Schutzschaltung zum eingangsseitigen Schutz eines im Höchstfrequenzbereich arbeitenden elektronischen Gerätes

In der drahtlosen Kommunikation, bei Radaranlagen oder anderen bei Höchstfrequenzen arbeitenden Empfangseinrichtungen, die üblicherweise mit ihrem Eingang an eine Antenne angekoppelt sind, können gewollt oder ungewollt Störimpulse oder Frequenzbursts hoher Leistung und mit steilen Anstiegsflanken auf den Eingang des Gerätes einkoppeln, die fre- quenzmässig in den Arbeitsfrequenzbereich des Gerätes fallen und dort vorübergehend oder dauerhaft in den empfindlichen Eingangsstufen oder darüber hinaus Schaden anrichten.

Es ist deshalb in der Vergangenheit verschiedentlich vorgeschlagen worden, derartige Gerä- teeingänge durch dem Eingang vorgelagerte Schutzschaltungen zu schützen, die derartige schnelle Störimpulse hoher Leistung sicher begrenzen bzw. dämpfen, ohne die Einspeisung der Nutzsignale in den Geräteeingang merklich zu behindern. Dabei werden häufig mehrere

Begrenzerschaltungen, die einen Grob- und einen Feinbereich der Störleistung abdecken, hintereinander geschaltet, wobei für den Grobbereich beispielsweise Gasentladungsstrecken und für den Feinbereich begrenzende Halbleiterbauelemente zum Einsatz kommen.

Aus der GH-A5-654 149 ist beispielsweise eine Schutzschaltung gegen NEMPs bekannt, bei der als Grobschutzmittel eine Gaszelle und als Feinschutzmittel ein Varistor über ein frequenzselektives Verzögerungsglied hintereinander geschaltet sind.

Aus der DE-Al -34 25 296 ist eine Schutzvorrichtung für elektronische Geräte bekannt, bei der eine Grobschutzeinrichtung mit Gasentladungsstrecke und eine mit Halbleiterelementen arbeitende Feinschutzeinrichtrung in getrennten Gehäusen untergebracht und über ein längeres Verbindungskabel miteinander verbunden sind. Eine vergleichbare Lösung ist auch aus der DE-Al-36 26 800 bekannt.

BEStöTfGUNGSKDPlE

In der DE-Al -39 07 199 ist ein überspannungsschutzgerät für Koaxialkabel offenbart, bei dem für den Crobschutz ein Dreielektrodenableiter und für den Feinschutz eine Kombination aus Schaltdioden und Begrenzerdioden eingesetzt wird. Der Dreielektrodenableiter ist in eine Leiterplatte eingesetzt, auf der auch die anderen Schaltungselemente angeordnet sind. Die stirnseitigen Elektroden des Dreielektrodenableiters sind mit dem Innen- bzw. Aussenlei- ter des Koaxialkabels verbunden, während die mittige Elektrode mit einer separaten Erdleitung verbunden ist.

Aus der EP-Al-O 855 758 ist eine Schaltungsanordnung zum Schutz von HF-Eingangskreisen von Telekommunikationsgeräten bekannt, bei der hinter einem Gaskapsel-Ableiter oder einer Lambda/4-Kurzschlussleitung eine Feinschutzschaltung mit einem Varistor und einer Begrenzerdiode vorgesehen ist.

Schliesslich ist es seit langem bekannt, für die Begrenzung von Störimpulsen am Eingang von im Höchstfrequenzbereich arbeitenden Geräten PIN-Dioden einzusetzen, die sich durch sehr kleine interne Kapazitäten und kurze Ansprechzeiten auszeichnen (siehe z.B. die US-A- 5,345, 199 oder die WO-Al -2006/1 24104).

Andere Schutzmethoden beziehen sich auf eine schnelle aktive Regelung eines Begrenzungselements im Eingang des Gerätes (US-AI -2006/0293020).

Die bekannten Schutzschaltungen und Schutzmethoden reichen nicht aus, um bei Störimpulsen sehr hoher Leistung, wie sie z.B. von gepulsten Radargeräten oder speziellen Störim- pulserzeugern ausgesendet werden, zuverlässige zu begrenzen bzw. zu dämpfen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schutzschaltung anzugeben, welche die Nachteile bekannter Schutzschaltungen vermeidet und sich durch einen einfachen, kompakten und ro-

busten Aufbau sowie eine sichere Begrenzung schneller und besonders leistungsstarker Störimpulse im Höchstfrequenzband auszeichnet.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist eine am Eingang der Schutzschaltung angeordnete Begrenzerschaltung für den Crobleistungsbereich, die zwei parallel geschaltete Gasentladungsröhren umfasst, die auf eine spezielle Weise parallel geschaltet sind. Durch die zwei in Parallelschaltung hintereinander angeordneten, vorzugsweise gleichartigen Gasentladungsröhren lässt sich die Isolation gegenüber Störleistungen am Eingang mit einfachsten Mitteln und bei sehr kompaktem Aufbau um eine Grössenordnung (ungefähr den Faktor 10) verbessern.

