Koppelelement zum Anschluss einer Signalübertragungseinrichtung an eine koaxiale Hauptleitung

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf ein Koppelelement zum Anschluß einer Signalübertragungseinrichtung an eine koaxiale Hauptleitung (1), beispielsweise eine Busleitung. Zur weitgehenden Vermindrung von Störeinflüssen und zur Verbesserung der mechanischen Sicherheit an der Koppelstelle ist die anzukoppelnde Einrichtung über ein gebildetes koaxiales Segment (8) des Außenleiters (4) und über ein das Segment (8) isoliert überspannendes zylindrisches Element (9) kapazitiv an die Hauptleitung (1) angekoppelt.
Die Erfindung ist vor allem bei Busankopplungen in lokalen Netzen anwendbar.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Koppelelement zum Anschluß einer Signalübertragungseinrichtung an eine koaxiale Hauptleitung mit einem im Verlauf der Hauptleitung auf ihr befestigten Anschlußteil, mit dem eine zur Signalübertragung geeignete Verbindung herstellbar ist.

[0002] Eine Ankopplung von Signalübertragungseinrichtungen an eine Hauptleitung in Form eines Koaxialkabels ist in der Nachrichten- und Datentechnik häufig notwendig, wobei die Hauptleitungen in der Regel fest installiert sind und eine vollständige Unterbrechung der Hauptleitung zum Anschluß von besonderen Abzweigungspunkten oft zu Störungen bei der Signalübertragung führt. Insbesondere bei Bussystemen (lokale Netzwerke), z. B. in der Prozeßdatenverarbeitung, sind eine Vielzahl von Sende-/Empfangseinrichtungen an eine gemeinsame, oft fest installierte Übertragungsleitung (Bus) anzuschließen.

[0003] Es ist bereits ein Koppelelement bekannt (Design Guide to AMP-Coaxial Taps, AMP Incorporated Harrisburg, DP 5525, Rev A, 1982, Seiten 1 bis 9), bei dem ein oder mehrere Kontaktierungsstifte durch den Isoliermantel, den Außenleiter und das Dielektrikum des Koaxialkabels gedrückt werden. Dieser oder diese Kontaktierungsstifte stellen die Verbindung zwischen dem Innenleiter des Koaxialkabels und einem Anschluß der Signalübertragungseinrichtung her; der Außenleiter des Koaxialkabels wird durch Schneid-, Löt-oder Klemmkontakte ebenfalls mit einem Anschluß der Signalübertragungseinrichtung kontaktiert. Die Kontaktsicherheit hängt hierbei von der Sorgfalt bei der Kontaktierung und insbesondere von der Anpreßkraft ab. Es ist notwendig, den Außenleiter und das Dielektrikum der koaxialen Hauptleitung zu durchbohren, wobei die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen dem Innen- und dem Außenleiter besteht. Diese Art der Anzapfung der Hauptleitung bildet darüber hinaus eine elektrische Stoßstelle im Kabel, welche zu Reflexionen des zu übertragenden Signals führt. Die Intensität der dadurch verursachten Reflexionen hängt hierbei insbesondere von der Eingangsimpedanz der beispielsweise nachgeschalteten Sende-/Empfangseinrichtung ab. Bei einer Datenübertragung mit hohen Datenraten (z. B. 10 Mbit/s) kann z. B. bereits eine durch diese Anzapfung entstandene parasitäre Kapazität ( 5 pF) zu unzulässigen Reflexionen führen. Ein ebenfalls möglicher Kurzschluß in der nachgeschalteten Sende-/Empfangseinrichtung macht darüber hinaus durch die Rückwirkung auf die Hauptleitung eine Datenübertragung auf der Hauptleitung (Bus) unmöglich.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Koppelelement zum Anschluß einer Signalübertragungseinrichtung an eine koaxiale Hauptleitung zu schaffen, bei dem der Einfluß des Koppelelements und der angekoppelten Einrichtungen auf die Hauptleitung möglichst gering gehalten werden.

