ES2206985T3 - Dispositivo supresor de sobrecargas transitorias. - Google Patents
Dispositivo supresor de sobrecargas transitorias.Info
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Abstract
Un supresor (100) de sobrecargas transitorias que comprende: un conductor interior (215) para conducir señales; y un inductor espiral (130, 230) acoplado entre dicho conductor interior y una conexión a tierra, en el que dicho inductor espiral funciona a una impedancia de RF predefinida para propagar dichas señales a lo largo de dicho conductor interior durante el funcionamiento normal y para disipar energía eléctrica a dicha conexión a tierra durante un estado de sobrecarga transitoria; caracterizado por medios de bloqueo (150, 250) de sobrecarga transitoria acoplados a dicho conductor interior y dicho inductor espiral para atenuar dicha energía eléctrica a su través, en el que dicho conductor interior y dichos medios de bloqueo (250) de sobrecarga transitoria están dispuestos dentro de una cavidad (222) de un alojamiento (220), formando dicho conductor interior y dicha cavidad una línea coaxial.
Description
Dispositivo supresor de sobrecargas
transitorias.
El presente invento se refiere en general a un
supresor de sobrecargas transitorias, (sobretensiones o
sobreintensidades) y más particularmente a un supresor de
sobrecargas transitorias que tiene un inductor espiral y un
dispositivo de bloqueo de sobrecargas transitorias.
Equipos de comunicaciones, ordenadores,
amplificadores estereofónicos para el hogar, televisiones, y otros
dispositivos electrónicos se fabrican cada vez más frecuentemente
utilizando pequeños componentes electrónicos que son muy vulnerables
a daños procedentes de sobrecargas transitorias de energía
eléctrica. Las variaciones de sobretensiones de línea de energía y
transmisión, así como ruido, pueden cambiar el margen operativo del
equipo y pueden dañar seriamente y/o destruir dispositivos
electrónicos. Además los dispositivos electrónicos pueden ser muy
caros de reparar y reemplazar. Por ello, es necesario un modo
efectivo en costes para proteger estos componentes de sobrecargas
transitorias de corriente o energía.
Hay muchas fuentes que pueden causar sobrecargas
transitorias de energía eléctrica perjudiciales. Una fuente es la
interferencia de radiofrecuencia (RF) que puede ser acoplada a
líneas de energía y transmisión desde una multitud de fuentes. Las
líneas de energía y transmisión actúan como grandes antenas que
pueden extenderse sobre varios kilómetros, recogiendo por ello una
cantidad significativa de energía de ruido de RF procedente de
fuentes tales como antenas de retransmisión por radio. Otra fuente
de la energía de RF perjudicial es desde el equipo que se ha de
proteger en sí mismo, tal como ordenadores. Los ordenadores antiguos
pueden emitir cantidades significativas de interferencia de RF. Otra
fuente perjudicial es el ruido conductor, que es generado por
equipos conectados a las líneas de energía y transmisión y que es
conducido a lo largo de las líneas de energía al equipo que se ha de
proteger. Aún otra fuente de energía eléctrica perjudicial son las
descargas eléctricas (rayos). Las descargas eléctricas son una
fuente de energía electromagnética que tiene potenciales estimados
entre 5 millones y 20 millones de voltios y corrientes que alcanzan
miles de amperios.
Idealmente, lo que se necesita es un dispositivo
de supresión de sobrecargas transitorias con un tamaño compacto, una
baja pérdida de inserción, y una relación o cociente de onda
estacionaria de baja tensión (VSWR) que pueda proteger el hardware o
equipo de la energía eléctrica perjudicial emitida desde las fuentes
antes descritas.
El documento
WO-A-95/10116 describe un supresor
de sobrecargas transitorias que tiene un cuerpo cilíndrico y que
comprende un soporte conductor curvilíneo de la cuarta parte de la
longitud de onda que tiene una primera parte que se extiende en una
dirección radial generalmente desde un conductor interior a través
de un espacio en un conductor exterior y una segunda parte que se
extiende en una dirección generalmente anular que circunscribe al
conductor exterior entre el conductor exterior y el cuerpo
cilíndrico.
El documento
US-A-5.122.921 describe un supresor
de sobrecargas transitorias que comprende una capacidad de bloqueo,
una bobina inductora, y un tubo de descarga en gas en paralelo con
el inductor.
El invento está descrito en la reivindicación 1ª.
La realización se refiere a un supresor de sobrecargas transitorias
para disipar sobrecargas transitorias de energía. El supresor de
sobrecargas transitorias protege el equipo de sobrecargas
transitorias de energía eléctrica tales como descargas eléctricas.
