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Die
vorliegende Erfindung betrifft Schutzvorrichtungen und spezieller,
aber nicht ausschließlich, Vorrichtungen
zum Verhüten,
dass potentiell schädliche
elektromagnetische Energie empfindliche Empfängerschaltungen erreicht.
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Breitband-Mikrowellenempfangssysteme wie
z.B. solche, die z.B. in elektronischen Unterstützungsmaßnahmen (ESMs) und Radarwarnempfängern (RWRs)
eingesetzt werden, arbeiten mit empfindlichen Eingangsstufen zum
Erfassen von Low-Level-Empfangssignalen.
Diese Empfängertypen
sind für
hohe Energie sehr verwundbar. Eingangsenergiepegel von nur ein paar
Dutzend Nanojoule können schon
ausreichen, um ernsthafte Schäden
an der Empfängerschaltung
zu verursachen. Ein solcher hoher Energieeingang kann beispielsweise
dann auftreten, wenn sich ein Hochleistungsradar neben dem Empfangssystem
befindet.
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Es
ist Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Schutzvorrichtung für empfindliche
Empfängerschaltungen
bereitzustellen, um Schäden
durch zu hohe Leistungen zu reduzieren oder zu verhüten, aber
die Vorrichtung kann auch in anderen Anordnungen zum Einsatz kommen,
wo die Weiterleitung von Energie, die einen bestimmten Leistungspegel überschreitet, begrenzt
werden soll.
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Die
Erfindung ist in den Ansprüchen
definiert, auf die nunmehr Bezug genommen werden sollte.
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Die
US 5,936,822 beschreibt
eine Blitzschutzanordnung für
Koaxialleitungen, die eine Kammer zwischen der Innen- und der Außenfläche einer Elektrode
hat. Die
DE 3212684 offenbart
eine Hochschutzvorrichtung mit zwei Isolierscheiben mit einer Lücke dazwischen
zur Bildung eines Gasentladungsraums.
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Die
Anwendung der Erfindung ist besonders in Bereichen nützlich,
in denen Schutz vor zu hohen Leistungspegeln erforderlich ist, sie
kann aber auch dort eingesetzt werden, wo keine Schutzfunktion ausgeführt wird.
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Einer
der Parameter, der eine Koaxialleitung charakterisiert, ist die
Durchbruchspannung, die vom Verhältnis
der Radien der inneren und äußeren Leiter der
Koaxialleitung und dem dielektrischen Material dazwischen abhängig ist,
gewöhnlich
Luft. In der vorliegenden Erfindung ist die Lücke so ausgelegt, dass es beim Überschreiten
eines bestimmten Schwellenleistungspegels zu einem Durchbruch über die
Lücke kommt,
so dass ein Plasma entsteht, das die Koaxialleitung kurzschließt. Die
eingehende Energie wird dann von diesem Kurzschluss reflektiert.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen
haben typischerweise eine Geometrie, die etwa beim Paschen-Minimum oder unmittelbar
rechts von dem Minimum arbeitet, so dass eine größere Lücke bei einem bestimmten Gasdruck
zu einer höheren
Durchbruchspannung führt. Das
die Sektion der Koaxialübertragungsleitung
füllende
Gas ist ein Inertgas, vorzugsweise Xenon, aber es können beliebige
andere Inertgase, oder Gemische davon, verwendet werden. Der Gasdruck
liegt gewöhnlich
im Bereich von 10 bis 100 mbar. In einer Ausgestaltung der Erfindung
beträgt
der Gasdruck mehrere Dutzend mbar und die Lücke hat eine Breite von mehreren
Dutzend Mikron bei einem Radius von beispielsweise 2 mm. Eine solche
Anordnung erlaubt eine Reflexion eines Signals von ein paar Dutzend Watt
oder größer durch
das Plasma, um zu verhindern, dass die überschüssige Energie andere durch die
Vorrichtung geschützte
Stufen erreicht.