[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Koppelelement der eingangs angegebenen Art ein zylindrisches Segment des Außenleiters der koaxialen Hauptleitung durch zwei in vorgegebenem Abstand voneinander angebrachte Unterbrechungsstellen des Außenleiters gebildet, das Segment durch ein leitendes zylindrisches Element des Anschlußteils elektrisch von ihm isoliert überspannt und mit jeweils einem Ende mit dem Außenleiter der Hauptleitung an jeweils einer Unterbrechungsstelle leitend verbunden, wobei zwischen dem Segment und dem Innenleiter der Hauptleitung eine erste Kapazität und zwischen dem Segment und dem zylindrischen Element eine zweite Kapazität gebildet und der eine Leiter des Anschlusses der Signalübertragungseinrichtung am Segment und der andere Leiter am zylindrischen Element über das Anschlußteil anschließbarist.

[0006] Gemäß der Erfindung ist es in vorteilhafter Weise möglich, auf eine besondere Kontaktierung des Innenleiters zu verzichten, indem man diesen gemeinsam mit dem Segment des _Außenleiters (oder einem anstelle dessen konzentrisch zum Innenleiter angeordneten leitenden Belag) zu einem Rohrkondensator ausbildet. Die für diese Anordnung notwendige teilweise Entferung des Außenleiters wird durch das als leitende Brücke wirkende zylindrische Element wieder aufgehoben, wobei das als Rohrkondensator ausgebildete Kabelstück vollständig umschlossen wird. Die so möglich gewordene kapazitive Kopplung zwischen der Hauptleitung und der angekoppelten Einrichtung ist für alle Signalübertragungen geeignet, bei denen auf eine Gleichstromkopplung verzichtet werden kann. Sehr gute Ergebnisse werden vor allem beim Anschluß von Empfangseinrichtungen erreicht. Das erfindungsgemäße Koppelelement ist darüber hinaus mechanisch äußerst stabil, da es mit hoher Kontaktsicherheit fest auf dem leitenden Mantel (Außenleiter) der Hauptleitung befestigbar ist und ein mechanischer Zugriff auf den Innenleiter nicht notwendig ist. Hinsichtlich des elektrischen Übertragungsverhaltens ist vorteilhaft, daß die Reflexionen und Rückwirkungen von der angekoppelten Einrichtung äußerst gering gehalten werden können, da die Leiterkonfiguration und das Dielektrikum der Hauptleitung weitgehend erhalten bleiben. Außerdem ist die Kurzschlußgefahr, die bei einer mechanischen Kontaktierung nicht auszuschließen ist, vollständig vermieden. Es ist auch möglich, das Koppelelement als gesondertes Bauteil auszuführen, damit diese Art der Ankopplung auch bei einer Hauptleitung, deren Unterbrechung keine Schwierigkeiten bereitet oder die bereits aufgetrennt ist, vorteilhaft anwendbar ist.

[0007] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0008] Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei

Figur 1 einen Querschnitt durch eine koaxiale Hauptleitung mit Koppelelement,

Figur 2 ein vereinfachtes mechanisches Schema,

Figur 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild und

Figur 4 einen radialen Querschnitt durch das Koppelelement mit Teilen einer elektrischen Ankoppelschaltung zeigt.

