[0001] Die Erfindung betrifft einen breitbandigen koaxialen Überspannungsableiter, mit einer
zu einem Koaxialleitungsabschnitt parallel geschalteten Kurzschlußleitung und einer
in Serie geschalteten leerlaufenden Leitung.
[0002] Koaxiale Überspannungsableiter, die aus einem Koaxialleitungsabschnitt mit parallel
geschalteter Kurzschlußleitung, in der Regel eine λ/4-Kurzschlußleitung, bestehen,
sind bekannt. Sie sind sehr schmalbandig. Auch wenn man ein VSWR von 1,1 zuläßt, ist
nur eine relative Bandbreite von 20 % realisierbar. Eine größere Bandbreite läßt sich
erreichen, wenn man den Wellenwiderstand Z
K der Kurzschlußleitung größer als den Wellenwiderstand Z
O des Koaxialleitungsabschnitts macht. Allerdings kann Z
K nicht beliebig groß gemacht werden, da die verbleibende Reststörspannung proportional
zu Z
K ist. Schaltet man jedoch der Parallelschaltung aus dem Koaxialleitungsabschnitt und
der Kurzschlußleitung in Serie eine leerlaufende Leitung nach, so läßt sich für ein
VSWR von 1,1 (entsprechend einem Reflexionsfaktor von etwa 0,05) an den Rändern des
Übertragungsbereiches eine Bandbreite von etwa einer Oktave erreichen.
[0003] Ein derartiger Überspannungsableiter ist allerdings nur bedingt geeignet, wenn über
die Leitung zwei schmale Frequenzbänder übertragen werden müssen, deren Mittenfrequenzen
sehr weit, z.B. eine Oktave, auseinander liegen. Dies gilt u.a. für den Mobilfunk,
wo die Signale des D-Netzes (890 bis 960 MHz) und des E-Netzes (1710 bis 1880 MHz)
über ein gemeinsames Antennenkabel zur Antenne der Basisstation übertragen werden.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen breitbandigen koaxialen Überspannungsableiter
zu schaffen, der an den Rändern eines vorgegebenen Frequenzbereiches einen besonders
niedrigen Reflexionsfaktor hat.
[0005] Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Anschlußpunkt
der Kurzschlußleitung und dem Anschlußpunkt der leerlaufenden Leitung ein transformierendes
koaxiales Leitungsstück mit einer Länge < λ/4 liegt.
[0006] Dabei ist λ die der Mittenfrequenz des vorgegebenen Frequenzbereichs entsprechende
Wellenlänge. Es wurde festgestellt und läßt sich auch rechnerisch zeigen, daß bei
dem vorgeschlagenen Überspannungsableiter der frequenzabhängige Verlauf des Reflexionsfaktors
zwei sehr kleine Minima ausreichender Bandbreite beidseits eines etwa in der nicht
genutzten Bandmitte liegenden Maximums hat. Die Minima können mehr als eine Oktave
auseinanderliegen. Ihre Lage und ihre Größe hängen von der Bemessung der beteiligten,
transformierenden Leitungselemente, also der Kurzschlußleitung, des transformierenden
Leitungsstücks und der leerlaufenden Leitung, ab.
[0007] Insbesondere kann die Länge des seriellen transformierenden Leitungsstücks so gewählt
ist, daß die den frequenzabhängigen Verlauf des Reflexionsfaktors wiedergebende Kurve
bei zwei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen des Überspannungsableiters je ein Minimum
aufweist (Anspruch 2).
[0008] Zweckmäßig ist dabei der Wellenwiderstand der Kurzschlußleitung hochohmiger und der
Wellenwiderstand der leerlaufenden Leitung niederohmiger als der Wellenwiderstand
des Koaxialleitungsabschnitts bemessen (Anspruch 3).
[0009] Insbesondere kann der Wellenwiderstand der Kurzschlußleitung das zwei- bis dreifache
des Wellenwiderstandes der Koaxialleitung und der Wellenwiderstand der leerlaufenden
Leitung etwa die Hälfte bis ein Viertel des Wellenwiderstandes des Koaxialleitungsabschnitts
betragen. (Anspruch 4).
[0010] Der Überspannungsableiter nach dem vorliegenden Vorschlag hat auch den Vorteil, kleiner
zu bauen als ein Überspannungsableiter nach dem Stand der Technik, denn sowohl die
Länge der Kurzschlußleitung als auch die Länge der leerlaufenden Leitung können etwa
20 bis 30 % kleiner als λ/4 gewählt werden (Ansprüche 5 und 6).
