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Dokumentenidentifikation DE69820101T2 27.05.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0001023754
Titel ÜBERSPANNUNGSUNTERDRÜCKUNGSVORRICHTUNG
Anmelder Polyphaser Corp., Minden, Nev., US
Erfinder JONES, L., Jonathan, Carson City, US;
DUNNING, C., Richard, Minden, US;
KULBIEDA, K., Ted, Carson City, US
Vertreter Schwabe, Sandmair, Marx, 81677 München
DE-Aktenzeichen 69820101
Vertragsstaaten CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, IE, IT, LI, NL, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 20.08.1998
EP-Aktenzeichen 989433313
WO-Anmeldetag 20.08.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/US98/17461
WO-Veröffentlichungsnummer 0099019957
WO-Veröffentlichungsdatum 22.04.1999
EP-Offenlegungsdatum 02.08.2000
EP date of grant 26.11.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.05.2004
IPC-Hauptklasse H02H 3/22
IPC-Nebenklasse H01Q 1/50   H01T 4/08   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Überspannungs-Unterdrücker und insbesondere auf einen Überspannungs-Unterdrücker mit einem Spiral-Induktor und einer Überspannungs-Blockierungseinrichtung.

Datenübermittlungsgeräte, Computer, Heim-Stereoverstärker, Fernsehgeräte und andere elektronische Geräte werden zunehmend unter Verwendung von kleinen elektronischen Bauelementen hergestellt, die sehr anfällig auf eine Beschädigung durch elektrische Energie-Überspannungen sind. Überspannungsschwankungen in Strom- und Übertragungsleitungsspannungen und auch Rauschen können den Betriebsbereich der Geräte verändern und können elektronische Geräte ernsthaft beschädigen und/oder zerstören. Außerdem kann es sehr kostspielig sein, diese elektronischen Geräte zu reparieren und zu ersetzen. Deshalb benötigt man einen kosteneffizienten Weg, um diese Bauelemente vor Leistungsüberspannungen zu schützen.

Es gibt viele Quellen, die schädliche elektrische Energie-Überspannungen hervorrufen können. Eine Quelle ist eine Radiofrequenz-Störung (RF), die von einer Vielzahl von Quellen in Hochspannungs- und Übertragungsleitungen eingekoppelt werden kann. Die Hochspannungs- und Übertragungsleitungen wirken als große Antennen, die sich über mehrere Meilen erstrecken können, um so in erheblichem Umfang eine RF-Rauschleistung von solchen Quellen, beispielsweise von Radio-Senderantennen, einzufangen. Eine andere Quelle der schädlichen RF-Energie stammt von den zu schützenden Geräten selbst, beispielsweise von Computern. Ältere Computer können in erheblichem Umfang RF-Störungen aussenden. Eine, andere schädliche Quelle ist ein Leitungsrauschen, das dadurch erzeugt wird, dass ein Gerät mit der Hochspannungs- und Übertragungsleitung in Verbindung steht, welches Rauschen entlang der Hochspannungsleitungen zu dem zu schützenden Gerät geleitet wird. Eine noch weitere Quelle von schädlicher elektrischer Energie stellt Blitzschlag dar. Blitzschlag ist eine komplexe elektromagnetische Energiequelle mit Spannungen, die man auf 5 Millionen bis 20 Millionen Volt schätzt, und Strömen, die Tausende von Ampere erreichen.

Idealerweise benötigt man eine Überspannungs-Unterdrückungseinrichtung von kompakter Größe, von geringer Einkoopplungsdämpfung und mit einem geringen Stehwellenverhältnis bzw. Welligkeitsfaktor (VSWR), die Hardware-Geräte vor einer schädlichen elektrischen Energie, die von den vorstehend beschriebenen Quellen abgeben wird, schützen kann.

WO-A-95/10116. beschreibt einen Überspannungs-Unterdrücker mit einem zylindrischen Körper und einer gekrümmten, leitfähigen Viertel-Wellenlängen-Stichleitung, die einen ersten Abschnitt aufweist, der sich in einer im Wesentlichen radialen Richtung von einem Innenleiter durch einen Spalt in einem Außenleiter hindurch erstreckt, und die einen zweiten Abschnitt aufweist, der sich in einer im Wesentlichen ringförmigen Richtung, welche den Außenleiter umschreibt, zwischen dem Außenleiter und dem zylindrischen Körper erstreckt.

US-A-5,122,921 beschreibt einen Überspannungs-Unterdrücker, der einen Blockierungskondensator, eine Induktor- bzw. Induktionsspule und eine zu der Induktionsspule parallele Gasentladungsröhre umfasst.

Die Erfindung ist in Patentanspruch 1 festgelegt. Die Ausführungsform betrifft einen Überspannungs-Unterdrücker, um Überspannungen abzuleiten. Der Überspannungs-Unterdrücker schützt Hardware-Geräte vor Überspannungen elektrischer Energie, beispielsweise bei Blitzschlag. Der Überspannungs-Unterdrücker, weist einen inneren Leiter und einen Spiral-Induktor bzw. eine spiralförmige Induktionsspule auf. Der innere Leiter lässt während eines normalen Betriebs eine Signalausbreitung durch diesen hindurch zu und der Spiral-Induktor leitet während eines Überspannungszustands elektrische Energie zu einer Erdungsverbindung ab. Der Spiral-Induktor ist zwischen den inneren Leiter und die Erdungsverbindung gekoppelt. Der Spiral-Induktor wird bei einer im Voraus festgelegten RF-Impedanz zu Masse betrieben, um die Signale während eines Normalbetriebs entlang . dem inneren Leiter zu leiten bzw. zu übertragen, so dass das RF-Signal mit einem minimalen oder einem verschwindenden RF-Signalverlust durch den Überspannungs-Unterdrücker gelangt.

