbereich B des zu schützenden GerateSjOder einem Teilbereich desselben, angepasst ist. Durch die Durchlasscharakteristik D dieses Verzögerungsgliedes V wird der Gesamtbereich in einen unteren Bereich A und in einen . · oberen Bereich C aufgeteilt, zwischen welchem der Arbeitsbereich B des zu schützenden Gerätes liegt.

Durch die Anordnung des frequenzselektiven Verzögerungsgliedes. V werden- nun die im unteren Frequenzbereich A und die im •oberen Frequenzbereich C liegenden Störimpulsenergieanteile reflektiert, sodass sie vom schützenden Gerät abgehalten werden und nur ein kleinerer Anteil , -näml ich derjenige, welche im Frequenzbereich-B liegt, wird durchgelassen.

Liegt der Arbeitsbereich B eines zu schützenden Gerätes am unteren Ende des Störspektrums, so kann das Verzögerungsglied ein Tiefpassfilter sein. Liegt der Arbeitsbereich hingegen am oberen Ende des Frequenzbereiches des Störspektrums", so kann' ein Hochpassfilter als Verzögerungsglied verwendet werden.

Im-all gemeinen wird es sich jedoch beim frequenzselektiven Verzögerungsglied um ein· Bandpassfilter handeln. Die untere Frequenzgrenze eines solchen Bandpassfilters wird dabei vorzugsweise " mit einem Toleranzfaktor von 1,5 gewählt, sodass

.3 80 01

O £>fi<>

-O 1 ^ Γ Γ Ί W I V V V I"

-W-

ο 4 OOSOO β

OO OH οΰ 00ο

die untere Frequenzgrenze f.. = ^—f— wird. Die obere Frequenzgrenze f_n wird dabei gleich 1,5 χ f„,„ gewählt, wobei

U UiQ. X

f . und f die Grenzfrequenzen des Arbeitsbereiches B des min max ^

zu schützenden Gerätes, beziehungsweise eines Teilbereiches dieses Arbeitsbereiches» sind.

Es ist auch vorteilhaft, ein beispielsweise bei einem Sender ohnehin notwendiges Oberwellenfilter als frequenzselektives . Verzögerungsglied V₅ kombiniert mit einem·Grobüberspannungsschutz und einem Feinüberspannungsschutz auszubilden. Eine wei tergehe.nde Begrenzung der dem zu schützenden Gerätes zugeführten Störimpulsenergie kann dadurch erreicht werden, dass der Arbeitsbereich B des zu schützenden Gerätes in Teilbereiche .B,, B„ etc. unterteilt wird und ebenso das Verzögerungsglied für diese einzelnen Tei1bereiche_; bei spielsweise umschaltbar aus gebil det wird.

Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels. Eine Antenne 1 ist an ein Grobschutzmittel 2 jbeispielsweis.e eine Funkenstrecke oder eine Gasentladungsröhre, angeschlossen. . Auf dieses Grobschutzmittel 2 folgt ein frequenzselektives Verzögerungsglied V-, beispielsweise ein Bandpassfilter, welches für den Arbeitsbereich des zu schützenden .Gerätes 4 ausgebildet ist. Auf dieses frequenzselektive Verzögerungsglied V folgt ein Feinschutzmittel 3, beispielsweise ein Haibleiterelement oder ein Varistor. Die ganze Schutzvorrichtung ist mit J5 bezeichnet. Auf das Feinschutzmittel 3 folgt dann das zu schüt-

3 80 Ol

* β*» β et φ «0

β oe «»» c «α*α · « «

zende elektronische Gerät 4, beispielsweise der Eingang eines Kurzwellenempfängers oder der Ausgang eines Kurzwellensenders.

Grobschutzmittel der genannten Art sind zwar in der Lage relativ gross.e Energien zu verarbeiten, sie sprechen in der Regel aber erst mit einer Verzögerung von etwa 10 Nanosekunden an. Zufolge der sehr hohen Flankensteilheit der nuklearen elektromagnetischen Impulse, siehe Fig; 1, hat der Störimpuls während der Ansprechzeit bereits einen sehr hohen. Wert U, erreicht, sodass sich ein relativ hoher, spitzer Impuls I, im wesentlichen nach der Ansprechzeit T ergibt. Nach Ansprechen

des Grobschutzmittels 2 bricht die Spannung an diesem auf eine Rest- oder Brennspannung U_? zusammen, welche vom Ansprechzeitpunkt t, bis zur Abklingzeit t„ andauert. Die Fig·. 4 zeigt einen beispielsweisen Spannungsverlauf am Ausgang eines Grobschutzmittels2.

