Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Hochfrequenztechnik. Sie betrifft einen Überspannungsschutz für eine Koaxialleitung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Überspannungsschutz ist beispielsweise aus der DE-A1-195 20 974 bekannt.

Zum Schutz von elektronischen Schaltungen im Hochfrequenzbereich gegen Überspannungen, die beispielsweise bei Blitzeinschlägen in Antennen auf den damit verbundenen Koaxialleitungen auftreten können, werden seit langem koaxial aufgebaute Überspannungsschutz-Vorrichtungen eingesetzt, die nach Art eines Bandpassfilters für die vorgesehene Betriebsfrequenz durchlässig sind, für die bei kurzzeitigen Überspannungen auftretenden Frequenzen dagegen stark dämpfend wirken.

Die US 2005/0243493 A offenbart einen gattungsgemässen Überspannungsschutz. Die beiden Abzweigleitungen sind Kurzschlussleitungen mit jeweils einer Länge von etwa λ/4. Der Überspannungsschutz nach der US 6,266,224 B weist ebenfalls zwei λ/4 Abzweigleitungen auf. Die eine ist eine Kurzschlussleitung und die andere eine sich in Längsrichtung des Innenleiters erstreckende offene Leitung, die als koaxiale Kapazität dient.

Eine bekannte und vielfach eingesetzte Art des Überspannungsschutzes hat die Form eines Koaxialleitungsabschnitts mit radial abzweigender λ/4-Kurzschlussleitung, wie sie beispielsweise in der WO-A1-99/43052 beschrieben ist.

Die radial abzweigende λ/4-Kurzschiussleitung bei einem solchen bekannten Überspannungsschutz ist zwar sehr wirksam im Bezug auf die Eliminierung von Überspannungen, hat jedoch wegen der damit verbundenen T-förmigen. Geometrie zur Folge, dass der Überspannungsschutz unhandlich ist und in seitlicher Richtung beim Einbau einen erheblichen zusätzlichen Platzbedarf verursacht. Es sind deshalb bereits verschiedentlich Vorschläge gemacht worden, wie ein solche Überspannungsschutz unter Beibehaltung des Wirkungsprinzips deutlich verkleinert und insbesondere unter Vermeidung der T-Geometrie an die zylindrische, koaxiale Geometrie angepasst werden kann.

So ist beispielsweise aus der US-B1-6,529,357 ein Überspannungsschutz bekannt, bei dem die λ/4-Kurzschlussleitung zunächst mit einem kurzen Leitungsstück radial abzweigt, dann jedoch mit dem Hauptteil der Leitungslänge in einer parallel zur Achse des Koaxialleitungsabschnitts liegenden Ebene in einem Hohlraum im Aussenleiter angeordnet ist. Auch in diesem Fall ergeben sich Abweichungen von der Zylinderform, die zusätzlichen Einbauplatz beanspruchen.

Bei einem anderen Vorschlag (DE-A1-195 20 974) ist der Hauptteil der Leitungslänge der λ/4-Kurzschlussleitung in einem Ringraum im Aussenleiter konzentrisch zur Achse des Koaxialleitungsabschnitts angeordnet. Obgleich in diesem Fall die Zylindergeometrie ungestört ist, führt diese Art der Anordnung zu deutlich vergrösserten Aussendurchmessern. Darüber hinaus ergibt sich ein zusätzlicher herstellungstechnischer Aufwand.

Aus der WO-A1-02/35659 ist es weiterhin bekannt, zur Verkleinerung eines Überspannungsschutzes und Vermeidung der üblichen T-Geometrie anstelle einer λ/4-Kurzschlussleitung zwei elektrisch verlängerte λ/4-Kurzschlussleitungen vorzusehen, die zueinander antiparallel und parallel zum Innenleiter des Koaxialleitungsabschnitts im Inneren des Koaxialleitungsabschnitts angeordnet sind. Hierdurch wird zwar die Zylindergeometrie weitgehend gewahrt, jedoch bleibt wegen der in axialer Richtung hintereinander angeordneten beiden Kurzschlussleitungen die axiale Länge des Überspannungsschutzes erheblich.