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Die
Lücke wird
nicht nur zum Erzeugen eines Plasmas verwendet, um die benötigte Leistungsbegrenzungsfunktion
zu erzielen, sondern sie definiert auch einen Kondensator. Mittels
der Erfindung kann die Kapazität
effektiv über
eine große
Bandbreite abgestimmt werden, daher ist es, z.B. um ihre Wirkung auf
Low-Level-Signale zu minimieren, wünschenswert, zu einer empfindlichen
Empfängerstufe
zu übertragen.
So ermöglicht
die Erfindung den Empfang leistungsarmer Signale über eine
große
Bandbreite, wenn die Begrenzungsvorrichtung nicht aktiv zu sein
braucht.
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Das
Breitbandfilter ist in einer bevorzugten Ausgestaltung ein Chebychev-Filter,
aber es sind auch andere Breitbandfilter geeignet, wie z.B. ein
elliptisches Filter oder ein Butterworth-Filter. Die Hauptanforderung
an das Filter ist, dass es eine ausreichend große Bandbreite bei normaler Übertragung durch
die Vorrichtung bietet, wenn die Vorrichtung keine Leistungsbegrenzungsfunktion
ausführt.
In einer Ausgestaltung liegt die Bandbreite zwischen 1 und 18 GHz.
Die Erfindung kann für
Vorrichtungen genutzt werden, die bei höheren Frequenzen wie beispielsweise
im Q-Band arbeiten.
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Der
radiale Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter ist der Innenradius
des äußeren Leiters
an einem Punkt minus dem Außenradius
des inneren Leiters an diesem Punkt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung beinhaltet der innere Leiter der
Koaxialleitung eine Region mit verringertem Durchmesser, um eine
Induktanz zu definieren, die im Breitbandfilter enthalten ist. Vorzugsweise,
aber nicht unbedingt, befindet sich die Lücke etwa in der Mitte in axialer
Richtung der Region mit reduziertem Durchmesser.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein dielektrisches
Element vorhanden, das zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter
verläuft
und eine Metallschicht auf einer Fläche aufweist, die wenigstens
eines der genannten Teile bildet. Es wird ferner bevorzugt, dass
ein ringförmiger
Schlitz durch die Metallschicht vorhanden ist, um die Lücke zu definieren,
obwohl auch andere Schlitzgeometrien möglich sind. So kann das dielektrische
Element beispielsweise eine ringförmige Scheibe umfassen, die zwischen
dem äußeren Durchmesser
des inneren Leiters und dem inneren Durchmesser des äußeren Leiters
verläuft.
Die metallisierte Oberfläche
der Scheibe, durch die Lücke
in eine äußere und
eine innere Region getrennt, ist mit dem äußeren und dem inneren Leiter
in Kontakt. Die Lücke
kann von der metallischen Schicht durch Fotoätzen oder eine andere herkömmliche
Technik, mit der hohe Genauigkeiten erzielt werden können, genau
definiert werden. Dieser Ansatz bietet gute Designflexibilität beim Wählen der
Lückenbreite
sowie des Ortes der Lücke in
radialer Richtung zwischen dem inneren und äußeren Leiter, so dass das Design
speziell auf den benötigten
Leistungsbegrenzungseffekt zugeschnitten werden kann. In einer Ausgestaltung
besteht die metallische Schicht aus Molybdän, aber es können auch andere
leitende Materialien verwendet werden.
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Alternativ
ist wenigstens eines der Teile eine Metallkomponente, die an dem
Leiter befestigt ist, und wird nicht von einem dielektrischen Element
getragen.
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In
einer anderen Ausgestaltung ist wenigstens eines der Teile einstückig mit
dem Leiter ausgebildet, mit dem es elektrisch verbunden ist. Das
Teil kann beispielsweise eine Region des inneren Leiters beinhalten,
die einen größeren Durchmesser
hat als der. Rest des inneren Leiters. Alternativ oder zusätzlich kann
der mit dem äußeren Leiter
verbundene Teil ebenso eine Region mit reduziertem Innendurchmesser
des äußeren Leiters
umfassen. Eines der Teile kann ein Abschnitt des inneren oder äußeren Leiters sein,
der dieselben Abmessungen hat wie der Leiter, wobei sich lediglich
eine Region davon am axialen Ort der Lücke befindet. Der bevorzugte
Ansatz, bei dem eine Metallschicht auf einem dielektrischen Element
getragen wird, erlaubt jedoch eine leichtere Erzielung der nötigen Genauigkeiten
und bietet eine sichere mechanische und elektrische Verbindung zwischen
den Teilen und den Leitern.
