JP2002025745A - ガス放電形同軸避雷器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】電圧定在波比（ＶＳＷＲ）やロス特性の悪化も
生じず、放電素子の電極間静電容量の制約から解放され
て、放電耐量の大きな大型放電素子の採用を可能とし、
電源重畳給電システムの信頼性向上を図る。 【解決手段】ガス放電素子を主同軸線路内部導体と１／
４波長短絡同軸線路の内部導体間に挿入する代わりに、
主同軸線路に分岐的に設けた三重同軸線路の内側同軸線
路（１／４波長短絡同軸回路を形成する）の短絡板の外
壁と三重同軸線路の終端壁との間にガス放電素子を挿入
することによって、高周波信号に対しては１／４波長終
端短絡同軸線路特有の高入力インピーダンス性と同じ作
用を持ちながら、１／４波長短絡同軸回路を直流的に絶
縁分離することによって、電源重畳を可能とすると共
に、主線路の内部導体〜外部導体間に発生するサージ成
分はガス放電素子によって信号遮断する事無く放電し得
るガス放電形同軸避雷器を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は移動体無線通信等
の各種無線通信分野で使用されるガス封入形放電素子を
装着してなるガス放電形同軸避雷器に関する。

【０００２】

【従来の技術】移動体無線或いは固定無線中継基地局等
の空中線系同軸給電線線路に接続されている、送信用あ
るいは受信用の無線機器に侵入する雷サージや、電源設
備からの開閉サージによる、電子機器の損傷を防止ある
いは軽減する目的で、同軸給電線路の途中に同軸型避雷
器が挿入されているケースが多い。この同軸型避雷器に
は大別して下記２種類のものが有る。

【０００３】(１）短絡型同軸避雷器 （２）ガス放電形同軸避雷器

【０００４】（１）の短絡型同軸避雷器は主同軸線路途
中に並列的に分岐同軸線路を設け、取扱い無線信号成分
に対しは高インピーダンスを呈する１／４波長短絡同軸
回路や集中コイルインダクタンス素子を接続することに
よって、雷もしくは開閉サージの直流成分や低周波数の
振動成分に対しては同軸線路が短絡されていることにな
り、同軸線路に接続されている電子機器をサージから保
護する機能を果たす。このタイプの避雷器の特徴は適正
なる設計が行われている場合には、ほぼ完全なるサージ
防御機能を果たす。現在の８００ＭＨｚや１５００ＭＨ
ｚ帯移動体無線通信分野での主力避雷器は短絡型同軸避
雷器が多用されている。

【０００５】短絡型同軸避雷器の第２の特徴は、サージ
電流の侵入時でも、１／４波長短絡同軸回路の高インピ
ーダンス性によって無線信号に及ぼす影響が発生し難
く、避雷性能の持続性など、機能的にも優れたものであ
る。しかしながらこのタイプの避雷器は同軸線路の内部
導体と外部導体間が直流的に短絡されているため、鉄塔
や鉄柱やビル等の構築物頂部側に設置された受信装置や
中継装置に電源供給する場合、同軸線路の内部導体と外
部導体を利用した、所謂電源重畳給電方式を採用するこ
とが出来ないという課題が有る。

