[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochfrequenzsignaldurchführung.
[0002] Entsprechende explosionsgeschützte Hochfrequenzsignaldurchführungen können beispielsweise
in Geräten der Messtechnik, beispielsweise Feldgeräten mit Sensoren zur Messung von
Füllständen, Grenzständen und Drücken eingesetzt werden. Entsprechende hochfrequente
Signale können beispielsweise Mikrowellen- oder Radarsignale oder Signale aus dem
Bereich des Mobilfunks sein. In der vorliegenden Anmeldung werden unter hochfrequenten
Signalen solche ab einer Frequenz von 0,3 GHz verstanden.
[0003] Eine Signaldurchführung im Sinne der vorliegenden Anmeldung soll eine Verbindungsvorrichtung
für die Verbindung von zwei Leitern bezeichnen. Ein solcher Leiter kann ein elektrischer
Leiter wie beispielsweise ein Kabel, eine Koaxialleitung, ein Hohlleiter, ein Streifenleiter
oder eine andere Einrichtung sein, die geeignet ist, elektrische Signale zu führen.
Mit einer Koaxialleitung sollen vorliegend sowohl Kabel als auch Stecker oder Buchsen
oder jeglicher andere koaxiale Leitungsaufbau verstanden werden.
[0004] Feldgeräte der Messtechnik müssen häufig in rauen Umgebungsbedingungen angeordnet
werden. Insbesondere ist es häufig nötig, diese in Behältern mit explosionsgefährlichen
Materialien anzuordnen. In solchen Umgebungen ist es notwendig, explosionsgeschützte
Gehäuse und damit auch explosionsgeschützte Signaldurchführungen einzusetzen, die
verhindern, dass durch die in einem Gehäuse angeordnete Elektronik des Feldgerätes
durch beispielsweise einen Funken eine Explosion auslöst. Bei derartigen Anwendungen
ist eine Trennung zwischen einem Bereich, in dem sich das explosionsgefährdete Füllgut
befindet und beispielsweise einem Bereich, in dem die Messelektronik angeordnet ist,
aufrecht zu erhalten. Dies kann beispielsweise durch explosionsgeschützte Signaldurchführungen
erreicht werden. Eine Abdichtung zwischen den Bereichen wird dabei beispielsweise
durch abgedichtete Leiterdurchführungen, beispielsweise Glasdurchführungen oder Keramikdurchführungen,
gewährleistet.
[0005] Aus dem Stand der Technik bekannte Signaldurchführungen mittels derer miteinander
zu verbindende Enden einer eingangsseitigen Koaxialleitung und einer ausgangsseitigen
Koaxialleitung, die jeweils aus einem Innenleiter und einem den Innenleiter umgebenden
Außenleiter bestehen, gekoppelt werden, weisen in der Regel ein Gehäuse mit einer
in dem Gehäuse angeordneten druckfesten Signaldurchführung zumindest für den Innenleiter
auf. Um mit solchen Signaldurchführungen explosionsgeschützte Signaldurchführungen
aufzubauen, ist eine galvanische Trennung notwendig, die in der Regel über diskrete
Bauteile, beispielsweise Kondensatoren oder Übertrager realisiert wird. Insbesondere
die Anbindung dieser Bauteile für die galvanische Trennung des Außenleiters ist mit
unvermeidbaren Induktivitäten verbunden, die sich negativ auf die Übertragungseigenschaften
der Signaldurchführung auswirken. Beim Einsatz von Übertragern wird es ferner als
nachteilig empfunden, dass diese das übertragbare Frequenzspektrum nach oben hin begrenzen.
[0006] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, parasitäre Induktivitäten zu vermeiden
und dadurch eine explosionsgeschützte Hochfrequenzsignaldurchführung mit verbesserten
Übertragungseigenschaften zur Verfügung zu stellen.
