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Dokumentenidentifikation DE60033222T2 15.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001104942
Titel Leistungsbegrenzende Vorrichtung
Anmelder E2V Technologies (UK) Ltd., Chelmsford, Essex, GB
Erfinder Hackney, Peter John, Lincoln LN5 9AQ, GB;
Mellor, David John, Lincoln LN6 9L, GB
Vertreter Vossius & Partner, 81675 München
DE-Aktenzeichen 60033222
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 27.10.2000
EP-Aktenzeichen 003094760
EP-Offenlegungsdatum 06.06.2001
EP date of grant 31.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse H01Q 1/50(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01R 13/646(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H01T 4/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H01P 1/202(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft Schutzvorrichtungen und spezieller, aber nicht ausschließlich, Vorrichtungen zum Verhüten, dass potentiell schädliche elektromagnetische Energie empfindliche Empfängerschaltungen erreicht.

Breitband-Mikrowellenempfangssysteme wie z.B. solche, die z.B. in elektronischen Unterstützungsmaßnahmen (ESMs) und Radarwarnempfängern (RWRs) eingesetzt werden, arbeiten mit empfindlichen Eingangsstufen zum Erfassen von Low-Level-Empfangssignalen. Diese Empfängertypen sind für hohe Energie sehr verwundbar. Eingangsenergiepegel von nur ein paar Dutzend Nanojoule können schon ausreichen, um ernsthafte Schäden an der Empfängerschaltung zu verursachen. Ein solcher hoher Energieeingang kann beispielsweise dann auftreten, wenn sich ein Hochleistungsradar neben dem Empfangssystem befindet.

Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Schutzvorrichtung für empfindliche Empfängerschaltungen bereitzustellen, um Schäden durch zu hohe Leistungen zu reduzieren oder zu verhüten, aber die Vorrichtung kann auch in anderen Anordnungen zum Einsatz kommen, wo die Weiterleitung von Energie, die einen bestimmten Leistungspegel überschreitet, begrenzt werden soll.

Die Erfindung ist in den Ansprüchen definiert, auf die nunmehr Bezug genommen werden sollte.

Die US 5,936,822 beschreibt eine Blitzschutzanordnung für Koaxialleitungen, die eine Kammer zwischen der Innen- und der Außenfläche einer Elektrode hat. Die DE 3212684 offenbart eine Hochschutzvorrichtung mit zwei Isolierscheiben mit einer Lücke dazwischen zur Bildung eines Gasentladungsraums.

Die Anwendung der Erfindung ist besonders in Bereichen nützlich, in denen Schutz vor zu hohen Leistungspegeln erforderlich ist, sie kann aber auch dort eingesetzt werden, wo keine Schutzfunktion ausgeführt wird.

Einer der Parameter, der eine Koaxialleitung charakterisiert, ist die Durchbruchspannung, die vom Verhältnis der Radien der inneren und äußeren Leiter der Koaxialleitung und dem dielektrischen Material dazwischen abhängig ist, gewöhnlich Luft. In der vorliegenden Erfindung ist die Lücke so ausgelegt, dass es beim Überschreiten eines bestimmten Schwellenleistungspegels zu einem Durchbruch über die Lücke kommt, so dass ein Plasma entsteht, das die Koaxialleitung kurzschließt. Die eingehende Energie wird dann von diesem Kurzschluss reflektiert. Erfindungsgemäße Vorrichtungen haben typischerweise eine Geometrie, die etwa beim Paschen-Minimum oder unmittelbar rechts von dem Minimum arbeitet, so dass eine größere Lücke bei einem bestimmten Gasdruck zu einer höheren Durchbruchspannung führt. Das die Sektion der Koaxialübertragungsleitung füllende Gas ist ein Inertgas, vorzugsweise Xenon, aber es können beliebige andere Inertgase, oder Gemische davon, verwendet werden. Der Gasdruck liegt gewöhnlich im Bereich von 10 bis 100 mbar. In einer Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Gasdruck mehrere Dutzend mbar und die Lücke hat eine Breite von mehreren Dutzend Mikron bei einem Radius von beispielsweise 2 mm. Eine solche Anordnung erlaubt eine Reflexion eines Signals von ein paar Dutzend Watt oder größer durch das Plasma, um zu verhindern, dass die überschüssige Energie andere durch die Vorrichtung geschützte Stufen erreicht.

Die Lücke wird nicht nur zum Erzeugen eines Plasmas verwendet, um die benötigte Leistungsbegrenzungsfunktion zu erzielen, sondern sie definiert auch einen Kondensator. Mittels der Erfindung kann die Kapazität effektiv über eine große Bandbreite abgestimmt werden, daher ist es, z.B. um ihre Wirkung auf Low-Level-Signale zu minimieren, wünschenswert, zu einer empfindlichen Empfängerstufe zu übertragen. So ermöglicht die Erfindung den Empfang leistungsarmer Signale über eine große Bandbreite, wenn die Begrenzungsvorrichtung nicht aktiv zu sein braucht.

