Die Erfindung betrifft ein Übertragungsleitungs-Überspannungsschutzsystem, das eine
Übertragungsleitung, ein Übertragungsgerät oder dergleichen gegen in der
Übertragungsleitung auftretende, durch Blitzschlag oder dergleichen hervorgerufene
Überspannung oder einen Spannungsstoß schützt.
Es wurde bereits versucht, eine Übertragungsleitung, ein Verbindungsgerät oder
dergleichen gegen Beschädigung zu schützen, die durch in der Übertragungsleitung
auftretenden Blitzüberspannung und dergleichen hervorgerufen wird. Bei diesem
üblichen Blitzüberspannungs-Schutzsystem ist ein Blitzschutz wie ein
Gasrohrblitzschutz zwischen dem Außenumfang eines Innenleiters eines koaxial
Steckverbinders und dem Innenumfang eines Außenleiters angeordnet. Dadurch wird
eine Blitzüberspannung und dergleichen, die in der Übertragungsleitung auftreten,
entladen und durch den Blitzschutz geerdet, um die Übertragungsleitung, das
Verbindungsgerät oder dergleichen gegen Blitzüberspannung und dergleichen zu
schützen.
Bei dem oben beschriebenen üblichen Blitzüberspannungs-Schutzsystem tritt jedoch
eine betriebliche Zeitverzögerung auf, nachdem die Blitzüberspannung in die
Übertragungsleitung eingedrungen sind, bevor der Blitzschutz einen
Entladungsvorgang durchführt. Daher kann die Blitzüberspannung in Verbindung mit
der betrieblichen Zeitverzögerung des Blitzschutzes in die Übertragungsleitung oder
das Verbindungsgerät eindringen und dadurch das Verbindungsgerät beschädigen.
Da außerdem der Blitzschutz zwischen den Außenumfang des Innenleiters der
Koaxialleitung und den Innenumfang des Außenleiters geschaltet ist, addiert sich zu
diesem Teil eine Kapazität, die die Verluste der Übertragungsleitung erhöht, so daß
das Frequenzband geschmälert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in Verbindung mit dem
oben beschriebenen Blitzüberspannungs-Schutzsystem beschriebenen Probleme zu
lösen und ein Übertragungsleitungs-Überspannungsschutzsystem zu schaffen, das es
einer Übertragungsleitung ermöglicht, ein Signal mit einer bestimmten Frequenz zu
übertragen, während Signale mit Frequenzkomponenten der Überspannung oder des
Überspannungsstoßes gesperrt werden, so daß Signale mit den
Frequenzkomponenten der Überspannung nach Erde abgeleitet werden, während das
Signal mit der vorbestimmten Frequenz gesperrt wird.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1
angegebenen Merkmale.
Es wird also zunächst ein offener Viertelwellenlängenkreis für die benutzte
Wellenlänge im Innenleiter 1 und im Außenleiter 2 angeordnet, damit ein Signal mit
einer bestimmten Übertragungswellenlänge durchlaufen kann, während Signale mit
Frequenzkomponenten der Überspannung blockiert werden, wobei außerdem eine
Erdungsleitung im Innenleiter vorgesehen, und ein Viertelwellenlängenkurzschlußkreis
für die verwendete Wellenlänge in der Erdungsleitung und dem Außenleiter
vorgesehen wird, um das Signal mit der vorbestimmten Übertragungswellenlänge zu
blockieren, während die Signale mit den Frequenzkomponenten der Überspannung zur
Erdung durchlaufen können. Zweitens wird der offene Viertelwellenlängenkreis für die
verwendete Wellenlänge durch Zwischenanordnen eines Isolators mit einer R-Länge
der verwendeten Welle im Innenleiter und Außenleiter gebildet. Drittens wird der offene
Viertelwellenlängenkreis für die verwendete Wellenlänge durch Unterteilen des
Innenleiters und des Außenleiters in Abschnitte und Zwischenanordnung eines
Isolators zwischen den Abschnitten des Innen- und des Außenleiters gebildet.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt eines Übertragungsleitungs-
Überspannungsschutzsystems in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 ist ein Innenleiter einer Übertragungsleitung. Der Innenleiter 1 besteht aus einem
ersten zylindrischen Innenleiterteilstück 1a, einem zweiten Innenleiterteilstück 1b, das
konzentrisch zum ersten Innenleiterteilstück 1a angeordnet ist und einen zylindrischen
Abschnitt 1b1 an seiner Spitze hat, und einem dritten Innenleiterteilstück 1c, das in
eine Durchgangsbohrung 1b2, die im zweiten Innenleiterteilstück 1b geschraubt ist,
wobei sich das dritte Innenleiterteilstück 1c senkrecht zum ersten Innenleiterteilstück
1a und zum zweiten Innenleiterteilstück 1b erstreckt.
