KR20010092392A - 광대역 쇼트형 스터브 서지 보호기 - Google Patents

광대역 쇼트형 스터브 서지 보호기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 서지 보호기는 제1 내부 전도 장치와 제1 외부 전도 장치 및 그 제1 내부 전도 장치와 그 제1 외부 전도 장치 사이에 배치된 제1 유전체를 갖는 동축 관통부와, 제2 내부 전도 장치와 제2 외부 전도 장치를 갖는 동축 쇼팅 스터브를 구비하고 있다. 동축 쇼팅 스터브는 제1 단부와 제2 단부를 갖는다. 동축 쇼팅 스터브는 동축 관통부에 결합되며, 제2 내부 전도 장치는 동축 쇼팅 스터브의 제1 단부에서 제1 내부 전도 장치에 전도적으로 결합되고, 제2 외부 전도 장치는 동축 쇼팅 스터브의 제1 단부에서 제1 외부 전도 장치에 전도적으로 결합된다. 제2 내부 전도 장치는 거의 공동이다. 제2 내부 전도 장치는 그 내부에 배치된 적어도 하나의 나선형 개구를 갖는다. 그 적어도 하나의 나선형 개구는 제2 내부 전도 장치의 주위를 적어도 1 회전하는 동안 연속한다. 쇼팅 플레이트는 동축 쇼팅 스터브의 제2 단부에서 제2 내부 전도 장치와 제2 외부 전도 장치에 전도적으로 결합되어 있다.

Description

광대역 쇼트형 스터브 서지 보호기{BROADBAND SHORTED STUB SURGE PROTECTOR}
본 발명은 일반적으로 서지 보호기, 특히 고주파수 통신 시스템에 사용하기 위한 광대역 서지 보호기에 관한 것이다.
서지 보호기는 전자 장비에 손상을 줄 수 있는 위험한 서지와 스파이크를 통과하지 못하게 전자 회로의 내부에 배치한 장치이다. 서지 보호기의 특히 유용한 응용 중 하나는 무선 통신 시스템의 안테나 송수신 시스템이다. 이러한 안테나 시스템에 있어서, 서지 보호기는 대개 주공급기 동축케이블과 점퍼 동축케이블 사이의 선에 접속되어 있다. 안테나 시스템의 정상 동작 중에 있어서, 마이크로웨이브 신호와 무선 주파수 신호는 차단없이 서지 보호기를 통과한다. 안테나 시스템에 위험한 서지가 생기는 경우에, 서지 보호기는 위험한 서지를 접지로 우회시킴으로써 그 위험한 서지가 하나의 동축케이블에서 다른 동축케이블로 통과하지 못하게 한다.
한 가지 종류의 안테나 시스템용 서지 보호기는 T자형 구조로서, 동축 관통부와, 그 동축 관통부의 중간 부분에 수직으로 접속된 직선의 동축 스터브를 포함한다. 동축 관통부의 한 쪽 단부는 주공급기 동축케이블의 단부에서 짝 접속기와 인터페이스하도록 적응되어 있고, 동축 관통부의 다른 쪽 단부는 점퍼 동축케이블의 단부에서 짝 접속기와 인터페이스하도록 적응되어 있다. 동축 관통부와 직선 동축 스터브 모두는 내부 전도 장치와 외부 전도 장치를 포함하고 있다. 동축 스터브와 동축 관통부 사이의 T자형 접점에서, 동축 스터브의 내부 전도 장치와 외부 전도 장치는 동축 관통부의 각 내부 전도 장치 및 외부 전도 장치에 접속되어 있다. 직선 동축 스터브의 다른 쪽 단부에서, 동축 스터브의 내부 전도 장치와 외부 전도 장치는 함께 접속되어 쇼트를 형성한다. 그 쇼트는 일부의 클램프에 의해, 접지된 버스 바(buss bar) 등의 접지 장치에 직접 접속되어 있다. 동축 스터브의 한 쪽 단부의 접점과 그 동축 스터브의 다른 쪽 단부의 쇼트의 물리적 길이는 마이크로웨이브 주파수 또는 무선 주파수의 원하는 협대역에 대한 중심 주파수 파장의 4 분의 1과 대략 같다.
정상의 「비서지」 동작 중에 있어서, 서지 보호기에 의해, 주파수 대역 내의 신호는 어느 쪽 방향으로든 서지 보호기에 접속된 두 개의 케이블 사이의 서지 보호기를 통과할 수 있다. 신호 진행 방향은 서지 보호기가 안테나 시스템의 송신측에서 사용되고 있는지 또는 수신측에서 사용되고 있는지에 달려 있다. 원하는 동작 주파수 대역 내의 신호는 여러 개의 인터페이스 중 하나의 인터페이스를 통해(신호 진행의 방향에 따름) 서지 보호기로 전달된다. 서지 보호기를 통과할 때, 원하는 주파수 대역 내의 신호는 서지 보호기의 동축 관통부를 통해 진행한다. 그러나, 원하는 신호의 일부분은 그 동축 관통부를 통과하는 동안에 스터브를 만난다. 스터브는 이 신호 부분을 산란시켜, 이에 의해, 이 신호 부분은 스터브를 하방으로 진행하게 한다. 그 쇼트를 반사하지 못하게 한 후, 그 산란된 신호 부분은 스터브를 따라 반사한다. 동축 관통부의 내부 전도 장치와의 접점에서 쇼트까지의 스터브의 물리적 길이는 원하는 동작 주파수 대역에 대한 중심 주파수 파장의 4 분의 1에 같도록 설계되기 때문에, 그 산란된 신호 부분은 산란되지 않은 신호 부분에 동상으로 부가되어, 동축 관통부의 다른 쪽 구역을 통과한다.