[0011] Für die meisten Anwendungen kann die Länge des seriellen transformierenden koaxialen
Leitungsstücks etwa 20 bis 50 % von λ/4 betragen (Anspruch 7).
[0012] Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die leerlaufenden Leitung aus einem
Abschnitt verringerten Durchmessers des Innenleiters desr transformierenden koaxiallen
Leitungsstücks, einer diesen Abschnitt umgebenden Hülse aus einem dielektrischen Werkstoff,
deren Länge der Länge der leerlaufenden Leitung entspricht und aus einem die Hülse
koaxial umschließenden rohrförmigen Abschnitt des die Koaxialleitung fortsetzenden
Innenleiters im Zusammenwirken mit dem durchgehenden Außenleiter des Überspannungsableiters
(Anspruch 8).
[0013] In der Zeichnung ist ein Überspannungsableiter nach der Erfindung in einer beispielhaft
gewählten Ausführungsform schematisch vereinfacht dargestellt und dessen Reflexionsverhalten
durch ein Diagramm erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1
- den Überspannungsableiter im Längsschnitt
- Fig. 2
- den frequenzabhängigen Verlauf des Reflexionsfaktors für ein praktisches Ausführungsbeispiel
des Überspannungsableiters.
- Fig. 3
- eine stark vereinfachte Darstellung des Überspannungsableiters, nur zur Erläuterung
der Bedeutung der Rechengrößen, auf denen das Refelexionsdiagramm in Fig. 2 beruht.
[0014] Der in Fig. 1 dargestellte Überspannungsableiter ist hier als koaxiale Baugruppe
ausgebildet, die an ihren beiden Enden mit Steckanschlüssen grundsätzlich beliebiger
und hier nicht näher interessierender Art ausgestattet ist. Der Überspannungsableiter
ist reziprok und umfaßt einen koaxialen Leitungsabschnitt 1, eine dazu parallel geschaltete
Kurzschlußleitung 2, ein kurzes, transformierendes koaxiales Leitungsstück 3 und eine
dazu in Serie geschaltete, leerlaufende Leitung 4. Der Außenleiter 25 der Kurzschlußleitung
2 kann als Teil des den übrigen Leitungsabschnitten gemeinsamen Außenleiters 5 betrachtet
werden. Mit dem Innenleiter 11 des Koaxialleitungsabschnitts 1 ist wie üblich der
Innenleiter 21 der Kurzschlußleitung 2 verbunden, uzw. hier nach dem Stecker/Buchse-Prinzip.
An seinem anderen Ende ist der Innenleiter 21 mit dem Außenleiter 25 elektrisch leitend
verbunden. Die Länge der Kurzschlußleitung ist kleiner als λ/4, wobei λ die der rechnerischen,
jedoch nicht genutzten Bandmittenfrequenz entsprechende Wellenlänge ist. Der Durchmesser
des Innenleiters 21 und der Innendurchmesser des Außenleiters 25 der Kurzschlußleitung
sind nach dem bekannten Zusammenhang so gewählt, daß der Wellenwiderstand der Kurzschlußleitung
etwa das zwei- bis dreifache des Wellenwiderstandes der Koaxialleitung beträgt.
[0015] An den Verbindungspunkt des Innenleiters 11 des Koaxialleitungsabschnitts 1 und des
Innenleiters 21 der Kurzschlußleitung 20 schließt sich der Innenleiter 31 des transformierenden
Leitungsstücks 3 an. Die Länge dieses Leitungsstücks ist in der Regel kleiner als
λ/8. Der nur schematisch dargestellte Durchmessersprung dient der Kompensation der
Öffnung in dem Außenleiter 5, über die der Innenleiter 21 der Kurzschlußleitung 2,
gehalten von einer Isolierstoffscheibe 22, herausgeführt ist.
[0016] An das transformierende Leitungsstück 3 schließt sich in Serie die leerlaufende Leitung
4 an. Diese kann etwa die gleiche Länge wie die Kurzschlußleitung 2 haben und umfaßt
einen den Innenleiter 31 fortsetzenden Innenleiter 41, dessen Durchmesser erheblich
kleiner als derjenige des Innenleiters 31 ist. Weiter umfaßt die leerlaufende Leitung
eine diesen Innenleiter 41 umgebende Hülse 42 aus einem dielektrischen Werkstoff.
