專利名稱：同軸電涌放電器/功率抽取器組件的制作方法
此申請是在1996年7月25日申請的、編號為08/687,229的申請的部分繼續(xù)申請。
本發(fā)明涉及保護傳送RF信號和AC功率的同軸傳輸線和從同軸傳輸線中抽取AC功率的設備。
于1985年10月1日授權的Kawanami的美國專利4,544,984(Kawanami＇984)公開了一種用于同軸傳輸線的氣體放電管電涌放電器。根據(jù)Kawanami＇984的專利，傳統(tǒng)的氣體放電管雖然能用作電話線的電涌放電器，但不能用于高頻同軸傳輸線，因為，(1)氣體放電管的電容量相當大，(2)所需放電管的連接的性質(zhì)會使同軸傳輸線的阻抗有很大的變化，從而在傳輸線中造成反射。根據(jù)Kawanami＇984的專利，以前是沒有能用在高頻同軸傳輸線的電涌放電器(第1欄第57行至第2欄第4行)的。
Kawanami＇984的專利公開了一種電涌放電器，該電涌放電器在一與信號傳輸垂直的方向上把一氣體放電管連接在同軸傳輸線的內(nèi)外導體之間。通過減少內(nèi)導體的有效橫截面面積而使由于在同軸傳輸線中使用氣體放電管而引起的、不希望有的電容的增加得到補償，減少橫截面的辦法是在氣體放電管與內(nèi)導體接觸處去掉一部分中心導體以形成氣體放電管置于其上的平面。
在1985年4月2日授權的Kawanami的美國專利4,509,090(Kawanami＇090)也說明了為什么傳統(tǒng)的氣體放電管不能成功地在同軸傳輸線中用作電涌放電器，同時公開了與在Kawanami＇984專利中所公開的相同類型的結構，即，在一垂直于信號傳輸方向的方向上把氣體放電管連接在同軸傳輸線的內(nèi)外導體之間的裝置。在圖7中，Kawanami＇090專利提供了有關在中心導體接觸氣體放電管處減少中心導體的有效橫截面面積的作用的信息，表明1或2mm量級的小尺寸的改變對電壓駐波比(VSWR)有顯著的影響。
在1986年12月30日授權的Mickelson的美國專利4,633,359也公開了一同軸傳輸線的電涌放電器，在該電涌放電器中，氣體放電管在一垂直于信號傳輸方向的方向上連接在傳輸線的內(nèi)外導體之間。Mickelson的裝置的優(yōu)點被認為在于制造方便而成本低。同Kawanami＇090和＇984專利一樣，Mickelson使用的是在氣體放電管接觸中心導體處被弄平的中心導體。此平面除用作氣體管的管座之外，還可調(diào)整中心導體的電感，以補償氣體管的分布電容。并在鄰近平面處設置槽以使電涌放電器的阻抗與傳輸線的阻抗匹配。眾所周知，當使用匹配的阻抗時，功率的傳遞可達到最大。
Cook的GB2,083,945A的專利一種同軸傳輸線氣體放電管電涌放電器，該放電器包括一中心電極7、一圓柱形外電極1和絕緣端3和5。中心導體可以是如圖2所示成“彎曲狀”。在DE3,212,684A1的專利中示出了一類似的同軸傳輸線電涌放電器。
于1995年8月10日公布的PCT申請WO95/21481揭示了一種適用于本發(fā)明同軸電涌放電器/功率提取器組合件的同軸電涌放電器。所公布的PCT申請以在1994年2月7日申請的編號為08/192,343的美國申請和在1994年12月8日申請的編號為08/351,667的美國申請、現(xiàn)在為5,566,056號的美國專利為基礎，它們是本申請的母申請。該兩個母申請的申請日在此不要求保護，所公布的PCT申請是本申請所保護的主題的已有技術。
本發(fā)明設計成與傳送RF信號同時還向安裝在例如建筑側的用戶界面裝置中的線路提供AC功率的同軸傳輸線一起工作。同軸傳輸線傳送諸如頻率范圍在5MHZ至1GHZ的電纜電視、電視電話、數(shù)據(jù)信號和類似信號。向在用戶界面裝置中的線路提供AC功率的一個途徑是使用包括一同軸電纜和一雙扭線的混合電纜，其中同軸電纜傳送RF信號，雙扭線傳送AC功率。這種電纜有時被稱作“雙重連接”電纜。為安全起見，同軸電纜和雙扭線都必須用電涌放電器保護，意即需要兩個電涌放電器。此外，這類“雙重連接”的同軸電纜安裝的代價很大。在目前，用戶界面裝置只能允許“雙重連接”電纜的方法。
本發(fā)明提供一種允許在從同軸電纜中提取AC功率的同時用一個信號同軸電涌放電器提供過電壓保護的同軸電涌放電器/功率提取器組合的設備。這就避免了使用一根“雙重連接”同軸電纜需要兩個電涌保護器，即同軸電纜和雙扭線各需要一個電涌保護器的缺點。本發(fā)明降低了成本，因為傳統(tǒng)同軸電纜比“雙重連接”電纜便宜，又因為只需要一個信號電涌放電器。現(xiàn)在只要用一個信號裝置就能完成保護和功率提取的雙重功能。如果需要，可省略同軸電涌放電器，在這種情況下，信號裝置只能進行從由同軸傳輸線傳送的RF信號和AC功率中提取AC功率的功能。