El supresor de sobrecargas transitorias incluye un conductor
interior y un inductor espiral. El conductor interior propaga
señales a su través durante el funcionamiento normal y el inductor
espiral disipa la energía eléctrica durante un estado de sobrecarga
transitoria a una conexión a tierra. El inductor espiral está
acoplado entre el conductor interior y la conexión a tierra. El
inductor espiral funciona a una impedancia de RF predefinida a
tierra para conducir las señales a lo largo del conductor interior
durante el funcionamiento normal para permitir que la señal de RF
pase a través del supresor de sobrecargas transitorias con mínimas
pérdidas de señal de RF o sin pérdidas.
El supresor de sobrecargas transitorias también
incluye medios de bloqueo de sobrecargas transitorias. Los medios de
bloqueo de sobrecargas transitorias están acoplados a dicho
conductor interior y dicho inductor espiral y en serie con el
hardware protegido para que atenúe dicha energía eléctrica a su
través. El dispositivo de bloqueo de sobrecargas transitorias será
transparente a la señal de RF transmitida, pero será efectivo para
bloquear la sobrecarga transitoria de energía eléctrica que se
desplaza desde el conductor interior al hardware protegido. El
conductor interior y los medios de bloqueo de sobrecargas
transitorias están dispuestos dentro de una cavidad de un
alojamiento, formando dicho conductor interior y dicha cavidad una
línea coaxial. El inductor espiral está acoplado al dispositivo de
bloqueo de sobrecargas transitorias y es derivado a tierra para
descargar la energía eléctrica creada por la sobrecarga
transitoria.
La impedancia de RF predefinida del inductor es
preferiblemente al menos 10 veces la impedancia operativa, es decir,
500 ohmios para un sistema de 50 ohmios. Cuando sucede un evento de
sobrecarga transitoria, tal como descargas eléctricas, la energía
eléctrica es derivada a tierra por medio del inductor espiral
mientras que el dispositivo de bloqueo de sobrecargas transitorias
bloquea las descarga eléctrica destructiva y las frecuencias de EMP
y la energía para que no pasen al hardware protegido.
Ventajas de las realizaciones incluyen
proporcionar un supresor de sobrecargas transitorias que está
adaptado a la impedancia del sistema para asegurar una relación de
onda estacionaria de baja tensión (VSWR) que está por debajo de
1,1:1 y una pérdida de inserción baja que está por debajo de 0,1 dB.
Además, el supresor de sobrecargas transitorias proporciona una
banda ancha de frecuencia de funcionamiento, una bajo coste de
fabricación, un conjunto mecánico apilado para tamaño compacto, y
salidas bajas de energía y tensión.
Una comprensión adicional de la naturaleza y
ventajas de los inventos puede ser conseguida aquí por referencia a
las partes restantes de la memoria y a los dibujos adjuntos.
La fig. 1 ilustra un diagrama de circuito de una
realización del supresor de sobrecargas transitorias de acuerdo con
el presente invento;
La fig. 2 ilustra un diagrama de circuito
esquemático de otra realización del supresor de sobrecargas
transitorias de acuerdo con el presente invento;
La fig. 3 ilustra una vista en perspectiva del
supresor de sobrecargas transitorias mostrado en la fig. 2;
La fig. 4 ilustra una vista lateral del inductor
espiral de acuerdo con el presente invento;
La fig. 5 ilustra una vista frontal del
dispositivo de bloqueo de sobrecargas transitorias de acuerdo con el
presente invento; y
La fig. 6 ilustra un proceso iterativo para
determinar la inductancia del inductor espiral y la capacitancia del
dispositivo de bloqueo de sobrecargas transitorias.
En la descripción que sigue, el presente invento
será descrito con referencia a una realización preferida que
funciona como un supresor de sobrecargas transitorias. En
particular, se describirán ejemplos que ilustran características
particulares del invento.
La fig. 1 ilustra un diagrama de circuito de una
realización del supresor de sobrecargas transitorias de acuerdo con
el presente invento. El supresor de sobrecargas transitorias 100
protege el hardware y el equipo 110 de una sobrecarga transitoria
eléctrica que puede dañar o destruir el hardware y el equipo. Una
condición de sobrecarga transitoria puede surgir en muchas
situaciones diferentes, sin embargo, típicamente surge cuando una
descarga eléctrica 120 impacta sobre un componente o línea de
transmisión 105 que está acoplado al hardware protegido 110. Las
sobrecargas transitorias de descargas eléctricas consisten en
energía eléctrica de corriente continua y energía eléctrica de
corriente alterna hasta de aproximadamente 1 MHz en frecuencia.
