EP2216851A1 - Koaxialer Überspannungsableiter - Google Patents

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Publication number
EP2216851A1
EP2216851A1 EP09015318A EP09015318A EP2216851A1 EP 2216851 A1 EP2216851 A1 EP 2216851A1 EP 09015318 A EP09015318 A EP 09015318A EP 09015318 A EP09015318 A EP 09015318A EP 2216851 A1 EP2216851 A1 EP 2216851A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
inner conductor
surge arrester
conductor
short
line
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09015318A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Grassl
Josef Landinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Spinner GmbH
Original Assignee
Spinner GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Spinner GmbH filed Critical Spinner GmbH
Publication of EP2216851A1 publication Critical patent/EP2216851A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • H01P1/202—Coaxial filters

Definitions

  • the invention relates to a coaxial surge arrester from a Koaxial effetsabites with a characteristic impedance Z 0 , a parallel connected coaxial ⁇ / 4 short-circuit line with a characteristic impedance Z K > Z 0 and both sides of the connection of the short-circuit line each a serial transformation line with a characteristic impedance Z T ⁇ Z 0 ,
  • FIG. 1 For example, a surge arrester is known which comprises a coaxial line section to which a coaxial ⁇ / 4 short-circuit line is connected in parallel.
  • the inner conductor of this short-circuit cable is galvanically connected at the end to the outer conductor.
  • This short transforms at the frequency corresponding to the wavelength ⁇ , ie the center frequency for which the surge arrester is dimensioned, into an open circuit, so that the short circuit is effective only for direct current and in particular low-frequency alternating voltage signals.
  • a surge arrester of basically the same construction is known, but in which the inner conductor of the short-circuiting line is connected at the end to the outer conductor via a capacitance dimensioned to act as a short-circuit at and near the center frequency.
  • the inner conductor and the outer conductor of the Koaxial endeavorsabitess electrically isolated from each other, so that over the surge arrester and DC and low-frequency signals can be transmitted, which can be fed either via one end of the coaxial line section or on the ⁇ / 4 stub.
  • a gas-filled arrester capsule a so-called gas discharge pill
  • a gas discharge pill can be arranged between the end of the inner conductor of the short-circuit line and the outer conductor, in another embodiment in the branch point of the inner conductor of the short-circuit line of the inner conductor of the Koaxial effetsabitess.
  • Both embodiments are only permeable to the center frequency for a relatively narrow frequency band.
  • US Pat. No. 3,970,969 It is known to increase the bandwidth on both sides of the connection of the short-circuit line depending on a serial transformation line with a characteristic impedance Z T , which is about 20% smaller than the characteristic impedance Z 0 of the coaxial line section to arrange in the latter.
  • Such a surge arrester can be designed, for example, for 800 MHz to 2.5 GHz with a sufficiently low standing wave ratio (VSWR).
  • the invention is therefore based on the object to provide such a surge arrester available.
  • each of the transformation lines as the inner conductor has a first portion of the inner conductor of the Koaxial Hartmansabitess and outer conductor as a portion of the outer conductor of the Koaxial Hartsabitess. This reduces the overall length of the surge arrester.
  • each of the ⁇ / 4 idle lines as inner conductor has a second portion of the inner conductor of the Koaxial effetsabitess arranged in the continuation of the first section and as outer conductor, the inner wall of a sleeve coaxially enclosing this second portion, at its the equilateral terminal of the surge arrester facing end is electrically connected to the inner conductor and open at its other end.
  • each of the further ⁇ / 4 short-circuiting lines consists of one piece of the inner conductor of the coaxial line section comprising a bore open to the equilateral terminal of the surge arrester, the inner wall forming the outer conductor and having a coaxial core which forms the inner conductor of the ⁇ / 4 short-circuit line.
  • a compact design can furthermore be achieved in that the transformation lines as the inner conductor each have a portion of the inner conductor of the Koaxial Hartsabitess and outer conductor, the inner wall of a coaxial enclosing these sections sleeve which is connected at one of its ends to the outer conductor of the Koaxial effetsabitess galvanic.
  • a mechanical shortening can also be achieved in that the one idle line as an inner conductor has a further section of the inner conductor of the Koaxial Hartsabitess and outer conductor, the inner wall of a further portion of the inner conductor enclosing sleeve, the open at its the terminal of the surge arrester end facing and at its other end is galvanically connected to the inner conductor, and that the other no-load line as inner conductor has the outer circumferential surface of the equilateral portion of the sleeve and as outer conductor has a portion of the outer conductor of the Koaxial effets.
  • one of the further ⁇ / 4 short-circuit lines has a core in a bore in the inner conductor of the coaxial line section, the bore being open on the side of the parallel-connected short-circuit line, and this further short-circuit line being the outer conductor of the wall has this bore, and that the other of the other ⁇ / 4 short-circuit lines as inner conductor has the outer circumferential surface of the sleeve and as outer conductor has a portion of the outer conductor of the Koaxial effetsabitess.
  • dielectrics in the form of disks or sleeves may be arranged between the respective inner conductor and outer conductor in order to bring the electrical length and / or the characteristic impedance to a desired, generally calculated value for given mechanical dimensions.
  • the prior art surge arrester shown comprises a coaxial line section consisting of an inner conductor 100, an outer conductor 101, a dielectric 102 between the inner conductor 100 and the outer conductor 101 and two-sided terminals, here in the form of a 7-16 pin connector and a 7-16 socket connector ,
  • a coaxial line section branches off a ⁇ / 4 short-circuit line KL, which has an inner conductor 103, which is at its beginning with the inner conductor 100 of the coaxial line portion and at its end with a bottom of a tubular outer conductor 104 respectively electrically connected.