本發(fā)明包括一同軸電涌放電器/功率抽取器組件，它用于從傳送RF信號和AC功率的同軸傳輸線中抽取AC功率，同時在過壓情況下保護同軸傳輸線。電涌放電器/功率抽取器組件包括其每一端有同軸導體的導體外殼，該外殼適用于串聯(lián)在同軸傳輸線中。導體外殼包含一與功率抽取線路串聯(lián)的同軸電涌放電器。
同軸傳輸線電涌放電器包括一空心導體外殼，該外殼具有密封外殼并把惰性氣體保持在該外殼內(nèi)的絕緣端。一中心導體在信號傳輸方向軸向延伸過導體外殼。絕緣端可以是陶瓷的，與導體外殼和中心導體接觸的陶瓷端部分可金屬化。導體外殼的至少一部分內(nèi)表面和中心導體的至少一部分外表面被粗化擴大以集中電場，使氣體放電管得以可靠運行。通過改變沿中心導體長度的導體外殼的內(nèi)徑與中心導體的外徑之比和改變設備有效氣體放電區(qū)域的長度使同軸電涌放電器的阻抗與同軸傳輸線的阻抗匹配。氣體放電管可裝有一故障安全機構(fail-safe mechanism)，該故障安全機構采用一種熱敏的電絕緣材料，如果氣體放電管在其保護運行的過程中過熱，它就會使同軸傳輸線接地。此外，本發(fā)明的同軸電涌放電器可包含電流限制和/或低壓保護。同軸電涌放電器的導體外殼電氣連接于保護器/功率抽取器的導體外殼。
功率抽取線路包括一連接于同軸電涌放電器的輸出端、用來抽取AC功率的感應器。一電阻可與該感應器并聯(lián)。一電容器也連接于電涌放電器的輸出端，使RF信號通過它。感應、電阻和電容的參數(shù)是這樣選擇的，感應器使AC功率通過但RF信號不能通過，電容器使RF信號通過但AV功率不能通過。
在說明書結尾的權利要求書中特別指出了發(fā)明人所認為的本發(fā)明的主題，參閱下面結合附圖的描述，可更好地理解本發(fā)明以及本發(fā)明的工作方法和各種優(yōu)點，附圖中，相同的零部件用相同的編號表示。
為了更徹底地理解本發(fā)明，下面結合附圖、通過非限制性的實施例描述本發(fā)明，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的原理制成的氣體放電管的一實施例的縱向剖視圖；圖2是圖1所示裝置的端視圖；圖3是去掉蓋子后的氣體放電管的部分剖開的的俯視圖，該氣體放電管插在其上固定一對同軸連接器的外殼中；圖4是部分剖開的外殼側視圖，示出了設置在外殼中的氣體放電管；圖5是一接地夾的立體圖；圖6是用來把氣體放電管固定在外殼內(nèi)的安裝夾的立體圖；圖7是用在氣體放電管與安裝夾之間的熱敏絕緣體的立體示意圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的原理制成的氣體放電管的另一實施例的剖視圖；圖9是圖8所示裝置的端視圖；圖10是圖8所示的氣體放電管去掉蓋子后的、部分剖開的俯視圖，該氣體放電管安裝在外殼中；圖11是圖10中所示裝置的部分剖開的示意圖；圖12是另一外殼去掉蓋子的俯視圖，連接器在外殼的不同表面上；圖13是圖12所示的外殼的端視圖；圖14是本發(fā)明氣體放電管的再一個實施例的的剖視圖15A是使用本發(fā)明氣體放電管的一印刷線路板同軸連接器的側視圖；圖15和15C是圖15A的兩個不同的同軸連接器的剖視圖；圖16A是應用本發(fā)明氣體放電管的軸向連接的同軸連接器的側視圖；圖16是圖16A的同軸連接器的剖視圖；圖17A是應用本發(fā)明的氣體放電管的直角式同軸連接器的側視圖；圖17是圖17A的同軸連接器的剖視圖；圖18是按本發(fā)明的一同軸電涌放電器的示意圖，圖中有電流限制和低壓保護部分；圖19是帶有一采用本發(fā)明氣體放電管的陽同軸連接器的同軸電纜的剖視圖；以及圖20是具有形成一體的電涌放電器的陰-陰同軸連接器的剖視圖。
圖21是本發(fā)明一網(wǎng)絡界面設備的平面圖，它包括端接同軸傳輸線的設備和端接傳統(tǒng)電話線而對同軸傳輸線和傳統(tǒng)電話線提供保護的設備。
圖22是用在一網(wǎng)絡界面設備中的一同軸傳輸線分離器與一同軸傳輸線電涌放電器的部分示意圖。
圖23是用安置在一印刷線路板上的一同軸傳輸線電涌放電器和同軸連接器端接在網(wǎng)絡界面設備中同軸傳輸線的裝置的側視圖。
圖24是本發(fā)明具有故障短路保護的氣體放電管的另一實施例的剖視圖。
圖25是圖24所示實施例的側視圖。
圖26是本發(fā)具有故障短路保護和一備用空氣間隙(back airgap)的氣體放電管的另一實施例的剖視圖。
圖27是圖26所示實施例的側視圖。
圖28是本發(fā)明具有故障短路保護和一備用空氣間隙的氣體放電管的另一實施例的剖視圖。
圖29是圖28所示實施例的側視圖。
圖30是實施本發(fā)明具有故障短路保護的氣體放電管的一同軸連接器的剖視圖。