En esta realización, el supresor de sobrecargas
transitorias 100 incluye un inductor espiral 130 que tiene un diseño
de huella pequeña, como se ha mostrado en la fig. 4. El diámetro,
área, espesor, y forma del inductor espiral 130 varían dependiendo
de la frecuencia de funcionamiento y de las capacidades de
manipulación de corriente deseadas. En la realización preferida, se
ha usado un proceso iterativo (descrito más abajo) para determinar
el diámetro, el área, espesor, y forma del inductor espiral para
satisfacer la aplicación particular del usuario. El diámetro del
inductor espiral 130 de este tamaño y margen de frecuencia es
típicamente de 21,97 mm. El espesor del inductor espiral 130 de este
tamaño y margen de frecuencia es típicamente de 1,575 mm. Además, el
inductor espiral 130 forma la espiral en dirección hacia el
exterior.
La composición material del inductor espiral 130
es un factor importante para determinar la cantidad de carga que
puede ser disipada de modo seguro a través del inductor espiral 130.
Un material de elevada resistencia a la tracción permite que el
inductor espiral 130 descargue una gran cantidad de corriente. En la
realización preferida, el inductor espiral 130 está hecho de un
material de aluminio 7075-T6. Alternativamente,
cualquier material que tenga una buena resistencia a la tracción y
conductividad puede ser usado para fabricar el inductor espiral
130.
El hardware protegido 110 puede ser cualquier
equipo de comunicaciones, ordenadores PC, conectador de red, o
cualquier otro tipo de equipo electrónico sensible a las sobrecargas
transitorias. El hardware protegido 110 puede también contener un
dispositivo de bloqueo de sobrecargas transitorias, como se ha
mostrado en la fig. 2, que apantalla o cubre el hardware protegido
110 de una sobrecarga transitoria eléctrica.
La fig. 2 ilustra un diagrama esquemático del
circuito de otra realización del supresor de sobrecargas
transitorias de acuerdo con el presente invento. El supresor de
sobrecargas transitorias 100 está conectado a una antena 170 para
recibir una sobrecarga transitoria. Una antena 170 o cualquier otra
superficie conductora puede recibir el impacto de la descarga
eléctrica. Preferiblemente, el supresor de sobrecargas transitorias
100 está posicionado lo más cerca posible del hardware protegido 110
para proporcionar una protección máxima.
La realización preferida incluye un inductor
espiral 130 para descargar una sobrecarga transitoria eléctrica a
tierra y un dispositivo de bloqueo de sobrecargas transitorias 150
para bloquear energía eléctrica de corriente alterna y de corriente
continua. El inductor espiral 130 de la realización preferida ha
sido descrito con anterioridad. Típicamente, el dispositivo 150 de
bloqueo de sobrecargas transitorias es un dispositivo capacitivo
realizado en cualquier forma concentrada o distribuida.
Alternativamente, el dispositivo 150 de bloqueo de sobrecargas
transitorias puede ser varillas paralelas, dispositivos de
acoplamiento, placas conductoras, o cualquier otro dispositivo o
combinación de elementos que produzca un efecto capacitivo. La
capacitancia del dispositivo 150 de bloqueo de sobrecargas
transitorias puede variar dependiendo de la frecuencia de
funcionamiento deseada por el usuario. Un proceso iterativo
(descrito más abajo) es utilizado preferiblemente para determinar la
capacitancia del dispositivo 150 de bloqueo de sobrecargas
transitorias.
Durante el funcionamiento normal, el hardware
protegido 110 recibe y/o transmite señales de RF a través de la
línea de transmisión 105. Por tanto, el supresor 100 de sobrecargas
transitorias funciona de un modo bidireccional.
Durante una condición de sobrecarga transitoria,
una gran cantidad de energía eléctrica se desplaza hacia el
dispositivo 150 de bloqueo de sobrecargas transitorias. Por tanto,
en este modo de funcionamiento el supresor 100 de sobrecargas
transitorias funciona de un modo unidireccional. El dispositivo 150
de bloqueo de sobrecargas transitorias bloquea la energía eléctrica
creada por el impacto de la descarga eléctrica y desvía la energía
eléctrica a través del inductor espiral 130 a tierra 140. El
dispositivo 150 de bloqueo de sobrecargas transitorias está diseñado
para dejar pasar menos de \pm 3 voltios de corriente continua,
como por la especificación del documento IEC
1000-4-5 8/20 usec de 20 KA. Un
inductor espiral 130 debe ser de suficiente conductividad y área en
sección transversal para disipar energía eléctrica correspondiente a
la especificación de señal antes mencionada.