  • the partial lengths of the coaxial line section on both sides of the connection of the short-circuit line KL are constructive, that is dimensioned with respect to the outer diameter of the inner conductor 100, the type of the dielectric 102 and the inner diameter of the outer conductor 101 so that they each have a larger relative to the input to increase the bandwidth.
  • and output side characteristic impedance Z 0 of, for example, 50 ⁇ of the coaxial line section form low-resistance transformation line TL 1 and TL 2.
  • the dimensions to be maintained for this surge arrester as a function of the center frequency and the bandwidth are known to the person skilled in the art.
  • the inner conductor 103 of the short-circuit line KL is either initially connected to the inner conductor 100 of the Koaxial effetsabitess KA or at the end to the bottom of the outer conductor 104 via a capacitor which is dimensioned so that it acts in the useful band of the surge arrester as a high frequency short circuit.
  • FIG. 2 shows the equivalent circuit diagram of the surge arrester in FIG. 1 ,
  • the left side connector terminal is "Port 1" and the right side connector terminal is "Port 2".
  • Z S and Z T the respective characteristic impedance Z is designated.
  • FIG. 3 shows a partial equivalent circuit diagram of the surge arrester according to the invention, whose complete construction will be described later with reference to FIGS. 8 and 9 will be explained.
  • the partial equivalent circuit diagram according to FIG. 3 differs from FIG. 2 by the insertion of each one ⁇ / 4 idle line LL 1 or LL 2 between the respective terminal and the equilateral transformation line TL 1 or TL 2.
  • FIG. 4 shows for a specific application, namely a characteristic impedance, more precisely, an input impedance Z 0 of 50 ⁇ at a center frequency of about 3.5 GHz, the effect of one of the ⁇ / 4 idle lines in FIG. 3 to the frequency-dependent profile of the imaginary part of the input impedance in comparison to the frequency-dependent profile of the imaginary part of the input impedance of the surge arrester according to FIG FIG. 1 and FIG. 2 ,
  • the value of the imaginary part of the input impedance of the surge arrester according to FIG. 1 as a function of the frequency f is shown in solid line, that of a ⁇ / 4-idle line LL 1 or LL 2 in dashed line.
  • the absolute value of the imaginary part of the input impedance increases significantly in the direction of both band boundaries.
  • the dummy component represented by the imaginary part is positive at the lower band limit (inductive behavior) and negative at the upper band limit (capacitive behavior).
  • the ⁇ / 4 open-circuit line has a substantially opposite course of the imaginary part of the input impedance.
  • the reactance of the other parts of the surge arrester on both sides of the center frequency is also largely compensated in terms of magnitude.
  • a particularly good compensation is achieved when the characteristic impedance Z w of the idle lines LL 1 and LL 2 is about one tenth of the characteristic impedance Z L of the surge arrester.
  • the imaginary part has the input impedance of a surge arrester according to FIG. 3 the in FIG. 5 shown, frequency-dependent course, thus has over the large bandwidth of about 810 MHz to about 6 GHz only a very small reactive component.
  • the inner conductor of the short-circuit line KL is not galvanic but, as known per se and explained in the beginning, capacitively connected to either the inner conductor of the Koaxial effetsabitess or the outer conductor of this short-circuit line, optionally below Insertion of a gas discharge pill.
  • FIG. 8 shows a surge arrester according to the present proposal, in such an embodiment, ie with galvanic isolation between the inner conductor and outer conductor and thus suitable for the transmission of direct currents and / or low-frequency signals.
  • the surge arrester is substantially symmetrical to the connection of the center-branching, parallel-connected ⁇ / 4 short-circuit line KL. It is known to consist of an inner conductor 11 which is connected at its end to the bottom of a tubular outer conductor 12 electrically conductive.
  • the beginning of the inner conductor 11 is conductively connected to a metallic pot 51, in which a gas discharge pill GP is arranged, whose one electrode is contacted via the indicated spring to the bottom of the pot 51 and the other electrode thereby contacted with the bottom of a bore 53 in a Inner conductor section I is contacted, which receives the pot 51 and a wall of its enclosing zylinderisches insulating 52.
  • the outer wall of the pot 51 and the inner wall of the bore 53 together with the acting as a dielectric cylindrical insulating 52 a tubular capacitor whose capacitance is such that it in the pass band of the surge arrester as HF-moderate short circuit between the inner conductor section I and the inner conductor 11 of Short circuit line KL acts.
  • the beginning of the inner conductor 11 may be galvanically connected to the inner conductor section I and instead the end of the inner conductor 11 may be capacitively connected to the outer conductor 12. If a galvanic separation between the outer conductor and the inner conductor of the surge arrester is dispensed with, both the beginning and the end of the inner conductor 11 are galvanically connected to the inner conductor section I and the outer conductor 12, respectively.
  • an idle line LL 1 with a length B and an inner conductor 31, which continues the inner conductor 21.
  • the outer conductor is formed by a bore 33 in a further inner conductor section II, which surrounds the inner conductor 31 coaxially and is electrically isolated from this.
  • a dielectric sleeve 32 is arranged, which reduces the characteristic impedance Z L of the idle line LL 1 to about one tenth of Z 0 and increases its electrical length to about ⁇ / 4 at the band center frequency.
  • the idle line LL 1 is, seen electrically, connected to the left-side surge arrester in the form of a female connector via a further short-circuit line GD 1 with the length C. It has as inner conductor 41, a core of a bore in the inner conductors 31, 21 and as outer conductor 42, the inner wall of this bore.
  • the outer conductor III of the surge arrester is assembled for assembly reasons of two parts screwed together or otherwise connected parts.
