同轴传输线电涌放电器的制作方法

专利名称：同轴传输线电涌放电器的制作方法
与此有关的申请此申请是在1994年2月7日申请的、编号为08/192,343的申请的部分继续申请。
背景技术：
1.发明领域本发明涉及电涌放电器，尤其涉及用于同轴传输线的气体放电管电涌放电器。
2.已有技术为了使电话线免遭由于如闪电或高压线落下来而引起的过压情况，多年来发展了多种气体放电管电涌放电器。这种传统的电涌放电器虽然适用于电话线，但不适用于具有特殊性能和要求的同轴传输线。然而，人们还是做了一些尝试来提供可以用于同轴传输线的气体放电管电涌放电器。
于1985年10月1日授权的Kawanami的美国专利(Kawanami’984)公开了一种用于同轴传输线的气体放电管电涌放电器。根据Kawanami’984的专利，传统的气体放电管虽然能用作电话线的电涌放电器，但不能用于高频同轴传输线，因为，(1)气体放电管的电容量相当大，(2)所需放电管的连接的性质会使同轴传输线的阻抗有很大的变化，从而在传输线中造成反射。根据Kawanami’984的专利，以前是没有能用在高频同轴传输线的电涌放电器(第1栏第57行至第2栏第4行)的。
Kawanami’984的专利公开了一种电涌放电器，该电涌放电器在与信号传输垂直的方向上把一气体放电管连接在同轴传输线的内外导体之间。通过减少内导体的有效横截面面积而使由于在同轴传输线中使用气体放电管而引起的、不希望有的电容的增加得到补偿，减少横截面的办法是在气体放电管与内导体接触处去掉一部分中心导体以形成气体放电管置于其上的平面。
在1985年4月2日授权的Kawanami的美国专利4,509,090(Kawanami’090)也说明了为什么传统的气体放电管不能成功地在同轴传输线中用作电涌放电器，同时公开了与在Kawanami’984专利中所公开的相同类型的结构，即，在垂直于信号传输方向的方向把气体放电管连接在同轴传输线的内外导体之间的装置。在图7中，Kawanami’090专利提供了有关在中心导体接触气体放电管处减少中心导体的有效横截面面积的作用的信息，证明1或2mm的数量级的小尺寸的改变对电压驻波比(VSWR)有显著的影响。
在1986年12月30日授权的Mickelson的美国专利4,633,359也公开了一同轴传输线的电涌放电器，在该电涌放电器中，气体放电管在垂直于信号传输方向的方向连接在传输线的内外导体之间。Mickelson认为它的装置的优点是制造方便而成本低。同Kawanami’090和’984专利一样，Mickelson使用的是在气体放电管接触中心导体处被弄平的中心导体。此平面除用作气体管的管座之外，可调整中心导体的电感，以补偿气体管的分布电容。并在邻近平面处设置槽以使电涌放电器的阻抗与传输线的阻抗匹配。众所周知，当使用匹配的阻抗时，功率的传递能达到最大。
本发明提供一种新的改进的同轴传输线的电涌放电器，在该电涌放电器中，气体放电管的轴线平行于信号传输方向，而不象已有技术所公开的那样垂直于信号传输方向，而且RF信号经过气体放电管。本发明的同轴电涌放电器相当小，以致能用在现有的同轴连接器中，或与现有的同轴连接器形成一体。此外，本发明的装置制造简单、方便，因而成本低。同时，本发明可以对由于在同轴传输线中使用的气体放电管而引入的不希望有的电容进行补偿，此外还可以使电涌放电器的阻抗与同轴传输线的阻抗匹配，以提供一种有效频率范围从50MHz到至少1GHz的电涌放电器。
因此，本发明的目的之一的是提供一种同轴电涌放电器，该电涌放电器的特性阻抗类似于同轴传输线。
本发明的目的之二是提供一种同轴的电涌放电器，该电涌放电器可以对由于在同轴传输线中使用气体放电管而引入的不希望有的电容进行补偿。
本发明的目的之三是提供一种同轴的电涌放电器，这种电涌放电器可安装在传统的同轴电缆部件中，而且可方便地安装在现有的同轴传输线中。
本发明的目的之四是提供一种适用于同轴电涌放电器的气体放电管。
本发明的目的之五是提供一种同轴电涌放电器，在这种电涌放电器中，FR信号经过气体放电管。