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Die
Lücke kann
so gewählt
werden, dass sie sich unmittelbar neben dem äußeren Leiter oder dem inneren
Leiter oder in einem Abstand dazwischen befindet.
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Vorzugsweise
ist ein dielektrisches Fenster an einem oder an beiden Enden der
Sektion vorhanden, um Gas darin einzuschließen. So kann die Leistungsbegrenzungsvorrichtung
als separate selbstständige
Komponente gehandhabt werden. Es hat den zusätzlichen Vorteil, dass für zu hohe
Leistungspegel ein Durchbruch der Gasfüllung an der Innenfläche des
Eingangsfensters auftreten kann, so dass ein Plasma in dieser Region
entsteht, wodurch die kleinere Lücke
vor Schäden
geschützt
wird.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Mikrowellensystem eine Leistungsbegrenzungsvorrichtung
gemäß der Erfindung.
In einer bevorzugten Anordnung befindet sich die Leistungsbegrenzungsvorrichtung
vor einer Empfängereingangsstufe.
Zwischen der Leistungsbegrenzungsvorrichtung und der Empfängerschaltung
kann sich ein zusätzlicher
Festkörperbegrenzer
befinden. Aufgrund ihrer koaxialen Natur ist die Leistungsbegrenzungsvorrichtung
zwar für
den Einbau in eine Koaxialübertragungsleitung
geeignet, aber mit geeigneten Übergangskomponenten
könnte
sie alternativ auch mit einem Wellenleiter verbunden werden.
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Eine
Möglichkeit
der Umsetzung der Erfindung wird nunmehr beispielhaft mit Bezug
auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht eines Mikrowellenempfangssystems, das eine
erfindungsgemäße Schutzvorrichtung
beinhaltet;
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2 einen
schematischen Grundriss eines Teils der in 1 gezeigten
Schutzvorrichtung; und
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3 eine äquivalente
Schaltung für
das Chebychev-Filter.
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Gemäß 1 beinhaltet
ein Empfangssystem eine Empfängerschaltung 1 zum
Empfangen und Verarbeiten von Signalen, die durch eine Übertragungsleitung 3 an
der Antenne 2 empfangen werden. Die Empfängerschaltung 1 umfasst
einen empfindlichen Breitband-Mikrowellenempfänger und ist besonders für Schäden durch
Energien verwundbar, die sie mit Leistungspegeln von nur ein paar
Dutzend Watt oder höher
erreichen. Die Empfängerschaltung 1 soll
Signale z.B. im Band von 1 bis 18 GHz bei sehr niedrigen Pegeln
in der Größenordnung
von 10-16 W erfassen.
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Die Übertragungsleitung 3 beinhaltet
eine Koaxialleitung 4, die mit einer Schutzvorrichtung 5 verbunden
ist, deren Ausgang über
eine andere Sektion der Koaxialleitung 6 mit einem vor
der Empfängerschaltung 1 befindlichen
Festkörperbegrenzer 7 angelegt
wird. Die Schutzvorrichtung 5 umfasst eine koaxiale, hermetisch
geschlossene Konstruktion mit einem äußeren Leiter 8 und
einem inneren Leiter 9, die einen Abstand von etwa 5 mm
voneinander haben. Der äußere Leiter 8 hat
ein Schraubanschlussstück 10 und 11 an
jedem Ende, so dass er leicht mit den benachbarten Koaxialleitungen 4 und 6 verbunden
werden kann. Ein Eingangsfenster 12 und ein Ausgangsfenster 13 sind
auf die Innenfläche
des äußeren Leiters 8 und die Außenfläche des
inneren Leiters 9 geklebt, um ein Volumen 14 dazwischen
zu definieren, das mit Xenongas mit einem Druck von ein paar Dutzend
Torr gefüllt
ist. Die Fenster 12 und 13 sind aus einem geeigneten
dielektrischen Material. Eine dielektrische Scheibe 15 ist
am inneren Leiter 9 und am äußeren Leiter 8 in
dem gasgefüllten
Volumen 14 befestigt und mit einer Schicht 16 aus
Molybdän
wie in 2 gezeigt überzogen.