圖31是一蓋子取下的外套的俯視圖，它示出了同軸電涌放電器和可熔連桿。
圖32是同樣外套、但蓋子蓋上的側視圖。
圖33是本發(fā)明同軸電涌放電器/功率抽取器組件的剖視圖。
下面參閱圖1和2。圖中示出根據(jù)本發(fā)明的原理制成的一氣體放電管10。它有一圓筒形的、由導電材料制成的細長空心外套12。其內(nèi)圓周壁14最好是作過粗化處理的，以便使性能更可靠，在圖1中此粗糙用螺紋狀的鋸齒表示，這種粗糙圓周壁能集中放電間隙中的電場。一細長的導電電極16從外套12的一端18延伸到另一端20。
電極16具有朝外的延伸部分22和24，這兩個延伸部分伸出外套12的端部18和20，并設置在插入外套12的端部18和20的陶瓷(絕緣體)密封件28和30的孔26中。凸緣32和34設置在外套12內(nèi)靠近端部18和20處，以使密封件28和30精確地在其中定位。電極16的外圓周也是作過粗化處理的，它在圖1中用鋸齒線表示，以提供氣體放電管的可靠放電。一旦上述的氣體放電管的零部件被組裝起來，裝置以傳統(tǒng)的方式放電，從而將氣體36密封在外套12中。所用的氣體36為惰性氣體就是在傳統(tǒng)過壓導通管中所用的那種類型。
圖3示出一導電外殼38，氣體放電管10以一將在下面說明的方法放入其中。外殼38包括有螺紋的輸入和輸出連接器40和42，本發(fā)明的輸入、輸出連接器40和42適用于連接傳統(tǒng)的F型螺紋同軸連接器44和46，當然也可采用其他傳統(tǒng)的同軸線連接器例如BNC連接器。同軸線連接器在信號傳遞方向?qū)R。各陽連接器包括有一螺紋的外管48和一絕緣體50，絕緣體50的中心有一個插入夾子54的插孔部52的導體51，夾子54在圖6中詳細示出。
夾子54有一第二插孔部56，在插孔部56中可容納和可卸出地固定氣體放電管10的延伸部22和24。夾子54還有多個指形條58、60、62和64，這些指形條是彎曲的，它們用來容納氣體放電管10。
為了保證氣體放電管10的導電電極16的絕緣，使它不會與夾子54導電接觸，在夾子54的基部68中放置一FEP熱敏材料，該熱敏材料延伸在指形條58、60、62和64上，以防止夾子與氣體放電管10的金屬外套12的導電接觸。
圖7示出FEP絕緣體66的結構。在絕緣體66中有兩個孔70和72，使接地夾(ground clip)78的指形條74和76(如圖5所示)可與外套12的金屬導電表面導電接觸。以一傳統(tǒng)的方法把接地夾78連接于導電外殼38，從而使接地夾78與導電外殼38和連接器40和42的接地部分導電連接，當連接器44和46也固定其上時就完成了系統(tǒng)的接地完整性。
圖8和9示出了氣體放電管80的另一實施例，該氣體放電管80包括一最好由三個部分制成的細長空心外套82。外套82包括一最好由絕緣材料(陶瓷)制成的第一部分84，一般稱為接地端的在中心的第二導電部分86和與第一部分84相同的第三部分88。每一段一般都為空心的管狀。導電部分86的內(nèi)表面90也可是作過粗化處理的，以使氣體放電管的性能以類似于圖1所述的方式達到更可靠的情況。
位于外套82的空心開口92中心的是由三部分組成的導電電極94。第一和第三部分96和98具有相同的結構，并通過一形成第二部分的導電橋接銷100而連接在一起。因此，通過橋接銷100，從第一端102到另一端104導電接觸是連續(xù)的。端蓋106和108起密封作用，使氣體106保留在導電電極94與外套82之間的空間中。端蓋106和108與導電電極94導電接觸，所以從一端到另一端形成一連續(xù)的導電媒體，使整個路徑是連續(xù)的。
圖10是外殼38的俯視圖，在該外殼中插入了氣體放電管80的另一實施例，圖中的同軸線連接器46與外殼38上的連接器42分離了開來。另一連接器44則與外殼38的陰連接器40相連接。圖6中示出的夾子54在這里有一點改變，即用一對可以抓緊氣體放電管80的端蓋106和108的指形條110和112來代替插孔部56，而夾子54的其余部分仍舊相同。這里也用了由熱敏材料例如FEP形成的絕緣體66，使端蓋106和108與制成夾子54的導電材料電氣絕緣。
圖11是外殼38的部分剖開的側視圖，圖中的蓋子114完全密封了外殼38。圖11中的接地夾78與圖5中的接地夾78相同。
圖12和13所示的電涌放電器既可采用氣體放電管10也可采用氣體放電管80，夾子54與圖6所示的稍微有點不同，因為夾子54的插孔部52被彎成直角，使之可適用于在外殼38同一面上的陰連接器40和42。另外，如果需要，為了方便可把一連接器116置于外殼38的相對壁上，夾子54則如圖中的虛線所示那樣改變。在外殼38上可設置帶有孔122和124的安裝耳朵118和120，以便使外殼38可安裝在各種位置上。