안테나 시스템에 서지가 생기면(예컨대, 번개로 인해), 스터브의 그 물리적 길이는 중심 주파수 파장의 4 분의 1보다 훨씬 짧다. 그 이유는, 그 서지가 원하는 동작 주파수 대역보다 훨씬 낮은 주파수이기 때문이다. 이러한 상황에서, 서지는 동축 관통부의 내부 전도 장치를 따라서 스터브로, 그 스터브를 통해 쇼트로, 그 쇼트를 통해 접지부로, 그 접지부를 통해 그에 부착된 접지 장치로 진행한다. 따라서, 서지는 서지 보호기에 의해 접지로 우회된다.
상기 T자형 서지 보호기의 단점은 이들 서지 보호기의 동작 대역폭이 제한되어 있다는 것이다. 오리지날 이큅프먼트 매뉴펙쳐러(「OEM」)와 무선 서비스 제공업자는 현재, 상이한 주파수에서 동작하는 다양한 모든 애플리케이션을 겨냥하기 위해 다량의 쇼트형 스터브 서지 보호기를 구매할 필요가 있다. 쇼트형 스터브 서지 보호기에 대한 선호는 그의 다중 스트라이크 능력과 우수한 수동(受動)의 변조간 왜곡 성능으로 인해 증가하고 있으므로, OEM 또는 서비스 제공업자는 오늘날의 시스템의 공동 할당된 동작 대역폭(800-870 MHz, 824-896 MHz, 870-960 MHz,1,425-1,535 MHz, 1,700-1,900 MHz, 1,850-1,990 MHz, 2,110-2,170 MHz, 2,300-2,485 MHz 등)에 대한 상이한 다량의 쇼트형 스터브 서지 보호기를 비축하고 평가해야 할 것이다. 이러한 전(全) 주파수 범위에 걸쳐서 동작할 수 있는 광대역의 쇼트형 스터브 서지 보호기에 의해, OEM 또는 서비스 제공업자는 하나의 제품을 판매할 수 있을 것이다. 즉, 명확하게는, 평가 필수 요건이 간략화되고 대량 구입을 통해 원가가 절감된다.
그 외에도, 무선 통신 시스템과 관련된 셀 사이트의 수를 제한하려는 사회의 압력이 증가하고 있기 때문에, 광대역 서지 보호기에 대한 상당한 요구가 있다. 이러한 목적에 따라, 현존하는 동축 전송로를 통한 이중 통신 기술 및 삼중 통신 기술을 이용하여, 무선 통신 제공업자가 그의 운용 시스템들을 같은 장소에 배치하려는 요구가 증가하고 있다. 다양한 동작 주파수들을 다중화하려는 이러한 경향은 서지 보호기 등의 전통적인 모든 협대역 구성 요소들이 광대역 장치로 업데이트되어야 함을 기본으로 하게 되었다.
오늘날, 다른 종류의 광대역 서지 보호기가 제조되어 사용되고 있지만, 많은 것이 동축 서지 장치의 내부 전도 장치와 외부 전도 장치 사이에 가스 방전관을 설치하는 기술을 채용하고 있다. 이러한 종류의 장치들은 광대역의 성능을 제공하지만, 그들 장치는 정기 점검에 대한 필요와, 다중 스크라이크를 견딜 수 있는 능력의 부재 및 조악한 수동형 변조간 왜곡 성능을 비롯하여 원치 않는 몇 가지 특성에 시달리고 있다.
따라서, 무선 통신 시스템에 사용하기 위한 광대역의 동작 대역폭을 갖는 서지 보호기에 대한 요구가 있다.
본 발명의 다른 목적과 이점은 도면과 관련하여 다음의 상세한 설명을 읽으면 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 광대역 서지 보호기의 측면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 광대역 서지 보호기의 분해도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 광대역 서지 보호기의 측면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 광대역 서지 보호기의 다른 측면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 광대역 서지 보호기의 동축 관통부의 하면도.
도 6은 스터브 임피던스가 각각 상이한 세 개의 종래의 쇼트 스터브 서지 보호기의 주파수 대역에 관한 도면.
도 7a는 본 발명의 일실시예에 의한 광대역 서지 보호기의 내부 전도 장치의 측면도.
도 7b는 본 발명의 일실시예에 의한 광대역 서지 보호기의 내부 전도 장치의 하면도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 광대역 서지 보호기와 종래의 쇼트 스터브 서지 보호기를 비교하는 도면.
<도면에 사용된 부호의 설명>
10 : 광대역의 쇼트형 스터브 서지 보호기
12 : 동축 관통부
14 : 동축 쇼팅(shorting) 스터브
15 : 제1 단부
16 : 제2 단부
18 : 제1 접속기
19 : 제2 접속기
20, 26 : 공동형 내부 전도 장치
22, 28 : 외부 전도 장치
24 : 절연재
29 : 공간
30 : 입력 단부
32 : 출력 단부
34 : 외벽
36 : 나선형 개구
38 : 외나사형 부재
40 : 탭형 개구
44 : 쇼팅 플레이트
46 : 접지 연결 장치
48 : 스프링 핑거 소켓
50 : 돌출형 스프링 핑거
51 : 공동형 내부
본 발명의 목적은 무선 통신 시스템에 사용하기 위한 광대역의 동작 대역폭을 갖는 서지 보호기를 제공하는 데 있다.