【０００６】そのため電源重畳給電方式を必要とする際
には図２にて説明すると主同軸線路の内部導体ａと外部
導体（ｅ，ｆ，ｈで構成）間が直流的に短絡されない
（２）のガス放電形同軸避雷器が用いられている。この
避雷器はセラミックスやガラス等の円筒状気密形パッケ
ージ２００内に放電開始電圧が数十〜数百ボルトとする
ガス放電気体を封じ込めた、所謂ガス放電素子を同軸線
路の内部導体と外部導体間に並列的に装着することによ
って、数ＫＶ〜数十ＫＶにおよぶサージ成分が内部導体
〜外部導体間に侵入した際に流れるサージ電流をガス放
電素子を通じて放電させて電子機器を保護するものであ
る。放電開始電圧は封入ガス成分や封入ガス圧力によっ
て製造時に調節され、現用市販品では直流放電開始電圧
９０〜６００Ｖ程度のものが、電源供給電圧や電子機器
の耐雷性能に合わせて選択使用されている。ガス放電素
子には電極数が二つの２極型と三つの３電極型が製造さ
れているが同軸避雷器としては通常二極型が使用されて
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ガス放電形避雷器の大
きな課題は、放電開始電圧を上記のように低くするため
に電極間ギャップが比較的狭く、そのために電極間静電
容量が大きくなり、ガス放電素子を同軸線路の内部導体
と外部導体間に直接装着すると無線周波数において容量
性リアクタンスによる大きな反射が生じ、所謂電圧定在
波比（ＶＳＷＲ）が悪化してアンテナ給電線装置の性能
悪化を招く。電極間の静電容量の大きさは素子の放電耐
量つまり素子が破壊を受けることなく、どの程度のサー
ジ電流を安定的に流し得るかということで、放電耐量を
増すためには電極面積を大きくする必要があり、そのた
めにさらに電極間静電容量が増加してＶＳＷＲ等の高周
波特性のさらなる低下を招くことになる。

【０００８】市販ガス放電素子の放電耐量と静電容量の
大略関係の一例を示すと下記ようになっていて、数百Ｍ
Ｈｚ以上の高い周波数において電極間静電容量は問題と
なるレベルの値を持っている。

【０００９】いずれにしろ無線基地局や中継局設備等で
は信頼性の点で２０ＫＡ級またはそれ以上の放電耐量の
ものが望まれるケースが多く 、この放電耐量も標準的
雷波形の８／２０μＳｅｃのサージ電流に対するもの
で、電源側から侵入する開閉サージ電流波形のごとき、
１０／２００μＳｅｃに及ぶ波尾の長いサージ電流に対
しては２０ＫＡ級のものでもエネルギー量の関係で約１
／１０の２ＫＡ程度の放電耐量に低下する。一般的にＶ
ＳＷＲ特性を改善するため、放電素子の静電容量による
信号反射を補償軽減する手段として、放電素子挿入個所
の前後に等価的微小集中インダクタンスを付加する方法
が行われている。ＶＳＷＲ特性の一般的な仕様規格値は
規定帯周波数帯域内にて １：１．２０以下を要求され
ているケースが多く、２０ＫＡ級のものでは周波数的に
は１，５００ＭＨｚ帯程度での使用が限界であることを
実験確認している。なお、電極間静電容量の小さい２．
５〜５ＫＡ級では２，０００ＭＨｚ近辺での使用も可能
である。現実的には同軸避雷器が使用される無線周波数
は益々高くなる傾向にあるため、いずれにしろ将来的に
使用上の限界が生じる。

【００１０】ＶＳＷＲ特性の周波数特性の抜本的な改良
のために、一部、同軸構造のガス放電素子を組込んだ同
軸避雷器も実用化されているが、構造寸法が比較的小さ
いために、小型な同軸避雷器に適用されている。同軸構
造のガス放電素子は同軸線路に直列的に挿入使用する必
要があるため、ＶＳＷＲの周波数特性改善の大きなメリ
ットはあるが、同軸サイズが大きな避雷器では、放電素
子の挿入個所の同軸寸法は特性インピーダンスの整合上
小さくせざるをえず、避雷器としての高周波信号伝送電
力の低下や、内部での同軸寸法の変換部によるＶＳＷＲ
特性劣化等の問題も生じる可能性もある。

【００１１】その上に放電形避雷器には根本的な課題が
ある。その課題は雷サージや開閉サージの侵入によって
ガス放電素子が機能を果たして放電した場合には、その
瞬間に主同軸線路の内部導体と外部導体間が無線信号に
対して短絡状態となり、さらに、サージ消滅後も放電持
続が有り、その間に肝心な無線信号の伝送遮断が生じ
る。これが信号遮断の起こり難い短絡型同軸避雷器と大
きく異なる点である。伝送信号の遮断は高速デジタル信
号通信時代を迎えて通信システムの品質に極めて重大な
影響を及ぼす。