在操作中，可把氣體放電管的各部分組裝起來，并以傳統(tǒng)方法放電，把氣體密封在外套內(nèi)。此后，把該組裝件放在采用FEP絕緣體的外殼中、安裝上接地夾，使裝置可以備作現(xiàn)場使用。
圖14示出本發(fā)明氣體放電管的再一個實施例，該氣體放電管可以用于同軸傳輸線的電涌放電器中。氣體放電管200包括一導電外殼202、絕緣端204和一穿過外殼202的中心導體206。RF信號軸向流過氣體放電管200。雖然圖中所示的中心導體206突出于端部204之外，但中心導體206也可以在端部204處終止，而將外部的導體連接于其上。和圖1的實施例一樣，絕緣端204最好由陶瓷材料制成，把外殼密封起來，并把惰性氣體密封在外殼中。在傳統(tǒng)的氣體放電管中，惰性氣體是氫和氬的混合氣體，以提供一250至350伏直流的擊穿電壓。在本發(fā)明的一較佳實施例中，惰性氣體為可提供約100伏直流擊穿電壓的氖和氬的混合氣體。
絕緣端204與導電外殼202接觸的區(qū)域208最好進行金屬化。絕緣端204與中心導體206接觸的區(qū)域210也進行金屬化。在導體206伸出端部204處的絕緣端204的外表面205有環(huán)形凹口212，這些環(huán)形凹口最好也金屬化。
環(huán)形凹口有利于制造過程中的金屬化工序。因此，可先使包含環(huán)形凹口的絕緣端204的整個外表面金屬化，然后通過磨光絕緣端的外表面而去掉環(huán)形凹口以外面積上的金屬化金屬。
如圖14所示，例如通過螺紋或其他鋸齒形狀，使導電外殼202的一部分內(nèi)表面214和中心導體206的一部分外表面216粗糙，以便集中電場，增加氣體放電管運行的可靠性。此外，與傳統(tǒng)的氣體放電管一樣，表面214和216較佳地覆蓋一低逸出功材料(low work function material)，以降低擊穿電壓，提高氣體放電管的放電特性。在表面214與216之間的區(qū)域“G”發(fā)生氣體放電。區(qū)域“G”是有效放電區(qū)域。
除覆蓋表面214和216之外，在鄰近有效放電區(qū)域“G”的絕緣端204的內(nèi)表面采用徑向或圓環(huán)狀石墨線形式的“條紋”。該“條紋”有助于為迅速上升的電涌引發(fā)電壓的擊穿。
同樣如圖14所示，導電外殼202的內(nèi)表面與中心導體206的外表面之間的距離沿中心導體的長度方向上是有所不同的。換句話講，外殼202的內(nèi)徑D與中心導體的外徑d之比沿中心導體的長度是變化的。D/d之比在兩絕緣端204之間的變化可達2∶1、2.5∶1、3∶1、3.5∶1、4∶1、4.5∶1、5∶1、5.5∶1、6∶1或更大。例如，D/d之比在區(qū)域“G”可以是2∶1，在區(qū)域“I”可以是7∶1，使D/d之比在兩絕緣端204之間以7∶1/2∶1或3.5∶1變化。D/d之比的這種改變是用來調(diào)整氣體放電管的阻抗的，使放置有氣體放電管的電涌放電器的阻抗與連接電涌放電器的同軸傳輸線的阻抗匹配。
同軸傳輸線的阻抗與(D/K)/d的對數(shù)成比例，其中“D”是外導體的內(nèi)徑，“d”是內(nèi)導體的外徑，“K”是內(nèi)外導體間的介質(zhì)的介電常數(shù)。在圖14所示的氣體放電管的情況中，介質(zhì)是介電常數(shù)接近于1的惰性氣體。所以，氣體放電管的阻抗在絕緣端之間按D/d之比的對數(shù)變化。如前所述，絕緣端204最好是陶瓷，陶瓷的介電常數(shù)約為8。通過沿中心導體206長度改變D/d之比，可以補償由特別是絕緣端204的介電常數(shù)引起的阻抗的變化。用于阻抗匹配的氣體放電管200的那部分用字母“I”表示，以區(qū)別于有效放電區(qū)域“G”。
除調(diào)整在氣體放電管內(nèi)的D/d之比外，還可相對于阻抗匹配區(qū)域“I”的長度，調(diào)整有效氣體放電區(qū)域“G”的長度，使氣體放電管的阻抗與同軸傳輸線的阻抗匹配。對于一50歐姆的同軸傳輸線來說，區(qū)域“G”與區(qū)域“I”之比可以是一比一的數(shù)量級，而對于一75歐姆的同軸傳輸線來講，區(qū)域“G”與區(qū)域“I”之比可以是一比二的數(shù)量級。
圖14所示的小型同軸傳輸線氣體放電管200的一些典型尺寸是(1)中心導體206的總長約為1英寸；(2)導電外殼202的長度約為0.32英寸；(3)氣體放電管202的外徑約為0.33英寸；(4)在區(qū)域“I”中的中心導體206的外徑約是0.035英寸；(5)在區(qū)域“G”中的中心導體206的外徑約為0.112英寸；(6)在區(qū)域“I”中的導體外殼202的內(nèi)徑約為0.23英寸；以及(7)在區(qū)域“G”中的導體外殼202的內(nèi)徑約為0.186英寸。