本发明的目的之六是提供一种结构经济的同轴电涌放电器，这种电涌放电器具有故障安全保护，当气体放电管过热时，会使通讯线短路至地面，从而保护电涌放电器连接于其上的设备。
本发明的最后一个目的是提供一种同轴电涌放电器，这种电涌放电器具有电流限制和/或低压保护功能。
发明概要依据本发明原理制成的同轴传输线电涌放电器包括一空心导电体，其上安装有同轴连接器。气体放电管放在导电体中，或者与导电体形成一体。RF信号通过气体放电管。气体放电管包括一由其绝缘端部密封的空心导电外壳，密封外壳内有惰性气体。一中心导体在信号传输方向轴向延伸过导电外壳。绝缘端可以是陶瓷的，与导电外壳和中心导体接触的陶瓷端部分可金属化。导电外壳的至少一部分内表面和中心导体的至少一部分外表面是粗糙的，以集中电场，使气体放电管得以可靠运行。通过沿中心导体的长度改变导电外壳的内径与中心导体的外径之比，以及改变装置的有效气体放电区域的长度，可使同轴电涌放电器的阻抗与同轴传输线的阻抗相匹配。气体放电管可装配一个采用热敏电绝缘材料的故障安全保护机构，如果气体放电管过热，则该故障安全保护机构使传输线接地。此外，本发明的同轴电涌放电器还可设置电流限制和/或低压保护。
在说明书结尾的权利要求书中特别指出了发明人所认为的本发明的主题，参阅下面结合附图的描述，可更好地理解本发明以及本发明的工作方法和各种优点，附图中，相同的零部件用相同的编号表示。
附图简要说明为了更彻底地理解本发明，下面结合附图、通过非限制性的实施例描述本发明，其中

图1是根据本发明的原理制成的气体放电管的一实施例的纵向剖视图；图2是图1所示装置的端视图；图3是去掉盖子后的气体放电管的部分剖开的的俯视图，该气体放电管插在其上固定一对同轴连接器的外壳中；图4是部分剖开的外壳侧视图，示出了设置在外壳中的气体放电管；图5是一接地夹的立体图；图6是用来把气体放电管固定在外壳内的安装夹的立体图；图7是用在气体放电管与安装夹之间的热敏绝缘体的立体示意图；图8是根据本发明的原理制成的气体放电管的另一实施例的纵向剖视图；图9是图8所示装置的端视图；图10是图8所示的气体放电管去掉盖子后的、部分剖开的俯视图，该气体放电管安装在外壳中；
图11是图10中所示装置的部分剖开的示意图；图12是另一外壳去掉盖子的俯视图，连接器在外壳的不同表面上；图13是图12所示的外壳的端视图；图14是本发明气体放电管的再一个实施例的的剖视图；图15A是使用本发明气体放电管的一印刷线路板同轴连接器的侧视图；图15B和15C是图15A的两个不同的同轴连接器的剖视图；图16A是应用本发明气体放电管的轴向连接的同轴连接器的侧视图；图16B是图16A的同轴连接器的剖视图；图17A是应用本发明的气体放电管的直角式同轴连接器的侧视图；图17B是图17A的同轴连接器的剖视图；图18是按本发明的一同轴电涌放电器的示意图，图中有电流限制和低压保护部分；图19是带有一采用本发明气体放电管的公同轴连接器的同轴电缆的剖视图；以及图20是具有形成一体的电涌放电器的母同轴连接器的剖视图。
较佳实施例的描述下面参阅图1和2。图中示出根据本发明的原理制成的一气体放电管1。它有一圆筒形的、由导电材料制成的细长空心外套12。其内圆周壁14最好是粗糙的，以便使性能更可靠，在图1中此粗糙用螺纹状的锯齿表示，这种粗糙圆周壁能集中放电间隙中的电场。一细长的导电电极16从外套12的一端18延伸到另一端20。
电极16具有朝外的延伸部分22和24，这两个延伸部分伸出外套12的端部18和20，并设置在插入外套12的端部18和20的陶瓷(绝缘体)密封件28和30的孔26中。凸缘32和34设置在外套12内紧贴着端部18和20，以使密封件28和30精确地在其中定位。电极16的外圆周也是粗糙的，它在图1中用锯齿线表示，以提供气体放电管的可靠放电(discharge)。一旦上述的气体放电管的零部件被组装起来，装置以传统的方式放电，从而将气体36密封在外套12中。所用的气体36为惰性气体就是在传统过压导通管中所用的那种类型。