일실시예에서, 전술한 목적은, 서지 보호기는 제1 내부 전도 장치와 제1 외부 전도 장치 및, 그 제1 내부 전도 장치와 그 제1 외부 전도 장치 사이에 배치된 제1 유전체를 갖는 동축 관통부와, 제2 내부 전도 장치와 제2 외부 전도 장치를 갖는 동축 쇼팅 스터브를 제공함으로써 달성된다. 동축 쇼팅 스터브는 제1 단부와 제2 단부를 갖는다. 동축 쇼팅 스터브는 동축 관통부에 결합되며, 제2 내부 전도 장치는 동축 쇼팅 스터브의 제1 단부에서 제1 내부 전도 장치에 전도적으로 결합되고, 제2 외부 전도 장치는 동축 쇼팅 스터브의 제1 단부에서 제1 외부 전도 장치에 전도적으로 결합된다. 제2 내부 전도 장치는 거의 공동이다. 제2 내부 전도 장치는 그 내부에 배치된 적어도 하나의 나선형 개구를 갖는다. 그 적어도 하나의 나선형 개구는 제2 내부 전도 장치의 주위를 적어도 약 1 회전하는 동안 연속된다. 쇼팅 플레이트는 동축 쇼팅 스터브의 제2 단부에서 제2 내부 전도 장치와 제2 외부 전도 장치에 전도적으로 결합되어 있다.
본 발명의 상기 요약은 본 발명의 각 실시예, 또는 모든 형태를 다시 표현하고자 하는 것이 아니다. 본 발명의 부가적인 특징과 이점은 후술하는 상세한 설명, 도면 및 특허 청구의 범위로부터 명확해질 것이다.
이제, 도면에 있어서, 도 1 및 도 2는 고주파수 무선 통신 시스템에 사용하기 위한 광대역의 쇼트형 스터브 서지 보호기(10)를 도시하고 있다. 서지 보호기(10)는 동축 관통부(12)와, 그 동축 관통부(12)에 거의 수직으로 배치된 직선의 동축 쇼팅 스터브(14)를 갖는다. 제1 단부(15)와 제2 단부(16)는 고주파수 무선 통신 시스템에서 각각 제1 동축케이블과 제2 동축케이블(도시되지 않음)에 결합되어 있다. 쇼팅 스터브는 접지 장치(도시되어 있지 않음)에 결합되어 있다. 방사하는 동축케이블은 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 고주파수 무선 통신 시스템에 사용하는 일종의 동축케이블이다. 발명의 명칭이 「방사하는 동축케이블과 그를 이용한 통신 시스템」인 공유의 미국 특허 번호 제5,809,429호는 이러한 동축케이블을 공개하고 있고, 이 특허는 본 명세서에 인용되고 있다.
도 3, 도 4 및 도 5에 있어서, 광대역 서지 보호기(10)는 그 서지 보호기(10)를 시스템의 제1 케이블과 제2 케이블에 결합하기 위해서 각각 제1 단부(15)와 제2 단부(16)에 배치된 적당한 제1 접속기(18)와 제2 접속기(19)를 갖는다. 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 서지 보호기(10)와 관련하여 사용될 수 있는 적당한 접속기의 상세한 설명은 발명의 명칭이 「서지 보호기 접속기」인 공유의 미국 특허 번호 제5,982,602호와, 발명의 명칭이 「환형 주름의 외부 전도 장치를 갖는 동축케이블용 접속기」인 미국 특허 번호 제4,046,451호에 공개되어 있다. 이들 특허는 본 명세서에 인용되어 있다.
동축 관통부(12)는 절연재(24)에 의해 외부 전도 장치(22)로부터 절연된 내부 전도 장치(20)를 갖는다. 내부 전도 장치(20)는 동축 관통부의 횡축을 정의한다. 직선의 동축 스터브(14)는 내부 전도 장치(26)와 외부 전도 장치(28)를 포함하고 있다. 동축 관통부(12)의 내부 전도 장치(20)와 외부 전도 장치(22)는 각각, 스터브(14)의 내부 전도 장치(26)와 외부 전도 장치(28)에 전도적으로 접속되어 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 스터브(14)는 내부 전도 장치(26)와 외부 전도 장치(28) 사이의 공간(29)에 배치된 유전체를 포함하고 있다.
종래의 T자형 4 분파(quarter wave) 쇼트형 스터브 서지 보호기들(「재래식 QWS」)의 전술한 단점 중 하나는 이들 서지 보호기는 동작 대역폭이 제한되어 있다는 것이다. 그러나, 예컨대, 고주파수 무선 통신 시스템에서, 마이크로웨이브 신호 및/또는 무선 신호는 주파수 범위가 대략 800 MHz에서 2,500 MHz이다. 이 주파수 범위를 커버하려면 재래식 QWS가 10개 정도 필요할 것이다. 쇼팅 스터브의 임피던스를 증가시키면 재래식 QWS의 대역폭을 증가시킬 수 있다. 예컨대, 중심 공진 주파수가 870 MHz에 맞게 설계된 재래식 QWS는 스터브 임피던스가 35 오옴일 때 155 MHz의 이론적 20 dB 반사 손실 대역폭을 갖는다. 공진 중심 주파수가 870 MHz인 동일한 재래식 QWS는 스터브 임피던스가 50 오옴일 때 226 MHz의 이론적 20 dB 반사 손실 대역폭을 갖는다. 계속해서, 공진 중심 주파수가 870 MHz인 동일한 재래식 QWS는 스터브 임피던스가 150 오옴일 때 580 MHz의 이론적 20 dB 반사 손실 대역폭을 갖는다. 재래식 QWS의 스터브 임피던스를 증가시키는 이러한 효과는 도 6에 도시되어 있다.