因此，對于這些典型的尺寸，在區(qū)域“G”的D/d之比是0.186/0.112或1.66∶1，而在區(qū)域“I”的D/d之比是0.23/0.035或6.57∶1。所以，在兩絕緣端204之間的D/d之比以6.57/1.66或3.95∶1變化。
圖15A至15C示出一采用圖14的氣體放電管200的同軸電涌放電器220。電涌放電器220連接在一使用F型同軸連接器的同軸傳輸線與一印刷線路板之間。因此，在電涌放電器220的一端222是有螺紋的，并與一傳統(tǒng)的F型陽同軸連接器連接，而在其另外的端部有導體伸出，并安裝在一印刷線路板或類似底板上。
在圖15B中，氣體放電管200的阻抗匹配部分“I”在氣體放電間隙“G”的左方，而在圖15C中，阻抗匹配部分“I”在氣體放電間隙“G”的右方。在圖15C中，中心導體206伸出氣體放電管200的絕緣端的距離要使電涌放電器連接于印刷線路板，可能不夠長，在這種情況下，采用另外的、與中心導體206電氣連接的導體224。
如圖15B和15C中所示，電涌放電器220有一個在氣體放電管200后面的空穴226。通過適當?shù)剡x定空穴226的大小和/或用介電常數(shù)合適的材料填充空穴，此空穴也能用來使電涌放電器的阻抗與同軸傳輸線的阻抗匹配。
圖16A和16B示出采用圖14的氣體放電管200的另一種同軸傳輸線電涌放電器230。圖16A和16B的電涌放電器是一個連接在帶有F型的陽同軸連接器的兩個同軸傳輸線之間的直排式裝置。用一定位或止動螺釘232把氣體放電管200固定在電涌放電器230中。
圖17A和17B示出了采用圖14中所示的氣體放電管200的另一個同軸傳輸線電涌放電器240。圖17A和17B的電涌放電器是一個連接在帶有F型的陽同軸連接器的兩個同軸傳輸線之間的直角裝置。如圖17B所示，中心導體206突出氣體放電管200的長度是不夠的，因此，在其上電氣連接一第二中心導體242，使其延長。電涌放電器240也有一個可適當選定大小和/或用一介質(zhì)材料填充的空穴244，以使電涌放電器240的阻抗與同軸傳輸線的阻抗匹配。
圖18是根據(jù)本發(fā)明的一同軸傳輸線電涌放電器系統(tǒng)的示意圖。圖18示出的RF傳輸線有一輸入端250、一輸出端252和一接地端254。在RF傳輸線中串聯(lián)著一個根據(jù)本發(fā)明的氣體放電管256。從圖18可以看出，RF信號經(jīng)過氣體放電管256，氣體放電管可以是本發(fā)明的任何實施例，如分別由圖1、8和14中示出的實施例10、80和200，但并不限于這些。
圖18的示意圖中在258處采用了一如上所述的接地夾和FEP薄膜的故障短路保護裝置。還示出了限制流向電涌放電器的輸出端254的電流的電感線圈260和一電阻262。此外，在中心導體與接地端之間連接一作低壓保護的鐵氧體珠(ferrite bead)264和一雪崩二極管266。鐵氧體珠264允許低頻(例如10MHz及10MHz以下)信號接地，但阻止高頻(例如50MHz至1GHz)信號接地。雪崩二極管266把低頻信號箝位至例如5至10伏的電壓。
圖19示出本發(fā)明的另一實施例，該實施例包括一其上連接有陽同軸連接器272的同軸電纜270。連接器272含有氣體放電管200。氣體放電管200的中心導體206伸出陽連接器272的端部。氣體放電管200的各種零部件如圖14所示，并在前面已描述過。
圖20示出本發(fā)明的另一實施例，該實施例包括一具有背對背的陰同軸連接器282和284的電涌放電器280。一氣體放電管200在同軸連接器282與284之間。圖20示出的實施例與圖15B、15C、16B、17B和19示出的諸實施例的不同之處在于，它的導電外殼202是與同軸電涌放電器的導電外主體形成一體的。如圖20所示，陰同軸連接器282和284在氣體放電管200的兩側具有固體的介質(zhì)材料286和288，這些材料把氣體放電管固定在同軸電涌放電器280的中部。
圖21示出一個包括外殼302的網(wǎng)絡界面設備300，該外殼302有一個保護在該外殼內(nèi)的各元件的蓋子(圖未示)。在該設備中有兩根輸入同軸傳輸線304和306，三根用戶同軸傳輸線308、310和312。五根同軸傳輸線具有同軸連接器314、316、318、320和322。在同軸傳輸線314與318之間有最好是如圖14所示類型的同軸傳輸線電涌放電器。同軸傳輸線電涌放電器串聯(lián)在輸入和用戶同軸傳輸線的中心導體之間。一把輸入同軸傳輸線分離成兩根用戶同軸傳輸線的分離器組件324位于同軸連接器316與同軸連接器320和322之間。一最好是圖14所示類型的同軸傳輸線電涌放電器位于組件324內(nèi)。圖22是顯示圖14的同軸傳輸線電涌放電器200的分離器結構的部分示意圖。
