EP0938166B1 - EMP-Ableiter - Google Patents

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EP0938166B1
EP0938166B1 EP99810133A EP99810133A EP0938166B1 EP 0938166 B1 EP0938166 B1 EP 0938166B1 EP 99810133 A EP99810133 A EP 99810133A EP 99810133 A EP99810133 A EP 99810133A EP 0938166 B1 EP0938166 B1 EP 0938166B1
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EP
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charge eliminator
line
emp
decoupled
arrester
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Huber and Suhner AG
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Huber and Suhner AG
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    • 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
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
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    • 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
    • H01R24/44—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 impedance matching means
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Definitions

  • the present invention relates to an EMP arrester in a coaxial line of a housing placed in the outer conductor and one with the inner conductor the coaxially electrically connected ⁇ / 4 line at their The end of an arrester is contacted with the housing in accordance with the definition of the claims.
  • Swiss patent application 158/97 provides for a gas discharge - Surge arrester which is between the outer conductor of the coaxial line and the ⁇ / 2 line is contacted to derive interference currents and interference voltages or reflect.
  • This ⁇ / 2 line with its pot circles and the in series switched gas discharge surge arrester acts as a frequency selective Filters for multiple frequency bands and allows the simultaneous transmission of AC / DC supply voltages.
  • the EMP arrester according to an embodiment of claim 1 shows an arrester that is between the housing and an electrically extended ⁇ / 4 line is used interchangeably, wherein a capacitance is connected in parallel to the arrester, which also carries the line for HF connects the housing and together with the ⁇ / 4 line a parallel resonant circuit forms.
  • Gas discharge surge arresters are suitable as surge arresters, Varistors or different types of diodes.
  • This circuit enables the transmission of AC / DC supply voltage and is for suitable for the simultaneous transmission of RF frequency bands with high power, without generating intermodulation products or without Use of a gas discharge surge arrester whose extinguishing behavior negatively changes. Furthermore, this switching arrangement enables the transmission of large ones HF power, this in broad frequency bands, with very high, with upwards in principle unlimited frequencies and with the smallest static response voltage the surge arrester. With this invention, terminals with AC / DC dine and at the same time effectively protect against harmful electrical surges.
  • the sectional view according to FIG. 2 or 6, for example, as a plug-in coupling designed EMP arrester consists of an outer conductor 10, which as a cylindrical Housing with connectors 11 and 12 arranged on both sides for screw connections or has plug connections of coaxial conductors.
  • the connector is 11 left in the drawing as a connection to the unprotected area, for example to an antenna, thought and the connector 12, right in the drawing is supposed to be the protected one Connect to an electronic device.
  • this EMP arrester on a screw connection or to be attached to a housing bushing as an earth connection. Is to a screw connection 18 or a flange 13 on the outer conductor 10 is present together with a washer 17 or the like.
  • An outer hollow cylinder is screwed into a middle part 106 of the outer conductor 10 or put on.
  • This outer hollow cylinder 20 is with a screwed end cover 21 provided.
  • An arrester 28 is inserted into the end cover 21.
  • the arrester 28 can as a gas discharge surge arrester (see Figures 1 and 2), or as a Varistor (see FIG. 3), or also as a diode, for example as a transzorb diode, zener diode, Suppressor diode, protection diode, etc. (see Figure 4) can be designed.
  • the arrester 28 is interchangeable and can be opened by opening the cover 21 can be replaced quickly and easily.
  • the length of line 24 is electrical extended ⁇ / 4 wavelength of the frequency band to be transmitted tuned.
  • the Diverter 28 is contacted between a line 24 and the end cover 21.
  • the disk 40 with the concentrated capacitance 41 is arranged parallel to the arrester 28.
  • the line 24 between the inner conductor 30 and the arrester 28 acts by the capacitance of the capacitance 41 as the ⁇ / 4 short-circuit line of the transmission Frequency band.
  • the electrical length of line 24 can be achieved by attaching dielectrics 25 Shorten geometrically in the area of the line 24. For this reason they are hollow cylinders 20 and conductor 24 in Figures 2 and 6 shown interrupted. Also lets the length of line 24 is concentrated by attaching one or more Capacities or reactances, which are, for example, by one or more End disks 26, cup or cylinder capacities are formed, shorten geometrically. These measures are optional, but they have many advantages because they enable, for example, a small installation dimension, thereby simple assembly, etc..
  • the bandwidth of the frequency band to be transmitted can be subdivided of the inner conductor 30 into different line sections 31, 32, 33, 34, with attribution corresponding wave impedances.