2 ist der Außenleiter der Übertragungsleitung. Der Außenleiter 2 hat ein erstes
zylindrisches Außenleiterteilstück 2a, ein zweites zylindrisches Außenleiterteilstück 2b
mit einem kleineren Durchmesser als das erste, ein drittes zylindrisches
Außenleiterstück 2c und ein viertes zylindrisches Außenleiterteilstück 2d. Das erste
Außenleiterteilstück 2a, das zweite Außenleiterteilstück 2b, das dritte
Außenleiterteilstück 2c und das vierte Außenleiterteilstück 2d sind konzentrisch
angeordnet.
Außerdem hat der Außenleiter 2 ein fünftes Außenleiterteilstück 2e, das in eine
Durchgangsbohrung 2c1 geschraubt ist, die in die Umfangswand des dritten
Außenleiterteilstücks 2c gebohrt ist, wobei das fünfte Außenleiterteilstück 2e
rechtwinklig zum ersten, zweiten, dritten, vierten verläuft.
Außerdem ist ein Ende des dritten Außenleiterteilstück 2c in ein Ende des vierten
Außenleiterteilstücks 2d an einem Gewindeabschnitt s1 geschraubt. Ein Ende des
zweiten Außenleiterteilstücks 2b ist in das andere Ende des dritten
Außenleiterteilstücks 2c an einem Gewindeabschnitt s2 geschraubt.
3 ist ein Innenisolator, der aus einem Dielektrikum oder dergleichen besteht. Der
Innenisolator 3 hat einen Zylinder 3b mit einer Seitenwand 3a an einem Ende und
einem Flansch 3d, der an einer Öffnung 3c im Zylinder 3b gebildet ist.
Das erste zylindrische Innenleiterteilstück 1a des Innenleiters 1 ist in den Zylinder 3b
des Innenisolators 3 eingesetzt, so daß eine Endfläche des ersten Innenleiterteilstücks
1a an der Seitenwand 3a des Innenisolators 3 anliegt. Außerdem ist der Zylinder 3b
des Innenisolators 3 so geformt, daß er in den zylindrischen Abschnitt 1b1 des zweiten
Innenleiterteilstücks 1b paßt.
4 ist ein Außenisolator, der aus einem Dielektrikum oder dergleichen besteht. Der
Außenisolator 4 hat einen Zylinder 4b an seinem einen Ende und einen Seitenwand 4a
mit einer darin gebohrten Durchgangsbohrung 4a1, sowie einen Abschnitt 4d mit
größerem Durchmesser nahe einer Öffnung 4c, die am anderen Ende des Zylinders 4b
ausgebildet ist, wobei der Abschnitt 4d mit dem größeren Durchmesser einen größeren
Außendurchmesser als der Zylinder 4b hat.
Das erste zylindrische Außenleiterteilstück 2a und der Außenisolator 4 sind an einem
Gewindeabschnitt s3 verbunden, der aus einem Gewinde an der inneren
Umfangsfläche des ersten Außenleiterteilstücks 2a, und einem Gewinde an der
äußeren Umfangsfläche des Zylinders 4b des Außenisolators 4 besteht. Außerdem ist
das zweite zylindrische Außenleiterteilstück 2b in den Zylinder 4b des Außenisolators 4
eingesetzt.
Der Abschnitt 4d mit größerem Durchmesser des Außenisolators 4 ist so ausgebildet,
daß er sich über die äußere Umfangsfläche des ersten Außenleiterteilstücks 2a
erstreckt. Der Flansch 3d des Innenisofators 3 ist so ausgebildet, daß er in eine
Durchgangsbohrung 4a1 paßt, die in die Seitenwand 4a des Außenisolators 4 gebohrt
ist.