Das Breitbandfilter ist in einer bevorzugten Ausgestaltung ein Chebychev-Filter, aber es sind auch andere Breitbandfilter geeignet, wie z.B. ein elliptisches Filter oder ein Butterworth-Filter. Die Hauptanforderung an das Filter ist, dass es eine ausreichend große Bandbreite bei normaler Übertragung durch die Vorrichtung bietet, wenn die Vorrichtung keine Leistungsbegrenzungsfunktion ausführt. In einer Ausgestaltung liegt die Bandbreite zwischen 1 und 18 GHz. Die Erfindung kann für Vorrichtungen genutzt werden, die bei höheren Frequenzen wie beispielsweise im Q-Band arbeiten.

Der radiale Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter ist der Innenradius des äußeren Leiters an einem Punkt minus dem Außenradius des inneren Leiters an diesem Punkt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung beinhaltet der innere Leiter der Koaxialleitung eine Region mit verringertem Durchmesser, um eine Induktanz zu definieren, die im Breitbandfilter enthalten ist. Vorzugsweise, aber nicht unbedingt, befindet sich die Lücke etwa in der Mitte in axialer Richtung der Region mit reduziertem Durchmesser.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein dielektrisches Element vorhanden, das zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter verläuft und eine Metallschicht auf einer Fläche aufweist, die wenigstens eines der genannten Teile bildet. Es wird ferner bevorzugt, dass ein ringförmiger Schlitz durch die Metallschicht vorhanden ist, um die Lücke zu definieren, obwohl auch andere Schlitzgeometrien möglich sind. So kann das dielektrische Element beispielsweise eine ringförmige Scheibe umfassen, die zwischen dem äußeren Durchmesser des inneren Leiters und dem inneren Durchmesser des äußeren Leiters verläuft. Die metallisierte Oberfläche der Scheibe, durch die Lücke in eine äußere und eine innere Region getrennt, ist mit dem äußeren und dem inneren Leiter in Kontakt. Die Lücke kann von der metallischen Schicht durch Fotoätzen oder eine andere herkömmliche Technik, mit der hohe Genauigkeiten erzielt werden können, genau definiert werden. Dieser Ansatz bietet gute Designflexibilität beim Wählen der Lückenbreite sowie des Ortes der Lücke in radialer Richtung zwischen dem inneren und äußeren Leiter, so dass das Design speziell auf den benötigten Leistungsbegrenzungseffekt zugeschnitten werden kann. In einer Ausgestaltung besteht die metallische Schicht aus Molybdän, aber es können auch andere leitende Materialien verwendet werden.

Alternativ ist wenigstens eines der Teile eine Metallkomponente, die an dem Leiter befestigt ist, und wird nicht von einem dielektrischen Element getragen.

In einer anderen Ausgestaltung ist wenigstens eines der Teile einstückig mit dem Leiter ausgebildet, mit dem es elektrisch verbunden ist. Das Teil kann beispielsweise eine Region des inneren Leiters beinhalten, die einen größeren Durchmesser hat als der. Rest des inneren Leiters. Alternativ oder zusätzlich kann der mit dem äußeren Leiter verbundene Teil ebenso eine Region mit reduziertem Innendurchmesser des äußeren Leiters umfassen. Eines der Teile kann ein Abschnitt des inneren oder äußeren Leiters sein, der dieselben Abmessungen hat wie der Leiter, wobei sich lediglich eine Region davon am axialen Ort der Lücke befindet. Der bevorzugte Ansatz, bei dem eine Metallschicht auf einem dielektrischen Element getragen wird, erlaubt jedoch eine leichtere Erzielung der nötigen Genauigkeiten und bietet eine sichere mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Teilen und den Leitern.

Die Lücke kann so gewählt werden, dass sie sich unmittelbar neben dem äußeren Leiter oder dem inneren Leiter oder in einem Abstand dazwischen befindet.