如圖21所示，外殼302還包括使電話公司的線與用戶的線相連的組件330和332。電話公司的線和用戶的線是銅線，而不是同軸傳輸線。在于1994年5月19日申請的申請人為Carl H.Heyerhoefer等人的并轉讓給TII工業(yè)公司的美國專利申請08/245,974以及于1990年12月18日授予Thomas J.Collins等人的美國專利第4,979,209中公開了適當?shù)慕M件，其公開內(nèi)容在此援引作為參考。在外殼302內(nèi)還安裝了一個含有一個氣體放電管的過電壓保護裝置334，這種氣體放電管的類型公開在于1980年7月8日授予Napiorkowski的美國專利4，212,047中。裝置334具有連接電話公司線路的螺紋端336、338和接地端340。電話公司的線路處在過電壓狀況下時，過電壓保護裝置保護用戶線路。
下面描述網(wǎng)絡中的界面設備300的接地。在安裝的同時將一接地件301裝入外套。接地件的接線柱307連接于同軸接地件303和音頻接地件305。這也為安裝在金屬凸緣309上的同軸連接器314和318提供接地。同軸接地件303連接于同軸分離器組件324，而音頻接地件305連接于連接過電壓保護裝置334的接地端340的音頻接地條311。如圖21所示，在安裝時把同軸接地件303直接連接到接地件301，從而省去了諸如在Schneider等人的美國專利5,394,466的圖1中所示的接地桿71的單獨的接地桿。對于接地同軸組件324而言，接地桿的省略簡化了外套300的結構，降低了成本，并使外套302內(nèi)的各元件的排列具有更強的靈活性。
圖23示出連接輸入和用戶同軸傳輸線的另一個實施例。一輸入同軸傳輸線350連接于安裝在印刷線路板354上的直角同軸連接器352。用戶同軸傳輸線356連接于也安裝在印刷線路板354上的另一個直角連接器358。串聯(lián)在輸入與用戶的同軸傳輸線中心導體之間的是一個最好是圖14所示類型的同軸傳輸線電涌放電器360。具有同軸連接器和同軸傳輸線電涌放電器的印刷線路板適合安裝在外殼302內(nèi)。同軸連接器和同軸傳輸線電涌放電器連接于接地件303。
圖24和25示出故障短路保護(fail short protection)的本發(fā)明同軸傳輸線氣體放電管的另一實施例。氣體放電管400包括一導電外殼402、絕緣端404和一軸向穿過外殼402內(nèi)部的中心導體406。RF信號軸向流過氣體放電管400。絕緣端404最好是由一陶瓷材料制成以密封外殼和在外殼內(nèi)的一種惰性氣體。絕緣端404與外殼402接觸的區(qū)域408最好被金屬化。絕緣端404與軸向?qū)w406接觸的區(qū)域410和412的區(qū)域最好也被金屬化。絕緣端404的區(qū)域408和412最好相對于絕緣端的其余部分凸起，以便金屬化加工。
如圖24所示，導電外殼402的一部分內(nèi)表面和中心導體406的一部分外表面最好是粗化處理過的，例如是螺紋或鋸齒形的，以便集中電場和提高氣體放電管操作的可靠性。此外，正如傳統(tǒng)的氣體放電管那樣，粗糙的表面最好涂覆一種低逸出功材料，以降低擊穿電壓和提高氣體放電管的放電性能。氣體放電發(fā)生在粗糙表面之間的區(qū)域“G”。區(qū)域“G”是有效放電區(qū)域。
除了在粗化處理過的表面上涂覆低逸出功材料之外，最好在靠近有效放電區(qū)域“G”的絕緣端404的內(nèi)表面上采用徑向石墨導管形式的“剝離層”。這種“剝離層”有助于激發(fā)電壓擊穿。
還是如圖24所示，圓筒形導電外殼402的內(nèi)表面與中心導體的外表面之間的距離在兩絕緣端之間的中心導體的長度上有變化。這種變化可采取與在前面結合圖14所描述的相同的形式。
如圖24和25所示，氣體放電管400具有一包括導體414和至少覆蓋一部分導體414的絕緣件416的故障短路機構。導體414與導電外殼402電氣接觸，而絕緣件416接觸中心導體406，從而通常可防止導體414與導體406的電氣接觸。此外，絕緣件416也可位于中心導體406。作為另一種替換，導體414可與中心導體406導電接觸而與外殼402絕緣。作為又一種替換，絕緣件416可覆蓋所有的導體414。絕緣件416由一種諸如熱塑材料的熱敏材料制成，最好是由諸如聚酯薄膜的聚酯材料或FEP制成。如果氣體放電管過熱，則絕緣體416熔化，使導體406與外殼402短路。在操作中把外殼接地。如圖25所示，導體414的形狀最好是彎曲的，并最好置于外殼402中的一環(huán)狀凹槽418內(nèi)。