Für eine optimale Begrenzung ist es von Vorteil, wenn die beiden Gasentladungsröhren hinsichtlich ihrer Zündung möglichst eng miteinander verkopppelt sind. Dies wird gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, dass die beiden Gasentladungsröhren einen gemeinsamen Gasraum aufweisen.

Besonders günstig ist es, wenn die beiden Gasentladungsröhren baulich in einer Gaskapsel vereinigt sind, welche einen zylindrischen Gasraum mit zwei einander gegenüberliegenden, stirnseitigen Elektroden und einer in der Mitte zwischen den beiden stirnseitigen Elektroden angeordneten mittleren Elektrode umfasst, wobei die stirnseitigen Elektroden jeweils eine Elektrode der beiden Gasentladungsröhren bilden, und die mittlere Elektrode die andere Elektrode der beiden Gasentladungsröhren bildet. Hierdurch ist es möglich, dass beim Durchzünden der einen Gasentladungsröhre die (benachbarte) andere Gasentladungsröhre aufgrund des im Gasraum entstehenden Plasmas ebenfalls vergleichsweise schnell durchzündet.

Zwischen den stirnseitigen Elektroden der Caskapsel ist zur Weiterleitung der Nutzsignale vorzugsweise eine überbrückungsschaltung angeordnet, die als T-Clied mit zwei Induktivitäten und einer Kapazität ausgebildet ist.

Die Kopplung zwischen beiden Gasentladungsröhren wird weiter verbessert, wenn sich die stirnseitigen Elektroden in axialer Richtung soweit in den Casraum hinein erstrecken, dass ihre Enden in radialer Richtung gesehen von der mittleren Elektrode überdeckt werden. Hierdurch sind die Entladungsstrecken beider Röhren- bzw. Elektrodensysteme unmittelbar benachbart und beeinflussen sich gegenseitig besonders intensiv.

Damit die Nähe der beiden Gasentladungsröhren nicht zu einem unerwünschten elektro- magnetischen Kopplung zwischen Eingang und Ausgang der Begrenzerschaltung führt, sind vorzugsweise Mittel vorgesehen, welche die beiden Gasentladungsröhren elektromagnetisch entkoppeln.

Insbesondere ist zur elektromagnetischen Entkopplung der beiden Gasentladungsröhren die Gaskapsel mit ihrer Zylinderachse im wesentlichen senkrecht zur Ebene in eine elektrisch leitende ebene Platte eingebaut, derart, dass die Platte zwischen den stirnseitigen Elektroden der Gaskapsel liegt. Die Platte hat dann eine Abschirmwirkung.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiterbauelemente zum Begrenzen kleinerer Störleistungen PIN-Dioden eingesetzt werden, wobei die PIN-Dioden vorzugsweise paarweise antiparallel geschaltet sind.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass hinter der zweiten Begrenzerschaltung eine dritte Begrenzerschaltung angeordnet ist, welche ebenfalls Halbleiterbauelemente umfasst, dass in der zweiten und dritten Begrenzerschaltung jeweils PIN- Dioden als Halbleiterbaulemente paarweise antiparallel geschaltet sind, und dass die PIN-

Dioden der dritten Begrenzerschaltung eine geringere Leistung aufweisen und schneller ansprechen als die PIN-Dioden der zweiten Begrenzerschaltung. Mit der dritten Begrenzerschaltung wird die Ansprechverzögerung der Schutzschaltung noch weiter verringert. Zugleich wird der Begrenzungsbereich zu kleineren Leistungen hin erweitert.

