CH692316A5 - Schaltung mit EMP-Ableiter. - Google Patents

Description

  



  Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung mit EMP-Ableiter von Koaxialleitungen gemäss der Definition der Patentansprüche. 



  Elektromagnetische Pulse (EMP) können über koaxiale Leitungen in angeschlossene Geräte und elektrische Schaltungen gelangen und diese beschädigen oder zerstören. EMP können natürlicher Art sein und beispielsweise von Blitzen herrühren, sie können auch künstlicher Art sein und beispielsweise von Motoren, Schaltern, Sendern oder auch nuklearen Explosionen stammen. 



  Als Schutz gegen solche EMP in koaxialen Leitungen werden EMP-Filter oder  lambda /4-Kurzschlussleiter verwendet, welche schädliche Ströme, hervorgerufen durch kurzzeitige Spannungsanhebungen (Spikes) bestimmter Frequenzen ableiten oder reflektieren. Blitzstromableiter dieser Art sind beispielsweise aus dem Schweizer Patent CH-676 900 und aus dem Schweizer Patent CH-690 146 der Anmelderin bekannt. Die darin beschriebenen lambda /4-Kurzschlussleiter wirken als frequenzselektive Filter von Grundfrequenzen und deren ungeraden harmonischen Schwingungen. Sie ermöglichen somit innerhalb eines gewünschten Frequenzbandes die Ableitung oder Reflektion von schädlichen Strömen. 



  Demgemäss zu schützenden elektrischen Schaltungen sind beispielsweise Combiner oder Splitter von Signalen von und zu Antennen, die oft exponiert auf Antennenmasten angebracht sind. Pro Signalleitung zu Basisstationen wird dann ein EMP-Filter benötigt. Dies verteuert die Anschaffung und erschwert Umbauten oder ein Nachrüsten der Anlagen. Ein Nachteil solcher Anlagen beruht somit in der umständlichen und kostenintensiven Blitzschutzsicherung. 



  Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Schaltung mit EMP-Filter zu schaffen, die als Splitter und/oder Combiner arbeitet, die für gängige Frequenzbänder einsetzbar ist und die auch bei sehr hohen Frequenzen verwendbar ist. 



  Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäss der Patentansprüche gelöst. 



  Die Idee der Erfindung liegt in der Kombination von 3 dB-Kopplern mit EMP-Ableitern als Netzwerk in einer elektrischen Schaltung mit mehreren Toren. Diese elektrische Schaltung lässt sich als Combiner und/oder Splitter in Koaxialleitungen von und zu Antennen einbauen. Vorteilhafterweise wird ein Netzwerk aus  lambda /4-Elementen aufgebaut. In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform einer elektrischen Schaltung liegt beispielsweise ein Ringkoppler mit vier Toren vor, welche Tore über  lambda /4- sowie 3 lambda /4-Leitungen verbunden sind. Zwei erste Tore werden als Ein- und/oder Ausgänge beschaltet. An einem weiteren Tor ist ein ableitender  lambda /4-Kurzschlussleiter eingebaut, dieses Tor wird bezüglich der vorgenannten Tore als Aus- und/oder Eingang beschaltet. Ein anderes Tor ist beispielsweise mit einem Abschlusswiderstand oder mit einer weiteren Antenne abgeschlossen.

   Je nachdem, ob die ersten Tore als Ein- und/oder Ausgang verwendet werden, und je nach dem, ob dementsprechend das weitere Tor mit dem  lambda /4-Kurzschlussleiter als Aus und/oder Eingang verwendet wird, ist es möglich, die elektrische Schaltung als Leistungsteiler, Leistungscombiner oder auch als bidirektionaler Leitstungsteiler bzw.   -combiner zu verwenden. 