圖26示出一類似于圖24所示的氣體放電管。圖26所示的裝置與圖24所示的裝置的不同之處在于，圖26所示的裝置同時包括一個故障短路的機構和一在與導體414接觸的那部分中心導體406的周圍套上一多孔熱敏絕緣套管430形式的備用空氣間隙。當導體406與外殼402之間的電壓超過一預定值時，就會在導體414與導體406之間，通過由絕緣套管430中的孔形成的空氣間隙而放電。多孔套管430可由諸如熱塑材料的熱敏材料制成，最好是諸如聚酯薄膜的聚酯材料或FEP聚酯材料制成。圖27是圖26所示裝置的側視圖，它示出了外殼402、導體414、導體406與多孔絕緣套管430之間的關系。
圖28示出一類似于圖26所示的氣體放電管，該兩個裝置都包括一故障短路的機構和一備用空氣間隙。在圖28中，多孔絕緣材料430呈環(huán)狀，并位于外殼402的內(nèi)側。它使導體414與外殼402絕緣。導體414與導體406電氣接觸。在過電壓狀況下，導體414與外殼402之間通過多孔絕緣體430中的孔而放電。圖29是圖28所示裝置的側視圖，它示出了外殼402、多孔絕緣體430、導體414和導體406之間的關系。
圖30揭示了一種在圖14中所揭示的類型的氣體放電管450。放電管450有一個軸向穿過管子的中心電極452。中心電極的一端與一陰同軸導體454嚙合，另一端與一陽同軸導體456嚙合。氣體放電管450的外周是一與氣體放電管的導體外殼接觸的導體套管458。同軸導體454和456安裝在套管458內(nèi)。在套管458還安裝一故障短路的裝置460，該故障短路的裝置460的結構最好與在圖25中所示的由導體414和熱敏絕緣體416組成的故障短路的裝置相同。正如圖25所示的故障短路的裝置，圖30所示的故障短路的裝置可具有(1)在中心導體上的熱敏絕緣體、(2)在彎曲導體的整個長度上延伸的熱敏絕緣體或(3)與中心導體電氣接觸并與套管458絕緣的彎曲導體。如圖30所示，故障短路的裝置460最好安裝在套管458內(nèi)的環(huán)狀凹槽中。
圖31和32示出本發(fā)明的同軸電涌放電器和可熔連桿。一絕緣鉸接的頂部500和底部502的外套含有一與同軸電涌放電器506電氣串聯(lián)的可熔連桿504。同軸電涌放電器可以是前述的類型，最好是由TII工業(yè)公司制造的E1105-1型?？扇圻B桿是具有一實心中心導體的同軸傳輸線的一段。同軸傳輸線最好是RG59/U，中心導體最好是直徑約為0.025英寸的22AWG實心銅。也可以采用由具有等同載流量的材料制成的實心中心導體。此外，雖然22AWG實心銅的中心導體是較佳的，但也可采用24AWG實心銅的中心導體或具有等同載流量的材料。另外，雖然可熔連桿最佳的是EG59/U同軸電纜，但也可采用其它的同軸電纜。形成同軸傳輸線的可熔連桿的長度可約在6至24英寸之間，較佳的是在約10至18英寸之間，最佳的約為12英寸。
可熔連桿由安裝在每一端上的同軸連接器508和510連接。這些連接器最好是F型的同軸連接器，并對于信號傳輸?shù)念l譜最好具有較低的插入損失(小于0.1dB)和較高的復原性(大于-30dB)。雖然F型是最好的，但其它類型的同軸連接器也可以采用。
一接地支座512安裝在外套內(nèi)，所示的一根接地線514穿入外套。輸入同軸傳輸線516可以是RG11/U型或RG6/U。用一合適的同軸連接器518把輸入同軸傳輸線516與可熔連桿504連接起來。輸出同軸傳輸線520也可采用RG6/U型或RG11/U型，并也可通過一合適的同軸連接器522連接于同軸電涌放電器。
圖33示出本發(fā)明的同軸電涌放電器/功率抽取器600組件的一個實施例。由同軸傳輸線(未示出)傳送的RF信號和AC功率通過一陰F型同軸連接器602輸入。RF信號通過一陽F型同軸連接器604輸出，而AC功率通過導體622輸出。雖然圖33所示的是F型同軸連接器，但也可采用其它類型的同軸連接器。
電涌放電器/功率抽取器600包括一導體外殼606，一具有導電體的同軸電涌放電器608位于該外殼606內(nèi)，同軸電涌放電器通過伸出自己的導電體610和612與導電外殼606保持電氣接觸。電涌放電器608最好是圖14和24至30所示類型的、具有前述故障短路的機構和一備用空氣間隙的同軸電涌放電器。同軸電涌放電器對于在傳送RF信號和AC功率的同軸傳輸線上可能發(fā)生的過電壓狀況進行保護。
電涌放電器/功率抽取器600還包括把EF信號與AC功率分開的線路，線路包括包含在導體外殼606內(nèi)的感應器614、電阻615和電容器616。感應器614、電阻615和電容器616連接于同軸電涌放電器608的輸出端。感應器614和并聯(lián)電阻615把同軸傳輸線傳送的AC功率抽取出來。AC功率在穿過一起絕緣體和RF屏蔽作用的鐵氧體感應器620的導體622離開導體外殼。電容器616抽取由同軸傳輸線傳送的RF信號。電容器616使同軸電涌放電器608的輸出端與同軸連接器604的中心導體電氣連接。電容器616最好安裝在絕緣體618上。