재래식 QWS의 스터브 임피던스를 증가시키면 대역폭이 더 넓어진다. 스터브의 내부 전도 장치의 직경을 감소시키거나 스터브의 외부 전도 장치의 직경을 증가시키면 스터브 임피던스가 더 높아질 수 있다. 그러나, 이들 방법 모두는 중요한결과를 갖는다. 쇼팅 스터브의 직경 감소는 스터브의 전류 반송 능력과 충돌한다. 이는 금속성 전도 장치의 퓨즈 개념과 유사하다. 따라서, 스터브 중심 전도 장치의 직경 감소는 엄격한 제한과 성능의 균형과 관련이 있다. 스터브의 외부 전도 장치의 직경을 증가시키면, 서지 보호기의 사이즈가 더 커지게 되어, 장치의 비용이 증가한다. 또한, 이는 원하지 않는 해법이기도 하다.
서지 보호기의 유효성은 서지 보호기의 입력이 소정의 서지(예컨대, 번개의 순간 파형)의 지배를 받을 때 서지 보호기의 출력으로 통과하는 에너지량의 측정값인 스루풋 에너지에 의해 특징지어진다. 업계에서는 일반적으로, 번개의 순간 파형은 소정의 전류 파형으로서 모델링된다. 그 전류 파형은 8 마이크로초의 상승 시간(최대값의 10 %에서부터 90 %까지임)과 20 마이크로초의 감쇄 시간(최대값이 50 %까지 하강함)으로 구성되고, 그의 진폭 레벨은 2,000 암페어의 최대 전류에서부터 20,000 암페어 정도의 최대 전류까지 변화할 수 있다. 특정의 진폭은 서지 보호기가 설치되는지의 여부와 순간 활동의 예견되는 노출 레벨에 달려 있다. 스루풋 에너지는, 입력 전류 서지를 공급하고, 잔류 출력 전압 파형을 기록하며, 서지 동작의 기간에 걸쳐 이 잔류 전압 파형의 구형(square)을 집적함으로써 계산될 수 있다. 이 값을 부하 임피던스로 나누면, 스루풋 에너지에 대한 수치값(쥬울로 표현)이 나온다. 잔류 전압 파형은 스터브의 인덕턴스와 비례하고, 상승 시간 동안의 전류 변화에 비례하며, 공급된 전류 파형의 상승 시간에 반비례한다. 스터브의 인덕턴스는 스루풋 에너지를 감소시키도록 조작될 수 있다. 재래식 QWS의 경우, 스터브의 자기 인덕턴스는 다음의 식으로 근사될 수 있다.
여기에서, 길이, 두께 및 폭은 스터브의 길이, 두께 및 폭을 나타낸다. 상기 식에서 볼 수 있는 바와 같이, 스터브의 길이를 감소하면 인덕턴스가 감소하게 되어, 스루풋 에너지가 감소한다. 따라서, 서지 보호기의 스루풋 에너지를 감소하기 위해서는 스터브의 길이를 감소하는 것이 바람직하다. 스터브의 길이는 유전체 물질을 부가하여 스터브의 내부 전도 장치와 외부 전도 장치 사이의 유효 유전 상수를 증가시킴으로써 감소될 수 있다. 그러나, 이와 같이 유효 스터브 길이를 감소하게 되면, 스터브의 임피던스를 저하시켜 서지 보호기의 동작 대역폭을 좁힌다고 하는 원하지 않는 효과도 갖는다.
본 발명은, 극소량의 직렬 인덕턴스를 쇼팅 스터브에 부가하면 서지 보호기의 주파수 동작 범위를 증가시키는 특유의 광대역 효과를 얻을 수 있다는 것에 착안하였다. 그러나, 직렬 임피던스를 쇼팅 스터브에 부가하는 것은 스루풋 에너지 성능과 충돌하기 때문에, 보다 낮은 스루풋 에너지 값을 유지하기 위해서는 스터브의 전체 길이를 감소하는 것이 유리하다. 직렬 인덕턴스를 집중적으로 부가하는 것은 어렵기 때문에, 전체 길이의 감소는 쇼팅 스터브의 길이에 인덕턴스를 분배함으로써 달성될 수 있다. 인덕턴스는 스터브의 내부 전도 장치를 형성하고 그 내부 전도 장치의 외벽을 통해 소형의 나선형 개구를 만듦으로써 스터브의 주요 부분에 선택적으로 분배될 수 있다. 환언하면, 쇼팅 스터브의 내부 전도 장치는 내부에 나선형 개구를 형성한 공동형 실린더의 형태이다.