Vorzugsweise ist ein dielektrisches Fenster an einem oder an beiden Enden der Sektion vorhanden, um Gas darin einzuschließen. So kann die Leistungsbegrenzungsvorrichtung als separate selbstständige Komponente gehandhabt werden. Es hat den zusätzlichen Vorteil, dass für zu hohe Leistungspegel ein Durchbruch der Gasfüllung an der Innenfläche des Eingangsfensters auftreten kann, so dass ein Plasma in dieser Region entsteht, wodurch die kleinere Lücke vor Schäden geschützt wird.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Mikrowellensystem eine Leistungsbegrenzungsvorrichtung gemäß der Erfindung. In einer bevorzugten Anordnung befindet sich die Leistungsbegrenzungsvorrichtung vor einer Empfängereingangsstufe. Zwischen der Leistungsbegrenzungsvorrichtung und der Empfängerschaltung kann sich ein zusätzlicher Festkörperbegrenzer befinden. Aufgrund ihrer koaxialen Natur ist die Leistungsbegrenzungsvorrichtung zwar für den Einbau in eine Koaxialübertragungsleitung geeignet, aber mit geeigneten Übergangskomponenten könnte sie alternativ auch mit einem Wellenleiter verbunden werden.

Eine Möglichkeit der Umsetzung der Erfindung wird nunmehr beispielhaft mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:

1 eine schematische Ansicht eines Mikrowellenempfangssystems, das eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung beinhaltet;

2 einen schematischen Grundriss eines Teils der in 1 gezeigten Schutzvorrichtung; und

3 eine äquivalente Schaltung für das Chebychev-Filter.

Gemäß 1 beinhaltet ein Empfangssystem eine Empfängerschaltung 1 zum Empfangen und Verarbeiten von Signalen, die durch eine Übertragungsleitung 3 an der Antenne 2 empfangen werden. Die Empfängerschaltung 1 umfasst einen empfindlichen Breitband-Mikrowellenempfänger und ist besonders für Schäden durch Energien verwundbar, die sie mit Leistungspegeln von nur ein paar Dutzend Watt oder höher erreichen. Die Empfängerschaltung 1 soll Signale z.B. im Band von 1 bis 18 GHz bei sehr niedrigen Pegeln in der Größenordnung von 10-16 W erfassen.

Die Übertragungsleitung 3 beinhaltet eine Koaxialleitung 4, die mit einer Schutzvorrichtung 5 verbunden ist, deren Ausgang über eine andere Sektion der Koaxialleitung 6 mit einem vor der Empfängerschaltung 1 befindlichen Festkörperbegrenzer 7 angelegt wird. Die Schutzvorrichtung 5 umfasst eine koaxiale, hermetisch geschlossene Konstruktion mit einem äußeren Leiter 8 und einem inneren Leiter 9, die einen Abstand von etwa 5 mm voneinander haben. Der äußere Leiter 8 hat ein Schraubanschlussstück 10 und 11 an jedem Ende, so dass er leicht mit den benachbarten Koaxialleitungen 4 und 6 verbunden werden kann. Ein Eingangsfenster 12 und ein Ausgangsfenster 13 sind auf die Innenfläche des äußeren Leiters 8 und die Außenfläche des inneren Leiters 9 geklebt, um ein Volumen 14 dazwischen zu definieren, das mit Xenongas mit einem Druck von ein paar Dutzend Torr gefüllt ist. Die Fenster 12 und 13 sind aus einem geeigneten dielektrischen Material. Eine dielektrische Scheibe 15 ist am inneren Leiter 9 und am äußeren Leiter 8 in dem gasgefüllten Volumen 14 befestigt und mit einer Schicht 16 aus Molybdän wie in 2 gezeigt überzogen. Ein ringförmiger Schlitz 17 ist in das Molybdän 16 geschnitten, um das dielektrische Material darunter freizulegen und eine Durchbruchlücke 18 zu definieren, in diesem Fall mit einer Breite von 50 Mikron. Somit sind die Region 16A der Metallisierung 16 elektrisch mit dem inneren Leiter 9 und die Region 16B mit dem äußeren Leiter 8 verbunden. Einfügungsdämpfungen der Schutzvorrichtung 5 liegen bei etwa 1 dB und die charakteristische Impedanz beträgt 50 &OHgr;. In anderen Ausgestaltungen können auch andere Impedanzwerte verwendet werden.

Der innere Leiter 9 beinhaltet einen Abschnitt 19 mit einem reduzierten Durchmesser. Die Metallschicht 16A ist mit dem Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 19 in Kontakt und etwa in der Mitte der axialen Länge des Abschnitts 19 angeordnet.

Beim Betrieb bleibt die Schutzvorrichtung 5 während des Empfangs von leistungsarmen Signalen im Ruhezustand. Wenn ein einen Schwellenwert überschreitendes Signal mit höherer Leistung in das System eintritt, dann kommt es zu einem Durchbruch in Nanosekunden über die Lücke 18, so dass ein Plasma entsteht, das einen Kurzschluss in der Koaxialleitung erzeugt. Das eingehende Signal wird von dem Kurzschluss reflektiert und dämpft so vollständig oder in einem erheblichen Ausmaß die Energie, die zur Empfängerschaltung 1 weitergeleitet wird. So wird die empfindliche Eingangsstufe geschützt.