Der Überspannungs-Unterdrücker umfasst auch eine Überspannungs-Blockierungseinrichtung. Die Überspannungs-Blockierungseinrichtung ist mit dem inneren Leiter und dem Spiral-Induktor gekoppelt und in Reihe geschaltet mit der geschützten Hardware, um die hindurch laufende elektrische Energie zu dämpfen. Die Ü-berspannungs-Blockierungseinrichtung wird für das übertragene RF-Signal transparent sein, wird jedoch wirkungsvoll die elektrische Energie, die sich durch den inneren Leiter zu der geschützten Hardware ausbreitet, blockieren bzw. sperren. Der innere Leiter und die Überspannungs-Blockierungseinrichtung sind innerhalb eines Hohlraums eines Gehäuses angeordnet, wobei der innere Leiter und der Hohlraum eine Koaxialleitung ausbilden. Der Spiral-Induktor ist mit der Ü-berspannungs-Blockierungseinrichtung gekoppelt und auf Masse parallel geschaltet, um die durch die Überspannung erzeugte elektrische Energie zu entladen.

Die im Voraus festgelegte RF-Impedanz des Induktors bzw. der Induktionsspule ist vorzugsweise mindestens 10-mal so groß wie die Betriebsimpedanz, das heißt diese beträgt 500 Ohm für ein 50-Ohm-System. Für den Fall, dass eine Überspannung, beispielsweise ein Blitzschlag, auftritt, wird die elektrische Energie über die spiralförmige Induktionsspule auf Masse nebengeschlossen, während die Überspannungs-Blockierungseinrichtung den zerstörerischen Blitzschlag abblockt und verhindert, dass EMP-Frequenzen und die Energie zu der geschützten Hardware gelangen.

Vorteile der Ausführungsformen umfassen eine Bereitstellung eines Überspannungs-Unterdrückers, der auf die System-Impedanz angepasst ist, um ein niedriges Stehwellenverhältnis bzw. einen niedrigen Welligkeitsfaktor (VSWR) von unterhalb von 1,1 : 1 und einen niedrigen Einkopplungsverlust von weniger als 0,1 dB zu gewährleisten. Außerdem stellt der Überspannungs-Unterdrücker ein großes Betriebsfrequenzband bereit und sorgt für niedrige Herstellungskosten, einen gestapelten mechanischen Aufbau von kompakter Größe und einen niedrigen Energie- und Spannungsdurchsatz.

Ein ausführliches Verständnis des Wesens und der Vorteile der Erfindungen kann anhand der verbleibenden Abschnitte der Patentbeschreibung und der beigefügten Zeichnungen erlangt werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 stellt ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform des Überspannungs-Unterdrückers gemäß der vorliegenden Erfindung dar;

2 stellt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform des Überspannungs-Unterdrückers gemäß der vorliegenden Erfindung dar;

3 stellt eine perspektivische Ansicht des in der 2 gezeigten Überspannungs-Unterdrückers dar;

4 stellt eine Seitenansicht der spiralförmigen Induktionsspule gemäß der vorliegenden Erfindung dar;

5 stellt eine Vorderansicht der Überspannungs-Blockierungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar; und

6 stellt einen iterativen Prozess dar, um die Induktivität der spiralförmigen Induktionsspule und die Kapazität der Überspannungs-Blockierungseinrichtung zu bestimmen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON SPEZIELLEN AUSFÜHRUNGSBEI-SPIELEN

In der nun folgenden Beschreibung wird die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben werden, das als Überspannungs-Unterdrücker betrieben wird. Insbesondere werden Beispiele beschrieben werden, die besondere Merkmale der Erfindung darstellen.

Die 1 stellt ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform des Überspannungs-Unterdrückers gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Der Überspannungs-Unterdrücker 100 schützt Hardware und ein Gerät 110 vor einer elektrischen Ü-berspannung, welche die Hardware und das Gerät beschädigen oder zerstören kann. Ein Überspannungszustand kann in vielen unterschiedlichen Situationen auftreten, tritt jedoch typischerweise dann auf, wenn ein Blitz 120 ein Bauelement oder eine Übertragungsleitung 105 trifft, die mit der geschützten Hardware 110 gekoppelt ist. Blitzschlag-Überspannungen bestehen aus einer elektrischen. Gleichspannungsenergie (DC) und einer elektrischen Wechselspannungsenergie (AC) mit einer Frequenz von bis zu etwa 1 MHz.

Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Überspannungs-Unterdrücker 100 einen Spiral-Induktor bzw. eine spiralförmige Induktionsspule 130 mit einer Auslegung mit einer kleinen Aufstandsfläche, wie in der 4 gezeigt. Der Durchmesser, der Flächeninhalt, die Dicke und die Form der spiralförmigen Induktionsspule 130 hängen von der Betriebsfrequenz und von den gewünschten Strom-Handhabungseigenschaften ab. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein iterativer Prozess (nachfolgend beschrieben) dazu verwendet, um den Durchmesser, den Flächeninhalt, die Dicke und die Form der spiralförmigen Induktionsspule zu bestimmen, so dass diese spezielle Anforderungen eines Nutzers erfüllen. Der Durchmesser der spiralförmigen Induktionsspule 130 dieser Packungsgröße und dieses Frequenzbereichs beträgt typischerweise 0,865 Inch. Die Dicke der spiralförmigen Induktionsspule 130 dieser Packungsgröße und dieses Frequenzbereichs beträgt typischerweise 0,062 Inch. Außerdem verläuft die spiralförmige Induktionsspule 130 spiralförmig in einer nach außen gerichteten Richtung.

Die Materialzusammensetzung der spiralförmigen Induktionsspule 130 stellt einen wichtigen Faktor dar, um die Ladungsmenge festzulegen, die sicher über die spiralförmige Induktionsspule 130 abgeleitet werden kann. Ein Material mit hoher Zugfestigkeit ermöglicht, dass die spiralförmige Induktionsspule 130 eine größere Strommenge entladen kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die spiralförmige Induktionsspule 130 aus einem 7075-T6-Aluminium-Material hergestellt. Alternativ kann jedes beliebige Material mit einer guten Zugfestigkeit und Leitfähigkeit dazu verwendet werden, um die spiralförmige Induktionsspule 130 zu fertigen.

Bei der geschützten Hardware 110 kann es sich um jegliche Datenübermittlungsgeräte, PC-Computer, Netzwerk-Verbinder oder andere auf Überspannungen empfindliche elektronische Geräte handeln. Die geschützte Hardware 110 kann auch eine Überspannungs-Blockierungseinrichtung, wie diese in der 2 gezeigt ist, aufweisen, welche die geschützte Hardware 110 vor einer elektrischen Überspannung abschirmt.

Die 2 stellt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer anderen Ausführungsform des Überspannungs-Unterdrückers gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Der Überspannungs-Unterdrücker 100 ist mit einer Antenne 170 verbunden, um eine Überspannung zu empfangen bzw. zu erhalten. Die Antenne 170 oder eine beliebige andere leitende Oberfläche kann den Blitzschlag empfangen. Vorzugsweise ist der Überspannungs-Unterdrücker 100 in unmittelbarer Nähe zu der geschützten Hardware 110 positioniert, um für einen maximalen Schutz zu sorgen.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel umfasst einen Spiral-Induktor bzw. eine spiralförmige Induktionsspule 130, um eine elektrische Überspannung auf Masse zu entladen, und eine Überspannungs-Blockierungseinrichtung 150, um eine elektrische Wechselspannungs- und Gleichspannungsenergie abzublocken. Die spiralförmige Induktionsspule 130 des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist vorstehend beschrieben worden. Typischerweise ist die Überspannungs-Blockierungseinrichtung 150 eine kapazitive Einrichtung, die entweder in einer konzentrierten oder in einer verteilten Form realisiert ist. Alternativ kann es sich bei der Überspannungs-Blockierungseinrichtung 150 um parallele Stäbe, Kopplungseinrichtungen, leitende Platten oder irgendeine andere Einrichtung oder eine Kombination von Elementen handeln, welche einen kapazitiven Effekt hervorrufen. Die Kapazität der Überspannungs-Blockierungseinrichtung 150 kann in Abhängigkeit von der von dem Nutzer gewünschten Betriebsfrequenz variieren. Ein iterativer Prozess (nachfolgend beschrieben) wird vorzugsweise dazu verwendet, um die Kapazität der Überspannungs-Blockierungseinrichtung 150 zu bestimmen.

Während eines Normalbetriebs empfängt die Hardware 110 über die Übertragungsleitung 105 RF-Signale und/oder sendet diese Signale. Folglich wird der Ü-berspannungs-Unterdrücker 100 in bidirektionaler Weise betrieben.

Während eines Überspannungszustands breitet sich eine große Menge elektrischer Energie zu der Überspannungs-Blockierungseinrichtung 150 hin aus. Folglich wird in diesem Betriebsmodus der Überspannungs-Unterdrücker 100 in unidirektionaler Weise betrieben. Die Überspannungs-Blockierungseinrichtung 150 blockt die durch den Blitzschlag erzeugte elektrische Energie ab und leitet die elektrische Energie durch die spiralförmige Induktionsspule 130 auf Masse 140 ab. Die Überspannungs-Blockierungseinrichtung 150 ist ausgelegt, um weniger als ±3 Volt Gleichspannung gemäß der Spezifikation IEC 1000-4-5 8/20 usec 20kA durch zu lassen. Die spiralförmige Induktionsspule 130 sollte eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und eine ausreichende Querschnittsfläche aufweisen, um elektrische Energie in Entsprechung zu der vorgenannten Signal-Spezifikation abzuleiten.

