EP0129820B1 - Koppelelement zum Anschluss einer Signalübertragungseinrichtung an eine koaxiale Hauptleitung - Google Patents

Koppelelement zum Anschluss einer Signalübertragungseinrichtung an eine koaxiale Hauptleitung Download PDF

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EP0129820B1
EP0129820B1 EP84106961A EP84106961A EP0129820B1 EP 0129820 B1 EP0129820 B1 EP 0129820B1 EP 84106961 A EP84106961 A EP 84106961A EP 84106961 A EP84106961 A EP 84106961A EP 0129820 B1 EP0129820 B1 EP 0129820B1
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EP
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main line
conductor
section
signal transmission
cylindrical element
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EP0129820A3 (en
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Gerhard Dipl.-Ing. Hammer
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R24/00—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure
    • H01R24/38—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure having concentrically or coaxially arranged contacts
    • H01R24/40—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure having concentrically or coaxially arranged contacts specially adapted for high frequency
    • H01R24/42—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure having concentrically or coaxially arranged contacts specially adapted for high frequency comprising impedance matching means or electrical components, e.g. filters or switches
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R2103/00—Two poles

Definitions

  • the invention relates to a coupling element for connecting a signal transmission device to a coaxial main line with a connection part fastened to it in the course of the main line, with which a connection suitable for signal transmission can be established.
  • a coupling of signal transmission devices to a main line in the form of a coaxial cable is often necessary in the communications and data technology, the main lines are usually permanently installed and a complete interruption of the main line to connect special branch points often leads to interference in the signal transmission.
  • bus systems local networks
  • a large number of transmitting / receiving devices are connected to a common, often permanently installed transmission line (bus).
  • a coupling element is already known (Design Guide to AMP-Coaxial Taps, AMP Incorporated Harrisburg, DP 5525, Rev A, 1982, pages 1 to 9), in which one or more contacting pins pass through the insulating jacket, the outer conductor and the dielectric of the coaxial cable be pressed. This or these contacting pins establish the connection between the inner conductor of the coaxial cable and a connection of the signal transmission device; the outer conductor of the coaxial cable is also contacted with a connection of the signal transmission device by means of cutting, soldering or clamping contacts. The contact reliability depends on the care in contacting and in particular on the contact pressure.
  • the invention has for its object to provide a coupling element for connecting a signal transmission device to a coaxial main line, in which the influence of the coupling element and the coupled devices on the main line are kept as low as possible.
  • a cylindrical segment of the outer conductor of the coaxial main line is formed by two spaced-apart interruption points of the outer conductor in a coupling element of the type specified above, the segment is electrically insulated from it by a conductive cylindrical element of the connecting part, and each with one End connected to the outer conductor of the main line at an interruption point, a first capacitance being formed between the segment and the inner conductor of the main line and a second capacitance between the segment and the cylindrical element, and one conductor of the connection of the signal transmission device to the segment and the other Head can be connected to the cylindrical element via the connecting part.
  • the invention it is advantageously possible to dispense with a special contacting of the inner conductor by forming it together with the segment of the outer conductor (or a conductive coating which is instead arranged concentrically with the inner conductor) to form a tubular capacitor.
  • the partial removal of the outer conductor necessary for this arrangement is canceled again by the cylindrical element acting as a conductive bridge, the cable piece designed as a tubular capacitor being completely enclosed.
  • the capacitive coupling that has become possible in this way between the main line and the coupled device is suitable for all signal transmissions. in which a DC coupling can be dispensed with. Very good results are achieved especially when connecting receiving devices.
  • the coupling element according to the invention is also extremely stable mechanically, since it can be securely fastened to the conductive jacket (outer conductor) of the main line with a high degree of contact security and mechanical access to the inner conductor is not necessary.
  • the electrical transmission behavior it is advantageous that the reflections and repercussions from the coupled device can be kept extremely low, since the conductor configuration and the dielectric of the main line are largely preserved. There is also a risk of short circuit. which cannot be ruled out with mechanical contacting, completely avoided.
  • the coupling element is also possible to design the coupling element as a separate component so that this type of coupling can also be advantageously used with a main line, the interruption of which does not pose any difficulties or which has already been disconnected.
  • FIG. 1 shows a coaxial main line 1 with an inner conductor 2, a dielectric 3 and a cylindrical outer conductor 4.
  • the entire main line 1 is enclosed by an insulating plastic jacket 5.
  • the outer conductor 4 is removed, so that a cylindrical segment 8 is formed, which is electrically insulated from the rest of the outer conductor 4.
  • the cylindrical segment 8 is completely enclosed by a conductive cylindrical element 9, which is insulated from the segment 8 by a dielectric intermediate layer 10 and is also electrically connected to the outer conductor 4 at points 11 and 12 (e.g. by soldering or clamping) .
  • the axial dimensions of the interruption parts 6 and 7 are designated by b, the dimensions of the overlap or contact points between the cylindrical element 9 and the outer conductor 4 are identified by a and the entire length of the cylindrical element 9 is 1.
  • the cylindrical element 9 can For example, be composed of two half-shells with an axial separation surface.
  • the cylindrical element 9 has a recess 13, through which a contact pin 14 is guided, which is connected to the cylindrical segment 8 in an electrically conductive manner via a connecting element 15.
  • the contact pin 14 represents the inner conductor of a coaxial screw connection to which a screw socket 16 belongs, which is held in an electrically conductive manner on the cylindrical element 9.
  • a transmission / reception device can be coupled as a signal transmission device with a coaxial connection.
  • FIG. 2 shows in simplified form the conductive coatings that are formed by the coupling element.
  • the outer conductor 4 together with the cylindrical element 9 and the cylindrical segment 8 form a tubular capacitor, as well as the cylindrical segment 8 together with the inner conductor 2.
  • the capacitive decoupling of the signal to the coupled device takes place via the pads, including the contacting pin 14.
  • the electrical equivalent circuit diagram according to FIG. 3 shows a first capacitance C o , which is formed between the inner conductor 2 and the segment 8 as a tubular capacitor, and a second capacitance C l , which is located between the cylindrical element 9 and the segment 8 as a T circuit , and half the characteristic impedance Z / 2 of the main line 1 on one side and a parasitic capacitance C T with an input resistance R T of the downstream device on the other side of the T circuit.
  • This circuit has a high-pass character in the receiving direction and a band-pass character in the sending direction. The cut-off frequencies and attenuations depend on the dimensions of the coupling element, the characteristic impedance Z and the electrical properties of the coupled signal transmission device (for example C T and R T ).
  • the reflection behavior can be described approximately by changing the wave resistance over the length 1;
  • the resulting echo pulses for example in the case of square-wave signals, have a duration which corresponds to twice the transit time via the coupling (approx. 2 x 5 ns / m).
  • the amplitude of these pulses is determined by the ratio r 0 / r 1 .
  • Parasitic capacitances C T in the peripheral transceiver increase the constant portion of the input coupling loss, but do not have a negative effect on the reflection behavior with this type of coupling. Even a short circuit in the peripheral device does not cause any additional reflections, as a result of which the transmission on the main line (bus) is not impaired.