Die Hülse 42 hat einen umlaufenden Flansch 42a, der den rohrförmigen, die Hülse umgebenden
Abschnitt 45 des die Koaxialleitung fortsetzenden Innenleiters von dem Innenleiter
41 des transformierenden Leitungsstücks 3 elektrisch trennt. Deshalb bildet der rohrförmige
Abschnitt 45 den Außenleiter der leerlaufenden Leitung 4. Diese hat zufolge der gegebenen
Durchmesserverhältnisse und der Dielektrizitätskonstanten der Hülse 42 einen Wellenwiderstand,
der etwa die Hälfte bis ein Viertel des Wellenwiderstandes des Koaxialleitungsabschnitts
1 beträgt.
[0017] Mit folgenden Größen
- ZO =
- Impedanz der Überspannungsableitung
- Zk =
- Eingangsimpedanz (Blindwiderstand) der Kurzschlußleitung
- Z3 =
- Wellenwiderstand der transformierenden Leitung mit der Länge l3
- ZL =
- Eingangsimpedanz (Blindwiderstand) des Leerlaufs
- lk =
- Länge der Kurzschlußleitung
- l3 =
- Länge der transformierenden Leitung
- lL =
- Länge der Leerlaufleitung
- f =
- Frequenz
gelten entsprechend den bekannten Transformationsgleichungen folgende Beziehungen
zur Ermittlung des frequenzabhängigen Reflexionsfaktors r(f):
[0018] Mit folgenden Werten der in die schematisierte Darstellung des Überspannungsableiters
in Fig. 3 eingetragenen Größen:
ergibt sich der in Fig. 2 dargestellte Verlauf des Reflexionsfaktors r für ein Ausführungsbeispiel
eines Überspannungsableiters, der zur Verwendung in einem gemeinsamen Antennenkabel
einer D-Netz- und einer E-Netz-Basisstation ausgelegt ist.
1. Breitbandiger koaxialer Überspannungsableiter, mit einer zu einem Koaxialleitungsabschnitt
(1) parallel geschalteten Kurzschlußleitung (2) und einer in Serie geschalteten leerlaufenden
Leitung (4), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anschlußpunkt der Kurzschlußleitung (2) und dem Anfang der leerlaufenden
Leitung (4) ein transformierendes koaxiales Leitungsstück (3) mit einer Länge < λ/4
liegt.
2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des transformierenden
Leitungsstücks (3) so gewählt ist, daß die den frequenzabhängigen Verlauf des Reflexionsfaktors
wiedergebende Kurve bei zwei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen des Überspannungsableiters
je ein Minimum aufweist.
3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwiderstand
der Kurzschlußleitung (2) hochohmiger und der Wellenwiderstand der leerlaufenden Leitung
(4) niederohmiger als der Wellenwiderstand des Koaxialleitungsabschnitts (1) bemessen
ist.
4. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wellenwiderstand der Kurzschlußleitung (2) das zwei- bis dreifache des Wellenwiderstandes
des Koaxialleitungsabschnitts (1) und der Wellenwiderstand der leerlaufenden Leitung
(4) etwa die Hälfte bis ein Viertel des Wellenwiderstandes des Koaxialleitungsabschnitts
(1) beträgt.
5. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Länge der Kurzschlußleitung (2) etwa 20 bis 30 % kleiner als λ/4 ist.
6. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Länge der leerlaufenden Leitung (4) etwa 20 bis 30 % kleiner als λ/4 ist.
7. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Länge des transformierenden koaxialen Leitungsstücks (3) etwa 20 bis 50 % von
λ/4 beträgt.
8. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die leerlaufende Leitung (4) aus einem Abschnitt (41) verringerten Durchmessers des
Innenleiters (31) des transformierenden koaxiallen Leitungsstücks (3), einer diesen
Abschnitt umgebenden Hülse (42) aus einem dielektrischen Werkstoff, deren Länge der
Länge der leerlaufenden Leitung (4) entspricht und aus einem die Hülse (42) koaxial
umschließenden rohrförmigen Abschnitt (45) des anschließenden Innenleiters im Zusammenwirken
mit dem durchgehenden Außenleiter (5) des Überspannungsableiters besteht.