  Anhand der folgenden Figuren wird die Erfindung im Detail erläutert: 
 
   Fig. 1 zeigt ein elektrisches Prinzipschema eines Teils einer beispielhaften Ausführungsform der elektrischen Schaltung mit mehreren ein- und/oder ausgehenden Toren und einem Abschlusswiderstand an einem vierten Tor. 
   Fig. 2 zeigt ein Schema eines Teils der beispielhaften Ausführungsform der elektrischen Schaltung gemäss Fig. 1 in der Anwendung als Splitter zur Aufteilung eines Sendesignals auf zwei Antennen. 
   Fig. 3 zeigt ein Schema eines Teils der beispielhaften Ausführungsform der elektrischen Schaltung gemäss Fig. 1 in der Anwendung als Combiner zur Kombination zweier Sendepfade auf eine Antenne. 
   Fig. 4 zeigt ein Schema eines Teils der beispielhaften Ausführungsform der elektrischen Schaltung gemäss Fig.

   1 in der Anwendung als bidirektionaler Splitter und Combiner mit einer Basisstation und zwei Antennen. 
   Fig. 5 zeigt ein Schema eines Teils der beispielhaften Ausführungsform der elektrischen Schaltung gemäss Fig. 1 in der Anwendung als bidirektionaler Splitter und Combiner mit zwei Basisstationen und einer Antenne. 
   Fig. 6 zeigt ein Schema eines Teils einer beispielhaften Ausführungsform der elektrischen Schaltung mit mehreren ein- und/oder ausgehenden Toren und eine Antenne an einem vierten Tor in der Anwendung als bidirektionaler Leistungsteiler und Combiner mit zwei Basisstationen und zwei Antennen. 
   Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch einen Teil der mechanischen Realisierung einer beispielhaften Ausführungsform der elektrischen Schaltung gemäss den Fig. 1 bis 6. 
 



  Fig. 1 zeigt ein elektrisches Prinzipschema einer beispielhaften Ausführungsform der elektrischen Schaltung 5. Sie lässt sich mittels Koaxialleitungen zum Anschluss an beispielsweise Antennen von Multibandsystemen wie Tunnelkommunikation, Funknetze auf Frequenzbändern wie GSM, PCS, NMT usw. verwenden. Die Fig. 2 bis 6 zeigen dazu beispielhafte Anwendungen des Netzwerks der elektrischen Schaltung 5 als Leistungsteiler, Leistungscombiner sowie als bidirektionaler Leistungsteiler bzw. -combiner. Die mechanische Realisierung der elektrischen Schaltung 5 gemäss Fig. 7 zeigt einen 3-dB-Koppler mit ähnlichen oder identischen  lambda /4-Elementen. Andere Anwendungen stehen dem Fachmann bei Kenntnis der Erfindung frei. 



  Für solche Anwendungen an beispielsweise Antennen weist die elektrische Schaltung 5 mehrere Tore oder Ein- und Ausgänge auf. In ihrer allgemeinen Form ist die elektrische Schaltung 5 ein Netzwerk aus n lambda /4-Leitungen, welche als Elemente für einen 3-dB-Koppler dienen, wobei n ganze ungerade Zahlen 1, 3, 5, ... sind. Solche 3-dB-Koppler sind beispielsweise 0 DEG /90 DEG -Koppler (Branchline) oder 0 DEG /180 DEG -Koppler (Ringkoppler). 



  In der beispielhaften Ausführungsform gemäss den Fig. 1 bis 5 ist die elektrische Schaltung 5 ein Ringkoppler mit vier Toren 1, 2, 3, 4. Die Tore 1, 2, 3, 4 sind über  lambda /4-Elemente miteinander verbunden. Beispielsweise sind die Tore 1 und 2, 2 und 3, 3 und 4 über je ein  lambda /4-Element verbunden. Diese    lambda /4-Elemente bilden  lambda /4-Leitungen 12, 23, 34. Die Tore 1 und 4 sind über drei  lambda /4-Elemente verbunden. Diese drei  lambda /4-Elemente bilden eine 3 lambda /4-Leitung 41. Am Tor 2 ist ein  lambda /4-Kurzschlussleiter 20 und am Tor 4 ist ein abschliessender Widerstand 40 eingebaut. Als Variante zu dieser ersten Ausführungsform der elektrischen Schaltung 5 mit einem Widerstand 40 am Tor 4 zeigt Fig. 6 eine weitere beispielhafte Ausführungsform, bei welcher am Tor 4 eine Antenne 400 zugeschaltet ist. 