Landscapes

  • Coupling Device And Connection With Printed Circuit (AREA)
  • Cable Transmission Systems, Equalization Of Radio And Reduction Of Echo (AREA)
  • Dc Digital Transmission (AREA)
  • Multi-Conductor Connections (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Koppelelement zum Anschluß einer Signalübertragungseinrichtung an eine koaxiale Hauptleitung mit einem im Verlauf der Hauptleitung auf ihr befestigten Anschlußteil, mit dem eine zur Signalübertragung geeignete Verbindung herstellbar ist.
  • Eine Ankopplung von Signalübertragungseinrichtungen an eine Hauptleitung in Form eines Koaxialkabels ist in der Nachrichten- und Datentechnik häufig notwendig, wobei die Hauptleitungen in der Regel fest installiert sind und eine vollständige Unterbrechung der Hauptleitung zum Anschluß von besonderen Abzweigungspunkten oft zu Störungen bei der Signalübertragung führt. Insbesondere bei Bussystemen (lokale Netzwerke), z. B. in der Prozeßdatenverarbeitung, sind eine Vielzahl von Sende- /Empfangseinrichtungen an eine gemeinsame, oft fest installierte Übertragungsleitung (Bus) anzuschließen.
  • Es ist bereits ein Koppelelement bekannt (Design Guide to AMP-Coaxial Taps, AMP Incorporated Harrisburg, DP 5525, Rev A, 1982, Seiten 1 bis 9), bei dem ein oder mehrere Kontaktierungsstifte durch den Isoliermantel, den Außenleiter und das Dielektrikum des Koaxialkabels gedrückt werden. Dieser oder diese Kontaktierungsstifte stellen die Verbindung zwischen dem Innenleiter des Koaxialkabels und einem Anschluß der Signalübertragungseinrichtung her; der Außenleiter des Koaxialkabels wird durch Schneid-, Löt- oder Klemmkontakte ebenfalls mit einem Anschluß der Signalübertragungseinrichtung kontaktiert. Die Kontaktsicherheit hängt hierbei von der Sorgfalt bei der Kontaktierung und insbesondere von der Anpreßkraft ab. Es ist notwendig, den Außenleiter und das Dielektrikum der koaxialen Hauptleitung zu durchbohren, wobei die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen dem Innen- und dem Außenleiter besteht. Diese Art der Anzapfung der Hauptleitung bildet darüber hinaus eine elektrische Stoßstelle im Kabel, welche zu Reflexionen des zu übertragenden Signals führt. Die Intensität der dadurch verursachten Reflexionen hängt hierbei insbesondere von der Eingangsimpedanz der beispielsweise nachgeschalteten Sende-/Empfangseinrichtung ab. Bei einer Datenübertragung mit hohen Datenraten (z. B. 10 Mbit/s) kann z. B. bereits eine durch diese Anzapfung entstandene parasitäre Kapazität (z, 5 pF) zu unzulässigen Reflexionen führen. Ein ebenfalls möglicher Kurzschluß in der nachgeschalteten Sende-/Empfangseinrichtung macht darüber hinaus durch die Rückwirkung auf die Hauptleitung eine Datenübertragung auf der Hauptleitung (Bus) unmöglich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Koppelelement zum Anschluß einer Signalübertragungseinrichtung an eine koaxiale Hauptleitung zu schaffen, bei dem der Einfluß der Koppelelements und der angekoppelten Einrichtungen auf die Hauptleitung möglichst gering gehalten werden.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Koppelelement der eingangs angegebenen Art ein zylindrisches Segment des Außenleiters der koaxialen Hauptleitung durch zwei in vorgegebenem Abstand voneinander angebrachte Unterbrechungsstellen des Außenleiters gebildet, das Segment durch ein leitendes zylindrisches Element des Anschlußteils elektrisch von ihm isoliert überspannt und mit jeweils einem Ende mit dem Außenleiter der Hauptleitung an jeweils einer Unterbrechungstelle leitend verbunden, wobei zwischen dem Segment und dem Innenleiter der Hauptleitung eine erste Kapazität und zwischen dem Segment und dem zylindrischen Element eine zweite Kapazität gebildet und der eine Leiter des Anschlusses der Signalübertragungseinrichtung am Segment und der andere Leiter am zylindrischen Element über das Anschlußteil anschließbar ist.
