EP0855756B1 - EMP-Ableiter - Google Patents

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EP0855756B1
EP0855756B1 EP98101083A EP98101083A EP0855756B1 EP 0855756 B1 EP0855756 B1 EP 0855756B1 EP 98101083 A EP98101083 A EP 98101083A EP 98101083 A EP98101083 A EP 98101083A EP 0855756 B1 EP0855756 B1 EP 0855756B1
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EP
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sleeves
emp
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arrester according
length
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EP98101083A
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Daniel Meyer
Ivo Germann
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Huber and Suhner AG
Original Assignee
Huber and Suhner AG
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/08—Overvoltage arresters using spark gaps structurally associated with protected apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/201—Filters for transverse electromagnetic waves
    • H01P1/202—Coaxial filters
    • 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
    • H01R24/48—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 comprising protection devices, e.g. overvoltage protection
    • 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 present invention relates to an EMP arrester in a coaxial line consisting of a housing and one electrically conductively connected to the inner conductor of the coaxial line ⁇ / 4 short circuit line.
  • EMP filters with ⁇ / 4 short-circuit lines have the disadvantage that no AC / DC supply voltages can be transmitted.
  • mast head amplifiers attached to antennas are provided, which must be supplied with AC / DC via the coaxial line.
  • the usage of EMP filters with ⁇ / 4 short-circuit line and such amplifiers are mutually exclusive.
  • the EMP arrester designed as a pluggable coupling in FIG. 2 consists of an outer conductor 10 which is designed as a cylindrical housing with connectors 11 and 12 arranged on both sides for screw connections or plug connections of coaxial conductors.
  • the connector 11 on the left in the drawing is intended as a connection to the unprotected area, for example to an antenna, and the connector 12 on the right in the drawing is intended to form the protected connection to an electronic device.
  • this EMP filter should be attached to a housing bushing as an earth connection.
  • there is a flange 13 on the outer conductor 10 which together with a washer 17 or the like and a nut 16 results in a screw fastening on a housing wall.
  • An additional seal 14 made of refined soft copper brings about low-resistance and low-inductance contacting.
  • a housing 20 is screwed or fitted into a central part 10b of the outer conductor 10 .
  • the housing 20 is also called an outer hollow cylinder or an outer sleeve.
  • This outer hollow cylinder 20 is provided with a screwed-on cover 21 .
  • a gas-filled surge arrester 28 is inserted into the end cover 21 .
  • This gas arrester 28 is interchangeable and can be replaced quickly and easily by opening the cover 21 .
  • the length of the line 24 can be matched to the ⁇ / 4 wavelength of the deepest frequency band to be transmitted.
  • the gas arrester 28 is contacted between a line 24 and the end cover 21 and acts capacitively in the undisturbed state.
  • the line 24 between the inner conductor 30 and the gas discharge surge arrester 28 thus acts through its capacitance as a ⁇ / 4 short-circuit line of the lowest frequency band to be transmitted.
  • a plurality of further hollow cylinders or sleeves 25, 26 are arranged in the interior of the outer hollow cylinder 20 around the line 24 . At one end, which is directed against the inner conductor 30 of the coaxial conductor, these sleeves 25, 26 are open. At its other end, these sleeves are mounted electrically conductively connected to the line 24 25,26, located so that a series circuit of cavity resonators results in that the coaxial conductor to selected frequency bands and accordingly tunable by virtue of their diameters, lengths, and their distances from the inner conductor 30 on a selected mid-band frequencies are.
  • two further sleeves are provided. With knowledge of the present invention, however, the person skilled in the art is free to use more than two such further sleeves.
  • the lengths l 1 , l 2 , l 3 are the free wall lengths of the sleeves 20, 25 , 26 which are separated from one another by cavities.
  • the length l 1 extends from the point of attachment of the outer hollow cylinder 20 on the conductor 24 to the open end of the longest of the further sleeves 25, 26. In the present exemplary embodiment, this is the outer of the further sleeves 26 (also called the middle sleeve 26 ).
  • the length l 2 is the length of the wall of the inner of the further sleeve 25 (also called inner sleeve 25 ).
  • the length l 3 extends from the fastening point of the middle sleeve 26 to the conductor 24 to the open end of the inner sleeve 25.
  • the length of the sleeves 25,26 can be electrically shortened by dielectrics.
  • the length of the sleeves 25, 26 can also be shortened by pot circles with a higher capacity. For example, special end plates, pot or cylinder capacities can be used for this.
  • the hollow cylinders 20, 25, 26 and the capacity of the gas-filled surge arrester 28 are connected in series. With the line 24, the capacity of the gas-filled surge arrester 28 and the lengths of the hollow cylinders 25 , 26 , different frequency bands up to 18 GHz can be transmitted.