  Die Tore 1, 2, 3 sind Ein- und/oder Ausgänge von beispielsweise Antennen. Die  lambda /4-Leitungen 12, 23, 34 und der 3 lambda /4-Leitungen 41 weisen eine Impedanz von beispielsweise Rw 2ROOT 2, wobei Rw die Systemimpedanz ist. Für Blitzbeeinflussung stellt der  lambda /4-Kurzschlussleiter 20 einen Kurzschluss dar. 



  Die elektrische Schaltung 5 lässt sich in Funknetzen mit verschiedenen Frequenzbereichen verwenden. So kann sie beispielsweise für ein GSM-Band im Frequenzbereich von 870-960 MHz oder für ein PCS-Band im Frequenzbereich von 1800-2000 MHz verwendet werden. Sie lässt sich natürlich auch für andere Bänder, wie beispielsweise für ein NW-Band verwenden. 



  Eine praktische relative Bandbreite zur Spezifikation von 20 dB Reflexionsdämpfung beträgt 15%. Die vorliegende elektrische Schaltung 5 realisiert eine solche relative Bandbreite mit einer Isolation zwischen den Toren 1 und 3 sowie 2 und 4 von typischerweise 25 dB. Die Dämpfung zwischen den Toren 1 und 2, 2 und 3, 3 und 4 sowie 4 und 1 beträgt innerhalb dieser Bandbreite im GSM- und PCS-Band 3 dB. 



  Fig. 2 zeigt ein Schema einer beispielhaften Ausführungsform der elektrischen Schaltung 5 gemäss Fig. 1 in der Anwendung als Leistungsteiler zur Aufteilung eines Sendesignals auf zwei Antennen 100, 300. Das Eingangssignal Pein am Tor 2 wird aufgeteilt auf Signale Pein/2 an den Toren 1 und 3. Bei Anwendung der Schaltung 5 als Leistungsteiler hängt die Leistungsdimensionierung des Abschlusswiderstandes 40 von der Eingangsleistung ab. Die elektrische Schaltung 5 gemäss Fig. 2 ist ein       0/180 DEG -Ringkoppler, welcher am Tor 4 mit einem Abschlusswiderstand 40 von 50  OMEGA  abgeschlossen ist. 



  Fig. 3 zeigt ein Schema der beispielhaften Ausführungsform der elektrischen Schaltung 5 gemäss Fig. 1 in der Anwendung als Leistungscombiner zur Kombination zweier Sendepfade auf eine Antenne 200. Diese elektrische Schaltung 5 ist ebenfalls ein 0/180 DEG -Koppler und am Tor 4 mit einem Abschlusswiderstand 40 von 50  OMEGA  abgeschlossen. Es werden ein Eingangssignal Pein2/2 mit einer Frequenz f2 vom Tor 1 und ein Eingangssignal Pein1/2 mit einer Frequenz f1 vom Tor 3 zu einem Ausgangssignal Paus und beiden Frequenzen f1 und f2 am Tor 2 kombiniert. Damit kann beispielsweise ein NMT- und ein GSM-Sendepfad auf eine breitbandige Antenne 200 kombiniert werden, also unterschiedliche Frequenzbänder f1, f2 auf einen gemeinsamen Kanal. Bei Anwendung der elektrischen Schaltung 5 als Leistungscombiner ist der Abschlusswiderstand 40 auf die Ausgangsleistung abzustimmen.

   So wird beispielsweise der Abschlusswiderstand bei Sendeleistungen von je 50 Watt auf mindestens 50 Watt ausgelegt. 



  Fig. 4 zeigt ein Schema der beispielhaften Ausführungsform der elektrischen Schaltung 5 gemäss Fig. 1 in der Anwendung als bidirektionaler Leistungsteiler und -combiner mit einer Basisstation 200 und zwei Antennen 100, 300. In der Anwendung als Splitter ermöglicht die elektrische Schaltung 5 die Aufteilung eines Sendesignals der Basisstation 200 am Tor 2 auf zwei Antennen 100, 300 an den Toren 1 und 3. In der Anwendung als Combiner erlaubt sie die Kombination zweier Empfangspfade auf die Basisstation 200 am Tor 2. Die Dimensionierung des Abschlusswiderstand 40 hängt von der Ausgangsleistung ab. 