En una realización, el margen de frecuencia
mínima de funcionamiento es de 1,7 GHz a 2,3 GHz; dentro del cual la
pérdida de inserción es especificada menor de 0,1 dB y el VSWR es
especificado menor de 1,1:1. Los valores producidos antes pueden
variar dependiendo del margen de frecuencias, grado de protección
contra sobrecargas transitorias, y prestaciones de RF deseadas.
La fig. 3 ilustra una vista en perspectiva del
supresor de sobrecargas transitorias mostrado en la fig. 2. El
supresor 100 de sobrecargas transitorias incluye un dispositivo 250
de bloqueo de sobrecargas transitorias, un inductor espiral 230, un
conductor interior 215, y un alojamiento 220 que tiene una cabida de
222, un puerto 255 de sobrecarga transitoria, y un puerto protegido
260. El conductor interior 215 está posicionado concéntrico con la
cavidad 222 del alojamiento 220 y situado en ella. El puerto de
sobrecarga transitoria 255 está acoplado a la línea de transmisión
205 o antena 210 y el puerto protegido 260 está acoplado al hardware
protegido 110, como se ha mostrado en las figs. 2 y 3.
Durante un estado de sobrecarga transitoria, la
sobrecarga transitoria se propaga al puerto de sobrecarga
transitoria 255 a través del conductor interior 215. Después de ello
la sobrecarga transitoria es disipada a una conexión a tierra a
través del inductor espiral 230. Por tanto, se impide que la
sobrecarga transitoria alcance el puerto protegido 260 y el hardware
protegido 110.
Durante las condiciones de funcionamiento
normales, el conductor interior 215 transmite y recibe señales de
RF. El conductor interior 215 puede estar hecho de cualquier
material conductor. Típicamente, el conductor interior 215 es un
cable coaxial y está hecho de material de cobre al berilio.
Dispuestos en distintas posiciones en todo el
alojamiento 220 hay miembros aislantes. Preferiblemente, hay un
primer y segundo miembros aislantes 226, 228. Los miembros aislantes
226, 228 aíslan eléctricamente el conductor interior 215 del
alojamiento 220. Los miembros aislantes 226, 228 pueden estar hechos
de un material dieléctrico tal como Teflón que tiene una constante
dieléctrica de aproximadamente 2,3. Los miembros aislantes 226, 228
tienen una forma típicamente cilíndrica con un agujero central.
Los componentes del supresor de sobrecargas
transitorias situados dentro de la cavidad 222 del alojamiento 220
serán descritos a continuación en detalle. El supresor 100 de
sobrecargas transitorias tiene distintos segmentos cada uno de los
cuales está estructurado para formar una impedancia deseada, es
decir, 50 ohmios. Cada segmento adyacente está acoplado al otro. Los
distintos elementos serán descritos comenzando en el puerto de
sobrecargas transitorias 255 y terminando en el puerto protegido
260. Cada segmento estará etiquetado A a H. El conductor interior
215 está situado en segmentos A, B, C, G y H y tiene un radio
exterior de aproximadamente 1,524 mm.
Los segmentos 215A y 215B incluyen un conductor
interior 215 rodeado por un dieléctrico de aire. El radio interior
de la cavidad 222 del segmento 215B es de aproximadamente 3,5
mm.
El segmento 215C incluye un conductor interior
215 soportado y rodeado por el primer miembro aislante 226. El
primer miembro aislante 226 tiene un radio interior de
aproximadamente 1,46 mm, un radio exterior de aproximadamente 5,08
mm, y una longitud de aproximadamente 8,25 mm. El radio interior de
la cavidad 222 es de aproximadamente 5,08 mm.
El segmento 215D incluye un extensor 240 que
acopla el conductor interior 215 al inductor espiral 230. El
extensor 240 está dispuesto en la cavidad 222. En el segmento 215D,
la cavidad 222 forma un ángulo de 45 grados. El ángulo de 45 grados
permite una correspondencia de baja discontinuidad entre la línea de
50 ohmios y el inductor espiral 230. El extensor 240 tiene un radio
exterior de aproximadamente 3,56 mm y está hecho de un material de
latón revestido con plata.