  • An exemplary arrangement such line sections 31, 32, 33, 34 is shown in Figures 5 and 6.
  • the Bandwidth of the frequency band to be transmitted via bandpass transformations set to up to an octave.
  • the concentrated capacitance 41 and the arrester 28 are connected in parallel. With the Line 24, the dielectric 25 attached in the area of line 24, one or a plurality of end disks 26 of the line 24 and the concentrated capacity 41 the arrester 28 decouple to such an extent that the transmitted HF frequency band No voltage maxima occur at the front. That way For example, a gas discharge surge arrester cannot pre-ionize.
  • the dielectric 25 attached in the area of the line 24, one or more end disks 26 of the line 24, the line sections 31, 32, 33, 34 and their impedances becomes the bandwidth as well as the frequency range of the transmitted signal determined.
  • This allows bandwidths up to an octave realize and at the same time transfer AC / DC supply voltages and protect against harmful Protect interferers, so that all kinds of end devices against EMP effects can be protected.
  • For example. become frequency bands between 100 MHz and 30 GHz transmitted.
  • the level of the transmissible frequencies is determined by the inventive Switching is not limited per se, the connector sizes are limiting. It is quite possible to use frequencies when using other connector sizes to be transmitted far above 30 GHz.

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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 Leitung an deren Ende ein Ableiter mit dem Gehäuse kontaktiert ist gemäss der Definition der Ansprüche.
Elektromagnetische Impulse künstlicher Art, wie sie von Motoren, Schaltern, getakteten Netzteilen oder ähnlichem erzeugt werden können, sowie natürlichen Ursprungs, wie von direkten oder indirekten Blitzschlägen, 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 EMP - Gasableiter auch EMP - Charge - Eliminator genannt, mit denen diese schädlichen Ströme, Spannungen und bestimmte Frequenzen abgeleitet oder reflektiert werden können. Solche Anordnungen sind aus dem Schweizer Patent CH-660261 und aus den Schweizer Patentanmeldungen 914/95, 158/97 bekannt.
In der Schweizer Patentanmeldung 158/97 ist vorgesehen, mittels eines Gasentladungs - Überspannungsableiters welcher zwischen dem Aussenleiter der Koaxialleitung und der λ/2 Leitung kontaktiert ist Störströme und Störspannungen abzuleiten oder zu reflektieren. Diese λ/2 Leitung mit ihren Topfkreisen und des in Serie geschalteten Gasentladungs - Überspannungsableiters wirkt als frequenzselektives Filter für mehrere Frequenzbänder und ermöglicht die gleichzeitige Übertragung von AC/DC Speisespannungen.
Bekannte Schutzschaltungen mit Gasentladungs - Überspannungsableiter weisen mehrere Nachteile auf. So werden bei der Übertragung von HF-Leistungen Intermodulationsprodukte generiert. Durch die HF-Leistung resultiert eine gewisse Vorionisation, wodurch die Gasentladungs- Überspannungsableiter ein vermindertes Löschverhalten aufweisen. Ferner ist die statische Ansprechspannung der Gasentladungs - Überspannungsableiter von der HF-Sendeleistung abhängig. Diese Nachteile schränken die Anwendung von Gasentladungs - Überspannungsableitern in Sendezweigen ein.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen EMP-Ableiter zu schaffen, der bei der Übertragung von HF-Sendeleistungen keine Intermodulationsprodukte generiert, keine Verschlechterung des Löschverhaltens aufzeigt, der unabhängig von der gewählten Sendeleistung mit einem Überspannungsableiter der kleinsten möglichen Ansprechspannung bestückbar ist und der gleichzeitig die Übertragung von AC/DC-Speisespannungen zulässt.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen definierte Erfindung gelöst.
Der EMP-Ableiter gemäss einer Ausführungsform von Anspruch 1 zeigt einen Ableiter, der zwischen Gehäuse und einer elektrisch verlängerten λ/4 Leitung auswechselbar eingesetzt ist, wobei parallel zum Ableiter eine Kapazität geschaltet ist, welche die Leitung für HF mit dem Gehäuse verbindet und zusammen mit der λ/4 Leitung einen Parallelschwingkreis bildet. Als Überspannungsableiter eignen sich Gasentladungs - Überspannungsableiter, Varistoren oder auch verschiedene Arten von Dioden.