그 결과는 광대역 서지 보호기(10)(도 1 및 도 2)와 도 7a 및 도 7b에 도시된, 그에 상응하는 내부 전도 장치(26)이다. 이제, 도 7a 및 도 7b에 있어서, 스터브(14)의 내부 전도 장치(26)의 도시된 실시예는 입력 단부(30)와 출력 단부(32)를 갖는다. 스터브(14)의 입력 단부(30)는 동축 관통부의 내부 전도 장치(20)에 결합되어 있다. 내부 전도 장치(26)는 입력 단부와 출력 단부가 거의 통하는 공동이다. 내부 전도 장치(26)는 외경(φ)이 대략 0.270 인치이다. 공동형 내부 전도 장치(26)의 외벽(34)은 두께(t)가 대략 0.070 인치이다. 내부 전도 장치(26)는 길이(L)가 대략 1.221 인치이다.
공동형 내부 전도 장치(26)는 외벽(34) 내에 연속의 나선형으로 배치된 개구(36)를 갖는다. 나선형 개구(36)는 내부 전도 장치의 입력 단부에서부터 0.110 인치인 길이 D1에서 개시하여 내부 전도 장치(26)의 출력 단부(32)에서부터 대략 0.500 인치인 길이 D2에서 종단한다. 연속 나선형 개구(36)는 폭(W)이 대략 0.030 인치이고, 내부 전도 장치(26) 주위를 약 5 회전하는 동안 형성된다. 나선형 개구(36)는 악화, 퓨징, 또는 아아킹 없이 적어도 20 킬로암페어의 서지 전류를 반송할 수 있는 구역을 유지하게 설계된다. 나선형 개구(36)는 현대적인 수치 제어형 머시닝센타를 이용하여 효과적으로 제작될 수 있다. 스터브(14)의 디멘젼에 따라, 서지 보호기(10)는 고주파수 무선 통신 시스템에 현재 사용되고 있는 많은 서지 보호기들과 교환 사용될 수 있다.
내부 전도 장치(26)의 입력 단부(30)는 스터브(14)의 내부 전도 장치(26)를동축 관통부(12)의 내부 전도 장치(20)에 결합하기 위한 집적된 외나사형 부재(38)를 포함하고 있다. 동축 관통부(12)의 내부 전도 장치(20)는 그에 상응하는 탭형 개구(40)(도 5)를 포함하고 있다. 내부 전도 장치(26)는 입력 단부(30)과 출력 단부(32)가 거의 통하는 공동이다. 입력 단부(30)에서, 내부 전도 장치의 외나사형 부재(38)를 위한 기저부(42)의 짧은 길이는 공동이 아니다.
다시, 도 1 및 도 2에 있어서, 쇼팅 플레이트(44)는, 쇼트를 생성하여 서지를 쇼트 아웃시키기 위해, 스터브(14)의 출력 단부(32)에서 내부 전도 장치(26)와 외부 전도 장치(28)에 전도적으로 결합되어 있다. 쇼팅 스터브(14)의 내부 전도 장치(26)는 그의 출력 단부(32)(도 7a)에서 스프링 핑거 소켓(48)을 포함하고 있다. 쇼팅 플레이트(44)는 그 쇼팅 플레이트(44)를 스터브(14)의 내부 전도 장치(26)에 결합시키기 위해 그에 상응하는 돌출형 스프링 핑거(50)를 포함하고 있다. 스터브(14)를 통과하는 서지를 접지시키기 위해, 쇼팅 플레이트(44)에는 그 쇼팅 플레이트(44)를 접지에 결합시키기 위한 접지 연결 장치(46)가 설치된다. 도시한 실시예에서, 접지 연결 장치(46)는 내(內)나사형 개구로서, 쇼팅 플레이트를, 그에 상응하는 나사형 부재를 갖는 접지 장치에 결합시킨다.
이제, 도 8에 있어서, 본 발명의 광대역 서지 보호기(14)의 성능은 재래식 QWS와 비교되고 있다. 서지 보호기(14)의 나선 분배된 인덕티브 효과의 결과로, 광대역 무선 주파수 성능은 800 MHz에서 2,500 MHz의 주파수 범위에 걸쳐서 20 dB의 반사 손실과 0.06 dB의 삽입 손실이 생긴다. 800 MHz 이하의 주파수에서는, 인덕티브 리액턴스가 주파수의 함수이고 보다 낮은 주파수에서는 효과가 거의 없기 때문에, 광대역 서지 보호기(14)는 재래식 QWS와 유사하게 동작한다. 그러나, 보다 높은 주파수에서는, 본 발명의 서지 보호기(14)는 넓은 대역폭으로 동작할 수 있음이 분명하다. 재래식 QWS에서는, 쇼팅 스터브의 임피던스를 저하시켜서 대역폭을 좁게하거나 미세 동조시키기 위해서, 동조 절연기, 즉 내부 전도 장치와 외부 전도 장치(28) 사이의 공간에 배치된 유전체를 이용할 필요가 자주 있었다. 그러나, 광대역 서지 보호기(10)는 이러한 큰 대역폭에 걸쳐서 동작하기 때문에, 동조 절연기에 대한 요구는 제거된다. 또한, 동조 절연기를 제거한 결과, 상당한 비용 절감, 구성 부품의 감소, 및 보다 높은 제조 수율을 얻는다. 다른 실시예에서, 유전체 물질은, 서지 보호기(10)의 동작 주파수 대역폭을 조절하기 위해 공동형 내부(51)(도 7b)에 배치될 수 있다.