El segmento 215E incluye un inductor espiral 230
dispuesto dentro de la cavidad 222. El inductor espiral 230 tiene un
radio interior de aproximadamente 1,59 mm y un radio exterior de
aproximadamente 10,986 mm. La espiral interior 231 del inductor
espiral 230 está acoplada al conductor interior 215. La espiral
exterior 232 del inductor espiral 230 está acoplada al alojamiento
220. El inductor espiral 230 puede ser de un tipo particular
conocido tal como la espiral de Arquímedes, logarítmica, o
hiperbólica, o una combinación de estas espirales. El radio interior
de la cavidad 222 es de aproximadamente 10,986 mm. El alojamiento
220 está acoplado a una conexión a tierra común para descargar la
energía eléctrica.
Durante un estado de sobrecarga transitoria, la
energía eléctrica alcanza en primer lugar la espiral interior 231
del inductor espiral 230. La energía eléctrica es disipada a
continuación a través de las espirales del inductor espiral 230 en
una dirección hacia afuera. Una vez que la energía eléctrica alcanza
la espiral exterior 232, la energía eléctrica es disipada a tierra a
través de un alojamiento 220.
El segmento 215F incluye un dispositivo 250 de
bloqueo de sobrecarga transitoria dispuesto dentro de la cavidad 222
que tiene un radio interior de aproximadamente 10,160 mm. El
dispositivo 250 de bloqueo de sobrecarga transitoria es típicamente
un dispositivo capacitivo realizado bien en forma concentrada o bien
en forma distribuida. El dispositivo capacitivo incluye dos
electrodos. El primer electrodo incluye una primera placa 251A y una
primera transición 252A. De modo similar, el segundo electrodo
incluye una segunda placa 251B y una segunda transición 252B. El
radio de cada placa 251A, 251B es de aproximadamente 6,17 mm y el
espesor es de aproximadamente 1,27 mm. El radio de cada transición
252A, 252B es de aproximadamente 2,35 mm y el espesor es de
aproximadamente 4,72 mm. Cada placa 251A, 251B es más capacitiva que
cada transición 252A, 252B. Como resultado, el dispositivo 250 de
bloqueo de sobrecargas está diseñado de tal modo que las dos placas
251A, 251B y las dos transiciones 252A, 252B formen colectivamente
de modo aproximado un trayecto de impedancia de 50 ohmios.
Típicamente, un material dieléctrico 253 tal como Teflón está
dispuesto entre las dos placas. El espesor del material dieléctrico
253 es de aproximadamente 5,08 mm. La distancia entre las placas
puede ser variada así como el material dieléctrico usado. Las
dimensiones, forma, tamaño, y distancia entre las placas son
escogidos para conseguir una impedancia deseada para el margen de
frecuencias de funcionamiento seleccionado. Alternativamente, el
dispositivo 250 de bloqueo de sobrecargas transitorias puede ser
situado fuera del alojamiento 220.
El segmento 215G incluye un conductor interior
215 soportado y rodeado por el segundo miembro aislante 228. El
segundo miembro aislante 228 tiene un radio interior de
aproximadamente 1,46 mm, un radio exterior de aproximadamente 5,08
mm, y una longitud de aproximadamente 3,81 mm. El tamaño y forma de
los miembros aislantes 226, 228 están diseñados de modo que formen
una estructura que tenga una impedancia deseada, es decir, 50
ohmios. El radio interior de la cavidad 222 es de aproximadamente
5,08 mm.
El alojamiento 220 puede estar hecho de una o más
estructuras para un fácil desmontaje y sustitución de piezas. Se han
usado anillos tóricos o en O 245 para conseguir una resistencia a la
intemperie del supresor 100 de sobrecargas transitorias de tal modo
que no pueda entrar humedad o agua en el alojamiento 220. Como se ha
mostrado en las figs. 3 y 4, el inductor espiral 230 y el
dispositivo 250 de bloqueo de sobrecargas están dispuestos dentro de
la cavidad 222 para conseguir un tamaño compacto. En una
realización, el inductor espiral 235 y el dispositivo 230 de bloqueo
de sobrecargas están alineados dentro de la cavidad 222.
El supresor de sobrecargas 100 es preferiblemente
de impedancia adaptada al sistema para asegurar un VSWR bajo.
Típicamente, la impedancia del supresor de sobrecargas 100 es de 50
ohmios tanto en el puerto 255 de sobrecargas transitorias como en el
puerto protegido 260.