Feinschutzmittel, wie beispielsweise Halbleiterelemente und Varistoren und ähnliche Schutzelemente haben .gegenüber den genannten Grobschutzmitteln den Vorteil, dasssie sofort, das heisst ohne Verzögerungszeit wirksam sind. Sie sind jedoch in ■ der Regel nicht geeignet sehr hohe Energien zu verarbeiten. Sie sind aber befähigt, die Begrenzung von Störimpulsen auf einem wesentlich tieferen Niveau zu erreichen, als dies mit Grobschutzmitteln in der Regel der Fall ist. Sie können daher empfindlicheelektronische Geräte wirksamer schützen als Grobschutzmittel allein. Es ist daher angebracht und üblich, eine Kaskadenschal-

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Öl) 0Π OQ * <■ C* O P

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»β O* Od O

-Vftung mindestens eines Grobschutzmitte-1 s und mindestens eines Feinschutzmittels anzuwenden. Zwischen beiden Schutzmitteln kann ein Widerstand oder beispielsweise eine Induktivität vorgesehen sein.

Würde man nun ein Feinschutzmittel unmittelbar parallel oder über einen Widerstand zum Grobschutzmittel schalten, so würde durch die schnellere, beziehungsweise verzögerungsfreie Arbeitsweise des Feinschutzmittels das rechtzeitige Ansprechen des Grobschutzmittels verhindert, so dass die gesamte Störenergie dem dafür nicht geeigneten Feinschutzmittel zugeführt würde. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, zwischen Grobschutz-· mittel 2 und Feinschutzmittel 3 ein Verzögerungsglied V ein- . zuschalten, um einen optimalen zeit! ichen' Ablauf der Zündung., beziehungsweise des Ansprechens der beiden Schutzmittel zu gewährleisten.

Diese Massnahme ist beispielsweise aus dem zitierten Buch "EMP Radiation and Protective Techniques, Kapitel.4.5 und Fig. 4.51 bekannt. Als Verzögerungsglied V wird dort' ein Stück Kabel Vorgeschlagen.

Obwohl diese Lösung bereits eine Verbesserung gegenüber früheren Lösungen bringt, weist sie den erheblichen Nachteil auf, dass bis zum Ansprechen des Grobschutzmittels 2 dem Feinschutzmittel die gesamte bis dahin von der Antenne aufgenommene Störenergie zugeführt wird, was sowohl für das Feinschutzmittel 3

3 80 Ol '

selbst als auch für das daran angeschlossene Gerät 4 sehr nachteilig ist. Auch-ist die Verzögerungslösung mit einen) Kabel sehr voluminös, da einige Meter hochspannungsfestes Kabel erforderlich sind.

Es wird daher -vorgeschlagen das Verzögerungsglied V frequenz^ selektiv zu gestalten, beispielsweise als. Bandpassfilter aus-.zufiihren. Dadurch wird erreicht', dass gemäss Flg. 2 nur noch der im Arbeitsbereich B liegende Anteil der Störenergie zum Fetnschutzmittel 3 gelangt, während die tn den Bereichen A und

.C liegenden Anteile reflektiert, a.lso fortgeschickt, das heisst über die Antenne zurückgestrahlt werden.

Da.s Grobschutzmittel 2 und das Verzögerungsglied B bilden zusammen somit einen abgeschwächten verzögerten Störimpuls I„. Hierdurch wird nicht nur das Feinschutzmittel beträchtlich entlastet, sondern es wird auch eine weit höhere Sicherheit erreicht, dass nur eine vom Feinschutzmittel 3 auch tatsächlich bewältig-bare Störenergiemenge diesem zugeführt wird.