Es ist andererseits auf dem Gebiet der Koaxialleitungen bekannt (US-A-4,670,724), bei einer Koaxialleitung zur Abstützung des Innenleiters im umgebenden Aussenleiter eine mechanische Stütze vorzusehen, die aus zwei in radialer Richtung gegenüberliegenden Stützen besteht. Jede der beiden Stützen des Stützenpaares hat eine Länge von weniger als 1/8 der Mittenfrequenz des Betriebsfrequenzbereiches der Koaxialleitung. Die eine Stütze ist als Kurzschlussstütze ausgebildet, während die gegenüberliegende andere Stütze als Leerlaufstütze ausgebildet ist. Hierdurch wird gegenüber den bis dahin üblichen zwei λ/4-Stützen eine kompaktere Bauform erreicht, ohne dass die Stützen das Übertragungsverhalten der Leitung stören.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Überspannungsschutz für koaxiale Leitungen zu schaffen, der mit von einem Koaxialleitungsabschnitt radial abgehenden Abzweigleitungen arbeitet und gleichzeitig unter Beibehaltung der zylindrischen Form aussergewöhnlich kompakt und leicht herzustellen ist.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, für die Unterdrückung der Überspannungen anstelle einer λ/4-Kurzschlussleitung zwei zu verschiedenen Seiten abzweigende, elektrisch kürzere Abzweigleitungen vorzusehen, von denen die erste eine Kurzschlussleitung und die zweite eine Leerlaufleitung ist. Beide Abzweigleitungen werden in ihrem elektrischen Verhalten so aufeinander abgestimmt, dass sich im Zusammenwirken die gewünschte Unterdrückung der Überspannungen ergibt. Beide Abzweigleitungen haben einen Innenleiter, der jeweils in einer Ausnehmung im Aussenleiter des Koaxialleitungsabschnitts untergebracht ist.

Eine wegen der extremen Kompaktheit besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Abzweigleitungen abgewinkelt sind und im wesentlichen parallel zur Achse des Koaxialleitungsabschnitts verlaufen, wobei zur Erzielung kurzer Baulängen insbesondere die beiden Abzweigleitungen zur gleichen Seite hin abgewinkelt sind.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der dritte Innenleiter der zweiten Abzweigleitung einen ersten Innenleiterabschnitt aufweist, der in radialer Richtung verläuft, dass ein zweiter Innenleiterabschnitt vorgesehen ist, der in axialer Richtung verläuft, und dass der zweite Innenleiterabschnitt zur Abstimmung der beiden Abzweigleitungen aufeinander verwendet wird.

Insbesondere sind die beiden Innenleiterabschnitte des dritten Innenleiters der zweiten Abzweigleitung zylindrisch ausgebildet, und der zweite Innenleiterabschnitt weist einen wesentlich grösseren Aussendurchmesser auf, als der erste Innenleiterabschnitt.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Innenleiter der ersten Abzweigleitung in der ersten Ausnehmung im Aussenleiter des Koaxialleitungsabschnitts von Luft umgeben ist, und dass der dritte Innenleiter der zweiten Abzweigleitung in der zweiten Ausnehmung im Aussenleiter des Koaxialleitungsabschnitts einen Innenleiterabschnitt aufweist, der von einem festen Dielektrikum umgeben ist.

Besonders einfach wird die Herstellung, wenn gemäss einer anderen Ausgestaltung der zweite Innenleiter der ersten Abzweigleitung und ein Innenleiterabschnitt des dritten Innenleiters der zweiten Abzweigleitung durch einen gemeinsamen Leiter gebildet werden, der durch eine querliegende Durchgangsbohrung im ersten Innenleiter des Koaxialleitungsabschnitts hindurchgeführt ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Aussenleiter des Koaxialleitungsabschnitts aus einem zylindrischen Grundkörper und einem zylindrischen Gehäuse besteht, welche unter Bildung der ersten Ausnehmung miteinander lösbar verbunden, insbesondere verschraubt, werden können, wobei vorzugsweise die zweite Ausnehmung als Sackbohrung im Grundkörper ausgebildet ist.

Zweckmässigerweise sind in axialer Richtung an beiden Enden des Koaxialleitungsabschnitts Anschlüsse zum lösbaren Verbinden des Koaxialleitungsabschnitts mit einer Koaxialleitung oder dgl. vorgesehen.