Bei einem Ausführungsbeispiel reicht der minimale Frequenz-Betriebsbereich von 1,7 GHz bis 2,3 GHz; innerhalb dieses Frequenzbereichs ist der Einkopplungsverlust auf weniger als 0,1 dB spezifiziert und ist die VSWR auf weniger als 1,1 : 1 spezifiziert. Die vorstehend erzeugten Werte können in Abhängigkeit von dem Frequenzbereich, dem Grad des Überspannungsschutzes und des gewünschten RF-Verhaltens variieren.

Die 3 stellt eine perspektivische Ansicht des in der 2 gezeigten Ü-berspannungs-Unterdrückers dar. Der Überspannungs-Unterdrücker 100 weist eine Überspannungs-Blockierungseinrichtung 250, einen Spiral-Induktor bzw. eine spiralförmige Induktionsspule 230, einen inneren Leiter 215 und ein Gehäuse 220 mit einem Hohlraum 222, einen Überspannungs-Anschluss 255 und einen geschützten Anschluss 260 auf. Der innere Leiter 215 ist konzentrisch zu dem Hohlraum 222 des Gehäuses 220 angeordnet und befindet sich in diesem. Der Überspannungs-Anschluss 255 ist mit einer Übertragungsleitung 205 oder einer Antenne 210 verbunden und der geschützte Anschluss 260 ist mit der geschützten Hardware 110 verbunden, wie in den 2 und 3 gezeigt.

Während eines Überspannungszustands breitet sich die Überspannung über den inneren Leiter 215 in den Überspannungs-Anschluss 255 aus. Danach wird die Ü-berspannung zu einer Massenverbindung bzw. Erdungsverbindung über die spiralförmige Induktionsspule 230 abgeleitet. Folglich wird verhindert, dass die Überspannung den geschützten Anschluss 260 und die geschützte Hardware 110 erreicht.

Während normaler Betriebszustände sendet der innere Leiter 215 RF-Signale und empfängt dieser RF-Signale. Der innere Leiter 215 kann aus einem beliebigen leitfähigen Material gebildet sein. Typischerweise ist der innere Leiter 215 ein Koaxialkabel und besteht dieses aus einem Beryllium-Kupfer-Material.

An verschiedenen Positionen über das Gehäuse 220 verteilt, sind Isolationselemente angeordnet. Vorzugsweise gibt es ein erstes und ein zweites 226, 228 Isolationselement. Die Isolationselemente 226, 228 isolieren den inneren Leiter 215 von dem Gehäuse 220. Die Isolationselemente 226, 228 können aus einem dielektrischen Material, beispielsweise aus Teflon, hergestellt sein, das eine Dielektrizitätskonstante von etwa 2,3 aufweist. Die Isolationselemente 226, 228 sind typischerweise zylindrisch geformt, mit einem Mittelloch.

Die in dem Hohlraum 222 des Gehäuses 220 angeordneten Bauelemente des Ü-berspannungs-Unterdrückers werden nun im Detail beschrieben werden. Der Ü-berspannungs-Unterdrücker 100 weist verschiedene Segmente auf, von denen jedes so ausgebildet ist, um eine gewünschte Impedanz, das heißt 50 Ohm, aufzuweisen. Jedes benachbarte Segment ist miteinander verbunden. Die verschiedenen Segmente werden, beginnend bei dem Überspannungs-Anschluss 255 und endend bei dem geschützten Anschluss 260, beschrieben werden. Jedes Segment wird mit A bis H bezeichnet. Der innere Leiter 215 befindet sich bei den Segmenten A, B, C, G und H und weist einen Außenradius von etwa 60 mm auf.

Die Segmente 215A und 215B weisen einen inneren Leiter 215 auf, der von einem Luft-Dielektrikum umgeben ist. Der Innenradius des Hohlraums 222 von Segment 215B beträgt etwa 137,8 mm.

Das Segment 215C weist einen inneren Leiter 215 auf, der von dem ersten Isolationselement 226 abgestützt und umgeben ist. Das erste Isolationselement 226 weist einen Innenradius von etwa 57,5 mm, einen Außenradius von etwa 200 mm und eine Länge von etwa 325 mm auf. Der Innenradius des Hohlraums 222 beträgt etwa 200 mm.

Das Segment 215D weist einen Füllstoff 240 auf, welcher den inneren Leiter 215 mit der spiralförmigen Induktionsspule 230 koppelt. Der Füllstoff 240 ist in dem Hohlraum 222 vorgesehen. Bei dem Segment 215D bildet der Hohlraum 222 einen Winkel von 45 Grad. Der Winkel von 45 Grad ermöglicht eine Anpassung mit niedriger Diskontinuität zwischen der 50-Ohm-Leitung und der spiralförmigen Induktionsspule 230: Der Füllstoff 240 weist einen Außenradius von etwa 140 mm auf und ist aus einem mit Silber überzogenen Messingmaterial hergestellt.

Das Segment 215E weist eine spiralförmige Induktionsspule 230 auf, die innerhalb des Hohlraums 222 angeordnet ist. Die spiralförmige Induktionsspule 230 weist einen Innenradius von etwa 62,5 mm und einen Außenradius von etwa 432,5 mm auf. Die innere Spirale 231 der spiralförmigen Induktionsspule 230 ist mit dem inneren Leiter 215 gekoppelt. Die äußere Spirale 232 der spiralförmigen Induktionsspule 230 ist mit dem Gehäuse 220 gekoppelt. Die spiralförmige Induktionsspule 230 kann von einer bestimmten bekannten Art sein, beispielsweise von dem Archimedes-Typ, einer logarithmischen oder hyperbolischen Spiralform oder durch eine Kombination dieser Spiralen gebildet sein. Der Innenradius des Hohlraums 222 beträgt etwa 432,5 mm. Das Gehäuse 220 ist mit einer gemeinsamen Erdungsverbindung verbunden, um die elektrische Energie zu entladen.