Weitere Vorteile können dadurch erreicht werden, dass die Eigenkapazttät von Grobschutzmittelη 2 und Feinschutzmitteln 3 mindestens teilweise in die für die Realisierung des frequenzselektiven Verzögerungsgliedes V, das heisst des Bandpassfilters, erforderlichen Kapazitäten miteinbezogen werden. Dabei erweist es sich weiterhin als vorteilhaft, solchen Schutzelementen Dioden .'vorzuschalten. Insbesondere Feinschutzmittel

3 80 Öl

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weisen im allgemeinen nämlich meist relativ hohe Etgenkapazitäten auf, welche sie für sich allein genommen im wesentlichen nur für niederfrequente, beispielsweise tonfrequente Bereiche geeignet machen. Durch die Vorschaltung geeigneter kapazitätarmer Dioden kann dieser Nachteil für den vorliegenden Anwendungszweck behoben·werden.

Die Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Störimpulses am Ausgang des frequenzselektiven Verzögerungsgliedes V. Man erkennt, dass der am Ausgang des Verzögerungsgliedes V erscheinende Impuls I₂ um die Verzögerungszeit At = t_ - t, des Verzögerungsgliedes V gegenüber dem Impuls I, gemäss Fi.g. 4 verzögert erscheint und zudem ist er aufgrund der Frequenzselektivität des Verzögerungsgliedes V wesentlich weniger spitz. ■

Dieser wesentlich mildere und zeitlich verzögerte Impuls I-,, gemäss Fig. 5 wird durch das dem frequenzselektiven Verzögerungsglied V nachgeschaltete Feinschutzmittel 3 weiter in seiner . Ampl itude begrenzt, so dass am Ausgang des Feinschutzmittels 3, beziehungsweise am Ausgang der ganzen Schutzvorrichtung. 5 gemäss Fig.. 3, ein wesentlich energieärmerer und für das zu ■ schützende Gerät 4 harmloser Störimpuls I_ gemäss Fig. 6 erscheint. Die ganze Störschutzvorrichtung 5 bildet somit einen zeitlich verzögerten und stark begrenzten Störimpuls I», welcher .unschädlich ist auch für sehr empfindliche zu schützende Geräte 4, wie beispielsweise für einen Kurzwellenempfänger oder einen Kurzwellensender und insbesondere deren Halbleiter-, elemente. . · _{3 80 Q1}

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-Vf-

Ausser der sehr wirksamen Verringerung der" den zu schützenden Geräten in ihrem Arbeitsbereich zugeführten Energie ergeben sich zusätzliche Vorteile einer solchen Vorrichtung 5. Bei einem Sender ist es nämlich üblich, zur Vermeidung der Ausstrahlung schädlicher Oberwellen des Senders ein an sich bekanntes' Oberwellenfi lter zwischen Sender und Antenne anzuordnen. Durch geeignete Dimensionierung kann .nun ei η Verzögerungsglied V gemäss vorliegender Erfindung zusätzlich die Funktion des Oberwellenfilters übernehmen, so dass sich insgesamt kaum ein Mehraufwand ergibt. Aber auch bei einem Empfänger als zu schützendem Gerät wirkt sich die Anwendung.des frequenzselektiven Verzögerungsgliedes zusätzlich vorteilhaft aus, weil durch die zusätzlich vorgeschalteten Selektionsmittel beispielsweise die Spiegelfrequenzunterdrückung und/oder die Unterdrückung von auf der Zwischenfrequenz arbeitenden .Sendern, zusätzlich verbessert wird. Auch das Signal/Rauschverhältnis wird verbessert.

Es ist ferner zu beachten, dass beispielsweise bei einem Sender durch sein Ausgangssignal an den eine nichtlineare Charakteristik aufweisenden Feinschutzmitteln, wie beispielsweise Varistoren oder Dioden Signal Verzerrungen, also Oberwellen entstehen können. Wljrde man nun, wie aus dem Stande der Technik bekannt, lediglich, ein Stück Kabel als Verzögerungsglied V vorsehen;, so würden diese Oberwellen via Verzögerungskabel schliesslich auch zur Antenne gelangen und von dieser abgestrahlt. Diesist aber im Hinblick auf die sehr strengen behördlichen Anfor-

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-derungen auf Oberwellenfreiheit von Sendersignalen unerwünscht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt a Is Q auch darin, dass nicht nur originär im Senderausgangssignal eventuell vorhandene Oberwellen, sondern gerade auch solche Oberwellen, welche erst durch das oder die Feinschutzmittel unerwünschterweise entstehen, durch das frequenzselektive Verzögerungsgiied V wirksam daran gehindert werden_; zur Antenne zu gelangen.