[0007] Diese Aufgabe wird durch eine explosionsgeschützte Hochfrequenzsignaldurchführung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
[0008] Eine erfindungsgemäße explosionsgeschützte Hochfrequenzsignaldurchführung, mittels
derer miteinander zu verbindende Enden einer eingangsseitigen Koaxialleitung und einer
ausgangsseitigen Koaxialleitung, jeweils bestehend aus einem Innenleiter und einem
den Innenleiter umgebenden Außenleiter, miteinander gekoppelt werden, weist ein Gehäuse
auf, in dem eine vorzugsweise druckfeste Signaldurchführung für den Innenleiter angeordnet
ist. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass vorzugsweise zentrisch in dem Gehäuse eine
hochfrequenztaugliche Leiterstruktur angeordnet und mit dem Innenleiter gekoppelt
ist, wobei zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite wenigstens ein Element
zur galvanischen Trennung angeordnet ist, wobei das Gehäuse eine Struktur zur galvanisch
getrennten Kopplung der Außenleiter aufweist. Insbesondere kann der Innenleiter an
eine in dem Gehäuse angeordnete und auf einer ersten Seite mit einer hochfrequenztauglichen
ersten Leiterstruktur versehenen Platine mit zumindest einem, auf der Platine angeordneten,
Trennelement zur galvanischen Signaltrennung gekoppelt sein.
[0009] Durch den Aufbau der vorzugsweise explosionsgeschützten Hochfrequenzsignaldurchführung
mit einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse angeordneten Platine, auf der eine hochfrequenztaugliche
Leiterstruktur, beispielsweise eine Streifenleitung, vorgesehen ist, wird es möglich,
Trennelemente zur galvanischen Signaltrennung, beispielweise Kondensatoren oder Übertrager
auf dieser Platine anzuordnen und somit in dem Gehäuse zu platzieren. Auf diese Weise
wird eine kompakte und gleichzeitig robuste Einheit geschaffen, mittels derer hochfrequente
Signale galvanisch getrennt und druckgeschützt zwischen zwei Bereichen übertragen
werden können.
[0010] Zur Ausbildung der Streifenleitung weist eine der ersten Seite gegenüber liegende
zweite Seite der Platine eine zweite Leiterstruktur auf, mit der der Außenleiter gekoppelt
ist.
[0011] So kann mit einem entsprechenden Aufbau erreicht werden, dass einerseits ein in der
Regel über den Innenleiter übertragenes Signal über die Streifenleitung hochfrequenztechnisch
günstig übertragen wird.
[0012] Eine weitere Verbesserung der hochfrequenztechnischen Eigenschaften kann erreicht
werden, wenn der Außenleiter zusätzlich oder alternativ mit einer auf der ersten Seite
angeordneten, die erste Leiterstruktur außenseitig umgebenden dritten Leiterstruktur
gekoppelt ist.
[0013] Ist beispielsweise die erste Leiterstruktur als Streifenleitung ausgebildet, so kann
auf der die Streifenleitung tragenden Seite der Platine in Längsrichtung seitlich
und von dieser isoliert eine Metallisierung vorgesehen sein, die mit dem Außenleiter
verbunden ist, sodass auch diesbezügliche Störsignale vermieden werden. Dies kann
insbesondere derart geschehen, dass die zweite Leiterstruktur und die dritte Leiterstruktur
elektrisch leitend miteinander verbunden sind, was insbesondere über Durchkontaktierungen
gelöst werden kann. Es wird auf diese Weise ein Potentialausgleich zwischen der Unterseite
und der Oberseite der Platine sichergestellt.
[0014] Ferner kann das Gehäuse derart ausgebildet sein, dass es die Platine in Richtung
einer Längsachse zumindest abschnittsweise zylindrisch umgibt, wobei das Gehäuse zumindest
eine leitende innere Schicht und eine von der inneren Schicht galvanisch getrennte
leitende äußere Schicht aufweist, die zumindest derart überlappen, dass sie kapazitiv
gekoppelt sind, wobei ein eingangsseitiger Außenleiter mit der inneren Schicht und
ein ausgangsseitiger Außenleiter mit der äußeren Schicht verbunden ist. Durch eine
derartige Ausgestaltung des Gehäuses kann auf platzsparende Weise die im Inneren des
Gehäuses angeordnete Platine gleichzeitig abschirmende galvanisch getrennte Kopplung
des Außenleiters erreicht werden.