Um einen kompakten Aufbau und eine gute Wärmeabfuhr von den Begrenzerelementen zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die PIN-Dioden als unverpackte Halbleiterchips direkt auf einem dünnen Keramiksubstrat angeordnet sind, welches zur Wärmeabfuhr flächig auf eine Kühlplatte aufgebracht ist.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen den Be- grenzerschaltungen sowie zwischen der letzten Begrenzerschaltung und dem Ausgang zum Sicherstellen des Ansprechens der Begrenzerschaltungen jeweils eine Entkopplungsschaltung angeordnet ist, wobei insbesondere die zwischen der ersten und zweiten Begrenzerschaltung angeordnete Entkopplungsschaltung eine Serieschaltung aus einer Kapazität und einer Transmissionsleitung umfasst, und die Entkopplungsschaltungen vor und hinter der dritten Begrenzerschaltung jeweils eine Transmissionsleitung umfassen.

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

Fig. 1 in zwei Teilfiguren ein Blockschaltbild einer Schutzschaltung gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (Fig. I a) und die Anordnung der Schutzschaltung aus Fig. 1 a vor einem zu schützenden Gerät (Fig. 1 b);

Fig. 2 den internen Aufbau der ersten Begrenzerschaltung aus Fig. I a mit einer

Caskapsel mit Mittelelektrode als begrenzendem Element;

Fig. 3 die Schaltung der beiden anderen Begrenzerschaltungen aus Fig. I a mit jeweils einem Paar antiparalleler PIN-Dioden als begrenzenden Elementen;

Fig. 4 in zwei Teilfiguren den Aufbau der Entkopplungsschaltung zwischen den ersten beiden Begrenzerschaltungen (Fig. 4a) und der Entkopplungsschal- tungen vor und hinter der dritten Begrenzerschaltung (Fig. 4b);

Fig. 5 den inneren Aufbau einer bevorzugten Caskapsel mit in den Bereich der

Mittelelektrode hineinreichenden Stirnelektroden;

Fig. 6 eine bevorzugten Schaltungsaufbau für die Schutzschaltung nach Fig. 1 bis 4;

Fig. 7 ein beispielhaftes Diagramm der Leistungsbegrenzung durch eine Gasentladungsröhre;

Fig. 8 ein beispielhaftes Diagramm der Leistungsbegrenzung durch zwei parallel hintereinander angeordnete Gasentladungsröhren; und

Fig. 9 ein beispielhaftes Diagramm der Leistungsbegrenzung durch die Schutz- Schaltung gemäss Fig. I a.

Fig. 1 zeigt in zwei Teilfiguren ein Blockschaltbild einer Schutzschaltung gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (Fig. 1 a) und die Anordnung der Schutzschaltung aus Fig. 1 a vor einem zu schützenden Gerät (Fig. I b). Die Schutzschaltung 10 des Ausführungsbeispiels hat einen Eingang 1 1 und einen Ausgang 18, die als koaxiale Steckverbindungen ausgebil- det sein können. Der Eingang 1 1 kann beispielsweise ein Verbinder vom Typ N sein, der Ausgang 18 vom Typ SMA. Derartige Steckverbinder für Frequenzen im GHz-Bereich werden beispielsweise von der Anmelderin angeboten.

Zwischen dem Eingang 1 1 und dem Ausgang 18 sind hintereinander drei Begrenzerschaltung 1 2, 14 und 16 angeordnet und durch Entkopplungsschaltungen 1 3, 1 5 und 1 7 untereinander bzw. mit dem Ausgang 18 verbunden. Die Entkopplungsschaltungen 13, 15 und 1 7 sorgen dafür, dass beim Durchschalten der am schnellsten reagierenden dritten Begrenz- erschaltung genügend Spannung abfällt, um daran anschliessend die zweite Begrenzerschaltung 14 bzw. die erste Begrenzerschaltung 12 zu aktivieren.

Die Begrenzerschaltungen 12, 14 und 16 sind hinsichtlich ihres Leistungsbereiches und ihrer Ansprechzeit abgestuft, wobei die erste Begrenzerschaltung 1 2 den höchsten Leistungsbereich und die langsamste Ansprechzeit aufweist, während die dritte Begrenzerschal- tung 16 durch den kleinsten Leistungsbereich und die schnellste Ansprechzeit ausgezeichnet ist. Die dritte Begrenzerschaltung 1 6 erweitert damit den Schutzbereich des Gerätes (30 in Fig. I b) hin zu kleineren Leistungen und schnelleren Anstiegsflanken und verbessert damit die Wirkung der Schutzschaltung, unabhängig von der tatsächlichen Ausgestaltung der ersten Begrenzerschaltung 12. Die Schutzschaltung 10 wird gemäss Fig. I b vor den Eingang 31 des zu schützenden elektronischen Gerätes 30 geschaltet und schützt so das Gerät vor überlastung durch schnelle und leistungsstarke Störimpulse.