Wird die genahnte Schutzvorrichtung 5 (Fig. 3) bei einem Sender angeordnet, so könnte bei hiefür ausreichenden Sendepegel nach einem, durch einen äusseren Störimpuls ausgelösten Ansprechen des oder der Grobschutzmittel, beispielsweise einer Gaszelle, der Fall eintreten, dass diese nach Abklingen des Störimpulses "weiterbrennt", das heisst nicht löscht,, weil die fur die Aufrechterhaltung der Brennspannung (siehe Fig. 4, U„) erforderliche Energie nun vom Sender geliefert wird. Ein solcher Zustand ist unerwünscht. Er kann aber in einfacher Weise dadurch behoben werden, dass in den Längszweig des Verzögerungs· gliedes eine Sicherung, beispielsweise eine Schmelzsicherung eingefügt wird. Es ist auch möglich eine auf den im Störfall automatisch ansprechende Ueberlastschaltung anzuwenden.

Gemäss der Erfindung wird das benötigte frequenzseiektive.Verzögerungsglied V als Filter verwirklicht. Die Struktur und Dimensionierung eines solchen Filters wird durch die Lage des Arbeitsbereiches B des zu schützenden Gerätes 4 (siehe Fig. 3)

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bezüglich des Verlaufes der Feldstärke F des Störimpulses in Funktion der Frequenz (siehe Fig. 2) mitbestimmt.

Liegt der Arbeitsbereich B des zu schützenden Gerätes. 4 frequenzmässig am unteren Ende des Spektrum, beziehungsweise ' des Bereiches A, so. kann als Filter vorzugsweise ein Tiefpassfilter etwa von der Struktur gemäss Fig. 7 vorgesehen werden. .Liegt dagegen der Arbeitsbereich B im mittleren Frequenzbereich, etwa gemäss Fig. 3, so wählt man vorzugsweise ein Bandpassfilter mit einer Struktur etwa gemäss Fig. 8. Liegt schliessiich der Arbeitsbereich B frequenzmässig am oberen .Ende des Bereiches C, siehe Flg. 2, das heisst gegen etwa 100 MHz, so wählt man vorzugsweise ein Hochpassfilter mit einer Struktur etwa gemäss Fig. 9. η bezeichnet die Anzahl der Glieder eines Filters. 1 .0. bezeichnet die normierte Last.

Filter der genannten Arten sind aus dem Stand der Technik be-. • kannt.. Sie können je nach gewünschter Struktur und Bandbreite und Dämpfung aufgrund"bekannter Tabellen und Transformationsformeln dimensioniert werden. Hierzu wird verwiesen auf folgende weitere Publikationen;
6. "Handbook of Filter Synthesis,
Anatol I. Zverev

John Wiley and Sons, Inc. New York, 1967 Library.of Congress Catalog Card Number 67-17 352" und

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on * β « * »ο

Q ο · ©a * ο «· c· ο

1: "Tabellenbuch Tiefpässe,
Gerhard Pfitzmaier
Siemens AG Berlin-München, 1971"

Nachfolgend werden zwei konkrete Ausführungsbeispiele beschrieben. ·
Erstes Ausführungsbeispiel

Fi.Tterstruktur gemäss Fig. 10, Bandpassf\1 ter, Werte gemäss Literatur "6,"₃ insbesondere dort Seite 312.

Das zu schützende Gerät .4 ist ein Kurzwellenempfänger mit einem Eingangswtderstand R von 50 Qhm und einem Frequenzbe-, reich (Arbeitsbereich) von 1,2 MHz bis 12 MHz. Das Filter weist 4 Glieder atif, nämlich;

Erstes Glied 5': erster Paral 1 el schwingkreis mit Kapazität 6

induktivität 7; ·

zweites Glied 8; erster Serieschwingkreis mit Induktivität 9.

und Kapazität 10; '

drittes Glied 11: zweiter Parallel schwingkreis mit Kapazität

12 und Induktivität 13; viertes Glied 14: zweiter Serieschwingkreis mit Induktivität

15 und Kapazität 16.