La fig. 4 ilustra una vista lateral del inductor
espiral como se ha mostrado de acuerdo con el presente invento. La
espiral interior 231 tiene un radio de aproximadamente 1,59 mm. La
espiral exterior 232 tiene un radio de aproximadamente 10,99 mm. El
inductor espiral 230 forma una espiral en una dirección hacia el
exterior. El inductor espiral 230 de una realización preferida tiene
tres espirales. El número de espirales y espesor de cada espiral
puede ser variado dependiendo de la aplicación particular del
usuario.
La fig. 5 ilustra una vista frontal del
dispositivo 250 de bloqueo de sobrecargas de acuerdo con el presente
invento. El dispositivo 250 de bloqueo de sobrecargas está descrito
en toda su extensión en la memoria, por ejemplo, como segmento
215F.
La fig. 6 ilustra un proceso iterativo para
determinar la inductancia del inductor espiral. El proceso iterativo
puede también ser usado para calcular la capacitancia del
dispositivo de bloqueo de sobrecargas transitorias para la
aplicación particular del usuario. Inicialmente en la operación 602,
una frecuencia de corte es determinada eligiendo un límite de ancho
de banda menor y dividiendo por 8. Además, es elegida una impedancia
deseada. La frecuencia de corte define el extremo inferior del ancho
de banda de usuario. La impedancia deseada es típicamente de 50
ohmios, pero en caso necesidad puede ser seleccionada a otro
valor.
A continuación en la operación 604, se calculan
valores iniciales para L y C usando las ecuaciones:
(1)L = Z_{0}/(12,6 \ * \
f_{c})
(2)C = 1/(12,6 \ * \ f_{c} \
* \
Z_{0})
donde:
Z_{0} = Impedancia deseada
f_{c} = Frecuencia de corte = límite operativo
bajo/8
En la realización preferida en la que la
frecuencia de corte -3dB es de aproximadamente 212 MHz y la
impedancia deseada es de 50 ohmios, el inductor tiene un valor de
18,7 nH y el dispositivo capacitivo tiene un valor de 7,5 pF.
A continuación en la operación 606, son definidas
las dimensiones de la cavidad del supresor de sobrecargas
transitorias y las solicitaciones del inductor. Las dimensiones
mínimas de la cavidad del supresor de sobrecargas transitorias son
ampliamente determinadas por el diámetro del conector usado, es
decir, tipo N, BNC, etc. Las solicitaciones del inductor incluirán
solicitaciones de tamaño, tales como el diámetro interior de la
cavidad, y solicitaciones operativas tales como la conductividad
requerida, manejo de corriente, rigidez, tipo y espesor del material
inductor usado.
Una vez definidos el valor de RF del inductor,
las dimensiones de la cavidad y las solicitaciones físicas, se
diseña un inductor espiral para satisfacer todos estos requisitos,
como se ha mostrado en la operación 608. El inductor espiral
diseñado poseerá la inductancia calculada para proporcionar la
frecuencia de corte necesaria, y la forma y tamaño físicos para
ajustarse al alojamiento requerido y conducir la corriente necesaria
durante una sobrecarga transitoria sin fallar. El inductor espiral
puede ser de un tipo conocido particular tal como la espiral de
Arquímedes, Logarítmica o Hiperbólica, o una combinación de tales
espirales. Además, el inductor espiral puede ser de una forma que
resulta de dos o más espirales solapadas. El inductor espiral es
preferiblemente diseñado usando un sistema de modelado de RF, tal
como el HP 85123A, de modo que pueda ser realizada una simulación
más exacta del inductor.
Una vez que ha sido diseñada la espiral, es
fabricada, colocada en un alojamiento idéntico a su entorno de
funcionamiento eventual, y probada para determinar si la inductancia
medida es aproximadamente equivalente a la inductancia deseada, como
se ha mostrado en la operación 610. Como es bien conocido en la
técnica, colocar un elemento de circuito dentro de un recinto puesto
a tierra introduce efectos parásitos que deben ser tenidos en cuenta
si se ha de conseguir un funcionamiento apropiado.
La espiral es probada usando un equipo de ensayo
de RF tradicionalmente conocido tal como un analizador de red
automático HP 8753. Si los resultados del ensayo indican una
desviación inaceptable entre inductancia medida y deseada, el
proceso de diseño del inductor espiral es repetido como se ha
mostrado en la operación 610.
Si la inductancia medida frente a la deseada,
está dentro de un margen aceptable, se mide un supresor de
sobrecargas transitorias que tiene una línea pasante, como se ha
mostrado en la operación 612. La medición a su través es hecha para
proporcionar una medición de pérdidas de inserción de línea de base
sobre la frecuencia de RF de interés. En la realización preferida,
el margen de frecuencias de interés es de 1,7 GHz a 2,3 GHz.