[0015] Eine Abschirmung der im Inneren des Gehäuses angeordneten Platine gegen Störsignale
außerhalb kann besonders einfach erreicht werden, wenn die innere Schicht und/oder
die äußere Schicht zylindrisch ausgebildet und vorzugsweise durch eine Isolierung
voneinander getrennt sind. Durch eine Dicke der zwischen der inneren Schicht und der
äußeren Schicht angeordneten Isolierung kann außerdem in einfacher Weise eine Spannungsfestigkeit
der galvanischen Trennung im Bereich des Außenleiters eingestellt werden. Ferner können
durch eine geeignete Auswahl der Dicke und/oder der Dielektrizitätskonstante des verwendeten
Materials die gebildete Kapazität und somit die elektrische Übertragungseigenschaft
des entstehenden "Kondensators" beeinflusst werden.
[0016] Eine besonders einfache Ausgestaltung kann erreicht werden, wenn die innere Schicht
als ein innerhalb der äußeren Schicht angeordnetes erstes Zylinderrohr ausgebildet
ist. Ferner kann die Isolierung als ein vorzugsweise durchführungsseitig zumindest
teilweise geschlossenes, zweites Zylinderrohr ausgebildet sein, in dem das erste Zylinderrohr
gelagert ist. Wenn die äußere Schicht als ein drittes Zylinderrohr ausgebildet ist,
das das erste Zylinderrohr in Richtung der Längsachse vorzugsweise vollständig überlappt,
kann eine gute kapazitive Kopplung zwischen dem ersten Zylinderrohr und dem dritten
Zylinderrohr erreicht werden, wobei gleichzeitig ein kompakter und äußerst robuster
Aufbau geschaffen wird. Das dritte Zylinderrohr kann dafür beispielsweise Verbindung
mit Messgerätgehäusen und/oder -behältern ein Außengewinde und entsprechende Dichteinrichtungen
aufweisen.
[0017] Eine weitere Vereinfachung des Aufbaus kann erreicht werden, wenn die Platine in
dem ersten Zylinderrohr gelagert ist. Eine solche Lagerung kann beispielsweise über
ein Einschieben der Platine in zwei vorzugsweise radial gegenüber liegende in dem
ersten Zylinderrohr angeordnete Nuten realisiert werden. Alternativ kann das erste
Zylinderrohr aus zwei Halbschalen gebildet sein, zwischen denen die Platine sitzt.
Durch eine Presspassung können so die beiden Halbschalen und die Platine gemeinsam
in das zweite Zylinderrohr eingeführt und hinreichend sicher gehalten werden. Zusätzlich
oder alternativ zur Halterung der Platine in Nuten des Zylinderrohrs kann die Platine
in das erste Zylinderrohr eingepresst sein, das heißt, dass diese über in Radialrichtung
wirkende Kräfte auf Grund einer elastischen Verformung des ersten Zylinderrohrs fest
in diesem gehalten ist.
[0018] Um eine signaltechnisch günstige Anbindung zu erreichen, kann es sinnvoll sein, dass
der eingangsseitige Außenleiter und/oder die zweite Leiterstruktur und/oder die dritte
Leiterstruktur mit der inneren Schicht über eine Verlötung oder Federkontakte oder
andere geeignete Mittel elektrisch leitend verbunden sind. Auf diese Weise wird eine
Verteilung des Potentials des Außenleiters, in der Regel des Massepotentials, über
die gesamte innere Schicht, das heißt insbesondere das erste Zylinderrohr, gewährleistet,
wodurch eine gute kapazitive Ankopplung an die äußere Schicht erreicht wird.