  • Gemäß der Erfindung ist es in vorteilhafter Weise möglich, auf eine besondere Kontaktierung des Innenleiters zu verzichten, indem man diesen gemeinsam mit dem Segment des Außenleiters (oder einem anstelle dessen konzentrisch zum Innenleiter angeordneten leitenden Belag) zu einem Rohrkondensator ausbildet. Die für diese Anordnung notwendige teilweise Entferung des Außenleiters wird durch das als leitende Brücke wirkende zylindrische Element wieder aufgehoben, wobei das als Rohrkondensator ausgebildete Kabelstück vollständig umschlossen wird. Die so möglich gewordene kapazitive Kopplung zwischen der Hauptleitung und der angekoppelten Einrichtung ist für alle Signalübertragungen geeignet. bei denen auf eine Gleichstromkopplung verzichtet werden kann. Sehr gute Ergebnisse werden vor allem beim Anschluß von Empfangseinrichtungen erreicht. Das erfindungsgemäße Koppelelement ist darüber hinaus mechanisch äußerst stabil, da es mit hoher Kontaktsicherheit fest auf dem leitenden Mantel (Außenleiter) der Hauptleitung befestigbar ist und ein mechanischer Zugriff auf den Innenleiter nicht notwendig ist. Hinsichtlich des elektrischen Übertragungsverhaltens ist vorteilhaft, daß die Reflexionen und Rückwirkungen von der angekoppelten Einrichtung äußerst gering gehalten werden können, da die Leiterkonfiguration und das Dielektrikum der Hauptleitung weitgehend erhalten bleiben. Außerdem ist die Kurzschlußgefahr. die bei einer mechanischen Kontaktierung nicht auszuschließen ist, vollständig vermieden. Es ist auch möglich, das Koppelelement als gesondertes Bauteil auszuführen, damit diese Art der Ankopplung auch bei einer Hauptleitung, deren Unterbrechung keine Schwierigkeiten bereitet oder die bereits aufgetrennt ist, vorteilhaft anwendbar ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei
    • Figur 1 einen Querschnitt durch eine koaxiale Hauptleitung mit Koppelelement,
    • Figur 2 ein vereinfachtes mechanisches Schema.
    • Figur 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild und
    • Figur 4 einen radialen Querschnitt durch das Koppelelement mit Teilen einer elektrischen Ankoppelschaltung zeigt.
  • Die Darstellung nach der Figur 1 zeigt eine koaxiale Hauptleitung 1 mit einem Innenleiter 2, einem Dielektrikum 3 und einem zylindrischen Außenleiter 4. Die gesamte Hauptleitung 1 ist von einem isolierenden Kunststoffmantel 5 umschlossen. An Unterbrechungstellen 6 und 7 ist der Außenleiter 4 entfernt, so daß sich ein zylindrisches Segment 8 bildet, das vom übrigen Außenleiter 4 elektrisch isoliert ist. Das zylindrische Segment 8 ist vollständig von einem leitenden zylindrischen Element 9 umschlossen, welches durch eine dielektrische Zwischenlage 10 vom Segment 8 isoliert ist und darüber hinaus an Stellen 11 und 12 mit dem Außenleiter 4 elektrisch verbunden ist (z. B. durch Löten oder Klemmen). Die axialen Ausdehnungen der Unterbrechungssteilen 6 und 7 sind mit b bezeichnet, die Ausdehnungen der Überlappungs- bzw. Kontaktierungsstellen zwischen dem zylindrischen Element 9 und dem Außenleiter 4 sind mit a bezeichnet und die gesamte Länge des zylindrischen Elements 9 ist 1. Das zylindrische Element 9 kann beispielsweise aus zwei Halbschalen mit einer axialen Trennfläche zusammengesetzt werden.