A continuación en la operación 614, un supresor
de sobrecargas transitorias que tiene una línea pasante de las
mismas dimensiones medidas en la operación 612 y el inductor espiral
acoplado desde la línea pasante a tierra (en derivación) es medido
para ver las pérdidas de inserción sobre el margen de frecuencias de
RF de interés. Esta medición puede ser luego comparada a la medición
previa pasante para indicar cuánta degradación de pérdidas de
inserción ocurre con la adición del inductor espiral de derivación.
Si la pérdida de inserción de la línea pasante más el inductor de
derivación está dentro de un margen aceptable, se repiten las
operaciones 608, 610, y 612. Otras mediciones, por ejemplo,
mediciones de un solo puerto pueden ser usadas en vez de, o además
de la medición de pérdida de inserción para calificar el supresor de
sobrecargas transitorias.
Si la pérdida de inserción de la línea pasante
más el inductor espiral de derivación está dentro de un margen
aceptable, un dispositivo capacitivo en serie de bloqueo de
sobrecargas transitorias es diseñado para su inclusión dentro del
supresor de sobrecargas transitorias, como se ha mostrado en la
operación 616. El dispositivo capacitivo está diseñado para poseer
la capacitancia calculada, ajustarse dentro del diámetro interior
especificado de la cavidad, y poseer las propiedades físicas para
resistir un estado de sobrecarga transitoria. La combinación de la
línea pasante, inductor espiral de derivación, y dispositivo
capacitivo en serie puede ser simulada usando un sistema de CAD de
dos o tres dimensiones. Si es usado, pueden hacerse modificaciones
al diseño del inductor espiral de derivación, dispositivo capacitivo
de bloqueo de sobrecargas transitorias en serie, y/o su separación
para optimizar adicionalmente el funcionamiento del circuito. En
particular, se ha encontrado que variar la forma y tamaño de los
electrodos del dispositivo capacitivo da como resultado cambiar la
inductancia efectiva del inductor espiral de derivación para
optimizar adicionalmente el funcionamiento del circuito.
En la operación 618, un nuevo supresor de
sobrecargas transitorias que incorpora la línea pasante, el inductor
espiral de derivación, y el dispositivo capacitivo de bloqueo de
sobrecargas transitorias en serie es fabricado y probado usando el
equipo de ensayo antes mencionado o similar. Si el supresor de
sobrecargas transitorias exhibe una pérdida de inserción inaceptable
sobre el margen de frecuencia deseado, el diseño del dispositivo
capacitivo y/o su localización a lo largo de la línea pasante pueden
ser modificados para sintonizar la respuesta al nivel deseado.
Específicamente, los espacios del dispositivo capacitivo, diámetro y
material dieléctrico pueden ser alterados para sintonizar la
respuesta de pérdida de inserción dentro de límites aceptables. Si
la modificación del dispositivo capacitivo es insatisfactoria en la
sintonización de los parámetros deseados dentro de los límites
aceptables, se repiten las operaciones 608, 610, 612, 614, 616 y
618.
Si el supresor de sobrecargas transitorias exhibe
una pérdida de inserción inaceptable y/o otros parámetros de
calificación, es sometido a una prueba de manejo de energía de RF y
medioambiental, como se ha mostrado en la operación 620.
Específicamente, el supresor de sobrecargas transitorias es expuesto
a niveles elevados de energía de RF y a condiciones
medioambientales, de temperatura y vibratorias similares a las que
se han de experimentar durante el funcionamiento. Si el supresor de
sobrecargas transitorias falla para funcionar sobre un margen
predeterminado, se repiten las operaciones 608, 610, 612, 614, 616,
y 618.
Si el supresor de sobrecargas transitorias tiene
suficiente capacidad para el manejo de energía de RF y es capaz de
soportar un margen aceptable de tensión medioambiental, es sometido
a calificación de sobrecargas transitorias, como se ha mostrado en
la operación 622. La calificación de sobrecargas transitorias puede
entrañar la exposición del supresor de sobrecargas transitorias a
impulsos de corriente elevados bajo distintas condiciones
ambientales para simular un impacto de la descarga eléctrica.
Otras realizaciones del proceso de diseño son
desde luego posibles. Por ejemplo, en la realización del supresor de
sobrecargas que tiene sólo un inductor espiral de derivación, sólo
las operaciones 606, 608, 612, 614, 620 y 622 necesitan ser
realizadas. Específicamente, sólo el valor de inductancia del
inductor de derivación espiral necesita ser determinado y probado.