Wählend eines Überspannungszustands erreicht die elektrische Energie zuerst die innere Spirale 231 der spiralförmigen Induktionsspule 230. Die elektrische Energie wird dann über die Spiralen der spiralförmigen Induktionsspule 230 in einer Richtung nach außen hin abgeleitet. Wenn die elektrische Energie die äußere Spirale 232 erreicht, wird die elektrische Energie über das Gehäuse 220 auf die Masse abgeleitet.

Das Segment 215F weist eine Überspannungs-Blockierungseinrichtung 250 auf, die innerhalb des Hohlraums 222 angeordnet ist, mit einem Innenradius von etwa 400 mm. Die Überspannungs-Blockierungseinrichtung 250 ist typischerweise eine kapazitive Einrichtung, die entweder in konzentrierter oder in verteilter Form realisiert ist. Die kapazitive Einrichtung weist zwei Elektroden auf. Die erste Elektrode weist eine erste Platte 251A und eine erste Überleitung 252A auf. Ebenso weist die zweite Elektrode eine zweite Platte 251B und eine zweite Überleitung 252B auf. Der Radius von jeder Platte 251A, 251B beträgt etwa 243 mm und die Dicke beträgt etwa 50 mm. Der Radius von jeder Überleitung 252A, 252B beträgt etwa 92,5 mm und die Dicke beträgt etwa 186 mm. Jede Platte 251A, 251B weist eine größere Kapazität auf als jede Überleitung 252A, 252B. Folglich ist die Überspannungs-Blockierungseinrichtung 250 so ausgelegt, dass die beiden Platten 251A, 251B und die beiden Überleitungen 252A, 252B gemeinsam einen Pfad mit einer Impedanz von etwa 50 Ohm ausbilden. Typischerweise ist ein dielektrisches Material 253, beispielsweise Teflon, zwischen den beiden Platten angeordnet. Die Dicke des dielektrischen Materials 253 beträgt etwa 20 mm. Der Abstand zwischen den Platten kann ebenso wie das verwendete dielektrische Material variieren. Die Abmessungen, die Form, Größe und der Abstand zwischen den Platten wird so gewählt, um eine gewünschte Impedanz für den gewählten Betriebs-Frequenzbereich zu erzielen. Alternativ kann die Überspannungs-Blockierungseinrichtung 250 außerhalb des Gehäuses 220 angeordnet sein.

Das Segment 215G weist einen inneren Leiter 215 auf, der von dem zweiten Isolationselement 228 abgestützt und umgeben ist. Das zweite Isolationselement 228 weist einen Innenradius von etwa 57,5 mm, einen Außenradius von etwa 200 mm und eine Länge von etwa 150 mm auf. Die Größe und Form der Isolationselemente 226, 228 ist so ausgelegt, dass diese eine Struktur ausbilden, die eine gewünschte Impedanz aufweist, das heißt 50 Ohm. Der Innenradius des Hohlraums 222 beträgt etwa 200 mm.

Das Gehäuse 220 kann für eine einfache Demontage und einen einfachen Austausch von Teilen aus einer oder mehreren Strukturen bestehen. O-Ringe 254 werden dazu verwendet, um den Überspannungs-Unterdrücker 100 witterungsbeständig zu machen, so dass beispielsweise keine Feuchtigkeit bzw. kein Wasser in das Gehäuse 220 gelangen kann. Wie in den 3 und 4 gezeigt, sind die spiralförmige Induktionsspule 230 und die Überspannungs-Blockierungseinrichtung 250 innerhalb des Hohlraums 222 angeordnet, um eine kompakte Größe zu erzielen. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die spiralförmige Induktionsspule 235 und die Ü-berspannungs-Blockierungseinrichtung 230 innerhalb des Hohlraums 222 zueinander ausgerichtet.

Der Überspannungs-Unterdrücker 100 ist vorzugsweise in der Impedanz an das System angepasst, um ein niedriges VSWR zu gewährleisten. Typischerweise beträgt die Impedanz des Überspannungs-Unterdrückers 100 sowohl bei dem Ü-berspannungs-Anschluss 255 als auch bei dem geschützten Anschluss 260 50 Ohm.

Die 4 stellt eine Seitenansicht der spiralförmigen Induktionsspule, wie dargestellt, gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die innere Spirale 231 weist einen Radius von etwa 62,5 mm auf. Die äußere Spirale 232 weist einen Radius von etwa 432,5 mm auf. Die spiralförmige Induktionsspule 230 erstreckt sich spiralförmig in Richtung nach außen hin. Die spiralförmige Induktionsspule 230 eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weist drei Spiralen auf. Die Anzahl von Spiralen und die Dicke von jeder Spirale kann in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung des Nutzers variieren.