  • Das zylindrische Element 9 weist eine Ausnehmung 13 auf, durch die ein Kontaktierungsstift 14 geführt ist, der über ein Verbindungselement 15 elektrisch leitend mit dem zylindrischen Segment 8 verbunden ist. Der Kontaktierungsstift 14 stellt den Innenleiter einer koaxialen Schraubverbindung dar. zur der eine Schraubfassung 16 gehört, die elektrisch leitend am zylindrischen Element 9 gehalten ist. An diese Schraubfassung 16 mit dem koaxial angeordneten Kontaktierungsstift 14 kann hier eine nicht dargestellte Sende-/Empfangseinrichtung als Signalübertragungseinrichtung mit koaxialem Anschluß angekoppelt werden.
  • In der Figur 2 sind vereinfacht die leitenden Beläge, die durch das Koppelelement gebildet werden, dargestellt. So bildet der Außenleiter 4 zusammen mit dem zylindrischen Element 9 und das zylindrische Segment 8 einen Rohrkondensator, ebenso wie das zylindrische Segment 8 zusammen mit dem Innenleiter 2. Die kapazitive Auskopplung des Signals auf die angekoppelte Einrichtung erfolgt über die Beläge unter Einschluß des Kontaktierungsstifts 14.
  • Das elektrische Ersatzschaltbild nach der Figur 3 zeigt eine erste Kapazität Co, die zwischen dem Innenleiter 2 und dem Segment 8 als Rohrkondensator gebildet ist, ferner eine zweite Kapazität Cl, die zwischen dem zylindrischen Element 9 und dem Segment 8 als T-Schaltung liegt, sowie den halben Wellenwiderstand Z/2 der Hauptleitung 1 auf der einen Seite und eine parasitäre Kapazität CT mit einem Eingangswiderstand RT der nachgeschalteten Einrichtung auf der anderen Seite der T-Schaltung. In Empfangsrichtung weist diese Schaltung Hochpaß-Charakter und in Senderichtung Bandpaß-Charakter auf. Die Grenzfrequenzen und Dämpfungen hängen von den Abmessungen des Koppelelements, dem Wellenwiderstand Z und den elektrischen Eigenschaften der angekoppelten Signalübertragungseinrichtung (beispielsweise CT und RT) ab.
  • Beim radialen Querschnitt durch das Koppelelement nach der Figur 4 sind die Lagen der beiden Kapazitäten Co und C, deutlich zu erkennen, außerdem ist hier schematisch eine Schaltung 20 angefügt, die außer der parasitären Kapazität CT mit dem Reihenwiderstand RT auch noch Verstärker 21 und 22 aufweist und somit andeutungsweise eine nachgeschaltete periphere Sende-/Empfangseinrichtung darstellen soll.
  • Außerdem sind in der Figur 4 der Querschnitt des Innenleiters 2 mit r" der radiale Abstand des Innenleiters von Außenleiter mit ro und vom zylindrischen Element 9 mit r, angegeben.
  • Die Werte der Kapazitäten Co und C, berechnen sich wie folgt :
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    wobei ε0 die absolute Dielektrizitätskonstante des Vakuums (0,8855. 10.13 F/cm) und εr0 die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums 3 und εr1 die Dielektrizitätskonstante der isolierenden Zwischenschicht 10 darstellen.
  • Das Reflexionsverhalten kann näherungsweise beschrieben werden durch eine Veränderung des Wellenwiderstandes über der Länge 1 ; die daraus beispielsweise bei Rechtecksignalen entstehenden Echoimpulse haben eine Dauer, welche der doppelten Laufzeit über die Ankopplung (ca. 2 x 5 ns/m) entspricht. Die Amplitude dieser Impulse wird bestimmt durch das Verhältnis r0/r1. Parasitäre Kapazitäten CT in der peripheren Sende-/Empfangseinrichtung vergrößern zwar den konstanten Anteil der EiniAusgangskoppeldämpfung, wirken sich aber bei dieser Art der Ankopplung nicht negativ auf das Reflexionsverhalten aus. Auch ein Kurzschluß in der peripheren Einrichtung verursacht hier keine zusätzlichen Reflexionen, wodurch die Übertragung auf der Hauptleitung (Bus) nicht beeinträchtigt ist.
  • Das Prinzip dieser Ankopplung läßt sich auch bei Koaxialkabeln mit einem weiteren Außenschirm verwenden (Triaxial-Kabel). wobei hier lediglich das zylindrische Element 9 mechanisch an die entsprechenden Gegebenheiten dieser Außenleiter angepaßt werden muß.