Würde in der ersten Begrenzerschaltung 12 nur eine einfache typische Gasentladungsröhre der herkömmlichen Bauart eingesetzt, ergäbe sich ein Zusammenhang zwischen der am Eingang 1 1 anstehenden Eingangsleistung (Input Power) zu der am Ausgang 18 erschei- nenden Ausgangsleistung (Output Power), wie er im Diagramm der Fig. 7 dargestellt ist. Die Ausgangsleistung wächst mit der Eingangsleistung linear mit der Steigung I ₁ bis bei etwa 60 Watt die Gasentladungsröhre zündet und die Ausgangsleistung auf weniger als 10 Watt begrenzt. Bei weiter steigender Eingangsleistung steigt dann auch die Ausgangsleistung wieder an, so dass bei Eingangsleistungen von mehreren 1000 Watt, wie sie in Extremfällen vorkommen können, der Schutz des Gerätes 30 nicht mehr gewährleistet ist.

Es hat sich nun überraschenderweise herausgestellt, dass eine einfache Parallelschaltung zweier Gasentladungsröhren (CDTl und CDT2 in Fig. I a) in der ersten Begrenzerschaltung 12 einen Schutz gegen l Ofach höhere Eingangsleistungen bewirken, wenn die beiden Gasentladungsröhren in ihrem Zündverhalten genügend eng miteinander verkoppelt sind. Es ergibt sich dann ein Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsleistung, wie er im Diagramm der Fig. 8 wiedergegeben ist, d.h. selbst Eingangsleistungen von 3000 Watt und mehr werden zuverlässig auf Ausgangsleistungen von etwa 30 Watt begrenzt, bevor die Ausgangsleistung wieder mit der Eingangsleistung ansteigt.

Um auf einfache Weise eine enge Kopplung zwischen den parallel hintereinander angeord- neten beiden Gasentladungsröhren (Gas Discharge Tubes GDT) zu erreichen, wird gemäss Fig. 2 und Fig. 5 eine keramische 3-Elektroden-Gasentladungsröhre (Gaskapsel 19) verwendet und so verschaltet, dass die beiden stimseitigen Elektroden 20, 22 jeweils eine Elektrode der beiden Gasentladungsröhren GDTl , GDT2 bilden, und die mittlere Elektrode 21 die andere Elektrode der beiden Gasentladungsröhren GDTl , GDT2 bildet. Bevorzugt wird dabei der in Fig. 5 dargestellte Typ von Gaskapsel 19 eingesetzt, bei dem die stimseitigen Elektroden 20 und 22 in axialer Richtung soweit in das Innere des Gasraums 23 hineinrauchen, dass sie von der (ringförmigen) mittleren Elektrode 21 in radialer Richtung an den Enden überdeckt werden. Hierdurch ergibt sich eine sehr enge Kopplung zwischen den Entladungsstrecken der Elektrodenpaare 20, 21 bzw. 22, 23, die dazu führt, dass die Zündung der hin- teren Gasentladungsröhre GDT2 durch die bereits gezündete erste Gasentladungsröhre GDTl getriggert wird und mit nur geringer zeitlicher Verzögerung erfolgt.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist die 3-Elektroden-Gaskapsel 19 so in die Schutzschaltung 10 eingebaut, dass die zwischen den beiden stirnseitigen Elektroden 20, 22 gebildete Strecke den Innenleiter der Schutzschaltung 10 unterbricht, während die mittlere Elektrode 21 an Masse liegt. Zur überbrückung des Unterbruchs ist eine überbrückungsschaltung zwischen den stirnseitigen Elektroden 20 und 22 angeordnet, die als T-Glied mit zwei Induktivitäten

L2 und L3 und einer Kapazität C2 ausgebildet ist. Hochfrequenztechnisch spielen weiterhin die Kapazitäten Cl und C3 der Entladungsstrecken der Caskapsel 19 sowie die Induktivitäten Ll und L4 der Zuleitungen zu den stirnseitigen Elektroden 20 und 22 eine Rolle.