如上所述，感應器614、電阻615和電容器616的參數(shù)是這樣選擇的，即電容器616能夠通過RF信號，感應器614和電阻615能夠從在同軸傳輸線上傳送的組合在一起的RF信號/AC功率中抽取AC功率。例如，對于一5MHz的RF頻率和3.0ohms的容抗，電容器616的參數(shù)用公式Xc＝1/2πfC計算。因此，3.0＝1/2π×5×106C和C＝1.061×10-8或約為0.01μf。頻率越高，容抗越低。類似地，如果在5MHz感抗為60ohms，那么用公式XL＝2πfL，L的數(shù)值是60/2π×5×106或約為2.0μH。
在例子中，在5MHz時的容抗是3.0ohms，感抗是60ohms。因此，在5MHz時的容抗與感抗之比是20比1。根據(jù)本發(fā)明，在5MHz時的容抗與感抗之比應該至少是20比1，較好的至少是40比1，更好的是60比1，還要好的至少是80比1。感應值應該這樣選擇，即抽取的AC功率中的RF信號含量小于負40dB，較佳的是小負60dB，更佳的是小于負80dB。
實際上，需要調(diào)整電容和感應值以達到最佳結果。同樣，也需要如上所述調(diào)整同軸電涌放電器的阻抗，以確保電涌放電器/功率抽取器組件的阻抗與同軸傳輸線的阻抗匹配。電容值可以在0.005μf至0.1μf的范圍，較佳的是在0.005μf至0.05μf的范圍，更佳的是在0.005μf至0.01μf范圍。感應值可以在0.5μH至50μH的范圍，較佳的是在1.0μH至10μH的范圍。電阻值可以在100至1000ohms的范圍，較佳的是在200至500ohms的范圍。用4.7μH的感應、360ohms的電阻和0.01μF的電容可以獲得滿意的結果。
如圖33所示，在同軸電涌放電器的輸入側設置在一故障安全機構624。這種故障安全機構可采用圖24至27所示的形式以及如圖24至27的一部分說明中所描述的替代品。同軸電涌放電器也可包括如在圖26和27以及上面所描述的備用空氣間隙。
應予理解的是，本領域的技術人員完全有可能在本發(fā)明的原理和范圍之內(nèi)還可以對為了說明本發(fā)明的特征而描述和圖示的細節(jié)、材料、零部件的布置和工作條件作出種種改變和變化。
權利要求
1.一種同軸電涌放電器和功率抽取器組合的設備，用來對傳送RF信號和AC功率的同軸傳輸線提供過電壓保護，并從同軸傳輸線中抽取AC功率，該設備包括(a)一包括具有輸入端和輸出端的氣體放電管的同軸電涌放電器，氣體放電管的輸入端與同軸傳輸線的中心導體相連，氣體放電管包括(1)一空心的導電體，(2)適用于密封導電體的絕緣端，(3)密封在導電體內(nèi)的惰性氣體，(4)穿過導電體的中心導體，所述導體的縱向軸線與信號傳輸方向平行，以及(5)在使得電涌放電器的阻抗與同軸傳輸線的阻抗匹配的絕緣端之間的至少一部分中心導體的直徑是變化的；(b)一連接于氣體放電管輸出端、能使AC功率通過，而RF信號不能通過的感應器；(c)一連接于氣體放電管輸出端、能使RF信號通過，而AC功率不能通過的電容器。
2.如權利要求1所述的設備，其特征在于，電涌放電器還包括一如果電涌放電器過熱的話會使同軸傳輸線的中心導體接地的故障短路的機構。
3.如權利要求1所述的設備，其特征在于，電涌放電器還包括一備用空氣間隙，如果氣體放電管泄漏，備用空氣間隙充許在過壓電的狀況下在同軸傳輸線的中心導體與接地之間放電。
4.如權利要求1所述的設備，其特征在于，還包括一含有電涌放電器、感應器和電容器的導體外殼，氣體放電管與導體外殼電氣接觸。
5.如權利要求4所述的設備，其特征在于，還至少包括一個位于導體外殼并連接于同軸傳輸線的同軸連接器。
6.如權利要求1所述的設備，其特征在于，中心導體的外表面和空心導體的內(nèi)表面相對于中心導體的縱向軸線對稱。
7.如權利要求6所述的設備，其特征在于，導體外殼的內(nèi)徑D與中心導體的外徑d之比沿使得電涌放電器的阻抗與同軸傳輸線的阻抗匹配的絕緣端之間的至少一部分中心導體變化。
全文摘要
一種同軸電涌放電器和功率抽取器組合的設備,用來對同時傳送RF信號和AC功率的同軸傳輸線提供保護,并從同軸傳輸線中抽取AC功率。電涌放電器包括一具有中心導體和導電體的同軸氣體放電管。設備包括一抽取AC功率的感應器,該感應器在RF信號的頻率具有較高的電抗,在AC功率的頻率具有較低的電抗,以及一個使RF信號通過的電容器,該電容器在RF信號具有較低的電抗,在AC功率頻率具有較高的電抗。
文檔編號H01R13/646GK1182299SQ97122508
公開日1998年5月20日 申請日期1997年11月4日 優(yōu)先權日1996年11月4日
發(fā)明者尼薩·A·喬德里, 羅伯特·J·坎內(nèi)蒂 申請人:Tii工業(yè)股份有限公司