  • the outer hollow cylinder 20 allows the transmission of a frequency band f 1
  • the middle hollow cylinder 26 allows the transmission of a frequency band f 2
  • the inner hollow cylinder 25 allows the transmission of a frequency band f 3 .
  • Fig. 1 shows that the electrical effect of the mechanical resonance circuits determine the bandwidth of these frequency bands f 1 , f 2 , f 3 , ...
  • An outer impedance Z a corresponds to the outer hollow cylinder 20
  • an average impedance Z m corresponds to the middle hollow cylinder 26
  • an inner impedance Z i corresponds to the inner hollow cylinder 25.
  • f n 1 / 2 ⁇ x ⁇ L n xC n
  • the AC / DC decoupling by virtue of the capacity of the gas-filled surge arrester against the housing 20, allows an additional transmission of AC / DC supply voltages, for example to mast head amplifiers that are exposed to antennas.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen EMP-Ableiter in einer Koaxialleitung bestehend aus einem in den Aussenleiter aufgesetzten Gehäuse und einer mit dem Innenleiter der Koaxialleitung elektrisch leitend verbundenen λ/4 Kurzschlussleitung.
Elektromagnetische Impulse künstlicher Art, wie sie von Motoren, Schaltern, getakteten Netzteilen oder ähnlichen erzeugt werden können, sowie solche natürlichen Ursprungs, wie direkte oder indirekte Blitzschläge, werden durch induktive, kapazitive oder galvanische Kopplung über koaxiale Leitungen in die angeschlossenen Geräte geführt und können diese beschädigen oder gar zerstören. Es ist bekannt, die Geräte gegen erhebliche Überspannungen, Störspannungen oder Blitzströme an deren Eingang durch ableitende oder reflektierende Systeme zu schützen. Bekannt geworden sind beispielsweise λ/4 Kurzschlussleitungen, auch λ/4 shorting stubs oder EMP-Filter genannt, mit denen diese schädlichen Ströme und Spannungen bestimmter Frequenzen abgeleitet oder reflektiert werden können. Solche Anordnungen sind aus den Schweizer Patenten CH-676900, CH-660261 und aus der Schweizer Patentanmeldung CH-690146 bekannt.
In der Schrift CH-676900 ist vorgesehen, mittels einer zwischen Innenleiter und Aussenleiter der Koaxialleitung geschalteten λ/4 Kurzschlussleitung diese Ströme und Spannungen abzuleiten oder zu reflektieren. Diese λ/4 Kurzschlussleitung wirkt mit ihrer Siebeigenschaft als frequenzselektives Filter der Grundfrequenz und von deren ungeraden harmonischen Schwingungen. In der Schrift CH-660261 wird ein Gasentladungs-Überspannungsableiter vorgestellt, der in dieser Schaltungsanordnung eine Anpassung bis wenigstens 2GHz gewährleistet. In der Schrift CH-690146 wird die Verwendung in Multibandsystemen durch Einfügen von Topfkreisen im Gehäuse um den Koaxialleiter beschrieben, sodass mehrere spezielle Frequenzbänder übertragen werden.
Bekannte EMP-Filter mit λ/4 Kurzschlussleitung weisen den Nachteil auf, keine AC/DC-Speisespannungen übertragen zu können. Beispielsweise sind an Antennen exponiert angebrachte Mast-Head-Amplifier vorgesehen, welche über die Koaxialleitung mit AC/DC gespiesen werden müssen. Die Verwendung von EMP-Filtern mit λ/4 Kurzschlussleitung und solchen Amplifiern schliessen sich gegenseitig aus.
Bekannte Gasentladungs-Überspannungsableiter weisen den Nachteil auf, dass die Anwendung aufgrund ihrer Eigenkapazität auf Applikationen von typischerweise < 2.5 GHz begrenzt ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung einen EMP-Ableiter zu schaffen, der eine Übertragung von AC/DC-Speisespannungen zulässt, der für mehrere Frequenzbänder einsetzbar ist und der auch bis zu sehr hohen Frequenzen verwendbar ist.
Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ermöglicht, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Gasentladungs-Überspannungsableiter zwischen Gehäuse und λ/4 Kurzschlussleitung auswechselbar eingesetzt ist und dass im Innern des Gehäuses mehrere in Serie zum Gasentladungs-Überspannungsableiter geschaltete, ineinander angeordnete Hülsen unterschiedlicher Länge und unterschiedlichen Durchmessers angeordnet sind. Diese Schaltung liefert verschiedene Resonanzfrequenzen, wodurch eine Übertragung von AC/DC-Speisespannungen möglich ist, der EMP-Ableiter für mehrere Frequenzbänder einsetzbar ist und sich bis zu sehr hohen Frequenzen verwenden lässt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend erläutert. Es zeigen:
Fig.1
ein elektrisches Prinzipschema eines Mehrband-EMP-Ableiters und
Fig.2
eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemässen EMP-Ableiter.