5a ist ein ringförmiges Isoliertragelement, das zwischen dem ersten
Innenleiterteilstück 1a, und dem ersten Außenleiterteilstück 2a, angeordnet ist. 5b und
5c sind ringförmige Isoliertragelemente, die zwischen dem zweiten Innenleiterteilstück
1b, und dem dritten Außenleiterteilstück 2c, angeordnet sind, wobei die ringförmigen
Isoliertragelemente 5b, 5c auch über dem dritten Innenleiterteilstück 1c angeordnet
sind. Ein Isolator 6, der aus einem Dielektrikum oder dergleichen besteht, ist zwischen
dem Innenleiterteilstück 1c, und dem fünften Außenleiterteilstück 2e angeordnet. Ein
oberer Endabschnitt 1c1 des dritten Innenleiterteilstücks 1c, der den Innenleiter 1
bildet, ist in eine Durchgangsbohrung eingesetzt, die in einen oberen Abschnitt 2e1
gebohrt ist, der nahe einer oberen Öffnung im fünften Außenleiterteilstück 2e
ausgebildet ist.
Außerdem ist eine Mutter 7 in einen Gewindeabschnitt geschraubt, der am oberen
Ende 1c1 des dritten Innenleiterteilstücks 1c ausgebildet ist. Das dritte
Innenleiterteilstück 1c, und das fünfte Außenleiterteilstück 2e, sind somit verbunden,
um einen Erdungsabschnitt 8 zu bilden.
9 ist ein Deckel, der die obere Öffnung im fünften Innenleiterteilstück 2e abdeckt.
Wie oben beschrieben, hat der zentrale Innenleiter 1 das dritte Innenleiterteilstück 1c,
das den Innenleiter 1 erdet. Außerdem ist das fünfte Außenleiterteilstück 2e, um den
dritten Innenleiter 1c zu umgeben, so ausgebildet, daß es vorn dritten
Außenleiterteilstück 2c abzweigt. Weiterhin sind das dritte Innenleiterteilstück 1c und
das fünfte Außenleiterteilstück 2e über den Erdungsabschnitt 8 verbunden.
10, 11 sind Verbindungsteile, die den Innenleiter 1 und den Außenleiter 2 mit anderen
Außenleitern verbinden. Die Verbindungsteile 10, 11 werden mit anderen Außenleitern
unter Verwendung geeigneter Montageflansche 12 verbunden. 13 ist ein Luftabschnitt,
der zwischen dem zweiten Außenleiterteilstück 2b, und das zweite Innenleiterteilstück
1b, ausgebildet ist.
Die Isolatorlänge des Innenisolators 3, der zwischen dem fünften Innenleiterteilstück
1a und dem zweiten Innenleiterteilstück 1b angeordnet ist, und die Isolatorlänge des
Außenisolators 4, der zwischen dem fünften Außenleiterteilstück 2a und dem zweiten
Außenleiterteilstück 2b angeordnet ist, sind jeweils auf R der verwendeten
Wellenlänge eingestellt.
Der offene Viertelwellenlängenkreis für die verwendete Wellenlänge X hat eine
Isolierstruktur, bei der ein Teil der Übertragungsleitung gesperrt wird. Die Länge des
Isolators, das heißt die Länge La bei offener Leitung wird wie folgt bestimmt:
Die Eingangsimpedanz Zin des offenen Viertelwellenlängenkreises ist gegeben durch:
Zin = JZo × cot (27πLa/λ)
wobei λ = verwendete Wellenlänge,
La = Länge der offenen Leitung (Länge des Isolators), und
Zo = charakteristische Impedanz.
Es wird angenommen, daß La = π/4 und Zo = 50 Ohm. Dann gilt Zin = 0 Ω auf der
Grundlage der obigen Gleichung. Wenn daher die Länge La der offenen Leitung auf
R der verwendeten Wellenlänge λ eingestellt ist, dann läßt der offene
Viertelwellenlängenkreis ein Signal mit einer bestimmten Frequenz f ohne Verluste
durchlaufen.
Wenn dagegen ein Signal mit der doppelten Frequenz, das von dem Signal mit der
vorbestimmten Frequenz f verschieden ist, in den Übertragungskreis eindringt, dann ist
die Wellenlänge dieses Signals λ/2 aufgrund der Frequenz 2f, und die
Eingangsimpedanz Zin des offenen Zirkelkreises ist:
Zin = - JZo × cot ((2π(λ/4)/(λ/2))
Zin = ∞ Ω
Daher hat der offene Vierteiwellenlängenkreis eine hohe Impendanz, das heißt eine
sehr ausgeprägte Isoliercharakteristik für Signale außer dem mit der vorbestimmten
Frequenz f, das heißt, Signale verschieden vom Frequenzsignal, die zum Beispiel der
Blitzschlagüberspannung entsprechen. Der offene Viertelwellenlängenkreis verhindert
daher den Durchgang der Signale außer dem Signal mit der vorbestimmten Frequenz
f. Dies bedeutet, daß der Erdungsabschnitt 8 des offenen Viertelwellenlängenkreises
die Blitzschlagüberspannung, das heißt Signale mit anderen Frequenzen als der
vorbestimmten Frequenz f, nach Erde ableitet.