  Fig. 5 zeigt ein Schema der beispielhaften Ausführungsform der elektrischen Schaltung gemäss Fig. 1 in der Anwendung als bidirektionaler Leistungsteiler und -combiner mit einer Antenne 200 und zwei Basisstationen 100, 300. Die Anwendung der elektrischen Schaltung 5 als Splitter erlaubt die Aufteilung von zwei von einer Breitband-Antenne 200 empfangenen Signalen auf zwei Basisstationen 100, 300. Die Empfangssignale werden auf die beiden Leitungen zu den Basisstationen aufgeteilt. Somit erscheinen an beiden Eingängen der Basisstationen beide Empfangssignale. Die Basisstationen filtern intern die gewünschten Frequenzen selbst aus. Beispielsweise werden ein erster oder NMT-Repeater und ein weiterer oder GSM-Repeater in die Sendepfade an den Toren 1 und 3 geschaltet, sodass über beide Funknetze NMT und GSM gearbeitet werden kann.

   Die Anwendung der elektrischen Schaltung 5 als Combiner erlaubt die Kombination der Sendesignale der beiden Basisstationen 100, 300 auf die Antenne 200. Hierbei wird der Abschlusswiderstand 40 entsprechend der Sendeleistung dimensioniert. 



  Fig. 6 zeigt ein Schema einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der elektrischen Schaltung 5 mit mehreren ein- und/oder ausgehenden Toren 1, 2, 3, 4 und einer weiteren Antenne 400 am Tor 4 in der Anwendung als bidi rektionaler Leistungsteiler bzw. -combiner mit zwei Basisstationen 100, 300 und zwei Antennen 200, 400. Die weitere Antenne 400 weist die gleiche Funktionsweise wie die erste Antenne 200 auf. Die Anwendung der elektrischen Schaltung 5 als Splitter erfolgt die Aufteilung von zwei von zwei Breitband-Antennen 200, 400 empfangenen Signalen auf zwei Basisstationen 100, 300. In der Anwendung der elektrischen Schaltung 5 als Combiner erfolgt eine Kombination zweier Sendepfade auf zwei Antennen 200, 400. Beispielsweise werden ein erster oder NMT-Repeater 100 und ein weiterer oder GSM-Repeater 300 in die Sendepfade an den Toren 1 und 3 geschaltet.

   Bei dieser Anwendung der elektrischen Schaltung 5 als bidirektionaler Leistungsteiler bzw. -combiner mit einer abschliessenden Koaxialleitung zu einer weiteren Antenne 400 wird kein Abschlusswiderstand benötigt. Dies ist vorteilhaft, weil kein unnötiger Leistungsverbrauch von immerhin der halben Sendeleistung in einem Abschlusswiderstand erfolgt. Dies hat den weiteren Vorteil, dass kein zusätzlicher Powersplitter benötigt wird. 



  Fig. 7 zeigt einen Schnitt einer mechanischen Realisierung der beispielhaften Ausführungsformen der elektrischen Schaltung 5 gemäss den Fig. 1 bis 6. In ihrer allgemeinen Form ist die elektrische Schaltung 5 ein Netzwerk aus n lambda /4-Leitungen, welche als Bestandteile der Combiner/Splitter-Schaltung oder des EMP-Ableiters dienen, wobei n ganze ungerade Zahlen 1, 3, 5, ... sind. Diese Vorrichtung der elektrischen Schaltung 5 zeigt, dass vorteilhafterweise  lambda /4-Elemente als n lambda /4-Leitungen verwendet werden. So werden beispielsweise  lambda /4-Elemente als  lambda /4-Leitungen 12, 23, 34 verwendet und so besteht der 3 lambda /4-Leitungen 41 vorteilhafterweise aus drei hintereinander geschalteten  lambda /4-Elementen.