광범위한 주파수에 걸쳐서 동작할 수 있는 것 외에도, 광대역 서지 보호기(10)는 훌륭한 서지 보호 능력(예컨대, 낮은 스루풋 에너지)을 가짐이 테스트 결과 밝혀졌다. 8 마이크로초의 상승 시간과 20 마이크로초의 감쇄 시간으로 구성되고 최대 전류가 2,000 암페어인 전류 파형으로서 모델링된 번개 순간 파형이 광대역 서지 보호기(10)에 공급되었다. 얻어진 스루풋 에너지는 25 마이크로 쥬울(25×10-6Joules) 이하였다. 또한, 광대역 서지 보호기는 다른 점에서도 상당한 성능을 달성했다. 예컨대, 본 발명의 일실시예에서, 광대역 서지 보호기(10)는 가장 일반적으로 사용되는 800 MHz에서부터 2,500 MHz의 주파수 범위에 걸쳐서 0.1 dB 이하의 광대역 삽입 손실 성능을 달성했다. 다른 실시예에서, 광대역 서지 보호기(10)는 가장 일반적으로 사용되는 800 MHz에서부터 2,500 MHz의 주파수 범위에걸쳐서 20 dB 보다 양호한 광대역 반사 손실 성능을 달성했다. 또 다른 실시예에서, 광대역 서지 보호기(10)는, 대략 800 MHz에서부터 2,500 MHz의 주파수 범위의 어디에서 동작할 때에도 적어도 2,000 와트의 평균 전력으로 동작할 수 있음을 확인되었다. 또 다른 실시예에서, 광대역 서지 보호기(10)는 22 와트의 캐리어가 그 서지 보호기(10)에 공급될 때 -160 dBc(-120 dBm)의 레벨들의 상당한 수동형 변조간 성능을 달성했다.
본 발명의 광대역 서지 보호기(10)는 다중 스트라이크 능력을 보유하고 있다. 서지 보호기는 모든 서지 전류 반송 전도 장치가 경금속 물질로 이루어도록 구성되기 때문에, 가스관, 산화금속 배리스터, 또는 실리콘 애벌런치 다이오드를 이용하여 서지 전류를 반송하는 종래 기술의 다른 서지 보호기과 관련한 문제인 반복되는 서지들로 인해 생기는 전도 장치의 악화가 없다. 광대역 서지 보호기(10)의 일실시예는 어떠한 물리적 또는 전기적 악화없이 20 킬로암페어의 레벨에서 서지 보호기의 내부 전도 장치에 직접 공급되는 적어도 200 개의 서지들을 견딜 수 있다. 마찬가지로, 서지 보호기(10)는 분극되지 않도록 구성된다. 따라서, 그 장치는 어떠한 전기적, 기구적, 또는 환경적 성능과 충돌함이 없이 어떤 배향으로도 설치될 수 있다.
광대역 서지 보호기(10)는 심각한 환경적 기구적 조건을 견디도록 구성된다. 예컨대, 본 발명의 일실시예에서, 광대역 서지 보호기(10)는 어떠한 습기 침투나 성능 악화없이 1 미터의 물에 적어도 24 시간을 담가두어도 견디도록 구성되어 있다. 다른 실시예에서, 광대역 서지 보호기(10)는 인가 진동이 10 Hz에서 2,000 Hz까지 5G의 최대 레벨에서 휘몰아쳐도 어떠한 성능 악화 또는 피로없이 24 시간의 3면 진동 시험을 견디도록 구성되어 있다. 또 다른 실시예에서, 광대역 서지 보호기(10)는 성능 악화 또는 피로없이 3면 모두에서 30G 진폭의 3회 주기의 기구 충격 시험을 견디도록 구성되어 있다. 또 다른 실시예에서, 광대역 서지 보호기(10)는 어떠한 성능 악화없이 적어도 1,000 시간의 부식 시험(염류 안개)을 견디도록 구성되어 있다. 또 다른 실시예에서, 광대역 서지 보호기(10)는 어떠한 성능 악화 또는 피로없이 적어도 25회의 극한 온도(+85 C에서 1 시간, -55 C에서 1 시간)를 견디도록 구성되어 있다. 또 다른 실시예에서, 광대역 서지 보호기(10)는 어떠한 성능 악화없이 95 %의 습도와 65 C의 온도에서 적어도 10 일의 습도 시험을 견디도록 구성되어 있다.
본 발명의 대체 실시예에서, 서지 보호기를 통해 흐르는 서지에 의해 얻어지는 스루풋 에너지를 감소하는데 도움이 되게, 소정의 커패시터(도시되지 않음)를 동축 관통부(12)에 전기적으로 직렬 결합한다. 몇 가지 비상 환경에서, 보호를 요하는 동작 시스템은 과도 현상에 극히 민감할 수 있고, 따라서 보다 낮은 레벨의 스루풋 에너지 성능조차도 필요로 한다. 이러한 극히 드문 적용예에 있어서, 본 발명의 나선형 개구 쇼트형 스터브 서지 보호기(10)와 관련하여 사용된 직렬 커패시터는 부가적인 레벨의 서지 보호를 제공할 수 있고, 스루풋 에너지를 더 감소할 수 있다. 더욱이, 다른 대체 실시예에서, 동축 관통부(12)에 직렬 결합되고 각각의 접속 중인 인터페이스에 종단하는 직렬 인덕터를 이용하면, 전송 장비의 전력 필요 조건을 위한 저레벨의 DC 전류를 (그 각각의 접속 중인 인터페이스를 통해) 전송선시스템으로 도입할 수도 있다. 그 인덕터에 결합된 접속기(18, 19)만이 전류를 반송할 것이다. 직렬 커패시터는 동축 관통부의 제2 동축 접속기(18, 19)를 DC 전류로부터 효과적으로 결합 해제할 것이다.