  • FIG. 9 a further embodiment of the surge arrester is shown, in which the inner conductor and the outer conductor are galvanically connected together. This embodiment is not symmetrical to the center plane, because the idle line LL 2 is realized on the outer conductor.
  • the short-circuit line KL consists of the inner conductor 211 and the outer conductor 212.
  • the inner conductor 211 is electrically conductively connected to an inner conductor 2 I and to an outer conductor portion 2 III. If desired, however, an only capacitive coupling analog in this case FIG. 8 to the inner conductor 2 I or the outer conductor section 2 III can be realized.
  • the idle line LL 1 (length B) with the inner conductor 231 as a galvanically separated continuation of the inner conductor 2 I and an outer conductor 233 in the form of the inner wall of a bore in the inner conductor section 2I.
  • the inner conductor 231 and the outer conductor 233 is located as in the case of FIG. 8 a dielectric sleeve 32.
  • connection to the left-side connector establishes the further short-circuit line GD 1 (length C) whose inner conductor 241 is analog FIG. 8 from the core of a bore 242 in the inner conductor 2 I consists.
  • the outer conductor of the further short-circuit line GD 1 forms the inner wall of this bore 242 in the inner conductor section 2 I.
  • the outer conductor section 2 V of the surge arrester is interrupted by the following idle line LL 2.
  • Its inner conductor 51 consists of a portion of an inner conductor portion 261, whose outer conductor 53 from the inner wall of a bore in the section 2 V the outer conductor of the surge arrester.
  • a dielectric sleeve 52 is arranged, which causes a reduction of the characteristic impedance and an electrical extension of the idle line.

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Abstract

Ein koaxialer Überspannungsableiter aus einem Koaxialleitungsabschnitt mit einem Wellenwiderstand Z 0 , einer parallel angeschlossenen koaxialen »/4-Kurzschlussleitung (KL) mit einem Wellenwiderstand Z K > Z 0 und beidseits des Anschlusses der Kurzschlussleitung (KL) je einer seriellen Transformationsleitung (TL1, TL2) mit einem Wellenwiderstand Z T < Z 0 , hat eine große Bandbreite, wenn auf jede der Transformationsleitungen (TL1, TL2) eine »/4-Leerlaufleitung (LL1, LL2) mit einem Wellenwiderstand Z L < Z 0 folgt, die mit einer weiteren »/4-Kurzschlussleitung (GD1, GD2) abgeschlossen ist, deren Wellenwiderstand Z GD > Z 0 ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen koaxialen Überspannungsableiter aus einem Koaxialleitungsabschnitt mit einem Wellenwiderstand Z0, einer parallel angeschlossenen koaxialen λ/4-Kurzschlussleitung mit einem Wellenwiderstand ZK > Z0 und beidseits des Anschlusses der Kurzschlussleitung je einer seriellen Transformationsleitung mit einem Wellenwiderstand ZT < Z0.
  • Aus der EP 0 978 894 B1 , Figur 1 ist ein Überspannungsableiter bekannt, der einen Koaxialleitungsabschnitt umfasst, zu dem eine koaxiale Ä/4-Kurzschlussleitung parallel geschaltet ist. Der Innenleiter dieser Kurzschlussleitung ist am Ende mit dem Außenleiter galvanisch verbunden. Dieser Kurzschluss transformiert bei der der Wellenlänge λ entsprechenden Frequenz, d.h. der Mittenfrequenz für die der Überspannungsableiter dimensioniert ist, in einen Leerlauf, so dass der Kurzschluss nur für Gleichstrom und insbesondere niederfrequente Wechselspannungssignale wirksam ist.
  • Aus der EP 0 938 166 A1 ist ein Überspannungsableiter grundsätzlich gleichen Aufbaus bekannt, bei dem jedoch der Innenleiter der Kurzschlussleitung am Ende über eine Kapazität mit dem Außenleiter verbunden ist, die so dimensioniert ist, dass sie bei und in der Nähe der Mittenfrequenz wie ein Kurzschluss wirkt. Bei hochfrequenzmäßig gleichem Verhalten wie der zuvor genannte Überspannungsableiter sind der Innenleiter und der Außenleiter des Koaxialleitungsabschnitts galvanisch voneinander getrennt, so dass über den Überspannungsableiter auch Gleichstrom und niederfrequente Signale übertragen werden können, die wahlweise über ein Ende des Koaxialleitungsabschnitts oder über die λ/4-Stichleitung eingespeist werden können. Zur Verbesserung des Ableitvermögens insbesondere für EMP-Ereignisse kann zwischen dem Ende des Innenleiters der Kurzschlussleitung und dem Außenleiter, in einer anderen Ausführungsform im Abzweigpunkt des Innenleiters der Kurzschlussleitung von dem Innenleiter des Koaxialleitungsabschnitts, eine gasgefüllte Ableiterkapsel, eine sogenannte Gasentladungspille, angeordnet sein.
  • Beide Ausführungsformen sind nur für ein relativ schmales Frequenzband um die Mittenfrequenz durchlässig. Aus der US 3 970 969 A ist es bekannt, zur Vergrößerung der Bandbreite beidseits des Anschlusses der Kurzschlussleitung je eine serielle Transformationsleitung mit einem Wellenwiderstand ZT, der etwa 20% kleiner als der Wellenwiderstand Z0 des Koaxialleitungsabschnitts ist, in letzterem anzuordnen. Ein derartiger Überspannungsableiter kann z.B. für 800 MHz bis 2,5 GHz mit ausreichend niedrigem Stehwellenverhältnis (VSWR) ausgelegt werden.