Der in Fig.2 als steckbare Kupplung ausgestaltete EMP-Ableiter besteht aus einem Aussenleiter 10, der als zylindrisches Gehäuse mit beidseits angeordneten Verbindern 11 und 12 für Schraubanschlüsse oder Steckverbindungen von koaxialen Leitern ausgebildet ist. Dabei ist der Verbinder 11 links in der Zeichnung als Verbindung in das ungeschützte Gebiet, beispielsweise zu einer Antenne gedacht, und der Verbinder 12 rechts in der Zeichnung soll den geschützten Anschluss an ein elektronisches Gerät bilden. In der dargestellten Ausbildung ist vorgesehen, dass dieses EMP-Filter an einer Gehäusedurchführung als Erdverbindung befestigt sein soll. Dazu ist ein Flansch 13 am Aussenleiter 10 vorhanden, der zusammen mit einer Unterlagsscheibe 17 oder dgl. und einer Mutter 16 eine Schraubbefestigung an einer Gehäusewand ergibt. Eine zusätzliche Dichtung 14 aus veredeltem Weichkupfer bewirkt eine widerstandsarme- und induktivitätsarme Kontaktierung.
In ein Mittelteil 10b des Aussenleiters 10 ist ein Gehäuse 20 eingeschraubt, bzw. aufgesetzt. Das Gehäuse 20 wird auch äusserer Hohlzylinder oder äussere Hülse genannt. Dieser äussere Hohlzylinder 20 ist mit einem aufgeschraubten Abschlussdeckel 21 versehen. In den Abschlussdeckel 21 ist ein gasgefüllter Überspannungsableiter 28 eingesetzt. Dieser Gasableiter 28 ist vorteühafterweise austauschbar und kann durch Öffnen des Abschlussdeckels 21 rasch und einfach ersetzt werden. Die Länge der Leitung 24 lässt sich auf die λ/4 Wellenlänge des tiefsten zu übertragenden Frequenzbandes abstimmen. Der Gasableiter 28 ist zwischen einer Leitung 24 und dem Abschlussdeckel 21 kontaktiert und wirkt kapazitiv im ungestörten Zustand. Die Leitung 24 zwischen dem Innenleiter 30 und dem Gasentladungs-Überspannungsableiter 28 wirkt somit durch dessen Kapazität als λ/4 Kurzschlussleitung des tiefsten zu übertragenden Frequenzbandes.
Mehrere weitere Hohlzylinder oder Hülsen 25,26 sind im Inneren vom äusseren Hohlzylinder 20 um die Leitung 24 angeordnet. An ihrem einen Ende, das gegen den Innenleiter 30 des Koaxialleiters gerichtet ist, sind diese Hülsen 25,26 offen. An ihrem anderen Ende, sind diese Hülsen 25,26 an der Leitung 24 elektrisch leitend befestigt, sodass sich eine Reihenschaltung von Topfkreisen ergibt, die aufgrund ihrer Durchmesser, Längen und ihrer Abstände vom Innenleiter 30 des Koaxialleiters auf gewählte Frequenzbänder und dementsprechend auf gewählte Bandmittenfrequenzen abstimmbar sind. In der gezeigten beispielhaften Ausführungsform sind zwei weitere Hülsen vorgesehen. Dem Fachmann steht es jedoch bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung frei, mehr als zwei solche weitere Hülsen zu verwenden. Die einzelnen Frequenzbänder sind voneinander abhängig und können durch Abstimmen der Schwingkreise eingestellt werden, indem die Längen und Durchmesser der weiteren Hülsen 25,26 entsprechend verändert werden. In Figur 2 sind die Längen l1,l2,l3 die freien, durch Hohlräume voneinander getrennten Wandlängen der ineinander angeordneten Hülsen 20,25,26 eingezeichnet. Die Länge l1 erstreckt sich von der Befestigungsstelle des äusseren Hohlzylinders 20 am Leiter 24 bis zum offenen Ende der längsten der weiteren Hülsen 25,26. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dies die äussere der weiteren Hülsen 26 (auch mittlere Hülse 26 genannt). Die Länge l2 ist die Länge der Wand der inneren der weiteren Hülse 25 (auch innere Hülse 25 genannt). Die Länge l3 erstreckt sich von der Befestigungsstelle der mittleren Hülse 26 am Leiter 24 bis zum offenen Ende der inneren Hülse 25. Die Länge der Hülsen 25,26 lässt sich durch Dielektrika elektrisch verkürzen. Auch lässt sich die Länge der Hülsen 25,26 durch Topfkreise mit höherer Kapazität verkürzen. Hierzu lassen sich beispielsweise spezielle Endscheiben, Topf- oder Zylinderkapazitäten verwenden.