An die Eingangsklemmen 17 und 18 des Filters ist das zu schützende Gerät 4 mit seinen Eingangsklemmen angeschlossen. An die Ausgangsklemmen 19 und 20 ist die Antenne, Antennenanordnung oder Antennenleitung j_ angeschlossen., wodurch das als fre.-quenzselektives Verzögerungsglied V wirkende Filter mit dem

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- 2ί -

vorgesehenen Abschlusswiderstand R" ausgangssei tig belastet

ist.

Das als- Bandpassfilter aufgebaute Verzögerungsglied V dient somit nicht nur als frequenzselektives Verzögerungsglied, sondern es sorgt auch für eine korrekte elektrische Anpassung sowohl auf der Seite des zu schützenden Gerätes 4 als auch antennenseitig. Zu beachten ist nun, dass eine Filterstruktur gemäss Fig. 10 die Möglichkeit schafft, die kapazitätbehafteten Grob- und Feinschutzmittel 2 und 3 (siehe Fig. 3) anzuwenden, ohne dass deren Eigenkapazitäten einen schädlichen Einfluss auf die hochfrequenten Eigenschaften der Schutzvorrichtung 5 [siehe Fig. 3) hab.en.

Für den'angenommenen Arbeitsbereich 1,2 MHz bis 12 MHz ergeben sich für das anhand Fig. 10 beschriebene erste Ausführungsbeispiel folgende Werte:

Kapazität 6 173 pF ~)

!»1. Glied
Induktivität 7 9,77

Induktivität 9 1 ,05

2. Glied
Kapazität 10 1,61 nF-*

Kapazität 12 417 pFS

\ 3. Glied
Induktivität 13 " 4,05/^HJ

Induktivität'15 435 nH η

U, Glied
Kapazität 16 ' 3,8'9 nF ^J '

3 80 01

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J OD οΛΟ ft Μι β 5 ^u *

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Die Fig. Π zeigt eine praktische Verwirklichung der Filterstruktur gemäss Fig. 10. Man erkennt, dass die Kapazität des . Grobschutzmittels 2 und des Feinschutzmittels 3 in die Filterstruktur integriert ist. Diese Integration der Kapazität der Schutzmittel ist bet der praktischen Wahl der Kondensatoren 6* und 16* zu berücksichtigen.

Als Grobschutzjrjittel 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ge-Ji]äss Fig. 11 eine Gaszelle des Typs "UC 90" der Firma Cerberus AG₅ Männedorfs Schweiz, vorgesehen.

Als Fe.inschutzmittel 3 ist im Ausführungsbeispiel gemäss Flg. Π e\n "Surge Suppressor Typ GHV 16" der Firma General Semiconductor Ind.' Inc. Arizona USA₅ vorgesehen.

■ Durch, das frequenzselektive Verzögerungsglied^ wird nicht nur die dem Feinschlitzmittel 3 zugeführte Störenergie vermindert, sondern ein Teil dieser in Pf ei !.richtung 21 eindringenden Störenergi.e wird in Pfeilrichtung 22 reflektiert und erhöht dadurch die am Grobschutzmittel 2 anstehende Störspannung. Dadurch spricht dieses Grobschutzmittel 2, beispielsweise eine GaszeT-Te₉ rascher als erst zum Zeitpunkt t,, (siehe Fig. 4)' an.. Diese Effekte lassen sich nicht erzielen mit dem aus dem Stande der Technik bekannten Kabelstück als Verzögerungsglied. Ausserdem gestattet ein Kabelstück als Verzögerungsglied keine ausreichend optimale' Anpassung über einen breiten Frequenzbereich.

3 80 OT

313b515 '

■ Zweites Ausführungsbeispiel:

FiIterstruktur gemäss Fig. 12, Tiefpassfilter Werte gemäss Literatur "7", Seite 427 Das zu schützende Gerät 4 ist ein Kurzwellensender mit einem Innenwiderstand'R. von 50 Ohm und einem Frequenzbereich von 1 bis 27 MHz.