  • Insbesondere für Mobilfunkanwendungen ist jedoch ein Überspannungsableiter mit erheblich größerer Bandbreite wünschenswert.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Überspannungsableiter zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe ist ausgehend von einem koaxialen Überspannungsableiter mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf jede der Transformationsleitungen eine λ/4-Leerlaufleitung mit einem Wellenwiderstand ZL < Z0 folgt, die mit einer weiteren λ/4-Kurzschlussleitung abgeschlossen ist, deren Wellenwiderstand ZGD > Z0 ist.
  • Ein derartiger Überspannungsableiter hat im Vergleich zu den bisher bekannten Überspannungsableitern bei gleichem VSWR etwa die doppelte Frequenzbandbreite, z.B. von 800 MHz bis 6 GHz, bei einem VSWR, das über den größten Teil dieser Bandbreite unter 1,05 bleibt. Das gilt insbesondere, wenn
    • die Transformationsleitungen λ/4-Leitungen sind,
    • der Wellenwiderstand der λ/4-Kurzschlussleitung größer als das doppelte des Wellenwiderstandes Z0 des Koaxialleitungsabschnitts ist,
    • der Wellenwiderstand der λ/4-Leerlaufleitungen ungefähr 1/10 des Wellenwiderstandes Z0 des Koaxialleitungsabschnitts beträgt
    • und/oder der Wellenwiderstand der jeweiligen weiteren λ/4-Kurzschlussleitungen etwa 20% größer als der Wellenwiderstand Z0 des Koaxialleitungsabschnitts ist.
  • Je nach geforderter Bandbreite können eine, mehrere oder alle vorgenannten Bemessungen realisiert werden.
  • Der Innenleiter der parallel angeschlossenen λ/4-Kurzschlussleitung kann statt galvanisch
    • mit dem Innenleiter des Koaxialleitungsabschnitts kapazitiv verbunden sein,
    • alternativ mit dem Außenleiter der λ/4-Kurzschlussleitung kapazitiv verbunden sein,
    • über eine Gasentladungspille entweder mit dem Außenleiter der Kurzschlussleitung oder mit dem Innenleiter des Koaxialleitungsabschnitts kapazitiv verbunden sein.
  • Vorzugsweise hat jede der Transformationsleitungen als Innenleiter ein erstes Teilstück des Innenleiters des Koaxialleitungsabschnitts und als Außenleiter ein Teilstück des Außenleiters des Koaxialleitungsabschnitts. Dadurch verringert sich die Baulänge des Überspannungsableiters.
  • Das Gleiche gilt für eine Ausführungsform, bei der jede der Ä/4-Leerlaufleitungen als Innenleiter ein in der Fortsetzung des ersten Teilstücks angeordnetes zweites Teilstück des Innenleiters des Koaxialleitungsabschnitts und als Außenleiter die Innenwand einer dieses zweite Teilstück koaxial umschließende Hülse hat, die an ihrem dem gleichseitigen Anschluss des Überspannungsableiters zugewandten Ende mit dessen Innenleiter galvanisch verbunden und an ihrem anderen Ende offen ist.
  • Ebenso trägt es zur Verkürzung der Baulänge bei, wenn jede der weiteren Ä/4-Kurzschlussleitungen aus einem Stück des Innenleiters des Koaxialleitungsabschnitts besteht, das eine zu dem gleichseitigen Anschluss des Überspannungsableiters offene Bohrung umfasst, deren Innenwand den Außenleiter bildet und die einen koaxialen Kern hat, der den Innenleiter der λ/4-Kurzschlussleitung bildet.
  • Eine kompakte Bauform lässt sich desweiteren dadurch erreichen, dass die Transformationsleitungen als Innenleiter je ein Teilstück des Innenleiters des Koaxialleitungsabschnitts und als Außenleiter die Innenwand einer diese Teilstücke koaxial umschließenden Hülse haben, die an einem ihrer Enden galvanisch mit dem Außenleiter des Koaxialleitungsabschnitts verbunden ist.
  • Eine mechanische Verkürzung kann auch dadurch erreicht werden, dass die eine Leerlaufleitung als Innenleiter ein weiteres Teilstück des Innenleiters des Koaxialleitungsabschnitts und als Außenleiter die Innenwand einer dieses weitere Teilstück des Innenleiters umschließenden Hülse hat, die an ihrem dem gleichseitigen Anschluss des Überspannungsableiters zugewandten Ende offen und an ihrem anderen Ende mit dem Innenleiter galvanisch verbunden ist, und dass die andere Leerlaufleitung als Innenleiter die äußere Mantelfläche des gleichseitigen Teils der Hülse und als Außenleiter einen Abschnitt des Außenleiters des Koaxialleitungsabschnitts hat.
  • Schließlich ist es auch vorteilhaft, wenn die eine der weiteren Ä/4-Kurzschlussleitungen als Innenleiter einen Kern in einer Bohrung in dem Innenleiter des Koaxialleitungsabschnitts hat, wobei die Bohrung auf der Seite der parallel angeschlossenen Kurzschlussleitung offen ist und diese weitere Kurzschlussleitung als Außenleiter die Wandung dieser Bohrung hat, und dass die andere der weiteren Ä/4-Kurzschlussleitungen als Innenleiter die äußere Mantelfläche der Hülse und als Außenleiter einen Abschnitt des Außenleiters des Koaxialleitungsabschnitts hat.