Die Hohlzylinder 20,25,26 und die Kapazität des gasgefüllten Überspannungsableiters 28 sind in Serie geschaltet. Mit der Leitung 24, der Kapazität des gasgefüllten Überspannungsableiters 28 und den Längen der Hohlzylinder 25,26 lassen sich verschiedene Frequenzbänder bis 18 GHz übertragen. Der äussere Hohlzylinder 20 erlaubt die Übertragung eines Frequenzbandes f1, der mittlere Hohlzylinder 26 erlaubt die Übertragung eines Frequenzbandes f2 und der innere Hohlzylinder 25 erlaubt die Übertragung eines Frequenzbandes f3. Fig.1 zeigt, dass die elektrische Wirkung der mechanischen Resonanzkreise die Bandbreite dieser Frequenzbänder f1,f2,f3,... bestimmen. Eine äussere Impedanz Za korrespondiert mit dem äusseren Hohlzylinder 20, eine mittlere Impedanz Zm korrespondiert mit dem mittleren Hohlzylinder 26, eine innere Impedanz Zi korrespondiert mit dem inneren Hohlzylinder 25. Beispielsweise und gemäss der Ausführungsform ist daher f1 = < f2 = < f3, wobei fn = 1/2πx√LnxCn, wobei n = 1,2,3,... die Anzahl Hohlzylinder bzw. Frequenzbänder angibt. Somit lassen sich verschiedene Frequenzbänder übertragen und vor schädlichen Störern schützen, sodass Endgeräte verschiedenster Art vor EMP-Einwirkungen geschützt werden können. Insbesondere erlaubt die AC/DC-Entkopplung durch die Kapazität des gasgefüllten Überspannungsableiters gegen das Gehäuse 20 eine zusätzliche Übertragung von AC/DC-Speisespannungen, beispielsweise zu an Antennen exponiert angebrachten Mast-Head-Amplifier.

Claims (9)

  1. EMP-Ableiter in einer Koaxialleitung bestehend aus einem in einen Aussenleiter (10) aufgesetzten Gehäuse (20) und einem mit einem Innenleiter der Koaxialleitung (30) elektrisch durch eine Leitung (24) verbundenen Gasentladungs-Überspannungsableiter (28), dadurch gekennzeichnet, dass der Gasentladungs-Überspannungsableiter (28) zwischen Gehäuse (20) und einer λ/4 Leitung (24) auswechselbar eingesetzt ist, und dass im Innern des Gehäuses (20) mindestens ein, vorzugsweise mehrere in Serie zum Gasentladungs-Überspannungsableiter (28) geschaltete, ineinander angeordnete Hülsen (25,26) unterschiedlicher Länge (l1,l2,l3) und mit unterschiedlichem Durchmesser angeordnet sind, was verschiedene Resonanzfrequenzen zur Folge hat.
  2. EMP-Ableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Leitung (24) auf die λ/4 Wellenlänge des tiefsten übertragenen Frequenzbandes abgestimmt ist.
  3. EMP-Ableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längen der Hülsen (25,26) als Topfkreise durch ihre Länge auf verschiedene Bandmittenfrequenzen abgestimmt sind.
  4. EMP-Ableiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülsen (25,26) koaxial zur Leitung (24) angeordnet sind und an ihrem vom Koaxialleiter beabstandeten Ende sowohl mechanisch als auch elektrisch leitend verbunden sind.
  5. EMP-Ableiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der einzelnen Hülsen (25,26) auf die Bandbreite der durchzulassenden Frequenzbänder abgestimmt sind.
  6. EMP-Ableiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmung der Frequenzbänder mittels der Stelle der Kontaktierung der Hülsen (25,26) an der Leitung (24) bestimmbar ist.
  7. EMP-Ableiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Hülsen (25,26) durch Dielektrika elektrisch verkürzt sind.
  8. EMP-Ableiter nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Baulänge der Hülsen (25,26) durch Topfkreise mit höherer Kapazität verkürzt ist.
  9. EMP-Ableiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die höhere Kapazität durch Endscheiben, Topf- oder Zylinderkapazitäten gebildet ist.
EP98101083A 1997-01-27 1998-01-22 EMP-Ableiter Expired - Lifetime EP0855756B1 (de)

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CH158/97 1997-01-27
CH15897 1997-01-27
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Country Status (7)

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EP (1) EP0855756B1 (de)
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