Claims (4)

1. Koppelelement zum Anschluß einer Signalübertragungseinrichtung an eine koaxiale Hauptleitung (1 ) mit
- einem im Verlauf der Hauptleitung (1) auf ihr befestigten Anschlußteil (14, 15, 16), mit dem eine zur Signalübertragung (20) geeignete Verbindung herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
- ein zylindrisches Segment (8) des Außenleiters (4) der koaxialen Hauptleitung (1) durch zwei in vorgegebenem Abstand voneinander angebrachte Unterbrechungsstellen (6, 7) des Außenleiters (4) gebildet wird,
- ein leitendes zylindrisches Element (9) des Anschlußteils (14, 15, 16) das Segment (8) elektrisch von ihm isoliert überspannt und mit jeweils einem Ende mit dem Außenleiter (4) der Hauptleitung (1) an jeweils einer Unterbrechungsstelle (6, 7) leitend verbunden ist, wobei
- zwischen dem Segment (8) und dem Innenleiter (2) der Hauptleitung (1) eine erste Kapazität (Co) und zwischen dem Segment (8) und dem zylindrischen Element (9) eine zweite Kapazität (C,) gebildet ist
- und der eine Leiter des Anschlusses der Signalübertragungseinrichtung am Segment (8) und der andere Leiter am zylindrischen Element (9) über das Anschlußteil (14, 15, 16) anschließbar ist.
2. Koppelelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- zum Anschluß einer Einrichtung mit koaxialem Anschluß eine Schraubfassung (16) mit Außengewinde zur Kontaktierung des Außenleiters (4) am zylindrischen Element (9) leitend angebracht ist,
- in dessen Innerem sich koaxial ein Kontaktierungsstift (14) für den Innenleiter des Anschlusses der angekoppelten Einrichtung befindet, der isoliert durch das zylindrische Element (9) hindurchgeführt und an das Segment (8) angeschlossen ist.
3. Koppelelement nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß
- das zylindrische Element (9) auf dem Außenleiter (4) der Hauptleitung (1) aufgelötet ist.
4. Koppelelement nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß
- das zylindrische Element (9) auf dem Außenleiter (4) der Hauptleitung (1) aufgeklemmt ist.
EP84106961A 1983-06-27 1984-06-18 Koppelelement zum Anschluss einer Signalübertragungseinrichtung an eine koaxiale Hauptleitung Expired EP0129820B1 (de)

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