宽带短轴浪涌保护器 本发明总体上讲是涉及浪涌(电涌)保护器，更具体地讲是涉及用于高频通信系统中的宽带浪涌保护器。
浪涌保护器是放置在电路中的一种装置，用来防止可能损坏电子设备的危险浪涌和尖峰的通过。浪涌保护器的一种特别有用的应用是在无线通信系统的天线发射和接收系统中。在这种天线系统中，一个浪涌保护器通常连接在主馈线同轴电缆和跳线同轴电缆之间的线路中。在天线系统正常工作期间，微波和射频信号无间断地通过浪涌保护器。当在天线系统中产生危险的浪涌时，浪涌保护器通过将浪涌转到地来阻止危险的浪涌从一根同轴电缆传输到另一同轴电缆。
用于天线系统的一种浪涌保护器具有一个T形结构，包括一个同轴直通部分和一个垂直连接到同轴直通部分中部的直的同轴短轴。同轴直通部分的一端适合与主馈线同轴电缆端部的配对连接器连接，而同轴直通部分的另一端适合与跳线同轴电缆端部的配对连接器连接。同轴直通部分和直的同轴短轴两者都包括内部和外部导体。在同轴短轴和同轴直通部分之间的T形连接处，同轴短轴的内部和外部导体连接到同轴直通部分的相应内部和外部导体。在直的同轴短轴的另一端，同轴短轴的内部和外部导体连接在一起形成短路。该短路处通过某种箝位电路间接地连接到一个接地装置，例如接地母线。从同轴短轴一端的连接处到同轴短轴另一端的短路处之间的实际距离大致等于所需微波或射频窄带的中心频率波长地四分之一。
在正常的“非浪涌”工作期间，浪涌保护器允许频带内的信号在任一方向通过在两根电缆之间连接的浪涌保护器。信号传输的方向取决于浪涌保护器是用于天线系统的发射侧还是接收侧。处在所需工作频带内的信号通过接口之一(取决于信号传输方向)到达浪涌保护器。当通过浪涌保护器时，处在所需频带内的信号传输通过浪涌保护器的同轴直通部分。然而，所需信号的一部分在通过同轴直通部分的同时遇到了短轴。该短轴将这个信号部分散射，从而使该信号部分流到该短轴。在经短路处反射之后，被散射的信号部分又沿短轴返回。由于短轴从与同轴直通部分的内部导体的连接处到短路处的实际距离设计为与所需工作频带的中心频率波长的四分之一相等，因此被散射的信号部分就同相添加到未散射信号部分并且传输通过同轴直通部分的另一端。
当在天线系统中产生浪涌时(例如，由于雷击)，那么短轴的实际长度就会大大小于中心频率波长的四分之一，因为浪涌处在比所需工作频带低得多的频率上，在这种情况下，浪涌沿着同轴直通部分的内部导体传输到短轴，通过短轴传输到短路处，通过短路处传输到接地附件，并且通过接地附件传输到相连的接地装置。由此，浪涌就通过浪涌保护器转移到地。
上述T形浪涌保护器的一个缺点是：这些浪涌保护器的工作带宽有限。原设备制造商(“OEM”)和无线服务提供商现在需要购买大量的短轴浪涌保护器来应付工作在不同频率下的各种应用。由于它们的多重放电能力和优异的无源互调失真性能，对短轴浪涌保护器的需求增加了，OEM或服务提供商必须储备大量不同的短轴浪涌保护器来适应当前系统的公用的分配工作带宽(800-870MHz,824-896MHz,870-960MHz,1425-1535MHz,1700-1900MHz,1850-1990MHz,2110-2170MHz,2300-2485MHz，等等)。一种能够在此整个频率范围内工作的宽带短轴浪涌保护器将允许OEM或服务提供商只需拥有一种产品；很明显，这简化了库存需求并带来由于大量购买造成的成本上的优势。
此外，对宽带浪涌保护器有很大的需求是因为从社会而来的与日俱增的压力要求限制与无线通信系统相关的信元站点的数量。为此，对于无线服务提供商而言，就越来越需要利用同向双工或三工技术通过现有的同轴传输线来协调配置其工作系统。这种将各种工作频率多路复用的趋势就要求所有常规的窄带部件，例如浪涌保护器，升级为宽带装置。
虽然其它类型的宽带浪涌保护器当前已能制造，但许多人采用一种在同轴浪涌装置的内部和外部导体之间安装一个气体放电管的技术。尽管这些类型的装置提供了宽带特性，但它们会带来几种不希望的特点，包括需要正常的定期维护、抗多重电击(multiple strikes)能力差以及不良的无源互调失真性能。