图3示出一导电外壳38，气体放电管10以一将在下面说明的方法放入其中。外壳38包括有螺纹的输入和输出连接器40和42，本发明的输入、输出连接器40和42适用于连接传统的F型螺纹同轴连接器44和46，当然也可采用其他传统的同轴线连接器例如BNC连接器。同轴线连接器在信号传递方向对齐。各公连接器包括有一螺纹的外管48和一绝缘体50，绝缘体50的中心有一个插入夹子54的插孔部52的导体51，夹子54在图6中详细示出。
夹子54有一个第二插孔部56，在插孔部56中可容纳和可卸出地固定气体放电管10的延伸部22和24。夹子54还有多个指形条58、60、62和64，这些指形条是弯曲的，它们用来容纳气体放电管10。
为了保证气体放电管10的导电电极16的绝缘，使它不会与夹子54导电接触，在夹子54的基部68中放置一FEP热敏材料，该热敏材料延伸在指形条58、60、62和64上，以防止夹子与气体放电管10的金属外套12的导电接触。
图7示出FEP绝缘体66的结构。在绝缘体66中有两个孔70和72，使接地夹(ground clip)78的指形条74和76(如图5所示)可与外套12的金属导电表面导电接触。以一传统的方法把接地夹78连接于导电外壳38，从而使接地夹78与导电外壳38和连接器40和42的接地部分导电连接，当连接器44和46也固定其上时就完成了系统的接地完整性。
图8和9示出了气体放电管80的另一实施例，该气体放电管80包括一最好由三个部分制成的细长空心外套82。外套82包括一最好由绝缘材料(陶瓷)制成的第一部分84，一般称为接地端的在中心的第二导电部分86和与第一部分84相同的第三部分88。每一段都为空心的管状。导电部分86的内表面90也可是粗糙的，以使气体放电管的性能以类似于图1所述的方式达到更可靠的情况。
位于外套82的空心开口92中心的是由三部分组成的导电电极94。第一和第三部分96和98具有相同的结构，并通过一由第二部分形成的导电桥接销100而连接在一起。因此，通过桥接销100，从第一端102到另一端104导电接触是连续的。端盖106和108起密封作用，使气体106保留在导电电极94与外套82之间的空间中。端盖106和108与导电电极94导电接触，所以从一端到另一端形成一连续的导电媒体，使整个路径是连续的。
图10是外壳38的俯视图，在该外壳中插入了气体放电管80的另一实施例，图中的同轴线连接器46与外壳38上的连接器42分离了开来。另一连接器44则与外壳38的母连接器40相连接。图6中示出的夹子54在这里有一点改变，即用一对可以抓紧气体放电管80的端盖106和108的指形条110和112来代替插孔部56，而夹子54的其余部分仍旧相同。这里也用了由热敏材料例如FEP形成的绝缘体66，使端盖106和108与制成夹子54的导电材料电气绝缘。
图11是外壳38的部分剖开的侧视图，图中的盖子114完全密封了外壳38。图11中的接地夹78与图5中的接地夹78相同。
图12和13所示的电涌放电器既可采用气体放电管10也可采用气体放电管80，夹子54与图6所示的稍微有点不同，因为夹子54的插孔部52被弯成直角，使之可适用于在外壳38同一面上的母连接器40和42。另外，如果需要，为了方便可把一连接器116置于外壳38的相对壁上，夹子54则如图中的虚线所示那样改变。在外壳38上可设置带有孔122和124的安装耳朵118和120，以便使外壳38可安装在各种位置上。
在操作中，可把气体放电管的各部分组装起来，并以传统方法放电，把气体密封在外套内。此后，把该组装件放在采用FEP绝缘体的外壳中、安装上接地夹，使装置可以在现场中使用作好准备。
图14示出本发明气体放电管的再一个实施例，该气体放电管可以用于同轴传输线的电涌放电器中。气体放电管200包括一导电外壳202、绝缘端204和一穿过外壳202的中心导体206。RF信号轴向流过气体放电管200。虽然图中所示的中心导体206突出于端部204之外，但中心导体206也可以在端部204处终止，而将外部的导体连接于其上。和图1的实施例一样，绝缘端204最好由陶瓷材料制成，把外壳密封起来，并把惰性气体密封在外壳中。在传统的气体放电管中，惰性气体是氢和氩的混合气体，以提供一250至350伏直流的击穿电压。在本发明的一较佳实施例中，惰性气体为可提供约100伏直流击穿电压的氖和氩的混合气体。