【００１２】前述のごとく非電源重畳方式の場合には長
期的な避雷器としての信頼性の面で１／４波長短絡型同
軸避雷器を使用される。現状に限れば送信系同軸給電線
に短絡型、受信系給電線にガス放電形避雷器を使用され
るケースが多い。つまり設計製作面からは２種類の同軸
避雷器の対応が要求されている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】主同軸線路の内部導体と
外部導体間へ直接に並列的にガス放電素子を接続する図
２に一例を示す従来方式ではなく、ガス放電素子を主同
軸線路に分岐的に設けた使用中心周波数の１／４波長の
奇数倍電気長を持つ終端短絡同軸線路の内部導体先端部
と主同軸線路の内部導体間に直列的に装着する。これに
よってガス放電素子の電極間静電容量の影響を無くし、
高周波特性が良好で、しかも原理的にガス放電時にも無
線信号の遮断の起きないガス放電形同軸型避雷器を考案
し、出願済みである。

【００１４】今回、新たに考案せる第二の解決手段はガ
ス放電素子を主同軸線路内部導体と１／４波長短絡同軸
線路の内部導体間に挿入する代わりに、図４のように主
同軸線路１，２に分岐的に設けた３，４，５で形成され
る三重同軸線路の内側同軸線路３，４（１／４波長短絡
同軸回路を形成する）の短絡板の外壁と三重同軸線路の
終端壁との間にガス放電素子６を挿入することによっ
て、高周波信号に対しては１／４波長短絡型避雷器と同
様の作用を持ちながら、１／４波長短絡同軸回路を直流
的に絶縁分離することによって、電源重畳を可能とし、
主線路の内部導体〜外部導体間に発生するサージ成分
は、ガス放電素子６によって信号遮断する事無く放電し
得るガス放電形同軸避雷器を実現する。

【００１５】

【発明実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面参照
して詳細に説明する。図１は本発明の一実施例である同
軸放電形同軸避雷器の構造を示す一部切欠側面図であ
る、この避雷器は両端部がフランジ構造の避雷器を示し
ており、絶縁物支持板１０２によって保持された内部導
体１０１のほぼ中央部に主同軸線路の内部導体と１／４
波長短絡同軸回路の内部導体４００を直接に接続する。
１／４波長短絡同軸回路の外部導体４０３と、これを取
り囲む外部導体５０４は、１／４波長終端短短絡同軸線
路の外部導体４０３との高周波的な結合によって、１／
４波長開放線路を構成する。従って主線路の外部導体分
岐部１０４と外部導体４０３の先端部間のインピーダン
スは１／４波長開放線路特有の低インピーダンス特性に
よって、高周波的には短絡状態と等価な作用を示す。
従って、１／４波長短絡同軸回路は主同軸線路と、直流
的には絶縁されていても、高周波的には通常の１／４波
長短絡型同軸避雷器と同じく高いインピーダンス特性を
示す。外部導体５０４とネジ結合されたキャップ５０１
の内壁と内側外部導体の短絡壁４０６の間にガス放電素
子２００を挿入している。ガス放電素子２００はセラミ
ックスやガラスによって密封されており、その内部には
アルゴンやネオン等の不活性ガス封入がされている。封
入ガスの種類や封入圧力によって放電開始電圧が前記の
ような範囲に調節されている。

【００１６】＜他の実施形態＞なお、本発明は上記実施
形態に限定されたものではなく、その他種々の実施形態
を包含するものである。すなわち、上記実施形態では短
絡同軸線路の内部導体４００と内側外部導体４０３を、
それぞれ独立した部品によって短絡同軸回路を形成して
いるが、使用周波数の上昇と共に１／４波長短絡同軸線
路の長さも短くなってくるので、絶縁板４０１を省略し
て４００、４０３を統合して一体加工構造としてもよ
い。