Wenn insbesondere ein Übertragungskreis eine Signalfrequenz f von 3 GHz hat,
beträgt die Wellenlänge λ entprechend dieser Signalfrequenz 10 cm wie in der
folgenden Gleichung gezeigt ist. Der Isolator des offenen Viertelwellenlängenkreises ist
2,5 cm lang.
λ = c/f = 3 × 108/3 × 109 = 0,1 m
λ/4 = 0, R = 0,025 m
wobei λ = verwendete Wellenlänge,
c = Geschwindigkeit (= 3 × 108), und
f = Signalfrequenz
Dies bedeutet, daß ein Signal mit einer Übertragungsfrequenz von 3 GHz ohne
Verluste durch den offenen Viertelwellenlängenkreis läuft.
Es wird nun ein Viertelwellenlängen-Kurzschlußkreis beschrieben. Die
Eingangsimpedanz Zin des Viertelwellenlängen-Kurzschlußkreises ist gegeben durch:
Zin = + JZo × tan (2π Lb/λ)
wobei λ = verwendete Wellenlänge
Lb = Kurzschlußleitungslänge, und
Zo = charakteristische Impedanz.
Es wird angenommen, daß L = C/4 und Zo = 50 Ω. Dann gilt die folgende Gleichung:
Zin = + Jzo × tan ((2π(λ/4))/λ) = ∞ Ω
Wenn daher die Länge des Isolators (Kurzschlußleitungslänge) Lb R der
verwendeten Wellenlänge beträgt, hat der Viertelwellenlängenkurzschlußkreis für das
Signal f eine Eingangsimpedanz entsprechend einem unendlichen Widerstand, so daß
der Durchgang der Signalfrequenz f verhindert wird. Dagegen hat der
Viertelwellenlängenkurzschlußkreis eine niedrige Impedanz für Sigbale der
Blitzschlagüberspannung, die Frequenzen verschieden von der Signalfrequenz f
haben. Daher laufen die Signale mit diesen Frequenzkomponenten durch den Kreis,
das heißt vom Innenleiter 1 über den Erdungsabschnitt 8 nach Erde.
Der offene Viertelwellenlängenkreis hat eine Isolierstruktur, bei der die
Übertragungsleitung gesperrt wird. Beim offenen Viertelwellenlängenkreis ändert sich
die gegen Blitzschlagüberspannung zu schützende Isolierstrecke mit der Stromgröße,
der Temperatur und der Feuchtigkeit. Es muß jedoch nur eine Impulsstehspannung
von etwa 100 V angenommen werden, und ein dielektrischer Durchschlag kann
vermieden werden. Folglich muß nur eine räumliche Strecke von 0,5 mm sichergestellt
werden, und eine Oberflächenstrecke von 1 mm muß nur für eine gedruckte
Schaltungsplatte oder dergleichen sichergestellt werden.
Eine negative Blitzschlagüberspannung wird von Erde durch den Außenleiter und das
Verbindungsgerät in den Innenleiter übertragen. Der offene Viertelwellenlängenkreis
mit einer Länge von R der vom Außenleiter verwendeten Wellenlänge hat jedoch eine
hohe Impedanz, so daß eine Blitzschlagüberspannung am Eindringen in das
Verbindungsgerät gehindert wird.
Bei Versuchen, bei denen das vorliegende System mit einem Koaxialkabel-
Verbindungsgerät verbunden waren, wurde eine Spannung von 10 KV zwischen den
Innenleiter und den Außenleiter unter Anwendung einer Impulswellenform vom 10/200 µs
angewandt. Die Spannung am Verbindungsgerät betrug dann 2,2 V maximal und
etwa 1,6 V minimal. Außerdem betrug der Wert für die Reflektionscharakteristik
(Spannungsstehwellenverhältnis) 1,1 oder weniger, und der Einfügungsverlust betrug
0,1 dB oder weniger. Wie sich aus diesen Versuchen zeigt, genügt dieses System für
den praktischen Gebrauch.