Das-Filter weist 5 Elemente auf, nämlich: erstes Element:* Kapazität 21
zweites Element: Induktivität 22
.drittes Element: Kapazität 23
viertes Element: Induktivität 24
fünftes Element: Kapazität 25

An die Eingangsklemmen 26 und 27 ist das zu schützende Gerät 4, das heisst der Kurzwellensender mit seinen Ausgangsklemmen angeschlossen. An die Ausgangsklemmen 28 und 29 des Filters ist die Antenne, Antennenanordnung oder Antennenleitung 1 angeschlossen. Hierdurch wird das als frequenzselektives Verzögerungsglied V wirkende Filter mit dem vorgesehenen Abschluss-Widerstand R ausgangssei tig belastet. Das als Tiefpassfilter aufgebaute Verzögerungsglied V dient somit nicht nur als fre- · quenzselektives Verzögerungsglied, sondern es sorgt auch für eine korrekte elektrische Anpassung sowohl auf der Seite des · zu schützenden Gerätes 4 als auch antennenseitig", und dies über einen grossen Frequenzbereich. Zu beachten ist, dass auch

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eine Filterstruktur gemäss Fig. 12 die Möglichkeit schafft, die kapazitätsbehafteten Grob- und Feinschutzmittel 2 und 3 (siehe Fig. 3) anzuwenden,, ohne dass deren Eigenkapazitäten einen schädlichen Einfluss auf die hochfrequenten Eigenschaften der Schutzvorrichtung 5 (siehe Fig. 3) haben.

Für den angenommenen Arbeitsbereich 1 bis 27 MHz ergeben sich für das anhand der Fig. 10 beschriebene zweite Ausführungsbeispiel folgende Werte:

Kapazität 21 52 pF

Induktivität 22 278 nH "

Kapazität 23 130 pF ' ·

Induktivität 24 278 nH . ' .

Kapazität· 25 52 pF

Ein solches Filter weist einen vernachlässigbaren Leistungsverlust auf, beispielsweise beträgt die Dämpfung weniger als 0,00.04 db und das Stehwellenverhältnis ist völlig ausreichend für den vorgesehenen Zweck.

Die.Fig. 13 zeigt eine praktische Verwirklichung der Filte.rstruktur gemäss Fig. 12. Man erkennt, dass die Kapazität des Grobsc.hutzmittels 2 und des Feinschutzmittels 3 in die Filterstruktur integriert ist. Diese Integration' der Kapazität der Schutzmittel ist bei der praktischen Wahl der Kondensatoren 21* und 25* zu berücksichtigen.

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Als GrobschutzmitteT 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel Gemäss Fig. 13 eine Gaszelle Typ UC 470 der Firma Cerberus AG, Schweiz vorgesehen. Als Feinschutzmittel 3 ist in diesem 'Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 13 eine Schaltungsanordnung von 2 Metalloxid-Varistoren Typ "ERZ-C14 DK 391 der Firma Matsuhita Electric; Japan mit je zwei in Serie dazugeschal teten- Dioden Typ UES 1306 der Firma Unitrode Corp. Lexington • MAi USA vorgesehen. Dabei sind beim einem Metal 1 oxid-Varistor 30 die ihm zugeordneten beiden Dioden 31 und 32 in der einen Durchlassrichtung 33, dagegen heim anderen Metalloxid-Vari-.stor 34 die diesem zugeordneten beiden Dioden 35 und 36 in der anderen, das heisst in der gegengesetzten Richtung 37 durchlässig geschaltet.

Zum Schutz der Dioden 31, 32 und 35, 36 vor Spannungsdurchbruch bei anfälligem inversem Störimpuls ist zwischen den Verbindungspunkten 38 und 39 der genannten Metal 1oxid-Varistoren 30 und 34 je mit der Diode 31 beziehungsweise 35 ein wei-. terer Metalloxid-Varistor 40, beispielsweise Typ ERZ-C14 DK " 751 der genannten Firma Matsuhita geschaltet. Als Kapazität 23 ist beispielsweise ein Kondensator 130 pF Typ MHG der Firma Microelectronics Ltd. Israel vorgesehen. Die Induktivitäten 22 und 24 ha.ben je einen Wert von 278 nH.

Im Beispiel gemäss Fig. 13 hat das zu schützende Gerät 4, das heisst der genannte Kurzwellensender, einen Inne.nwiderstand R. von 50 Qhm und die Antenne, beziehungsweise Antennenanordnung oder Antennenleitung 1 stellt einen Lastwiderstand R^ von eben-

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falls 50 Ohm dar.