相应地，就存在对这样的浪涌保护器的需求：它具有用于无线通信系统的宽的工作带宽。
本发明的一个目的就是提供一种浪涌保护器，它具有用于无线通信系统的宽的工作带宽。
在一个实施例中，上述目的是通过提供这样一种浪涌保护器实现的，该浪涌保护器包括：一个同轴直通部分，它具有第一内部导体、第一外部导体和设置在第一内部导体和第一外部导体之间的第一电介质；以及一个同轴短轴(shorting stub)，它具有第二内部导体和第二外部导体。短轴具有第一端部和第二端部。短轴连接到同轴直通部分，其中，在短轴的第一端部处第二内部导体电连接到第一内部导体，并且在短轴的第一端部处第二外部导体电连接到第一外部导体。第二内部导体大致是空心的，并且其中至少有一个螺旋形的孔。该至少一个螺旋形的孔围绕第二内部导体连续分布至少一圈。一个短板在短轴的第二端部处电连接到第二内部导体和第二外部导体。
本发明的上述概述并非要代表本发明的每个实施例或每个方面。从下面的详细说明、附图和权利要求中，可以清楚地了解本发明的其它特征和优点。
在阅读了结合附图所做的以下详细说明后，本发明的其它目的和优点就会清楚了，附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的宽带浪涌保护器的侧视图；
图2是根据本发明的一个实施例的宽带浪涌保护器的分解图；
图3是根据本发明的一个实施例的宽带浪涌保护器的侧视图；
图4是根据本发明的一个实施例的宽带浪涌保护器的另一侧视图；
图5是根据本发明的一个实施例的宽带浪涌保护器的同轴直通部分的底视图；
图6是一个曲线图，它显示出三种已有的常规短轴浪涌保护器的频带宽度，其中每种浪涌保护器具有不同的短轴阻抗；
图7a是根据本发明的一个实施例的宽带浪涌保护器的内部导体的侧视图；
图7b是根据本发明的一个实施例的宽带浪涌保护器的内部导体的底视图；
图8是根据本发明的一个实施例的宽带浪涌保护器与已有的常规短轴浪涌保护器的带宽比较曲线。
现在参照附图，图1和图2显示出用于高频无线通信系统的一个宽带短轴浪涌保护器10。该浪涌保护器10具有一个同轴直通部分12和一个直的同轴短轴14，短线14大致垂直于同轴直通部分12设置。第一端部15和第二端部16分别连接到高频无线通信系统中的第一同轴电缆和第二同轴电缆(未示出)。短轴连接到一个接地装置(未示出)。辐射同轴电缆是用于高频无线系统的同轴电缆的一种类型，它可与本发明结合使用。名称为“辐射同轴电缆和使用该电缆的通信系统”的共有美国专利5809429号揭示了一种这样的同轴电缆，并且在此将其全文引作参考。
同样参照图3、4、5，宽带浪涌保护器10具有适合的第一连接器18和第二连接器19，它们分别设置在第一和第二端部15,16处，用于将浪涌保护器10连接到系统中的第一和第二电缆。可与图1和2所示的浪涌保护器10结合使用的适合的连接器的细节披露于名称为“浪涌保护器连接器”的共有美国专利5892602号以及名称为“用于带有环形波纹型外部导体的同轴电缆的连接器”的美国专利4046451号中，这两个专利的全文在此引作参考。
同轴直通部分12具有内部导体20，它通过介电材料24与外部导体22绝缘。内部导体20界定了同轴直通部分的纵轴。直的同轴短轴14包含内部导体26和外部导体28。同轴直通部分12的内部和外部导体20、22分别电连接到短轴14的内部和外部导体26、28。在本发明的另一实施例中，短轴14包含设置在内部和外部导体26、28之间的空间29中的介电材料。
常规T形四分之一波长短轴浪涌保护器(“常规QWS”)的上述缺点之一是这些浪涌保护器的工作带宽有限。然而，在高频无线通信系统中，例如，微波和/或无线电信号具有的频率范围从大约800MHz到2500MHz。为了覆盖这个频率范围需要十个常规的QWS。常规的QWS的带宽可通过提高短轴的阻抗来增加。例如，当短轴阻抗为35欧姆时，一个设计为中心谐振频率870MHz的常规QWS从理论上讲具有155MHz的20dB回损带宽。当短轴阻抗为50欧姆时，中心谐振频率870MHz的相同常规QWS从理论上讲具有226MHz的20dB回损带宽。进一步，当短轴阻抗为150欧姆时，中心谐振频率870MHz的相同常规QWS从理论上讲具有580MHz的20dB回损带宽。提高常规QWS的短轴阻抗的这种效果显示在图6中。