Eine bewährte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Überspannungsschutz eine Impedanz von 50 Ω und eine Betriebsfrequenz im Bereich von etwa 1 GHz aufweist. Andere Betriebsfrequenzen und/oder Impedanzen sind durch einfaches Anpassen der Geometrien einfach zu verwirklichen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1

einen Längsschnitt durch einen Überspannungsschutz gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2

die perspektivische Ansicht des Grundkörpers des Überspannungsschutzes aus Fig. 1;

Fig. 3

in einem Smith-Diagramm der Verlauf des (komplexen) Parameters S11 (Rückflussdämpfung) eines für eine Betriebsfrequenz im Bereich von 1GHz vorgesehenen Überspannungsschutzes gemäss Fig. 1;

Fig. 4

einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 3;

Fig. 5

den Betrag der Parameter S11 und S21 (Einfügedämpfung) für den Überspannungsschutz gemäss Fig. 3 in Abhängigkeit von der Frequenz; und

Fig. 6

das vereinfachte Ersatzschaltbild des Überspannungsschutzes gemäss Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Überspannungsschutz gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. Der gezeigte Überspannungsschutz 10 stellt einen Koaxialleitungsabschnitt dar, dessen zwischen den beiden koaxialen Anschlüssen 26 und 27 angeordneter Aussenleiter sich aus einem zylindrischen Grundkörper 12 und einem hohlzylindrischen Gehäuse 11 zusammensetzt, die über entsprechende Aussen- bzw. Innengewinde in axialer Richtung (Achse 29) miteinander verschraubbar sind. Grundkörper 12 und Gehäuse 11 bestehen beispielsweise aus Messing und sind mit einer für HF-Zwecke geeigneten Oberflächenbeschichtung versehen. An den Endflächen der beiden Teile 11 und 12 sind axial vorstehende Schraubstutzen für die Anschlüsse 26 und 27 angeformt.

Durch den Grundkörper 12 verläuft eine konzentrische Durchgangsbohrung 14, in welcher der Zentralbereich der Innenleiter 20 des Koaxialleitungsabschnitts mittels entsprechender endseitiger Stützelemente 24, 30 aus Isoliermaterial (z.B. PTFE) konzentrisch gelagert ist. Der Innenleiter 20 reicht durch eine entsprechende Bohrung im Gehäuse 11 hindurch und ist dort ebenfalls mittels eines Stützelements 25 gelagert.

Beim Zusammenschrauben von Grundkörper 12 und Gehäuse 11 wird ein Hohlraum gebildet, der unter anderem eine Ausnehmung 13 und eine Sackbohrung 15 im Grundkörper 12 umfasst. Im rechten Bereich des Hohlraums liegt zwischen dem Stützelement 30 und dem Stützelement 25 ein im Durchmesser verdickter Teil des Innenleiters 20 frei, durch den quer zur Achsrichtung eine Durchgangsbohrung 28 verläuft. Durch die Durchgangsbohrung 28 hindurch ist ein Leiter 19, 21 geführt, der auf der einen Seite rechtwinklig abgebogen ist und dann achsenparallel zum Boden der Ausnehmung 13 im Grundkörper 12 läuft (Innenleiter 19) und dort mit seinem Ende in eine Sackbohrung 16 im Grundkörper 12 eingelötet ist. Auf der anderen Seite endet der Leiter (als Innenleiterabschnitt 21) in der radialen Orientierung und ist mit seinem Ende am oberen Ende eines zylindrischen Leitungsstücks (Innenleiterabschnitt 22) festgelötet, das ebenfalls achsenparallel orientiert und, durch ein festes Dielektrikum 23 isoliert, konzentrisch in der Sackbohrung 15 angeordnet ist. Das Dielektrikum 23 kann beispielsweise auch aus PTFE sein.

Der Innenleiter 19 ist Teil einer ersten Abzweigleitung 17, die radial vom Koaxialleitungsabschnitt abzweigt und im überwiegenden Teil ihrer Länge achsenparallel verläuft. Die erste Abzweigleitung ist als Kurzschlussleitung ausgebildet, wobei der Innenleiter 19 zusammen mit dem Grundkörper 12 und dem Gehäuse 11 als Aussenleiter eine Luftleitung bildet. Ihre elektrische Länge ist deutlich kleiner als λ/4 und kann beispielsweise im Bereich von λ/8 liegen.