  • In allen Ausführungsformen können, wie an sich bekannt, zwischen dem jeweiligen Innenleiter und Außenleiter Dielektrika in Form von Scheiben oder Hülsen angeordnet sein, um bei gegebenen mechanischen Abmessungen die elektrische Länge und/oder den Wellenwiderstand auf einen gewünschten, im Regelfall errechneten Wert zu bringen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
    • Figur 1:
    einen Überspannungsableiter nach dem Stand der Technik im Längsschnitt,
    Figur 2:
    ein Ersatzschaltbild des Überspannungsableiters in Figur 1,
    Figur 3:
    ein Teilersatzschaltbild des Überspannungsablei- ters nach der Erfindung, nämlich mit im Vergleich zu Figur 2 zusätzlichen Ä/4-Leerlaufleitungen, jedoch noch ohne die weiteren Ä/4-Kurzschlusslei- tungen,
    Figur 4:
    in durchgezogener Linie den frequenzabhängigen Verlauf des Imaginärteils der Eingangsimpedanz des Überspannungsableiters gemäß Figur 1, ergänzt um den gestrichelt dargestellten, frequenzabhän- gigen Verlauf des Imaginärteils der Eingangsimpe- danz einer der zusätzlichen Ä/4-Leerlaufleitungen in Figur 3,
    Figur 5:
    den frequenzabhängigen Verlauf des Imaginärteils der Eingangsimpedanz des Überspannungsableiters gemäß Figur 3, d.h. mit zwei Ä/4-Leerlaufleitun- gen
    Figur 6:
    den frequenzabhängigen Verlauf des VSWR des Über- spannungsableiters nach der Erfindung,
    Figur 7:
    ein vollständiges Ersatzschaltbild des Überspan- nungsableiters nach der Erfindung,
    Figur 8:
    ein erstes Ausführungsbeispiel eines Überspan- nungsableiters nach der Erfindung im Längsschnitt und
    Figur 9:
    ein zweites Ausführungsbeispiel eines Überspan- nungsableiters nach der Erfindung.
  • Der in Figur 1 dargestellte Überspannungsableiter nach dem Stand der Technik umfasst einen Koaxialleitungsabschnitt, bestehend aus einem Innenleiter 100, einem Außenleiter 101, einem Dielektrikum 102 zwischen dem Innenleiter 100 und dem Außenleiter 101 sowie beidseitigen Anschlüssen, hier in Form eines 7-16 Stiftsteckverbinders und eines 7-16 Buchsensteckverbinders. In der Mitte des Koaxialleitungsabschnitts zweigt eine λ/4-Kurzschlussleitung KL ab, die einen Innenleiter 103 hat, der an seinem Anfang mit dem Innenleiter 100 des Koaxialleitungsabschnitts und der an seinem Ende mit einem Boden eines rohrförmigen Außenleiters 104 jeweils galvanisch verbunden ist. Die Teillängen des Koaxialleitungsabschnitts beidseits des Anschlusses der Kurzschlussleitung KL sind konstruktiv, das heißt hinsichtlich des Außendurchmessers des Innenleiters 100, der Art des Dielektrikums 102 und des Innendurchmessers des Außenleiters 101 so dimensioniert, dass sie zur Vergrößerung der Bandbreite jeweils eine im Verhältnis zu dem eingangs- und ausgangsseitigen Wellenwiderstand Z0 von z.B. 50 Ω des Koaxialleitungsabschnitts niederohmige Transformationsleitung TL 1 und TL 2 bilden. Die für diesen Überspannungsableiter einzuhaltenden Dimensionierungen in Abhängigkeit von der Mittenfrequenz und der Bandbreite sind dem Fachmann bekannt.
  • Ebenfalls bekannt ist eine andere Ausführungsform dieses Überspannungsableiters, die die Übertragung von Gleichströmen und niederfrequenten Signalen ermöglicht. Hierzu ist der Innenleiter 103 der Kurzschlussleitung KL entweder am Anfang mit dem Innenleiter 100 des Koaxialleitungsabschnitts KA oder am Ende mit dem Boden des Außenleiters 104 über eine Kapazität verbunden, die so dimensioniert ist, dass sie im Nutzband des Überspannungsableiters als hochfrequenzmäßiger Kurzschluss wirkt.
  • Figur 2 zeigt das Ersatzschaltbild des Überspannungsableiters in Figur 1. Der linksseitige Steckverbinderanschluss ist mit "Port 1" und der rechtsseitige Steckverbinderanschluss ist mit "Port 2" bezeichnet. Mit ZS bzw. ZT ist der jeweilige Wellenwiderstand Z bezeichnet. Im Übrigen gelten die Bezeichnungen aus Figur 1.
  • Figur 3 zeigt demgegenüber ein Teilersatzschaltbild des Überspannungsableiters nach der Erfindung, dessen vollständige Konstruktion später anhand der Figuren 8 und 9 erläutert werden wird. Das Teilersatzschaltbild gemäß Figur 3 unterscheidet sich von Figur 2 durch die Einfügung je einer Ä/4-Leerlaufleitung LL 1 bzw. LL 2 zwischen den jeweiligen Anschluss und die gleichseitige Transformationsleitung TL 1 bzw. TL 2.
  • Figur 4 zeigt für einen konkreten Anwendungsfall, nämlich einen Wellenwiderstand, genauer gesagt eine Eingangsimpedanz Z0 von 50 Ω bei einer Mittenfrequenz von ca. 3,5 GHz, die Auswirkung einer der λ/4-Leerlaufleitungen in Figur 3 auf den frequenzabhängigen Verlauf des Imaginärteils der Eingangsimpedanz im Vergleich zu dem frequenzabhängigen Verlauf des Imaginärteils der Eingangsimpedanz des Überspannungsableiters gemäß Figur 1 und Figur 2.