Um den Kurzwellensender 4 vor allfälliger Ueberlast zu schützen, falls das Grobschutzmfttel 2, das heisst die Gaszelle durch einen Stö'rimpuls gezündet und danach die Brennsp'annung U^₅ siehe Fig. 4, durch das Sendesignal des Senders nach Abklingen des Störungsimpulses über den Zeitpunkt t_? (siehe Fig. 4) aufrechterhalten würde, ist in einem Längszweig des Filters, beispielsweise in Serie zu Induktivität 24₃ eine/ Schmelzsicherung 41 geschaltet. Falls die Gaszelle 2 in der genannten Weise weiterbrennen sollte₅ so entstünde dadurch· zwischen den Anschlusspunkten 42 und 43 praktisch ein Kurzschluss. Vom Gerät 4, das heisst vom Kurzwellensender würde dann ein starker Strom über die Induktivitäten 22 und 23.flies· sen, welche diese Schmelzsicherung, beispielsweise 6,3 A Typ FF 220 V der Firma Wickmann, BRD zum Durchschmelzen brächte. · ■ -

Anstelle einer Schmelzsicherung 41 könnte auch eine an sich bekannte automatische UeberTastsicherung mit verzögerter. Wi-.'■ dereinschaltyorrichtung vorgesehen werden.

In gewissen Anwendungsfällen der Erfindung wird beispielsweise eine Einrichtung benützt, bei welcher ein Kurzwellensender 4 über ein längeres, beispielsweise 50 m langes Koaxialkabel als -Antennenleitung mit einem bei der entfernt aufgestellten Sendeantenne angeordneten automatischen Antennenanpassungsge-

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rät verbunden ist. Ueber dieses Koaxialkabel wird dabei nicht nur die hochfrequente Sendeenergie übertragen, sondern beispielsweise auch Gleichstromenergie zum Betrieb des Antennenabstimmgerätes. Durch die genannte Schmelzsicherung 41 wird in diesem Fall bei Auftreten eines Störimpulses auch die zugehörige. Gleichströmquelle des Antennenabstimmgerätes vor. Ueberlastung geschützt.

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Claims (8)

": 313551 na coo Patentansprüche:

1.J Verfahren zum Schutz eines elektronischen Gerätes gegen Zerstörung durch starke elektromagnetische Impulse unter Verwendung·bekannter Ueberspannungsschutzelemente_s dadurch gekennzeichnet5 dass die eintreffende, über einen weiten Frequenzbereich verteilte Impul senergie. einerseits f'requenzmässig aufgeteilt und Energieantei1e,.welehe frequenzmassig im Arbeitsbereich des zu schützenden Gerätes, .oder in einem bestimmten Teilbereich desselben liegen_s zeitlich verzögert und anderseits Energieanteile ausserhalb dieser Frequenzbereiche reflektiert werden.

2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus dem Aussenraum zum zu schützenden Gerät führende Leitung an mindestens ein " Grobschutzmittel (2) angeschlossen ist und über mindestens ein frequenzselektives Verzögerungsglied (V) an mindestensein Feinschutzmittel (3) geführt ist, welches mit Anschlussklemmen des zu schützenden elektronischen Gerätes (4) verbundenist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,.dass die Anschlussklemmen die Eingangsklemmen eines Empfangsgerätes sind.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussklemmen die Ausgangsklemmen eines Sendegerätes sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungsglied (V) als Oberwellenfilter des Sendegerätes ausgebildet ist. -"

6. Vorrichtung nach etnem der Ansprliche 2 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungsgi ted [V) als Bandpass-· filter (Fig. 8) oder als Tiefpassfilter (Fig. 7) oder als Hochpassfilter (Fvg. 9) ausgebildet, ist, wobei; die Kapazitäten von Grob- und/oder Feinscfiützmitteln in die Filterstruktur einbezogen sind.(Fig. 11; Fig.. 13)

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ..-zu mindestens einejn Grob- und/oder Fei.nschutzmittel mindestens eine Diode in Serie geschaltet ist,-(Fig.. 13).

8. Vorrichtung nach, einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch '■■" gekennzeichnet, dass das frequenzselektive Verzögerungsglied.. (V) auf Teilbereiche (B,, B^) des Arbeitsbereiches (B) des

zu schützenden Gerätes (4) umschal tba.r ist.

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