Die 5 stellt eine Vorderansicht der Überspannungs-Blockierungseinrichtung 250 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Überspannungs-Blockierungseinrichtung 250 wird in der gesamten Patentbeschreibung beispielsweise als das Segment 215F beschrieben.

Die 6 stellt einen iterativen Prozess dar, um die Induktivität der spiralförmigen Induktionsspule zu bestimmen. Der iterative Prozess kann auch dazu verwendet werden, um die Kapazität der Überspannungs-Blockierungseinrichtung für die spezielle Anwendung des Nutzers zu berechnen. Zu Anfang wird bei dem Schritt 602 eine Abschneidefrequenz durch Wählen einer unteren Bandbreitengrenze und durch Dividieren durch 8 bestimmt. Außerdem wird eine gewünschte Impedanz gewählt. Die Abschneidefrequenz legt das untere Ende der Nutzer-Bandbreite fest. Die gewünschte Impedanz beträgt typischerweise 50 Ohm, kann jedoch je nach Bedarf so gewählt werden, um einen anderen Wert anzunehmen.

Als Nächstes werden bei dem Schritt 604 Anfangswerte für L und C unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung berechnet: (1) L = Zo/(12,6*fc) (2) C = 1/(12,6*fc*Zo) wobei:

Zo = gewünschte Impedanz

fc = Abschneide-Frequenz = untere Betriebsgrenze/8

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die -3dB-Abschneide-Frequenz etwa 212 MHz und die gewünschte Impedanz 50 Ohm beträgt, weist der Induktor bzw. die Induktionsspule einen Wert von 18,7 nH und die kapazitive Einrichtung einen Wert von 7,5 pF auf.

Als Nächstes werden bei dem Schritt 606 die Abmessungen des Hohlraums des Überspannungs-Unterdrückers und die Nebenbedingungen der Induktionsspule definiert. Die minimalen Abmessungen des Hohlraums des Überspannungs-Unterdrückers werden hauptsächlich durch den Durchmesser des verwendeten Steckers, das heißt N-Typ, BNC etc., bestimmt. Die Nebenbedingungen der Induktionsspule werden Größen-Nebenbedingungen beinhalten, beispielsweise den Innendurchmesser des Hohlraums und Betriebsbeschränkungen, beispielsweise die erforderliche Leitfähigkeit, die Strom-Handhabung, die Steifigkeit, die Art und Dicke des verwendeten Induktionsspulenmaterials.

Sobald der RF-Wert der Induktionsspule, die Abmessungen des Hohlraums und die physikalischen Nebenbedingungen festgelegt sind, wird eine spiralförmige Induktionsspule bzw. ein Spiral-Induktor so ausgelegt, um sämtlichen dieser Anforderungen zu genügen, wie in dem Schritt 608 gezeigt. Der so ausgelegte Spiral-Induktor wird die berechnete Induktivität aufweisen, um die erforderliche Abschneide-Frequenz sowie die physikalische Größe und Form bereitzustellen, um in das benötigte Gehäuse zu passen und während einer Überspannung ohne Fehler den erforderlichen Strom zu leiten. Die spiralförmige Induktionsspule kann von einem bestimmten bekannten Typ sein, beispielsweise von einer Archimedes-Form, einer logarithmischen oder hyperbolischen Spiralform oder eine Kombination dieser Spiralformen darstellen. Außerdem kann die spiralförmige Induktionsspule eine Form aufweisen, die aus zwei oder mehr überlappten Spiralen resultiert. Die spiralförmige Induktionsspule wird vorzugsweise unter Verwendung eines RF-Modellierungssystems, beispielsweise dem HP 85123A, ausgelegt, so dass eine genauere Simulation der Induktionsspule durchgeführt werden kann.

Sobald die Spirale ausgelegt ist, wird diese hergestellt, in ein Gehäuse, das identisch ist zu ihrer schlussendlichen Betriebsumgebung, platziert und getestet, um zu bestimmen, ob die gemessene Induktivität in etwa äquivalent zu der gewünschten Induktivität ist, wie in dem Schritt 610 gezeigt. Wie man aus dem Stand der Technik weiß, führt ein Anordnen eines Schaltungselements innerhalb eines geerdeten Gehäuses zu parasitären Effekten, denen man Rechnung tragen muss, falls ein einwandfreier Betrieb erzielt werden soll.

Die Spirale wird unter Verwendung einer herkömmlich bekannten RF-Testausrüstung, beispielsweise eines automatischen HP 8753-Network-Analyzers, getestet. Falls die Testresultate eine nicht akzeptable Abweichung zwischen der gemessenen und der gewünschten Induktivität anzeigen, wird der Prozess zum Auslegen der spiralförmigen Induktionsspule wiederholt, wie in dem Schritt 610 gezeigt.

Falls die gemessene Induktivität im Vergleich zu der gewünschten Induktivität innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt, wird ein Überspannungs-Unterdrücker mit einer Durchleitung (thru line) gemessen, wie in dem Schritt 612 gezeigt. Die Durchmessung wird vorgenommen, um für eine Basis- bzw. Grundlinienmessung des Einkopplungsverlustes über die in Betracht kommende RF-Frequenz zu sorgen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel reicht der in Betracht kommende Frequenzbereich von 1,7 GHz bis 2,3 GHz.