提高常规QWS的短轴阻抗提供了较宽的带宽。较高的短轴阻抗可通过减小短轴内部导体的直径或者增大短轴外部导体的直径来实现。然而，这两种方法都有严重的后果。减小短轴的直径就损害了短轴的载流能力。这与金属导体的熔化概念是类似的。因此，会有与减小短轴中心导体直径相关的严格限制和严格的性能折衷选择。增大短轴外部导体的直径会导致浪涌保护器的体积增大，从而提高了设备的成本。这同样是不可取的方案。
浪涌保护器的效力是由通过能量(throughput energy)来体现的，通过能量是在浪涌保护器的输入端经受浪涌时(例如，雷电瞬间波形)所测定的流经浪涌保护器的输出端的能量。一般在工业上，雷电瞬间波形被模式化成一种电流波形，其中包含八微秒的上升时间(从10％到90％峰值)和二十微秒的衰减时间(下降到50％峰值)，并且幅度可以从2000安培峰值电流到20000安培峰值电流之间变化。具体的幅度取决于浪涌保护器在哪里安装以及瞬时活动的预期曝光量(exposure levels of transient activity)。通过能量可以由施加输入电流浪涌、记录剩余输出电压波形以及对浪涌事件持续期间该剩余电压波形的平方进行积分等步骤来计算。将此值除以负载阻抗就提供了通过能量的数字值(用焦耳表示)。剩余电压波形与短轴的电感成正比、与上升期间的电流变化成正比、与所施加电流波形的上升时间成反比。可控制该短轴的电感来降低通过能量。对于常规的QWS，短轴的自感可用下面的公式近似地表示：L电感(μH)=0.508/102·[2.303·log(2×长度/(宽度+厚度))+0.5+0.2235·(宽度+厚度)/长度]其中长度、厚度和宽度代表短轴的长度、厚度和宽度。正如从上述公式可看到的，减小短轴的长度会导致电感的减小，这转换为通过能量的减少。相应地，希望通过减小短轴的长度来减少浪涌保护器的通过能量。通过增加介电材料来提高短轴内部和外部导体之间的有效介电常数，可减小短轴长度。然而，以这种方式减小有效短轴长度也可能带来不希望的效果，即，降低了短轴阻抗，从而使浪涌保护器的工作带宽变窄。
本发明人已经发现，给短轴增加一个非常小的串联电感可带来独特的扩宽频带的效果，从而增大浪涌保护器的工作频率范围。然而，因为给短轴增加串联电感会导致损害通过能量特性，因此最好是减小短轴的整体长度来保持较低的通过能量值。由于很难以集中方式增加串联电感，因此通过将电感分布在短轴的整体长度上，可实现整体长度的减小。通过将短轴的内部导体做成空心并在内部导体的外壁钻一个小的螺旋孔，电感可选择性地分布在短轴的有效部分上。换句话说，短轴的内部导体的形式是具有螺旋孔的空心圆筒。
结果就是宽带浪涌保护器10(见图1和2)以及如图7a和7b中所示的相应内部导体26。现在参照图7a和7b，短轴14的内部导体26的所示实施例具有输入端30和输出端32。短轴14的输入端30连接到同轴直通部分的内部导体20。内部导体26大致从输入端到输出端是空心的。内部导体26具有大约0.270英寸的外径φ。空心的内部导体26的外壁34的厚度t大约为0.070英寸。内部导体26的长度L大约是1.221英寸。
空心的内部导体26具有一个孔36，它连续地螺旋形设置在外壁34中。螺旋孔36开始于离开内部导体输入端0.110英寸的距离D1处，并终止于离开内部导体26的输出端32大约0.500英寸的距离D2处。连续的螺旋孔36的宽度W大约为0.030英寸并围绕内部导体26旋转约五圈。设计螺旋孔36是为了保持一个能承受至少两万安培的浪涌电流而且不会降低性能、熔化或产生电弧的截面面积。螺旋孔36可采用现代计算机数控机床中心以高效的方式进行加工。短轴14的尺寸允许浪涌保护器10能与许多现在正在使用于高频无线通信系统中的浪涌保护器互换。