  • Der Wert des Imaginärteils der Eingangsimpedanz des Überspannungsableiters gemäß Figur 1 in Abhängigkeit von der Frequenz f ist in durchgezogener Linie dargestellt, derjenige einer Ä/4-Leerlaufleitung LL 1 oder LL 2 in gestrichelter Linie. Im Fall des Überspannungsableiters nach Figur 1 steigt der absolute Betrag des Imaginärteils der Eingangsimpedanz in Richtung beider Bandgrenzen erheblich an. Die durch den Imaginärteil verkörperte Blindkomponente ist an der unteren Bandgrenze positiv (induktives Verhalten) und an der oberen Bandgrenze negativ (kapazitives Verhalten). Die λ/4-Leerlaufleitung hat im vergleich dazu einen im wesentlichen entgegengesetzten Verlauf des Imaginärteils der Eingangsimpedanz. Bei geeigneter Wahl des Wellenwiderstandes beider Leerlaufleitungen LL 1 und LL 2 wird deshalb der Blindwiderstand der übrigen Teile des Überspannungsableiters beidseits der Mittenfrequenz auch betragsmäßig weitgehend kompensiert. Eine besonders gute Kompensation wird erreicht, wenn der Wellenwider- stand Zw der Leerlaufleitungen LL 1 und LL 2 etwa ein Zehntel des Wellenwiderstandes ZL des Überspannungsableiters ist.
  • In diesem Fall hat der Imaginärteil der Eingangsimpedanz eines Überspannungsableiters gemäß Figur 3 den in Figur 5 dargestellten, frequenzabhängigen Verlauf, weist also über die große Bandbreite von ca. 810 MHz bis ca. 6 GHz nur eine sehr kleine Blindkomponente auf.
  • Damit ergibt sich der in Figur 6 dargestellte, frequenzabhängige Verlauf des VSWR, das nur in kleinen Bereichen nahe den Bandgrenzen einen Wert von ca. 1,06 hat, im Übrigen jedoch in einem weiten Bereich erheblich unter 1,05 bleibt.
  • Ein nur mit den Leerlaufleitungen gemäß Figur 3 ergänzter Überspannungsableiter wäre jedoch nicht funktionsfähig, denn die Leerlaufleitungen verhindern, dass die Kurzschlussleitung KL niederfrequente Störsignale und Stromstöße wie EMPs ableitet. Um dies zu erreichen, ist gemäß dem vollständigen Ersatzschaltbild in Figur 7 zwischen die jeweiligen Anschlüsse und die gleichseitige Leerlaufleitung jeweils eine weitere Kurzschlussleitung GD 1 bzw. GD 2 geschaltet. Deren Länge beträgt bei der Bandmittenfrequenz λ/4, ihr Wellenwiderstand ZGD ungefähr das 1,2-fache des Nennwellenwiderstandes Z0. Wegen des großen Wellenwiderstandssprungs von z.B. 60 Ω auf 5 Ω zwischen der weiteren λ/4-Kurzschlussleitung GD 1 und der darauf folgenden Leerlaufleitung LL 1 bzw. zwischen der weiteren λ/4-Kurzschlussleitung GD 2 und der entsprechenden Leerlaufleitung LL 2 wirken diese Serienschaltungen im Nutzfrequenzband wie ein Leerlauf. Im Frequenzband von 0 bis ca. 1 MHz, in dem auch der energiereichste Teil des Frequenzspektrums von EMP-Ereignissen liegt, stellen die weiteren λ/4-Kurzschlussleitungen auch tatsächliche, galvanische Kurzschlüsse dar, weil sie aufgrund ihrer auf die Mittenfrequenz des Überspannungsableiters bezogenen und somit für den unteren Frequenzbereich geringen elektrischen Länge praktisch keinen Wellenwiderstand erzeugen. Folglich hat der Überspannungsableiter nach der Erfindung im vergleich zu einem Überspannungsableiter gemäß Figur 1, also nach dem Stand der Technik, das gleiche Ableitvermögen, jedoch eine mehr als doppelt so große Nutzbandbreite.
  • Wenn über den Überspannungsableiter nach der Erfindung auch Gleichströme und niederfrequente Signale übertragen werden sollen, wird der Innenleiter der Kurzschlussleitung KL nicht galvanisch sondern, wie an sich bekannt und eingangs erläutert, kapazitiv mit entweder dem Innenleiter des Koaxialleitungsabschnitts oder dem Außenleiter dieser Kurzschlussleitung verbunden, gegebenenfalls unter Einfügung einer Gasentladungspille.
  • Figur 8 zeigt einen Überspannungsableiter nach dem vorliegendem Vorschlag, in einer solchen Ausführung, d.h. mit galvanischer Trennung zwischen Innenleiter und Außenleiter und folglich geeignet zur Übertragung von Gleichströmen und/oder niederfrequenten Signalen. Der Überspannungsableiter ist im Wesentlichen symmetrisch zu dem Anschluss der in der Mitte abzweigenden, parallel geschalteten λ/4-Kurzschlussleitung KL. Sie besteht bekannterweise aus einem Innenleiter 11, der an seinem Ende mit dem Boden eines rohrförmigen Außenleiters 12 galvanisch leitend verbunden ist.