[0009] Die Darstellung nach der Figur 1 zeigt eine koaxiale Hauptleitung 1 mit einem Innenleiter 2, einem Dielektrikum 3 und einem zylindrischen Außenleiter 4. Die gesamte Hauptleitung 1 ist von einem isolierenden Kunststoffmantel 5 umschlossen. An Unterbrechungsstellen 6 und 7 ist der Außenleiter 4 entfernt, so daß sich ein zylindrisches Segment 8 bildet, das vom übrigen Außenleiter 4 elektrisch isoliert ist. Das zylindrische Segment 8 ist vollständig von einem leitenden zylindrischen Element 9 umschlossen, welches durch eine dielektrische Zwischenlage 10 vom Segment 8 isoliert ist und darüber hinaus an Stellen 11 und 12 mit dem Außenleiter 4 elektrisch verbunden ist (z. B. durch Löten oder Klemmen). Die axialen Ausdehnungen der Unterbrechungsstellen 6 und 7 sind mit b bezeichnet, die Ausdehnungen der Überlappungs- bzw. Kontaktierungsstellen zwischen dem zylindrischen Element 9 und dem Außenleiter 4 sind mit a bezeichnet und die gesamte Länge des zylindrischen Elements 9 ist 1. Das zylindrische Element 9 kann beispielsweise aus zwei Halbschalen mit einer axialen Trennfläche zusammengesetzt werden.

[0010] Das zylindrische Element 9 weist eine Ausnehmung 13 auf, durch die ein Kontaktierungsstift 14 geführt ist, der über ein Verbindungselement 15 elektrisch leitend mit dem zylindrischen Segment 8 verbunden ist. Der Kontaktierungsstift 14 stellt den Innenleiter einer koaxialen Schraubverbindung dar, zu der eine Schraubfassung 16 gehört, die elektrisch leitend am zylindrischen Element 9 gehalten ist. An diese Schraubfassung 16 mit dem koaxial angeordneten Kontaktierungsstift 14 kann hier eine nicht dargestellte Sende-/Empfangseinrichtung als Signalübertragungseinrichtung mit koaxialem Anschluß angekoppelt werden.

[0011] In der Figur 2 sind vereinfacht die leitenden Beläge, die durch das Koppelelement gebildet werden, dargestellt. So bildet der Außenleiter 4 zusammen mit dem zylindrischen Element 9 und das zylindrische Segment 8 einen Rohrkondensator, ebenso wie das zylindrische Segment 8 zusammen mit dem Innenleiter 2. Die kapazitive Auskopplung des Signals auf die angekoppelte Einrichtung erfolgt über die Beläge unter Einschluß des Kontaktierungsstifts 14.

[0012] Das elektrische Ersatzschaltbild nach der Figur 3 zeigt eine erste Kapazität C₀, die zwischen dem Innenleiter 2 und dem Segment 8 als Rohrkondensator gebildet ist, ferner eine zweite Kapazität C₁, die zwischen dem zylindrischen Element 9 und dem Segment 8 als T-Schaltung liegt, sowie den halben Wellenwiderstand

der Hauptleitung 1 auf der einen Seite und eine parasitäre Kapazität C_T mit einem Einaangswiderstand R der nachgeschalteten Einrichtung auf der anderen Seite der T-Schaltung. In Empfangsrichtung weist diese Schaltung Hochpaß-Charakter und in Senderichtung Bandpaß-Charakter auf. Die Grenzfrequenzen und Dämpfungen hängen von den Abmessungen des Koppelelements, dem Wellenwiderstand Z und den elektrischen Eigenschaften der angekoppelten Signalübertragungseinrichtung (beispielsweise C_T und R_T) ab.

[0013] Beim radialen Querschnitt durch das Koppelelement nach der Figur 4 sind die Lagen der beiden Kapazitäten C₀ und C₁ deutlich zu erkennen, außerdem ist hier schematisch eine Schaltung 20 angefügt, die außer der parasitären Kapazität C_T mit dem Reihenwiderstand R_T auch noch Verstärker 21 und 22 aufweist und somit andeutungsweise eine nachgeschaltete periphere Sende-/Empfangseinrichtung darstellen soll.

[0014] Außerdem sind in der Figur 4 der Querschnitt des Innenleiters 2 mit r_i, der radiale Abstand des Innenleiters vom Außenleiter mit r₀ und vom zylindrischen Element 9 mit r₁ angegeben.