Die Innenleiterabschnitte 21 und 22 sind Teil einer zweiten Abzweigleitung 18, die - in entgegengesetzter Richtung zur ersten Abzweigleitung 17 - ebenfalls radial vom Koaxialleitungsabschnitt abzweigt und im überwiegenden Teil ihrer Länge (Innenleiterabschnitt 22) achsenparallel verläuft. Die zweite Abzweigleitung 18 ist als offene oder Leerlaufleitung ausgebildet, wobei der Innenleiter (Innenleiterabschnitt 22) durch ein Dielektrikum 23 anstelle von Luft vom Aussenleiter (Grundkörper 12) isoliert ist. Ihre elektrische Länge ist ebenfalls deutlich kleiner als λ/4 und kann auch im Bereich von λ/8 liegen.

Die erste Abzweigleitung 17 bildet im Ersatzschaltbild der Fig. 6 eine Parallelschaltung aus einer Induktivität und einer Kapazität. Die zweite Abzweigleitung 18 bildet eine Serieschaltung aus einer Induktivität und einer Kapazität. Durch geeignete Wahl der Abmessungen (z.B. Durchmesser) des Innenleiterabschnitts 22 und des Dielektrikums 23 kann die Abzweigleitung 18 an die Abzweigleitung 17 angepasst werden.

Die Funktion beider Abzweigleitungen 17, 18 lässt sich wie folgt erklären:
Im Smith-Diagramm gemäss Fig. 3 oder 4 befindet sich eine ideal angepasste 50 Ω-Leitung im Mittelpunkt. Links auf dem Kreisrand befindet sich ein Kurzschluss, während rechts der Leerlauf liegt. Sowohl der Kurzschluss als auch der Leerlauf drehen sich nun mit zunehmender Länge im Uhrzeigersinn auf dem Kreis. Eine halbe Drehung (180°) wird bei der Länge λ/4 erreicht. Für eine Länge von λ/8 wird eine 90°-Drehung auf die Position +j50 Ohm bzw. -j50 Ohm erzielt. Durch die Variation der mechanischen Länge der Kurzschlussleitung (17) kann erreicht werden, dass der Kurzschluss beispielsweise nur um 45° gedreht wird. Um diesen Kurzschluss nun zu kompensieren, muss die leer laufende Leitung (18) entsprechend länger gemacht werden. Dies kann durch eine effektive mechanische Verlängerung, durch eine Veränderung der Impedanz oder eine Kombination beider Massnahmen geschehen. Im vorliegenden Fall (Fig. 1) wird die Impedanz massiv reduziert (Durchmesservergrösserung des Innenleiterabschnitts 22) und die mechanische Länge in etwa der mechanischen Länge des Kurzschlusses angepasst. Durch die Abwinklung beider Abzweigleitungen kann die Grösse der Bauform nochmals reduziert und die zylindrische Geometrie voll beibehalten werden.

Ein Überspannungsschutz 10, der gemäss dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 im Sinne der Erfindung aufgebaut ist, hat bei einer Impedanz von 50 Ω und einem Frequenzbereich von 1,02 bis 1,09 GHz eine Länge einschliesslich der Anschlüsse 26 und 27 von etwa 36 mm und einen Aussendurchmesser von etwa 24 mm. Wie die Fig. 5 zeigt, ist die Rückflussdämpfung (S11; Kurve C in Fig. 5) ≥ 20 dB, die Einfügedämpfung (S21, Kurve D in Fig. 5) ≤ 0,1 dB. Die komplexe Rückflussdämpfung S11 zeigt im Frequenzbereich zwischen 900 MHz und 1200 MHz den in Fig. 3 und 4 in den Kurven A und B dargestellten Verlauf. Neben dem kompakten Aufbau und den sehr kleinen Aussenabmessungen weist ein solcher Überspannungsschutz auch in sehr geringes Gewicht auf, das im Bereich von etwa 60 g liegt.

10

Überspannungsschutz

11

Gehäuse (hohlzylindrisch)

12

Grundkörper

13

Ausnehmung

14

Durchgangsbohrung (zentral)

15,16

Sackbohrung

17,18

Abzweigleitung

19

Innenleiter (Abzweigleitung 17)

20

Innenleiter (durchgehend)

21,22

Innenleiterabschnitt (Abzweigleitung 18)

23

Dielektrikum

24,25,30

Stützelement

26,27

Anschluss

28

Durchgangsbohrung

29

Achse

A,B,C,D

Kurve