[0019] Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel,
das in der beigefügten Figur dargestellt ist, eingehend erläutert. Es zeigt:
- Figur 1
- Einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer explosionsgeschützten Hochfrequenzsignaldurchführung.
[0020] Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer explosionsgeschützten
Hochfrequenzsignaldurchführung 1, welche im Wesentlichen als koaxiale Anordnung eines
ersten Zylinderrohrs 23, eines zweiten Zylinderrohrs 24 und eines dritten Zylinderrohrs
25 und einer druckgeschützten Signaldurchführung 13 gebildet ist. Innerhalb des koaxialen
Aufbaus der Hochfrequenzsignaldurchführung 1 ist eine Platine 14 gelagert, die mit
einer eingangsseitigen Koaxialleitung 3 verbindbar ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist als eingangsseitige Koaxialleitung 3 eine Buchse gezeigt, die einen Innenleiter
7 und einen Außenleiter 9 eines Koaxialkabels mit einem entsprechenden Stecker kontaktieren
kann. Der Innenleiter 7 der Buchse ist mit einer ersten hochfrequenztauglichen Leiterstruktur
15, vorliegend einer Streifenleitung elektrisch leitend verbunden, wobei die Streifenleitung
15 in Längsrichtung verlaufend zentral auf der Platine 14 angeordnet ist. Die Streifenleitung
15 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch drei Bauelemente, beispielsweise
Trennelemente 21, zur galvanischen Signaltrennung unterbrochen und wird an dem der
Buchse gegenüber liegenden Ende der Platine 14 wieder in eine koaxiale Leiterstruktur
überführt, die durch die druckdichte Signaldurchführung 13 geführt und mit einer ausgangsseitigen
Koaxialleitung 5 gekoppelt ist. Die ausgangsseitige Koaxialleitung 5 ist im vorliegenden
Ausführungsbeispiel als zweite Buchse ausgebildet.
[0021] Die Platine 14 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel über radial gegenüber liegenden
Nuten 27 in dem ersten Zylinderrohr 23, das als leitende innere Schicht wirkt, gelagert.
Der Außenleiter 9 der eingangsseitigen Koaxialleitung 3 ist mit einer zweiten Leiterstruktur
16 auf der Unterseite der Platine 14, welche im vorliegenden Beispiel als vollflächige
Metallisierung ausgebildet ist, mit einer dritten Leiterstruktur 17 auf der Oberseite
der Platine 14 gekoppelt. Die dritte Leiterstruktur 17 ist in Längsrichtung verlaufend
parallel zu der Streifenleitung 15 angeordnet und umgibt diese außenseitig. Über Durchkontaktierungen
18 ist die dritte Leiterstruktur 17 ferner mit der zweiten Leiterstruktur 16 auf der
Unterseite der Platine 14 verbunden, sodass ein Potentialausgleich zwischen der Oberseite
und der Unterseite der Platine 14 gewährleistet ist. Ferner sind die zweite Leiterstruktur
16 und die dritte Leiterstruktur 17 über eine in Längsrichtung verlaufende Verlötung
29 an die leitende innere Schicht, das heißt das erste Zylinderrohr 23, gekoppelt.
[0022] Da das erste Zylinderrohr 23 die Platine 14 in Längsrichtung vollständig umgreift,
wird auf diese Weise eine hervorragende Abschirmung gegen Störsignale von außen erreicht.