Die Lücke 18 und die benachbarten leitenden Molybdänschichten 16A und 16B definieren zusammen einen Kondensator. Die Region 19 mit reduziertem Durchmesser des inneren Leiters 9 dient als Induktor und ist zusammen mit dem Kondensator in einem Chebychev-Filter enthalten. So entsteht ein breites Passband, um jegliche Störungen von leistungsarmen Eingangssignalen zu minimieren, die der Empfänger 1 erfassen soll. 3 ist eine äquivalente Schaltung des Chebychev-Filters, bei der der Kondensator C1 die Lücke 18 repräsentiert und die Induktoren L1 und L2 die Region 19 mit reduziertem Durchmesser repräsentieren.

Wenn die Schutzvorrichtung 5 höhere Leistungspegel von beispielsweise hunderten von Watt oder höher erfährt, dann wird auch ein Plasma über die Innenfläche des Ausgangsfensters 12 nach dem Durchbruch über die Lücke 18 erzeugt. Diese Plasmaregion dient auch als effizienter Kurzschluss, um zu verhindern, dass Hochleistungsenergie durch die Schutzvorrichtung 5 geht, und hat den weiteren Vorteil, dass Schäden an der Durchbruchlücke 18 reduziert werden.

Wenn die Schutzvorrichtung aktiv ist, dann erzeugt sie eine Dämpfung von bis zu 40 dB mit einem entsprechenden Leck von 50 mW, und man glaubt, dass viele Dutzend Kilowatt davon aufgenommen werden können. Nach der Aktivierung kehrt die Schutzvorrichtung 5 innerhalb von ein paar Mikrosekunden in ihren Ruhezustand zurück.

In dem gezeigten System befindet sich die Schutzvorrichtung in einer Koaxialleitung, aber in anderen Ausgestaltungen kann sie auch mit einem Wellenleiter verbunden sein, z.B. mit geeigneten Übergängen zwischen dem Wellenleiter und der koaxialen Anordnung der Schutzvorrichtung.


Anspruch[de]
Schutzvorrichtung (5), die Folgendes umfasst: eine gasgefüllte Sektion (14) einer Koaxialübertragungsleitung mit einem Teil (16B), der elektrisch mit dem äußeren Leiter (8) verbunden ist, und einem Teil (16A), der elektrisch mit dem inneren Leiter (9) verbunden ist, wobei sich zwischen den Teilen (16A, 16B) eine Lücke (18) befindet, wobei die Lücke (18) kleiner als der maximale radiale Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter (9, 8) ist und wobei die Teile (16A, 16B) und die Lücke (18) einen Kondensator (C1) definieren, der zusammen mit dem eine Induktanz (19; L1, L2) definierenden inneren Leiter (9) in einem Breitbandfilter enthalten ist, so dass es, wenn eine Energie, die einen Schwellenleistungspegel übersteigt, entlang der Sektion übertragen wird, an der Lücke zu einem Zusammenbruch kommt, wodurch eine Weiterleitung der Energie reduziert oder eliminiert wird. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem dielektrischen Element (15), das zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter verläuft und eine Metallschicht auf einer Fläche hat, die wenigstens einen der genannten Teile bildet. Vorrichtung nach Anspruch 2 mit einem ringförmigen, die Lücke (18) definierenden Schlitz (17) durch die Metallschicht. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei wenigstens einer der Teile einstückig mit dem Leiter (8, 9) ausgebildet ist. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Lücke (18) eine Breite von ein paar Dutzend Mikron hat. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der innere Leiter (9) eine Region (19) mit reduziertem Durchmesser aufweist, um eine Induktanz zu definieren, die in dem Breitbandfilter enthalten ist. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei sich die Lücke (18) etwa am Mittelpunkt in einer axialen Richtung der Region (19) mit reduziertem Durchmesser befindet. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Gas ein Inertgas ist. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Gas auf einem Druck im Bereich von 10 bis 100 mbar ist. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem dielektrischen Fenster an einem oder an beiden Enden des Abschnitts, um Gas darin einzuschließen. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Filter ein Chebychev-Filter ist. Mikrowellensystem mit einer Schutzvorrichtung (5) nach einem der vorherigen Ansprüche. System nach Anspruch 12, wobei sich die Schutzvorrichtung (5) vor einer Empfängerstufe (1) befindet. System nach Anspruch 13 mit einem Festkörperbegrenzer (7) zwischen der Schutzvorrichtung (5) und der Empfängerstufe (1). System nach Anspruch 12, 13, oder 14, wobei die Schutzvorrichtung (5) mit einer Koaxialübertragungsleitung (4) verbunden ist.






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