서지 보호기(10)의 도시된 실시예는, 나선형 개구(36)가 스터브(14)의 내부 전도 장치(26) 주위를 약 5 회전하는 동안 연속하고 있음을 나타내고 있다. 그러나, 본 발명의 대체 실시예들에서, 나선형 개구(36)는 내부 전도 장치(26) 주위를 적어도 1 회전하는 동안 형성되기만 해도 된다. 서지 보호기(10)의 대체 실시예에서, 개구(36)가 내부 전도 장치(26)에 관해서 약 2와 2 분의 1 회전하는 동안 연속하고 있는 경우에, 길이 D1은 0.300 인치이고, 길이 D2는 0.580 인치이다. 이러한 대체 실시예에서, 나선형 개구의 배치는, 보다 높은 주파수 범위에서조차도 고성능 레벨의 반사 손실을 달성할 수 있게 행해진다. 시스템이 반사 손실에 관해 보다 높은 레벨의 성능을 요구하는 경우에, 나선형 개구(36)가 약 2와 2 분의 1 회전하는 동안 연속하는 내부 전도 장치(26)를 구성하여 1,500 MHz에서부터 3,400 MHz까지 약 30 dB의 반사 손실을 달성할 수 있다. 다른 대체 실시예에서, 나선형 개구(36)는 내부 전도 장치의 길이(L)의 적어도 대략 5 분의 1을 연장한다. 본 발명의 또 다른 대체 실시예에서, 나선형 개구의 범위는 내부 전도 장치의 길이(L)의 약 4 분의 1에서부터 약 4 분의 3까지를 연장한다. 본 발명의 또 다른 대체 실시예들에서, 스터브(14)의 내부 전도 장치(26)는 하나 이상의 나선형 개구를 포함할 수도 있고, 이와는 달리, 나선형 개구는 하나 이상의 구역으로 분할될 수도 있다.
내부 전도 장치의 길이(L)와 외경(φ)은 본 발명의 대체 실시예들에 따라 변할 수 있다. 예컨대, 내부 전도 장치(26)의 외경(φ) 대 길이(L)의 비는 약 0.10에서 약 0.40까지의 모든 곳에 분포할 수 있다. 내부 전도 장치(26)의 벽 두께(t)는 본 발명의 다른 실시예들에 따라 약 0.050 인치에서 0.090 인치 사이에 분포한다. 제조 공정 상의 실무적 제약과 현재의 내부 전도 장치 물질 처리 능력은 이 범위의 경계를 결정하는 몇 가지 매개 변수들이다. 내부 전도 장치(26)를 구성하는 물질은 본 발명의 다른 대체 실시예들에 따라 변할 수도 있다. 예컨대, 본 발명의 대체 실시예들에서, 내부 전도 장치(26)는 인 청동 합금 544 전(全)경질 재료, 베릴륨 구리 B196 합금 C, 또는 청동 ASTM B16 반경질 재료, 또는 마이크로웨이브 신호를 반송하는 데 적합하고 전류를 반송할 수 있는 비강자성 재료로 구성된다.
대체 실시예들에서, 본 발명은 도시된 T자형 서지 보호기들이 아닌 다른 서지 보호기에 적용될 수도 있다. 예컨대, 발명의 명칭이 「서지 보호기 접속기」이고, 본 명세서의 모두에 인용된 공유의 미국 특허 번호 제5,982,602호는, 그 서지 보호기의 동작 대역폭을 증가시키기 위해 공동형으로 제작하고 그 안에 나선형 개구를 배치시킬 수도 있다. 다른 대체 실시예들에서, 나선형 개구(36)를 내부에 배치한 공동형의 내부 전도 장치(26)가 다른 서지 보호기에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 예컨대, 나선형 개구(36)를 내부에 배치한 공동형의 내부 전도 장치(26)는 직각의 관통부 구조를 갖는 서지 보호기 내에 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 동축 관통부는 그 안의 몇 개의 점(일반적으로 중간 점)에서 90°의 굴곡을 형성한다. 스터브(14)의 내부 전도 장치(26)는 그의 제1 단부(30)에서 90°의 동축 관통부에 접속될 것이고, 쇼트를 생성하는 스터브(14)의 외부 전도 장치(28)에 전도적으로 결합될 것이다.