Das erste Zylinderrohr 23 ist über das als Isolierung ausgebildete zweite Zylinderrohr
24 von dem dritten Zylinderrohr 25 galvanisch getrennt, jedoch durch die Überlappung
in Längsrichtung des ersten Zylinderrohrs 23 und des dritten Zylinderrohrs 25 kapazitiv
gekoppelt. Um die galvanische Trennung sicherzustellen, ist das zweite Zylinderrohr
24 in Richtung der druckgesicherten Signaldurchführung 13 mit Ausnahme einer Leiterdurchführung
endseitig verschlossen, sodass ein elektrischer Kontakt in Axialrichtung zwischen
dem ersten Zylinderrohr 23 und dem dritten Zylinderrohr 25 ausgeschlossen wird. Das
dritte Zylinderrohr 25 ist in Axialrichtung gesehen derart ausgebildet, dass es das
erste Zylinderrohr 23 vollständig überlappt, wobei es in Richtung der druckgeschützten
Signaldurchführung 13 verlängert ausgebildet und mit einer erhöhten Wandstärke versehen
ist, um eine sichere Lagerung dieser Signaldurchführung 13 zu gewährleisten.
[0023] Durch eine Variation einer Wandstärke w des als Isolator ausgebildeten zweiten Zylinderrohrs
24 kann eine Spannungsfestigkeit der vorliegenden Anordnung und damit die maximale
Isolierspannung einfach konstruktiv eingestellt werden.
[0024] Es existieren ferner verschieden Möglichkeiten der Lagerung der Platine 14 in dem
ersten Zylinderrohr 23, wobei neben einer Lagerung in Nuten 27 auch die Ausbildung
des ersten Zylinderrohrs 23 mit zwei Halbschalen, die oberhalb und unterhalb der Platine
14 sitzen, möglich ist. Ferner ist es möglich, die Platine 14 mit oder ohne Ausbildung
von Nuten 27 in das erste Zylinderrohr 23 einzupressen und so durch eine elastische
Formung des ersten Zylinderrohrs 23 zu verklemmen.
[0025] Alternativ kann das erste Zylinderrohr 23 durch radialen Druck so weit verformt werden,
dass es im Querschnitt etwas oval wird. Entlang der längeren Hauptachse des Ovals
wird anschließend die Platine 14 eingeschoben und dann den radialen Druck wieder weggenommen.
Das erste Zylinderrohr 23 verformt sich dadurch zurück in seine runde Form und klemmt
und kontaktiert gleichzeitig die Platine 14 an den Rändern. Auf diese Weise kann eine
ansonsten notwendige Lötung zur elektrischen Kontaktierung eingespart werden.
Bezugszeichenliste
[0026]
- 1
- Hochfrequenzsignaldurchführung
- 3
- Eingangsseitige Koaxialleitung
- 5
- Ausgangsseitige Koaxialleitung
- 7
- Innenleiter
- 9
- Außenleiter
- 11
- Gehäuse
- 13
- Signaldurchführung
- 14
- Platine
- 15
- Erste Leiterstruktur
- 16
- Zweite Leiterstruktur
- 17
- Dritte Leiterstruktur
- 18
- Durchkontaktierungen
- 21
- Trennelement
- 23
- Innere Schicht/erstes Zylinderrohr
- 24
- Isolierung/zweites Zylinderrohr
- 25
- Äußere Schicht
- 27
- Nuten
- 29
- Verlötung
- L
- Längsachse
- w
- Wandstärke
1. Hochfrequenzsignaldurchführung (1), mittels derer die miteinander zu verbindenden
Enden einer eingangsseitigen Koaxialleitung (3) und einer ausgangsseitigen Koaxialleitung
(5), jeweils bestehend aus einem Innenleiter (7) und einen den Innenleiter (7) umgebenden
Außenleiter (9) miteinander gekoppelt werden, mit einem Gehäuse (11), einer in dem
Gehäuse (11) angeordneten, vorzugsweise druckfesten Signaldurchführung (13) für den
Innenleiter (7), d a durch gekennzeichnet, dass
der Innenleiter (7) an eine vorzugsweise zentrisch in dem Gehäuse angeordnete hochfrequenztaugliche
Leiterstruktur gekoppelt ist, wobei zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite
wenigstens ein Element zur galvanischen Trennung angeordnet ist, wobei das Gehäuse
die Struktur zur galvanisch getrennten Kopplung der Außenleiter aufweist.