【００１７】さらに、上記実施形態では短絡同軸線路お
よび開放線路を空気絶縁構造としているが、誘電体損失
の少ないポリエチレン、ポリスチレン、ポリ弗化エチレ
ン、セラミックス等による充実絶縁や、空気層を入れた
複合絶縁構造としてもよい。これらの構造によれば、短
絡同軸線路の物理的な長さを短くする利点がある。

【００１８】さらに、上記実施形態では短絡同軸線路お
よび開放同軸線路をリジド構造としているが、これをセ
ミリジド同軸ケーブルやフレキシブル同軸ケーブルによ
って短絡同軸回路、開放同軸線路を構成して、本発明の
ガス放電形同軸避雷器を製作してもよい。とくに前者の
セミリジド同軸ケーブルの場合においては小型で簡易な
避雷器を製作する際に、有効な手段となる。 後者のフ
レキシブル同軸ケーブルによる場合は、使用周波数の低
い領域で、放電耐量の大きな避雷器を製作する際の実用
的な構造となり得る。

【００１９】

【ＶＳＷＲ特性の計算例１】本発明の原理的な有効性を
説明するため、主同軸線路の特性インピーダンスを５０
Ω、短絡同軸線路の特性インピーダンスを７２Ω、開放
同軸線路の特性インピーダンスを６Ωとした８００〜９
００ＭＨｚ帯用ガス放電形同軸避雷器のＶＳＷＲ（一端
を５０Ω抵抗器にて終端したとき）計算結果を表１に示
す。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【ＶＳＷＲ特性の計算例２】同上計算例１と同様の条件
で、使用周波数帯域を１．９〜２．１ＧＨｚとして計算
した結果を表２に示す。

【００２２】

【表２】

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明になるガス放電形同軸避雷器によればサージ侵入によ
るガス放電素子の放電状態においても１／４波長短絡型
同軸避雷器同様、高周波信号の遮断が起こらず、平常状
態にあっては従来のガス放電形避雷器と同様に、同軸線
路の内部導体と外部間が直流的に絶縁されているため、
内部導体と外部導体を利用した電源重畳給電方式が支障
なく実施できる。

【００２４】第２の大きな発明の効果としてガス放電素
子が高周波的にまったく影響の無い個所に挿入されてい
ることによって、ガス放電素子の電極間静電容量の影響
を受けず、ガス放電素子収容部の設計次第で、原理的に
大サイズの放電素子の採用が可能となるため２０ＫＡ以
上の放電耐量を有するガス放電形同軸避雷器の実用化の
道を開き得る。さらに当然のことながら製造時における
ガス放電素子静電容量の特性バラツキの影響もまったく
受けない。

【００２５】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態によるガス放電形同軸避雷器
の一例を示す半断面図である。

【図２】従来例のガス放電型形同軸避雷器である。

【図３】既出願済みの実施形態によるガス放電形同軸避
雷器の一例を示す半断面図である。

【図４】本発明の原理的な説明図である。

【図５】本発明の実施形態によるＮ型接栓タイプ同軸避
雷器の一例を示す外観図である。

【図６】 本発明の実施形態によるＬ形タイプ同軸避雷
器の一例を示す半断面図である。

【符号の説明】

201 ガス放電素子電極１ 202 ガス放電素子電極２ 301 接続金物 302 丸フランジ 303 ボデイ 304 ガスケット 402 ガスケット 404 インシュレータ 405 インシュレータ 502 ガスケット 503 ナット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主同軸線路の途中に分岐的に設けた三重
   同軸線路内側の1/4波長の奇数倍電気長を持つ短絡同軸
   線路を形成する内側同軸線路の外部導体外面と三重同軸
   線路を形成する外部導体端部間に並列的に二極ガス封入
   放電素子を装着してなるガス放電形同軸避雷器におい
   て、ガス放電素子の第１の電極を内側同軸線路の外部体
   に直接あるいは接触子をもって接続し、第２の電極を外
   側同軸線路に直接あるいは接触子により接続してなるガ
   ス放電形同軸避雷器。