内部导体26的输入端30包括一个一体的外螺纹部件38，用于将短轴14的内部导体26连接到同轴直通部分12的内部导体20。同轴直通部分12的内部导体20包括一个相应的抽头(分接头)孔40(见图5)。内部导体26大致从输入端30到输出端32是空心的。在输入端30处，内部导体在一小段长度上不是空心的，这为外螺纹部件38提供了一个基座42。
再参照图1和2，一个短板44在短轴14的输出端32处电连接到内部导体26和外部导体28，以便形成短路，从而使浪涌短路。短轴14的内部导体26在其输出端32包含一个的弹簧夹指插口48(见图7a)。短板44包含一个相应的突出弹簧夹指50，用于将短板44连接到短轴14的内部导体26。为了使流经短轴14的浪涌接地，短板44设有一个接地附件46，用于将短板44连接到地。在所示的实施例中，接地附件46是一个内螺纹孔，用于将短板连接到具有相应的螺纹部件的接地装置。
现在参照图8，其中对本发明的宽带浪涌保护器10的性能与一个常规QWS做了比较。浪涌保护器10的螺旋分布电感效应带来了宽带射频性能，提供了在800MHz到2500MHz频率范围内的20dB回波损耗和0.06dB的介入损耗。在频率低于800MHz时，浪涌保护器10与常规QWS的性能相似，因为感抗是频率的函数，在较低频率时它的作用很小。然而，在高频时，很明显本发明的浪涌保护器10能够以宽的带宽工作。在常规的QWS中，经常需要利用调谐绝缘体，即设置在内部导体和外部导体28之间的空间29中的介电材料，来降低短轴的阻抗，以便缩窄或微调带宽。然而，因为宽带浪涌保护器10是在如此宽的带宽上工作，因此就不需要调谐绝缘体了。省除调谐绝缘体还可节省不少成本，减少组成部件，并带来高的生产效率。在另一实施例中，介电材料可设在空心51内(图7b)，用以调整浪涌保护器10的工作频率带宽。
除了能够在较宽的频率范围内工作之外，经测试发现宽带浪涌保护器10具有优秀的浪涌保护能力(例如，低的通过能量)。将一种雷电瞬间波形施加到浪涌保护器10，这种雷电瞬间波形被模式化成一种电流波形，其中包含八微秒的上升时间和二十微秒的衰减时间，并具有2000安培的峰值电流。最终的通过能量低于25微焦耳(25×10-6焦耳)。宽带浪涌保护器在其他方面同样实现了优异的性能。例如，在本发明的一个实施例中，宽带浪涌保护器10实现的介入损耗性能在800MHz到2500MHz的最通用频率范围内小于0.1dB。在另一实施例中，宽带浪涌保护器10实现的宽带回损性能在800MHz到2500MHz的最通用频率范围内优于20dB。在又一个实施例中，当宽带浪涌保护器10工作在大约800到2500MHz频率范围内的任一频率时，能够在至少2000瓦的平均功率下工作。在再一个实施例中，在给浪涌保护器10施加两个二十瓦的载波时，宽带浪涌保护器10实现了-160dBc(-120dBm)的优异无源互调性能。
本发明的宽带浪涌保护器10拥有多重抗雷击能力。因为浪涌保护器是如此构成的：所有浪涌电流承载导体是由固体金属材料做成的，因此也就不会由于重复的浪涌而导致导体性能降低，而这对于其它已有的使用充气管、金属氧化物变阻器或硅雪崩二极管来承载浪涌电流的浪涌保护器却是一个问题。宽带浪涌保护器10的一个实施例能够承受向其内部导体直接施加的至少一百次两万安培级的浪涌，而没有任何物理性能或电性能的降低。相似地，浪涌保护器10构成为无极性；因此，该装置可在任何方向上安装而不会影响任何电性能、机械性能或环境性能。