2. Hochfrequenzsignaldurchführung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Innenleiter (7) an eine in dem Gehäuse (11) angeordneten und auf einer ersten
Seite mit einer hochfrequenztauglichen ersten Leiterstruktur (15) versehenen Platine
(14) mit zumindest einem, auf der Platine (14) angeordneten, Trennelement (21) zur
galvanischen Signaltrennung gekoppelt ist, wobei
eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite der Platine eine zweite Leiterstruktur
(16) aufweist, mit der der Außenleiter (9) gekoppelt ist.
3. Hochfrequenzsignaldurchführung (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Außenleiter (9) mit einer auf der ersten Seite angeordneten, die erste Leiterstruktur
(15) außenseitig umgebende dritte Leiterstruktur (17) gekoppelt ist.
4. Hochfrequenzsignaldurchführung (1) gemäß den Ansprüchen 2 und 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leiterstruktur (16) mit der dritten Leiterstruktur (17) elektrisch leitend
verbunden ist, insbesondere über Durchkontaktierungen (18).
5. Hochfrequenzsignaldurchführung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (11) die Platine (14) in Richtung einer Längsachse (L) zumindest abschnittsweise
zylindrisch umgebend ausgebildet ist, wobei das Gehäuse (11) zumindest eine leitende
innere Schicht (23) und eine von der inneren Schicht (23) galvanisch getrennte leitende
äußere Schicht (25) aufweist, die zumindest derart überlappen, dass sie kapazitiv
gekoppelt sind, wobei ein eingangsseitiger Außenleiter mit der inneren Schicht (23)
und ein ausgangsseitiger Außenleiter mit der äußeren Schicht (25) verbunden ist.
6. Hochfrequenzsignaldurchführung (1) gemäß Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass (25) zylindrisch ausgebildet und vorzugsweise durch eine Isolierung (24) voneinander
galvanisch getrennt sind. (Anm.: Diese Ausgestaltung fällt unter Anspruch 1, könnte
aber ebenfalls separat beansprucht werden)
7. Hochfrequenzsignaldurchführung (1) gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die innere Schicht (23) als ein innerhalb der äußeren Schicht (25) angeordnetes erstes
Zylinderrohr (23) ausgebildet ist.
8. Hochfrequenzsignaldurchführung (1) gemäß Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Isolierung (24) als ein, vorzugsweise durchführungsseitig zumindest teilweise
geschlossenes, zweites Zylinderrohr ausgebildet ist, in dem das erste Zylinderrohr
(23)gelagert ist.
9. Hochfrequenzsignaldurchführung (1) gemäß Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die äußere Schicht (25) als ein drittes Zylinderrohr ausgebildet ist, das das erste
Zylinderrohr (23) in Richtung der Längsachse (L) vorzugweise vollständig übergreift.
10. Hochfrequenzsignaldurchführung (1) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Platine (14) in dem ersten Zylinderrohr (23) gelagert ist.
11. Hochfrequenzsignaldurchführung (1) gemäß Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Platine (14) in zwei vorzugsweise radial gegenüberliegend in dem ersten Zylinderrohr
(23) angeordnete Nuten (27) gehaltert ist.
12. Hochfrequenzsignaldurchführung (1) gemäß Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Zylinderrohr (23) aus zwei Halbschalen gebildet ist, zwischen denen die
Platine (14) sitzt.
13. Hochfrequenzsignaldurchführung (1) gemäß Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Platine (14) in das erste Zylinderrohr (23) eingepresst ist.
14. Hochfrequenzsignaldurchführung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der eingangsseitige Außenleiter und / oder die zweite Leiterstruktur (16) und / oder
die dritte Leiterstruktur (17) mit der inneren Schicht (23) über eine Verlötung (29)
oder Federkontakte elektrisch leitend verbunden ist.
15. Hochfrequenzsignaldurchführung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Platine (14) weitere elektronische Bauelemente angeordnet sind.