Als Nächstes wird in dem Schritt 614 ein Überspannungs-Unterdrücker mit einer Durchleitung derselben Abmessungen, wie diese in dem Schritt 612 gemessen wurden, und die spiralförmige Induktionsspule, die von bzw. mittels der Durchleitung mit Masse (im Nebenschluss) verbunden ist, im Hinblick auf einen Einkopplungsverlust über den in Betracht kommenden RF-Frequenzbereich vermessen. Diese Messung kann dann mit der vorherigen Durchmessung verglichen werden um anzuzeigen, in welchem Ausmaß es zu einer Verschlechterung des Einkopplungsverlustes auf Grund der Hinzufügung der spiralförmigen Induktionsspule im Nebenschluss kommt. Falls der Einkopplungsverlust der Durchleitung plus Nebenschluss-Induktionsspule nicht innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt, werden die Schritt 608, 610 und 612 wiederholt. Andere Messungen, beispielsweise Messungen für einen Einzelanschluss, können anstelle oder zusätzlich zu der Einkopplungsverlust-Messung verwendet werden, um den Überspannungs-Unterdrücker näher zu bestimmen.

Falls der Einkopplungsverlust der Durchleitung plus spiralförmiger Nebenschluss-Induktionsspule innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt, wird eine kapazitive Reihen-Überspannungs-Blockierungseinrichtung für die Einbeziehung in den U-berspannungs-Unterdrücker ausgelegt, wie in dem Schritt 616 gezeigt. Die kapazitive Einrichtung wird ausgelegt, um die berechnete Kapazität aufzuweisen, in den spezifizierten Innendurchmesser des Hohlraums hinein zu passen und die physikalischen Eigenschaften aufzuweisen, um einem Überspannungszustand zu widerstehen. Die Kombination der Durchleitung, der spiralförmigen Nebenschluss-Induktionsspule und der kapazitiven Reiheneinrichtung kann unter Verwendung eines zwei- oder dreidimensionalen CAD-Systems simuliert werden. Falls diese verwendet werden, können Modifikationen an dem Design der spiralförmigen Nebenschluss-Induktionsspule, der kapazitiven Reihen-Überspannungs-Blockierungseinrichtung und/oder deren Trennung vorgenommen werden, um das Leistungsverhalten des Überspannungs-Unterdrückers weiter zu optimieren. Insbesondere hat man herausgefunden, dass ein Variieren der Form und der Größe der Elektroden der kapazitiven Einrichtung in einer Änderung der effektiven Induktivität der spiralförmigen Nebenschluss-Induktionsspule resultiert, um das Leistungsverhalten der Schaltung weiter zu optimieren.

Bei dem Schritt 618 wird ein neuer Überspannungs-Unterdrücker mit der Durchleitung, der spiralförmigen Nebenschluss-Induktionsspule und der kapazitiven Reihen-Überspannungs-Blockierungseinrichtung gefertigt und unter Verwendung der vorgenannten oder einer vergleichbaren Testausrüstung getestet. Falls der Ü-berspannungs-Unterdrücker einen nicht akzeptablen Einkopplungsverlust über den gewünschten Frequenzbereich aufweist, können das Design der kapazitiven Einrichtung und/oder deren Position entlang der Durchleitung modifiziert werden, um das Antwortverhalten auf den gewünschten Wert abzustimmen. Genauer gesagt, kann die Teilung, der Durchmesser und das dielektrische Material der kapazitiven Einrichtung verändert werden, um die Einkopplungsverlust-Antwort innerhalb von akzeptablen Grenzen abzustimmen. Falls eine Modifikation der kapazitiven Einrichtung nicht erfolgreich ist zu einem Abstimmen des oder der gewünschten Parameter beiträgt, so dass diese innerhalb von akzeptablen Grenzen liegen, werden die Schritte 608, 610, 612, 614 und 616 wiederholt.

Falls der Überspannungs-Unterdrücker einen akzeptablen Einkopplungsverlust und/oder andere Qualifizierungsparameter darbietet, wird dieser einer RF-Leistungs-Handhabung und einer Erprobung unter Umweltbedingungen unterzogen, wie in dem Schritt 620 gezeigt. Genauer gesagt, wird der Überspannungs-Unterdrücker hohen Werten einer RF-Energie und Umwelt-, Temperatur- und Schwingungszuständen ausgesetzt, die wahrscheinlich während eines Betriebs auftreten werden. Falls der Überspannungs-Unterdrücker bei einem Betrieb über einen vorbestimmten Bereich versagt, werden die Schritt 608, 610, 612, 614, 616 und 618 wiederholt.

Falls der Überspannungs-Unterdrücker ein ausreichendes RF-Leistungs-Handhabungsverhalten aufweist und in der Lage ist, einem akzeptablen Ausmaß von Umweltbelastungen zu widerstehen, wird dieser einer Überspannungs-Zertifizierung unterzogen, wie in dem Schritt 622 gezeigt. Eine Überspannungs-Zertifizierung kann bedingen, dass der Überspannungs-Unterdrücker hohen Stromimpulsen unter verschiedenen Umweltbedingungen ausgesetzt wird, um einen Blitzschlag zu simulieren.