[0015] Die Werte der Kapazitäten C₀ und C₁ berechnen sich wie folgt:



wobei ε₀ die absolute Dielektrizitätskonstante des Vakuums (0,8855 10 ^-13F/cm) und ε_r0 die _Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums 3 und ε_r1 die Dielektrizitätskonstante der isolierenden Zwischenschicht 10 darstellen.

[0016] Das Reflexionsverhalten kann näherungsweise beschrieben werden durch eine Veränderung des Wellenwiderstandes über der Länge 1; die daraus beispielsweise bei Rechtecksignalen entstehenden Echoimpulse haben eine Dauer, welche der doppelten Laufzeit über die Ankopplung (ca. 2 x 5 ns/m) entspricht. Die Amplitude dieser Impulse wird bestimmt durch das Verhältnis r₀/r₁. Parasitäre Kapazitäten C_T in der peripheren Sende-/Empfangseinrichtung vergrößern zwar den konstanten Anteil der Ein-/Ausgangskoppeldämpfung, wirken sich aber bei dieser Art der Ankopplung nicht negativ auf das Reflexionsverhalten aus. Auch ein Kurzschluß in der peripheren Einrichtung verursacht hier keine zusätzlichen Reflexionen, wodurch die Übertragung auf der Hauptleitung (Bus) nicht beeinträchtigt ist.

[0017] Das Prinzip dieser Ankopplung läßt sich auch bei Koaxialkabeln mit einem weiteren Außenschirm verwenden (Triaxial-Kabel), wobei hier lediglich das zylindrische Element 9 mechanisch an die entsprechenden Gegebenheiten dieser Außenleiter angepaßt werden muß.

Ansprüche

1. Koppelelement zum Anschluß einer Signalübertragungseinrichtung an eine koaxiale Hauptleitung (1) mit

- einem im Verlauf der Hauptleitung (1) auf ihr befestigten Anschlußteil (14, 15, 16), mit dem eine zur Signalübertragung geeignete Verbindung herstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet , daß

- ein zylindrisches Segment (8) des Außenleiters (4) der koaxialen Hauptleitung (1) durch zwei in vorgegebenem Abstand voneinander angebrachte Unterbrechungsstellen (6, 7) des Außenleiters (4) gebildet wird,

- ein leitendes zylindrisches Element (9) des Anschlußteils (14, 15, 16) das Segment (8) elektrisch von ihm isoliert überspannt und mit jeweils einem Ende mit dem Außenleiter (4) der Hauptleitung (1) an jeweils einer Unterbrechungsstelle (6, 7) leitend verbunden ist, wobei

- zwischen dem Segment (8) und dem Innenleiter (2) der Hauptleitung (1) eine erste Kapazität (C_o) und zwischen dem Segment (8) und dem zylindrischen Element (9) eine zweite Kapazität (C₁) gebildet ist

- und der eine Leiter des Anschlusses der Signalübertragungseinrichtung am Segment (8) und der andere Leiter am zylindrischen Element (9) über das Anschlußteil (14, 15, 16) anschließbar ist.

2. Koppelelement nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, daß

- zum Anschluß einer Einrichtung mit koaxialem Anschluß eine Schraubfassung (16) mit Außengewinde zur Kontaktierung des Außenleiters (4) am zylindrischen Element (9) leitend angebracht ist,

- in dessen Innerem sich koaxial ein Kontaktierungsstift (14) für den Innenleiter des Anschlusses der angekoppelten Einrichtung befindet, der isoliert durch das zylindrische Element (9) hindurchgeführt und an das Segment (8) angeschlossen ist.

3. Koppelelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da- durch gekennzeichnet , daß

- das zylindrische Element (9) auf dem Außenleiter (4) der Hauptleitung (1) aufgelötet ist.

4. Koppelelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da- durch gekennzeichnet , daß

- das zylindrische Element (9) auf dem Außenleiter (4) der Hauptleitung (1) aufgeklemmt ist.

Zeichnung