  • Der Anfang des Innenleiters 11 ist mit einem metallischen Topf 51 leitend verbunden, in welchem eine Gasentladungspille GP angeordnet ist, deren eine Elektrode über die angedeutete Feder mit dem Boden des Topfes 51 kontaktiert ist und deren andere Elektrode dadurch mit dem Boden einer Bohrung 53 in einem Innenleiterabschnitt I kontaktiert ist, die den Topf 51 und ein dessen Wandung umschließendes, zylinderisches Isolierteil 52 aufnimmt. Die Außenwand des Topfes 51 und die Innenwand der Bohrung 53 bilden zusammen mit dem als Dielektrikum wirkenden zylinderischen Isolierteil 52 einen Rohrkondensator, dessen Kapazität so bemessen ist, dass er im Durchlassband des Überspannungsableiters als HF-mäßiger Kurzschluss zwischen dem Innenleiterabschnitt I und dem Innenleiter 11 der Kurzschlussleitung KL wirkt. Wie eingangs erläutert, kann in einer anderen Ausführungsform auch der Anfang des Innenleiters 11 galvanisch mit dem Innenleiterabschnitt I verbunden sein und stattdessen das Ende des Innenleiters 11 mit dem Außenleiter 12 kapazitiv verbunden sein. Wenn auf eine galvanische Trennung zwischen dem Außenleiter und dem Innenleiter des Überspannungsableiters verzichtet wird, sind sowohl der Anfang als auch das Ende des Innenleiters 11 galvanisch mit dem Innenleiterabschnitt I bzw. dem Außenleiter 12 verbunden.
  • Weil dieser Überspannungsableiter symmetrisch zu der durch den Innenleiter 11 der Kurzschlussleitung KL verlaufenden Mittelebene aufgebaut ist, wird im Folgenden lediglich die Konstruktion links von dieser Mittel- oder Symmetrieebene beschrieben. Auf die Kurzschlussleitung KL folgt eine Transformationsleitung TL1 der Länge A. Sie hat einen Innenleiter 21, der an den Innenleiterabschnitt I anschließt, als Außenleiter den entsprechenden Abschnitt der Innenwand des Außenleiters III des Überspannungsableiters, eine Länge von etwa λ/4, bezogen auf die Bandmittenfrequenz und einen Wellenwiderstand von ZT, der ca. 10 bis 20% kleiner als der Nennwellenwiderstand Z0 des Überspannungsableiters ist, also für Z0 = 50 Ω zwischen etwa 38 bis etwa 45 Ω liegt.
  • An die Transformationsleitung TL 1 schließt sich eine Leerlaufleitung LL 1 mit einer Länge B und einem Innenleiter 31 an, der den Innenleiter 21 fortsetzt. Der Außenleiter wird durch eine Bohrung 33 in einem weiteren Innenleiterabschnitt II gebildet, der den Innenleiter 31 koaxial umgibt und von diesem galvanisch getrennt ist. Zwischen dem Innenleiter 31 und der Innenwand der Bohrung 33 ist eine dielektrische Hülse 32 angeordnet, die den Wellenwiderstand ZL der Leerlaufleitung LL 1 auf ca. ein Zehntel von Z0 verringert und ihre elektrische Länge auf etwa λ/4 bei der Bandmittenfrequenz erhöht.
  • Die Leerlaufleitung LL 1 ist, elektrisch gesehen, mit dem linksseitigen Überspannungsableiteranschluss in Form eines Buchsensteckverbinders über eine weitere Kurzschlussleitung GD 1 mit der Länge C verbunden. Sie hat als Innenleiter 41, einen Kern einer Bohrung in den Innenleitern 31, 21 und als Außenleiter 42 die Innenwand dieser Bohrung. Der Wellenwiderstand ZGD ist etwa 20% größer als der Nennwellenwiderstand Z0, beträgt also für Z0 = 50 Ω ungefähr 60 Ω.
  • Der Außenleiter III des Überspannungsableiters ist aus Montagegründen aus zwei miteinander verschraubten oder anderweitig verbundenen Teilstücken zusammengesetzt.
  • In Figur 9 ist eine weitere Ausführungsform des Überspannungsableiters dargestellt, bei der der Innenleiter und der Außenleiter galvanisch miteinander verbunden sind. Diese Ausführungsform ist nicht symmetrisch zur Mittelebene, denn die Leerlaufleitung LL 2 ist am Außenleiter realisiert.
  • Die Kurzschlussleitung KL besteht aus dem Innenleiter 211 und dem Außenleiter 212. Der Innenleiter 211 ist mit einem Innenleiter 2 I und mit einem Außenleiterabschnitt 2 III galvanisch leitend verbunden. Gewünschtenfalls kann jedoch auch in diesem Fall eine nur kapazitive Ankopplung analog Figur 8 zum Innenleiter 2 I bzw. zum Außenleiterabschnitt 2 III realisiert werden.
  • Links von der Kurzschlussleitung KL schließt sich analog Figur 8 die Transformationsleitung TL 1 mit der Länge A, bestehend aus dem Innenleiterteilstück 221 und einem Außenleiter 222 in Form einer Bohrung in einem Innenleiterabschnitt 2 IV, an.
  • Darauf folgt die Leerlaufleitung LL 1 (Länge B) mit dem Innenleiter 231 als galvanisch getrennte Fortsetzung des Innenleiters 2 I und einem Außenleiter 233 in Form der Innenwand einer Bohrung in dem Innenleiterabschnitt 2I. Zwischen dem Innenleiter 231 und dem Außenleiter 233 befindet sich wie im Fall der Figur 8 eine dielektrische Hülse 32.
  • Die Verbindung zu dem linksseitigen Steckverbinder stellt die weitere Kurzschlussleitung GD 1 (Länge C) her, deren Innenleiter 241 analog Figur 8 aus dem Kern einer Bohrung 242 in dem Innenleiter 2 I besteht. Den Außenleiter der weiteren Kurzschlussleitung GD 1 bildet die Innenwand dieser Bohrung 242 in dem Innenleiterabschnitt 2 I.