이제까지 본 발명의 특정 실시예와 적용예에 대해서 예시하고 설명했지만, 본 발명은 본 명세서에 공개한 바로 그 구성과 배치에 한정되지 않고, 특허 청구 범위에 정의한 본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않고서도 전술한 설명으로부터 다양한 변형예, 변경, 및 수정예들이 명확할 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims (23)

  1. 제1 내부 전도 장치와, 제1 외부 전도 장치 및, 상기 제1 내부 전도 장치와 상기 제1 외부 전도 장치 사이에 배치된 제1 유전체를 갖는 동축 관통부와,
    제2 내부 전도 장치와 제2 외부 전도 장치를 갖고 제1 단부와 제2 단부를 갖는 동축 쇼팅 스터브와,
    상기 동축 쇼팅 스터브의 제2 단부에서 제2 내부 전도 장치와 제2 외부 전도 장치를 전도적으로 결합하는 쇼팅 플레이트를 구비하고,
    상기 동축 쇼팅 스터브는 상기 동축 관통부에 결합되며, 상기 제2 내부 전도 장치는 상기 동축 쇼팅 스터브의 상기 제1 단부에서 상기 제1 내부 전도 장치에 전도적으로 결합되고, 상기 제2 외부 전도 장치는 상기 동축 쇼팅 스터브의 상기 제1 단부에서 상기 제1 외부 전도 장치에 전도적으로 결합되며, 상기 제2 내부 전도 장치는 거의 공동이고, 상기 제2 내부 전도 장치는 그 내부에서 상기 제2 내부 전도 장치의 주위를 적어도 1 회전하는 동안 연속 배치된 적어도 하나의 나선형 개구를 갖는 서지 보호기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 동축 관통부는 형상이 대체로 실린더형인 것인 서지 보호기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 동축 관통부는 제1 단부와 제2 단부를 갖고, 상기 서지 보호기는,
    상기 동축 관통부의 상기 제1 단부에 결합되고, 상기 동축 관통부의 상기 제1 단부를 제1 동축케이블에 전기적으로 결합되게 하는 제1 접속기와,
    상기 동축 관통부의 상기 제2 단부에 결합되고, 상기 동축 관통부의 상기 제2 단부를 제2 동축케이블에 전기적으로 결합되게 하는 제2 접속기를 더 구비하는 것인 서지 보호기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 내부 전도 장치는 비강자성재료로 형성되는 것인 서지 보호기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 비강자성재료는 인 청동 합금인 것인 서지 보호기.
  6. 제4항에 있어서, 상기 비강자성재료는 인 구리 합금인 것인 서지 보호기.
  7. 제4항에 있어서, 상기 비강자성재료는 황동인 것인 서지 보호기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 내부 전도 장치는 길이가 동작 주파수 대역에 대한 중심 주파수 파장의 약 4 분의 1과 같은 것인 서지 보호기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제2 내부 전도 장치는 길이가 약 1.221 인치인 것인서지 보호기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2 내부 전도 장치는 외경이 약 0.270 인치인 것인 서지 보호기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제2 내부 전도 장치는 내경이 약 0.140 인치인 것인 서지 보호기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 나선형 개구는 상기 내부 전도 장치의 주위를 약 2.5 회전하는 동안 연속하는 것인 서지 보호기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2 내부 전도 장치는 제1 단부와 제2 단부를 구비하고, 상기 나선형 개구는 제1 단부와 제2 단부를 구비하며, 상기 나선형 개구의 상기 제1 단부는 상기 제2 내부 전도 장치의 상기 제1 단부로부터 약 0.300 인치 떨어져서 배치되고, 상기 나선형 개구의 상기 제2 단부는 상기 제2 내부 전도 장치의 상기 제2 단부로부터 약 0.580 인치 떨어져서 배치되는 것인 서지 보호기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 나선형 개구는 상기 내부 전도 장치의 주위를 약 5 회전하는 동안 연속하는 것인 서지 보호기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제2 내부 전도 장치는 제1 단부와 제2 단부를 구비하고, 상기 나선형 개구는 제1 단부와 제2 단부를 구비하며, 상기 나선형 개구의 상기 제1 단부는 상기 제2 내부 전도 장치의 상기 제1 단부로부터 약 0.110 인치 떨어져서 배치되고, 상기 나선형 개구의 상기 제2 단부는 상기 제2 내부 전도 장치의 상기 제2 단부로부터 약 0.500 인치 떨어져서 배치되는 것인 서지 보호기.
  16. 제14항에 있어서, 상기 나선형 개구는 폭이 약 0.030 인치인 것인 서지 보호기.
  17. 제14항에 있어서, 상기 나선형 개구는 피치가 약 0.118 인치인 것인 서지 보호기.
  18. 제1항에 있어서, 상기 제2 내부 전도 장치와 상기 제2 외부 전도 장치 사이의 상기 동축 쇼팅 스터브 내에 배치된 제2 유전체를 더 구비하는 것인 서지 보호기.
  19. 제1항에 있어서, 상기 동축 관통부에 직렬로 전기적으로 결합된 커패시터를 더 구비하는 것인 서지 보호기.
  20. 제1항에 있어서, 상기 쇼팅 스터브의 상기 제2 단부는 상기 쇼팅 플레이트를접지에 결합되는, 그에 부착된 커플링 메카니즘을 갖는 것인 서지 보호기.
  21. 제20항에 있어서, 상기 커플링 메카니즘은 스프링 핑거 소켓인 것인 서지 보호기.
  22. 제1항에 있어서, 상기 제1 내부 전도 장치는 그 안에 내나사형 개구가 배치되어 있고, 상기 제2 내부 전도 장치는 상기 제1 내부 전도 장치의 상기 내나사형 개구에 상기 동축 쇼팅 스터브를 결합되게 하는 외나사형 부재를 포함하는 것인 서지 보호기.
  23. 제1항에 있어서, 상기 제2 내부 전도 장치는 형상이 대체로 실린더형이고 내부를 더 구비하고, 상기 서지 보호기는 상기 내부에 배치된 유전체를 더 구비하는 것인 서지 보호기.
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