Die zweite und dritte Begrenzerschaltung 14 bzw. 16 hat den in Fig. 3 wiedergegebenen Aufbau: In ihnen sind jeweils zwei gleichartige PIN-Dioden Dl ₁ D2 (bzw. D3, D4 in Fig. 6) antiparallel geschaltet. Als PIN-Dioden können beispielsweise Clas-passivierte Chips der Firmen Tyco oder M/A-Com verwendet werden. Hochfrequenztechnisch von Bedeutung sind dabei noch die Induktivitäten L5, L6 und L7 der Zuleitungen, die massgeblich durch die in Fig. 6 erkennbaren Bondrähte 27 der PIN-Dioden-Chips bestimmt werden. Die zwischen den Begrenzerschaltungen 12, 14 und 1 6 und nach der Begrenzerschaltung 16 vorgesehenen Entkopplungsschaltungen 13, 1 5 und 17 haben den in Fig. 4a und b gezeigten inneren Aufbau: Die Begrenzerschaltung 13 umfasst eine Serieschaltung aus einer Kapazität C4 und einer Transmissionsleitung Tl , die Begrenzerschaltungen 1 5 und 17 enthalten jeweils eine Transmissionsleitung T2.

Da die Schutzschaltung 10 für den GHz-Bereich ausgelegt sein und im Störfall erhebliche Leistungen verarbeiten muss, kommt dem Aufbau der Begrenzerschaltungen 1 2, 14 und 16 eine erhebliche Bedeutung zu. In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines entsprechenden Schaltungsaufbaus 24 in vereinfachter Form dargestellt. Der Schaltungsaufbau umfasst eine vorzugsweise metallische Kühlplatte 26 mit guter thermischer Leitfähigkeit und grosser Wärmekapazität, welche die anfallende Wärme aufnehmen und ableiten kann. Auf der O- berseite der Kühlplatte 26 ist eine Leiterplatte 25 angeordnet, die zur Verdrahtung der Schaltung dient. Die Leiterplatte 25 weist eine Aussparung 32 auf, die eine Teilfläche der Oberfläche der Kühlplatte 26 frei lässt. In der Aussparung 32 sind in enger thermischer Kopplung zur Kühlplatte 26 dünne, elektrisch isolierende Keramiksubstrate 28, 29 angeord- net, auf deren Oberfläche die PIN-Dioden-Paare Dl , D2 und D3, D4 der Begrenzerschaltungen 14 und 16 in Form von unverpackten Halbleiterchips untergebracht sind. Die in Fig. 6

gezeigten Crössenverhältnisse der Chips sind dabei aus Gründen der besseren Sichtbarkeit übertrieben dargestellt. Die PIN-Dioden D1 ,..,D4 sind an der unteren Seite auf die Keramiksubstrate 28, 29 aufgeklebt oder aufgelötet. Die Bondpads auf den Oberseiten sind mittels Bonddrähten 27 mit entsprechenden Leiterbahnen auf der Leiterplatte 25 verbunden.

Für die Caskapsel 19 ist eine besondere Art des Einbaus vorgesehen: In der Kühlplatte 26 und der Leiterplatte 25 sind übereinanderliegend entsprechende öffnungen freigelassen, durch die die zylindrische Caskapsel 19 mit ihrer Zylinderachse senkrecht zur Plattenebene gesteckt werden kann. Die mittlere Elektrode befindet sich dabei in etwa auf der Höhe der Leiterplatte 25 und kann über einen sehr kurzen Weg geerdet werden. Die metallische Kühl- platte 26 stellt in dieser Konfiguration eine Abschirmung dar, welche die elektromagnetische Kopplung zwischen den Elektrodenstrecken 20, 21 und 22, 21 verringert oder ganz unterdrückt und so ein unerwünschtes übersprechen vom Eingang zum Ausgang der Gaskapsel 1 9 unterdrückt.

Mit der Schutzschaltung 10 gemäss Fig. 1 bis 6 ergibt sich eine erheblich erweiterte Schutz- Wirkung für das Gerät 30, die durch das in Fig. 9 gezeigte Diagramm verdeutlicht wird, das in doppelt-logarithmischer Auftragung den Zusammenhang zwischen Eingangsleistungs- Pegel und Ausgangsleistungs-Pegel (in Dezibel, bezogen auf 1 mW) wiedergibt.

BEZUCSZEICHEN

10 Schutzschaltung

1 1 Eingang

1 2,14,1 6 Begrenzerschaltung

1 3,1 51 7 Entkopplungschaltung

18 Ausgang

19 Gaskapsel

2O....22 Elektrode (Caskapsel)

23 Casraum

24 Schaltungsaufbau

25 Leiterplatte

26 Kühlplatte

27 Bonddraht

28,29 Keramiksubstrat

30 elektronisches Gerät

31 Eingang

32 Aussparung

C1....C4 Kapazität

D1 ....D4 PIN-Diode

CDTl , C DT2 Gasentladungsröhre

L1....L7 Induktivität

T1.T2 Transmissionsleitung