Ein ringförmiger Schlitz 17 ist
in das Molybdän 16 geschnitten,
um das dielektrische Material darunter freizulegen und eine Durchbruchlücke 18 zu
definieren, in diesem Fall mit einer Breite von 50 Mikron. Somit
sind die Region 16A der Metallisierung 16 elektrisch
mit dem inneren Leiter 9 und die Region 16B mit
dem äußeren Leiter 8 verbunden.
Einfügungsdämpfungen
der Schutzvorrichtung 5 liegen bei etwa 1 dB und die charakteristische
Impedanz beträgt
50 Ω. In
anderen Ausgestaltungen können
auch andere Impedanzwerte verwendet werden.
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Der
innere Leiter 9 beinhaltet einen Abschnitt 19 mit
einem reduzierten Durchmesser. Die Metallschicht 16A ist
mit dem Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 19 in Kontakt
und etwa in der Mitte der axialen Länge des Abschnitts 19 angeordnet.
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Beim
Betrieb bleibt die Schutzvorrichtung 5 während des
Empfangs von leistungsarmen Signalen im Ruhezustand. Wenn ein einen
Schwellenwert überschreitendes
Signal mit höherer
Leistung in das System eintritt, dann kommt es zu einem Durchbruch in
Nanosekunden über
die Lücke 18,
so dass ein Plasma entsteht, das einen Kurzschluss in der Koaxialleitung
erzeugt. Das eingehende Signal wird von dem Kurzschluss reflektiert
und dämpft
so vollständig oder
in einem erheblichen Ausmaß die
Energie, die zur Empfängerschaltung 1 weitergeleitet
wird. So wird die empfindliche Eingangsstufe geschützt.
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Die
Lücke 18 und
die benachbarten leitenden Molybdänschichten 16A und 16B definieren
zusammen einen Kondensator. Die Region 19 mit reduziertem
Durchmesser des inneren Leiters 9 dient als Induktor und
ist zusammen mit dem Kondensator in einem Chebychev-Filter enthalten.
So entsteht ein breites Passband, um jegliche Störungen von leistungsarmen Eingangssignalen
zu minimieren, die der Empfänger 1 erfassen
soll. 3 ist eine äquivalente Schaltung
des Chebychev-Filters, bei der der Kondensator C1 die Lücke 18 repräsentiert
und die Induktoren L1 und L2 die Region 19 mit reduziertem Durchmesser
repräsentieren.
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Wenn
die Schutzvorrichtung 5 höhere Leistungspegel von beispielsweise
hunderten von Watt oder höher
erfährt,
dann wird auch ein Plasma über die
Innenfläche
des Ausgangsfensters 12 nach dem Durchbruch über die
Lücke 18 erzeugt.
Diese Plasmaregion dient auch als effizienter Kurzschluss, um zu
verhindern, dass Hochleistungsenergie durch die Schutzvorrichtung 5 geht,
und hat den weiteren Vorteil, dass Schäden an der Durchbruchlücke 18 reduziert
werden.
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Wenn
die Schutzvorrichtung aktiv ist, dann erzeugt sie eine Dämpfung von
bis zu 40 dB mit einem entsprechenden Leck von 50 mW, und man glaubt,
dass viele Dutzend Kilowatt davon aufgenommen werden können. Nach
der Aktivierung kehrt die Schutzvorrichtung 5 innerhalb
von ein paar Mikrosekunden in ihren Ruhezustand zurück.
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In
dem gezeigten System befindet sich die Schutzvorrichtung in einer
Koaxialleitung, aber in anderen Ausgestaltungen kann sie auch mit
einem Wellenleiter verbunden sein, z.B. mit geeigneten Übergängen zwischen
dem Wellenleiter und der koaxialen Anordnung der Schutzvorrichtung.