  • Auf der rechten Seite der Kurzschlussleitung KL schließt sich an deren Innenleiter 211 die Transformationsleitung TL 2 an. Der Außenleiterabschnitt 2 V des Überspannungsableiters ist durch die darauf folgende Leerlaufleitung LL 2 unterbrochen. Deren Innenleiter 51 besteht aus einem Teilstück eines Innenleiterabschnitts 261, deren Außenleiter 53 aus der Innenwand einer Bohrung in dem Abschnitt 2 V des Außenleiters des Überspannungsableiters. Dazwischen ist eine dielektrische Hülse 52 angeordnet, die eine Verringerung des Wellenwiderstandes und eine elektrische Verlängerung der Leerlaufleitung bewirkt.
  • Es folgt die weitere Kurzschlussleitung GD2 aus einem Teil des Innenleiters 2 IV und der Innenwand 262 des Außenleiters 2 V.

Claims (14)

  1. Koaxialer Überspannungsableiter aus einem Koaxialleitungsabschnitt mit einem Wellenwiderstand Z0, einer parallel angeschlossenen koaxialen λ/4-Kurzschlussleitung (KL) mit einem Wellenwiderstand ZK > Z0 und beidseits des Anschlusses der Kurzschlussleitung (KL) je einer seriellen Transformationsleitung (TL1, TL2) mit einem Wellenwiderstand ZT < Z0, dadurch gekennzeichnet, dass auf jede der Transformationsleitungen (TL1, TL2) eine λ/4-Leerlaufleitung (LL1, LL2) mit einem Wellenwiderstand ZL < Z0 folgt, die mit einer weiteren λ/4-Kurzschlussleitung (GD1, GD2) abgeschlossen ist, deren Wellenwiderstand ZGD > Z0 ist.
  2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformationsleitungen (TL1, TL 2) λ/4-Leitungen sind.
  3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ZK > 2 · Z0 ist.
  4. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ZL ≈ 0.1 · Z0 ist.
  5. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ZGD ≈ 1.2 · Z0 ist.
  6. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel angeschlossene Kurzschlussleitung (KL) einen Innenleiter (11) hat, der mit dem Innenleiter (I) des Koaxialleitungsabschnitts (52) kapazitiv verbunden ist.
  7. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel angeschlossene Kurzschlussleitung (KL) einen Innenleiter hat, der mit deren Außenleiter (12) kapazitiv verbunden ist.
  8. Überspannungsableiter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (11) der parallel angeschlossenen Kurzschlussleitung (KL) über eine Gasentladungspille (G) entweder mit deren Außenleiter (12) oder mit dem Innenleiter (I) des Koaxialleitungsabschnitts verbunden ist.
  9. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Transformationsleitungen (TL1, TL2) als Innenleiter (21) ein erstes Teilstück des Innenleiters (I) des Koaxialleitungsabschnitts und als Außenleiter ein Teilstück des Außenleiters (III) des Koaxialleitungsabschnitts hat.
  10. Überspannungsableiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede der λ/4-Leerlaufleitungen (LL1, LL2) als Innenleiter (31) ein in der Fortsetzung des ersten Teilstücks angeordnetes zweites Teilstück des Innenleiters (I) des Koaxialleitungsabschnitts und als Außenleiter die Innenwand einer dieses zweite Teilstück koaxial umschließende Hülse (II) hat, die an ihrem dem gleichseitigen Anschluß des Überspannungsableiters zugewandten Ende mit dessen Innenleiter (I) galvanisch verbunden und an ihrem anderen Ende offen ist.
  11. Überspannungsableiter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede der weiteren λ/4-Kurzschlussleitungen (GD1, GD2) aus einem Stück des Innenleiters (I) des Koaxialleitungsabschnitts besteht, das eine zu dem gleichseitigen Anschluss des Überspannungsableiters offene Bohrung umfasst, deren Innenwand den Außenleiter (42) bildet und die einen koaxialen Kern hat, der den Innenleiter (41) der λ/4-Kurzschlussleitung (GD1, GD2) bildet.
  12. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformationsleitungen (TL1, TL2) als Innenleiter (221) je ein Teilstück des Innenleiters (2I) des Koaxialleitungsabschnitts und als Außenleiter (222) die Innenwand einer diese Teilstücke koaxial umschließenden Hülse (IV) haben, die an einem ihrer Enden galvanisch mit dem Außenleiter (2 III) des Koaxialleitungsabschnitts verbunden ist.
  13. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Leerlaufleitung (LL1) als Innenleiter (231) ein weiteres Teilstück des Innenleiters (2I) des Koaxialleitungsabschnittes und als Außenleiter (233) die Innenwand einer dieses weitere Teilstück des Innenleiters (2I) umschließenden Hülse hat, die an ihrem dem gleichseitigen Anschluss des Überspannungsableiters zugewandten Ende offen und an ihrem anderen Ende mit dem Innenleiter (2I) galvanisch verbunden ist, und dass die andere Leerlaufleitung (LL2) als Innenleiter (51) die äußere Mantelfläche des gleichseitigen Teils der Hülse (IV) und als Außenleiter (53) einen Abschnitt des Außenleiters (2 III, 2 IV) des Koaxialleitungsabschnitts hat.
  14. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die eine der weiteren λ/4-Kurzschlussleitungen (GD1) als Innenleiter (241) einen Kern einer Bohrung in dem Innenleiter (2I) des Koaxialleitungsabschnitts hat, die zu der parallel angeschlossenen Kurzschlussleitung (211, 212) offen ist und als Außenleiter (242) die Wandung dieser Bohrung hat, und dass die andere der weiteren λ/4-Kurzschlussleitungen (GD2) als Innenleiter (261) die äußere Mantelfläche der Hülse und als Außenleiter (262) einen Abschnitt des Außenleiters des Koaxialleitungsabschnitts hat.
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