Diese Schaltung ermöglicht die Übertragung von AC/DC-Speisespannung und ist für die gleichzeitige Übertragung von HF-Frequenzbändern mit grosser Leistung geeignet, ohne dass dabei Intermodulationsprodukte generiert werden oder dass sich bei Verwendung eines Gasentladungs - Überspannungsableiters dessen Löschverhalten negativ ändert. Ferner ermöglicht diese Schaltanordnung die Übertragung von grossen HF-Leistungen, dies in breiten Frequenzbändern, bei sehr hohen, bei nach oben prinzipiell unbegrenzten Frequenzen und bei kleinster statischer Ansprechspannung der Überspannungsableiter. Mit dieser Erfindung lassen sich Endgeräte mit AC/DC speisen und gleichzeitig wirkungsvoll gegen schädliche Stromstösse schützen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend beispielhaft erläutert: Es zeigen:
Fig.1
ein elektrisches Prinzipschema einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines entkoppelten EMP - Ableiters mit Gasentladungs- Überspannungsabieiter als Ableiter,
Fig. 2
eine beispielhafte Schnittansicht durch einen Teil der ersten bevorzugten Ausführungsform des EMP-Ableiters gemäss Figur 1,
Fig. 3
ein elektrisches Prinzipschema einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines entkoppelten EMP - Ableiters mit einem Varistor als Ableiter,
Fig. 4
ein elektrisches Prinzipschema einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines entkoppelten EMP - Ableiters mit einer Diode als Ableiter,
Fig. 5
ein elektrisches Prinzipschema einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines entkoppelten EMP - Ableiters mit unterschiedlichen Leitungsabschnitten in der Hauptleitung,
Fig. 6
eine beispielhafte Schnittansicht durch einen Teil der weiteren bevorzugten Ausführungsform eines EMP-Ableiters gemäss Figur 5.
Der bspw. in der Schnittansicht gemäss der Fig. 2 oder 6 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 aufweist. 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 den dargestellten beispielhaften Ausführungen ist vorgesehen, diesen EMP-Ableiter an einer Schraubverbindung oder an einer Gehäusedurchführung als Erdverbindung zu befestigen. Dazu ist eine Schraubverbindung 18 oder 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. Andere Befestigungsmöglichkeiten gemäss anderer Verbindungsnormen stehen dem Fachmann bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung grundsätzlich zur Verfügung.
In ein Mittelteil 106 des Aussenleiters 10 ist ein äusserer Hohlzylinder eingeschraubt bzw. aufgesetzt. Dieser äussere Hohlzylinder 20 ist mit einem aufgeschraubten Abschlussdeckel 21 versehen. In den Abschlussdeckel 21 ist ein Ableiter 28 eingesetzt. Mehrere Ausführungsformen von Ableitern 28 sind möglich. Der Ableiter 28 kann als Gasentladungs - Überspannungsableiter (siehe Figuren 1 und 2), oder auch als Varistor (siehe Figur 3), oder auch als Diode, bspw. als Transzorbdiode, Zenerdiode, Suppresordiode, Schutzdiode, usw. (siehe Figur 4) ausgestaltet sein. Vorteilhafterweise ist der Ableiter 28 austauschbar und kann durch Öffnen des Abschlussdeckels 21 rasch und einfach ersetzt werden. Die Länge der Leitung 24 ist auf die elektrisch verlängerte λ/4 Wellenlänge des zu übertragenen Frequenzbandes abgestimmt. Der Ableiter 28 ist zwischen einer Leitung 24 und dem Abschlussdeckel 21 kontaktiert. Die Scheibe 40 mit der konzentrierten Kapazität 41 ist parallel zum Ableiter 28 angeordnet. Die Leitung 24 zwischen dem Innenleiter 30 und dem Ableiter 28 wirkt durch die Kapazitanz der Kapazität 41 als λ/4 Kurzschlussleitung des zu übertragenden Frequenzbandes.
Die elektrische Länge der Leitung 24 lässt sich durch Anbringen von Dielektrika 25 im Bereich der Leitung 24 geometrisch verkürzen. Aus diesem Grund sind Hohlzylinder 20 und Leiter 24 in den Figuren 2 und 6 unterbrochen gezeichnet. Auch lässt sich die Länge der Leitung 24 durch Anbringen von einer oder mehrerer konzentrierten Kapazitäten oder Blindwiderständen, welche bspw. durch eine oder mehrere Endscheiben 26, Topf- oder Zylinderkapazitäten gebildet werden, geometrisch verkürzen. Diese Massnahmen sind optional, aber sie haben vielfältige Vorteile, denn sie ermöglichen ein bspw. geringes Einbaumass, dadurch eine einfache Montage, usw..