宽带浪涌保护器10构成为可抵抗恶劣的环境和机械条件。例如，在本发明的一个实施例中，宽带浪涌保护器10构成为可抵抗至少二十四小时的一米深水的浸没，而不会有任何潮湿进入或性能降低。在另一实施例中，宽带浪涌保护器10构成为可抵抗二十四小时的在三个平面上进行的振动试验，其中振动频率从10到2000Hz之间变化，振动强度峰值为5G，而不会有任何性能降低或老化。在另一变换的实施例中，宽带浪涌保护器10构成为可抵抗幅度为30G在所有三个平面中循环三次的机械撞击试验，而不会有任何性能降低或老化。在又一个实施例中，宽带浪涌保护器10构成为可抵抗至少一千小时的腐蚀(盐雾)试验，而不会有任何性能降低。在再一个实施例中，宽带浪涌保护器10构成为可抵抗至少二十五次恶劣的热循环(+85℃一小时，-55℃一小时)，而不会有任何性能降低或老化。在另外一个实施例中，宽带浪涌保护器10构成为可抵抗至少10天的95％湿度和65℃温度的湿度试验，而不会有任何性能降低。
在本发明的另一实施例中，一个电容器(未示出)以串联方式电连接到同轴直通部分12，以辅助减小由流经浪涌保护器的浪涌产生的通过能量。在一些特殊的环境下，需要保护的工作系统可能对瞬变极其敏感，因此就需要更低通过能量的性能。在这种少有的极端应用中，一个与本发明的螺旋孔短轴浪涌保护器10结合使用的串联电容器可提供附加的浪涌保护，并且进一步减小通过能量。在另外一个实施例中，利用了一个串联电感，此电感与同轴直通部分12串联并端接至一个独立的连接接口，这样可允许低电平DC电流(通过独立分连接接口)进入传输线系统来满足传输设备的功率要求。只有连接到电感的连接器18、19可承载电流。串联电容可有效地使同轴直通部分的第二同轴连接器18、19与DC电流隔离。
浪涌保护器10的所示实施例显示出螺旋孔36是围绕短轴14的内部导体26连续分布约五圈。然而，在本发明的其它实施例中，螺旋孔36只需要围绕内部导体26至少一圈。在浪涌保护器10的另一实施例中，孔36是围绕内部导体26连续分布约两圈半，距离D1是0.300英寸，距离D2是0.580英寸。在这样的实施例中，螺旋孔是如此设置的：即使在较高频段中也可获得高性能的回损。对于要求更高回损性能的系统，可以采用具有连续分布两圈半的螺旋孔36的内部导体26，以在1500MHz到3400MHz范围内实现约30dB的回损。在其它可选实施例中，螺旋孔36至少在内部导体长度L的约五分之一范围内延伸。而在本发明的另外的可选实施例中，螺旋孔在内部导体长度L的约四分之一到四分之三范围内延伸。在本发明的其它可选实施例中，短轴14的内部导体26可包含一个以上的螺旋孔，或者，螺旋孔可分段形成一个以上的部分。
根据本发明的可选实施例，内部导体长度L和外径φ可以变化。例如，外径φ和内部导体26的长度L的比率可在约0.10到约0.40范围内。根据本发明的其它实施例，内部导体26的壁厚t可在0.050英寸到约0.090英寸范围内。制造工艺和内部导体材料的现有加工能力的实际局限性是决定该范围界限的一些参数。根据本发明的其它可选实施例，用于内部导体26的材料也可以改变。例如，在本发明的可选实施例中，内部导体26是由磷青铜合金544全硬材料、铍铜B196合金C或黄铜ASTM B16半硬材料构成，或者由适于承载微波信号并且能够载流的任何非铁磁材料构成。
在可选实施例中，本发明可适用于除所示的T形浪涌保护器之外的浪涌保护器。例如，在上面引作参考的名称为“浪涌保护器连接器”的共有美国专利5892602中披露的浪涌保护器的曲线短轴可做成空心的，并可具有一个螺旋孔来增大该浪涌保护器的工作带宽。在其它可选实施例中，具有螺旋孔36的空心内部导体26可同样适用于其它浪涌保护器。例如，具有螺旋孔36的空心内部导体26可用于具有直角形直通部分几何形状的浪涌保护器中。在这样的实施例中，同轴直通部分在其中某点(一般在中点)处包含90°弯曲。在内部导体26的第一端部30处，短轴14的内部导体26连接到90°的同轴直通部分，并且电连接到短轴14的外部导体28而形成短路。
虽然已经展示和描述了本发明的特定实施例和应用，但可以理解，本发明并不局限于在此公开的具体结构和组成，并且在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，从上述说明中可很明显想到各种替换、修改和变化。