   Die mechanische Realisierung ermöglicht den Anschluss mittels beispielsweise Schraubanschlüssen 1 min , 2 min , 3 min , 4 min  von vier Koaxialleitungen an vier Toren 1, 2, 3, 4. Die  lambda /4-Leitungen 12, 23, 34 und 3 lambda /4-Leitungen 41 sowie der ableitende  lambda /4-Kurzschlussleiter 20 sind beispielsweise gasisoliert.

Claims (11)

1. Elektrische Schaltung mit einem EMP-Ableiter, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Tore (1, 2, 3, 4) als Ein- und/oder Ausgänge zu Koaxialleitungen aufweist, dass Tore (1, 2, 3, 4) über ein Netzwerk von n lambda /4Leitungen (12, 23, 34, 41) verbunden sind, wobei n ganze ungerade Zahlen sind und dass an einem Tor (2) ein lambda /4-Kurzschlussleiter (20) eingebaut ist.

2. Elektrische Schaltung (5) gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung (5) ein Ringkoppler mit vier Toren (1, 2, 3, 4) ist und dass ein Abschlusswiderstand (40) oder eine abschliessende Antenne (400) an einem Tor (4) angeschlossen ist.

3.

Elektrische Schaltung (5) gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Toren von drei Paaren von aneinander grenzenden Toren (1, 2; 2, 3; 3, 4) jeweils mindestens eine lambda /4 Leitung (12, 23, 34) eingebaut ist und dass zwischen den beiden Toren eines weiteren Paares von Toren (4, 1) eine 3 lambda /4-Leitung (41) eingebaut ist.

4. Elektrische Schaltung (5) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie innerhalb einer relativen Bandbreite von 15% zwischen einem Paar von nicht aneinander grenzenden Toren (1, 3; 2, 4) mit einem dazwischen geschalteten Tor (2 bzw. 3) eine Isolation von 25 dB aufweist.

5.

Elektrische Schaltung (5) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie innerhalb einer relativen Bandbreite von 15% zwischen den beiden Toren von vier Paaren von aneinander grenzenden Toren (1, 2; 2, 3; 3, 4; 4, 1) eine Dämpfung von 3 dB aufweist.

6. Verwendung der elektrischen Schaltung (5) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Aufteilung mindestens eines Sendesignals auf zwei Antennen (100, 300) dient.

7. Verwendung der elektrischen Schaltung (5) gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Leistungsteiler ein Eingangssignal (Pein) an einem ersten Tor (2) in Signale (Pein/2) an zwei weitere, damit verbundene und daran angrenzende Tore (1, 3) aufteilt.

8.

Verwendung der elektrischen Schaltung (5) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Leistungscombiner zur Kombination zweier Sendepfade auf mindestens eine Antenne (200, 400) dient.

9. Verwendung der elektrischen Schaltung (5) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie als bidirektionaler Leistungsteiler bzw. Leistungscombiner zur Aufteilung eines Sendesignals einer Basisstation (200) an einem ersten Tor (2) auf zwei Antennen (100, 300) an zwei weiteren, damit verbundenen und daran angrenzenden Toren (1, 3) und zur Kombination zweier von Antennen (100, 300) empfangener Sendesignale auf eine Basisstation (200) an diesem ersten Tor (2) dient.

10. Verwendung der elektrischen Schaltung (5) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie als bidirektionaler Leistungsteiler bzw.

Leistungscombiner zur Aufteilung zweier Sendesignale zweier Basisstationen (100, 300) an zwei Toren (1, 3) auf mindestens eine Antenne (200, 400) an mindestens einem zwischen diesen zwei Toren (1, 3) angeordneten Tor (2, 4) und zur Kombination von mindestens einer Antenne (200, 400) an mindestens einem, zwischen diesen zwei Toren (1, 3) angeordneten Tor (2, 4) empfangener Sendesignale auf zwei Basisstationen (100, 300) an den zwei angrenzenden Toren (1, 3) dient.

11. Elektrische Schaltung (5) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die n lambda /4-Leitungen (12, 23, 34, 41) aus hintereinander geschalteten lambda /4-Elementen bestehen.