Andere Ausführungsbeispiele des Auslegungsprozesses sind natürlich möglich. Beispielsweise müssen bei dem Ausführungsbeispiel des Überspannungs-Unterdrückers mit nur einer spiralförmigen Nebenschluss-Induktionsspule nur die Schritte 606, 608, 612, 614, 620 und 622 ausgeführt werden. Insbesondere muss nur der Wert der Induktivität der spiralförmigen Nebenschluss-Induktionsspule bestimmt und getestet werden. Anschließend wird der Einkopplungsverlust und/oder andere Parameter einer Durchgangsleitung als Qualifikationsparameter verwendet, um zu bestimmen, ob die Durchleitung plus spiralförmiger Nebenschluss-Induktionsspule innerhalb eines akzeptablen Fensters innerhalb des gewünschten Frequenzbereichs betrieben werden kann. Schließlich tritt eine RF-Leistungs-Handhabung und eine Umwelt- und Überspannungs-Qualifizierung, wie vorstehend beschrieben, auf.

Wenngleich das bevorzugte Ausführungsbeispiel mit einer speziellen kapazitiven Einrichtung und einer speziellen spiralförmigen Induktionsspule bzw. Spiral-Induktor gezeigt wurde, ist es nicht erforderlich, dass gemäß der vorliegenden Erfindung exakt die vorstehend beschriebenen Elemente verwendet werden. Somit sollen die Werte der kapazitiven Einrichtung und des Spiral-Induktors ein Ausführungsbeispiel erläutern und die Erfindung nicht beschränken.


Anspruch[de]
  1. Überspannungs-Unterdrücker (100) mit:

    einem inneren Leiter (215) zum Leiten von Signalen; und

    einem Spiral-Induktor (130, 230), der zwischen dem inneren Leiter und einer Erdungsverbindung gekoppelt ist, wobei der Spiral-Induktor bei einer vordefinierten RF-Impedanz arbeitet, um die Signale entlang des inneren Leiters im Normalbetrieb auszubreiten bzw. zu übertragen, und um während eines Überspannungszustandes elektrische Energie zur Erdungsverbindung hin zu dissipieren, gekennzeichnet durch eine Ü-berspannungs-Blockierungseinrichtung (150; 250), die mit dem inneren Leiter und dem Spiral-Induktor gekoppelt ist, um die elektrische Energie hierdurch abzuschwächen, wobei der innere Leiter und die Übersapnnungs-Blockierungseinrichtung (250) in einem Hohlraum (222) eines Gehäuses (220) angeordnet sind, wobei der innere Leiter und der Hohlraum eine koaxiale Leitung ausbilden.
  2. Überspannungs-Unterdrücker nach Anspruch 1, bei dem die Überspannungs-Blockierungseinrichtung (150, 250) erste und zweite Platten und erste und zweite Ü-bergänge aufweist, die miteinander eine Struktur mit einer vorbestimmten Impedanz ausbilden.
  3. Überspannungs-Unterdrücker nach Anspruch 1, bei dem die Überspannungs-Blockierungseinrichtung (250) aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Kondensator, parallelen Stäben, Kopplungsvorrichtungen und leitenden Platten besteht.
  4. Überspannungs-Unterdrücker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Spiral-Induktor eine Form hat, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus einer Archimedes-Form, einer logarithmischen Form und einer hyperbolischen Form besteht.
  5. Überspannungs-Unterdrücker nach Anspruch 1 oder 2 zum Entladen einer elektrischen Überspannung an Erde, mit:

    einem Gehäuse, das einen Hohlraum, einen Überspannungs-Anschluss (255) und einen geschützten Anschluss (260) aufweist; wobei

    der innere Leiter in dem Hohlraum des Gehäuses angeordnet ist, um Radiofrequenz-Signale weiterzuleiten und aufzunehmen;

    der Spiral-Induktor (230) in dem Hohlraum (222) des Gehäuses (220) angeordnet ist, wobei der Spiral-Induktor eine innere Spirale aufweist, die elektrisch mit dem inneren Leiter gekoppelt ist, und eine äußere Spirale, die elektrisch mit dem Gehäuse gekoppelt ist, um elektrische Energie zu einer Erdungsverbindung hin zu entladen; und

    die Überspannungs-Blockierungsvorrichtung (250) eine kapazitive Vorrichtung aufweist, die in dem Hohlraum des Gehäuses angeordnet ist.
  6. Überspannungs-Unterdrücker nach Anspruch 5, der ferner ein isolierendes Element (226) umfasst, das in dem Hohlraum des Gehäuses angeordnet und mit dem inneren Leiter gekoppelt ist, um den inneren Leiter in dem Hohlraum zu tragen, um den inneren Leiter elektrisch von dem Gehäuse zu isolieren.
  7. Überspannungs-Unterdrücker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Induktor eine Impedanz hat, die mindestens zehn mal größer ist als die Betriebsimpedanz des Leiters bei einer Betriebsfrequenz zwischen annähernd 1,7 GHz und 2,3 GHz.
  8. Kommunikationssystem mit:

    einer Kommunikationsausstattung (110), die an eine Antenne (170) gekoppelt ist, um Signale über einen inneren Leiter zu empfangen und weiter zu leiten; und

    einem Überspannungs-Unterdrücker (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Blockieren übermäßiger elektrischer Energie, die an der Antenne oder an dem inneren Leiter bei einem Überspannungszustand entwickelt wird.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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