Subsiguientemente, la pérdida de inserción y/o otros parámetros de
una línea pasante son usados como el parámetro de calificación para
determinar si la línea pasante más el inductor espiral de derivación
funciona dentro de un marco aceptable dentro del margen de
frecuencia deseado. Finalmente, el manejo de energía de RF, el
medioambiente, y la calificación de sobrecargas transitorias ocurre
como se ha descrito antes.
Aunque la realización preferida está mostrada con
un dispositivo capacitivo particular y un inductor espiral, no se
requiere que los elementos exactos descritos antes sean usados en el
presente invento. Así, los valores del dispositivo capacitivo y el
inductor espiral son para ilustrar una realización y no para limitar
el invento.
Claims (8)
1. Un supresor (100) de sobrecargas transitorias
que comprende: un conductor interior (215) para conducir señales; y
un inductor espiral (130, 230) acoplado entre dicho conductor
interior y una conexión a tierra, en el que dicho inductor espiral
funciona a una impedancia de RF predefinida para propagar dichas
señales a lo largo de dicho conductor interior durante el
funcionamiento normal y para disipar energía eléctrica a dicha
conexión a tierra durante un estado de sobrecarga transitoria;
caracterizado por medios de bloqueo (150, 250) de sobrecarga
transitoria acoplados a dicho conductor interior y dicho inductor
espiral para atenuar dicha energía eléctrica a su través, en el que
dicho conductor interior y dichos medios de bloqueo (250) de
sobrecarga transitoria están dispuestos dentro de una cavidad (222)
de un alojamiento (220), formando dicho conductor interior y dicha
cavidad una línea coaxial.
2. El supresor de sobrecargas transitorias según
la reivindicación 1ª, en el que dichos medios de bloqueo (150, 250)
de sobrecarga transitoria comprenden una primera y segunda placas y
una primera y segunda transiciones que forman colectivamente una
estructura que tiene una impedancia predefinida.
3. El supresor de sobrecargas transitorias según
la reivindicación 1ª, en el que dichos medios de bloqueo (250) son
seleccionados de un grupo que consiste en un condensador, varillas
paralelas, dispositivos de acoplamiento y placas conductoras.
4. El supresor de sobrecargas transitorias según
cualquier reivindicación precedente en el que dicho inductor espiral
tiene una forma seleccionada de entre un grupo que consiste en
espiral de Arquímedes, logarítmica e hiperbólica.
5. Un supresor de sobrecargas transitorias según
la reivindicación 1ª o 2ª, para descargar una sobrecarga transitoria
eléctrica a tierra que comprende: un alojamiento que tiene una
cavidad, un puerto de sobrecarga transitoria (255) y un puerto
protegido (260), en el que el conductor interior está dispuesto
dentro de dicha cavidad de dicho alojamiento para transmitir y
recibir señales de radiofrecuencia; el inductor espiral (230) está
dispuesto dentro de dicha cavidad (222) de dicho alojamiento (220),
teniendo dicho inductor espiral una espiral interior eléctricamente
acoplada a dicho conductor interior y una espiral exterior
eléctricamente acoplada a dicho alojamiento para descargar energía
eléctrica a una conexión a tierra; y los medios de bloqueo (250) de
sobrecarga transitoria comprenden un dispositivo capacitivo
dispuesto dentro de dicha cavidad de dicho alojamiento.
6. El supresor de sobrecargas transitorias según
la reivindicación 5ª, que comprende además un miembro aislante (226)
dispuesto dentro de dicha cavidad de dicho alojamiento y acoplado a
dicho conductor interior para soportar dicho conductor interior en
dicha cavidad para aislar eléctricamente dicho conductor interior de
dicho alojamiento.
7. El supresor de sobrecargas transitorias según
cualquier reivindicación precedente, en el que el inductor tiene una
impedancia al menos diez veces mayor que la impedancia operativa del
conductor a una frecuencia operativa de entre aproximadamente 1,7
GHz a 2,3 GHz.
8. Un sistema de comunicaciones que comprende: un
equipo de comunicaciones (110) acoplado a una antena (170) para
recibir y transmitir señales a través de un conductor interior; y un
supresor (100) de sobrecargas transitorias según cualquier
reivindicación precedente para bloquear la energía eléctrica en
exceso desarrollada en dicha antena o sobre dicho conductor interior
durante un estado de sobrecarga transitoria.
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