Die Bandbreite des zu übertragenden Frequenzbandes lässt sich mittels Unterteilung des Innenleiters 30 in unterschiedliche Leitungsabschnitte 31, 32, 33, 34, mit Zurechnung entsprechender Wellenimpedanzen, bestimmen. Eine beispielhafte Anordnung solcher Leitungsabschnitte 31, 32, 33, 34 ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Mittels dieser Leitungsabschnitte 31, 32, 33, 34 und deren Impedanzen lässt sich die Bandbreite des zu übertragenen Frequenzbandes über Bandpass-Transformationen auf bis zu einer Oktave einstellen.
Die konzentrierte Kapazität 41 und der Ableiter 28 sind parallel geschaltet. Mit der Leitung 24, dem im Bereich der Leitung 24 angebrachten Dielektrika 25, einer oder mehrerer Endscheiben 26 der Leitung 24 und der konzentrierten Kapazität 41 lässt sich der Ableiter 28 soweit entkoppeln, dass durch das übertragene HF - Frequenzband an der Stirnseite keine Spannungsmaxima auftreten. Auf diese Art und Weise kann sich bspw. ein Gasentladungs - Überspannungsableiter nicht vorionisieren.
Mit der Leitung 24, dem im Bereich der Leitung 24 angebrachten Dielektrika 25, einer oder mehrerer Endscheiben 26 der Leitung 24, der Leitungsabschnitte 31, 32, 33, 34 und deren Impedanzen wird die Bandbreite sowie der Frequenzbereich des zu übertragenen Signals bestimmt. Damit lassen sich Bandbreiten bis zu einer Oktave realisieren und gleichzeitig AC/DC Speisespannungen übertragen und vor schädlichen Störern schützen, so dass Endgeräte verschiedenster Art vor EMP - Einwirkungen geschützt werden können. Bspw. werden Frequenzbänder zwischen 100 MHz und 30 GHz übertragen. Die Höhe der übertragbaren Frequenzen wird durch die erfindungsgemässe Schaltung an sich nicht limitiert, limitierend sind die Verbindergrössen. Es ist durchaus möglich, bei Verwendung anderer Verbindergrössen auch Frequenzen weit oberhalb von 30 GHz zu übertragen.

Claims (11)

  1. Entkoppelter EMP - Ableiter in einer Koaxialleitung, mit einem in einen Aussenleiter (10) aufgesetzten Gehäuse (20) und einem mit einem Innenleiter der Koaxialleitung (30) elektrisch durch eine Leitung (24) verbundenen Ableiter (28), dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Ableiter (28) zwischen Gehäuse (20) und Leiter (24) eine konzentrierte Kapazität (41) eingesetzt ist, und diese leitung (24) durch die Kapazitanz der Kapazität (41) als HF-Kurzschluss wirkt und so die Leitung (24) als λ/4 Kurzschlussleitung des zu übertragenden Frequenzbandes wirkt.
  2. Entkoppelter EMP - Ableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Ableiter (28) ein Gasentladungs - Überspannungsableiter mit der Leitung (24) verbunden ist.
  3. Entkoppelter EMP - Ableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Ableiter (28) ein Varistor mit der Leitung (24) verbunden ist.
  4. Entkoppelter EMP - Ableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Ableiter (28) eine Diode mit der Leitung (24) verbunden ist.
  5. Entkoppelter EMP - Ableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Leiters (24) auf die Mitte der elektrisch verlängerten λ/4 Wellenlänge des zu übertragenen Frequenzbandes abgestimmt ist.
  6. Entkoppelter EMP - Ableiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dielektrika (25) im Bereich der Leitung (24) die λ/4 Wellenlänge elektrisch verlängert.
  7. Entkoppelter EMP - Ableiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Endscheiben (26) der Leitung (24) die λ/4 Wellenlänge elektrisch verlängert.
  8. Entkoppelter EMP - Ableiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Durchmesser des Gehäuses (20) die Bandbreite des durchzulassenden Frequenzbandes bestimmt ist.
  9. Entkoppelter EMP - Ableiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Endscheiben oder Topf- oder Zylinderkapazitäten im Bereich der Leitung (24) konzentrierte Kapazitäten bilden und die λ/4 Wellenlänge elektrisch verlängern.
  10. Entkoppelter EMP - Ableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Leitungsabschnitte (31, 32, 33, 34) entsprechender Wellenimpedanz die Bandbreite des Frequenzbandes bestimmen.
  11. Verwendung des entkoppelten EMP - Ableiters nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auch bei grosser Sendeleistung ein Ableiter (28) mit der kleinsten verfügbaren statischen und dynamischen Ansprechspannung eingesetzt werden kann, ohne dass diese Ableiter (28) durch die Sendeleistung zum Zünden gebracht oder am Löschen gehindert wird.
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