绝缘端204与导电外壳202接触的区域208最好进行金属化。绝缘端204与中心导体206接触的区域210也进行金属化。在导体206伸出端部204处的绝缘端204的外表面205有环形凹口212，这些环形凹口最好也金属化。
环形凹口有利于制造过程中的金属化工序。因此，可先使包含环形凹口的绝缘端204的整个外表面金属化，然后通过磨光绝缘端的外表面而去掉环形凹口以外面积上的金属化金属。
如图14所示，例如通过螺纹或其他锯齿形状，使导电外壳202的一部分内表面214和中心导体206的一部分外表面216粗糙，以便集中电场，增加气体放电管运行的可靠性。此外，与传统的气体放电管一样，表面214和216较佳地覆盖一低逸出功材料(low work function material)，以降低击穿电压，提高气体放电管的放电特性。在表面214与216之间的区域“G”发生气体放电。区域“G”是有效放电区域。
除覆盖表面214和216之外，在邻近有效放电区域“G”的绝缘端204的内表面采用条纹状的径向石墨线。该条纹有助于引发电压的击穿。
如图14所示，导电外壳202的内表面与中心导体206的外表面之间的距离沿中心导体的长度是有所不同的。换句话讲，外壳202的内径D与中心导体的外径d之比沿中心导体的长度是变化的。D/d之比的变化沿中心导体206可能达到2倍或3倍或更高一些。D/d之比的这种改变是用来调整气体放电管的阻抗的，使放置有气体放电管的电涌放电器的阻抗与连接电涌放电器的同轴传输线的阻抗相匹配。
同轴传输线的阻抗与(D/K)/d的对数成比例，其中“D”是外导体的内径，“d”是内导体的外径，“K”是内外导体间的介质的介电常数。在图14所示的气体放电管的情况中，介质是介电常数接近于1的惰性气体。所以，气体放电管的阻抗在绝缘端之间按D/d之比的对数变化。如前所述，绝缘端204最好是陶瓷，陶瓷的介电常数约为8。通过沿中心导体206长度改变D/d之比，可以补偿由特别是绝缘端204的介电常数引起的阻抗的变化。用于阻抗匹配的气体放电管200的那部分用字母“I”表示，以区别于有效放电区域“G”。
除调整在气体放电管内的D/d之比外，还可相对于阻抗匹配区域“I”的长度，调整有效气体放电区域“G”的长度，使气体放电管的阻抗与同轴传输线的阻抗匹配。对于一50欧姆的同轴传输线来说，区域“G”与区域“I”之比可以是一比一的数量级，而对于一75欧姆的同轴传输线来讲，区域“G”与区域“I”之比可以是一比二的数量级。
图14所示的小型同轴线气体放电管200的一些尺寸是(1)中心导体206的总长是1英寸；(2)导电外壳202的长度是0.32英寸；(3)气体放电管202的外径是0.33英寸；(4)中心导体的直径是0.035英寸。
图15A至15C示出一采用图14的气体放电管200的同轴电涌放电器220。电涌放电器220连接在一使用F型同轴连接器的同轴传输线与一印刷线路板之间。因此，在电涌放电器220的一端222是有螺纹的，并与一传统的F型公同轴连接器连接，而在其另外的端部有导体伸出，并安装在一印刷线路板或类似物体上。
在图15B中，气体放电管200的阻抗匹配部分“I”在气体放电间隙“G”的左方，而在图15C中，阻抗匹配部分“I”在气体放电间隙“G”的右方。在图15C中，中心导体206伸出气体放电管200的绝缘端的距离要使电涌放电器连接于印刷线路板，可能不够长，在这种情况下，采用另外的、与中心导体206电气连接的导体224。
如图15B和15C中所示，电涌放电器220有一个在气体放电管200后面的空穴226。通过适当地选定空穴226的大小和/或用介电常数合适的材料填充空穴，此空穴也能用来使电涌放电器的阻抗与同轴传输线的阻抗匹配。
图16A和16B示出采用图14的气体放电管200的另一种同轴传输线电涌放电器230。图16A和16B的电涌放电器是一个连接在带有F型的公同轴连接器的两个同轴传输线之间的直排式装置。用一定位或止动螺钉232把气体放电管200固定在电涌放电器230中。
图17A和17B示出了采用图14中所示的气体放电管200的另一个同轴传输线电涌放电器240。图17A和17B的电涌放电器是一个连接在带有F型的公同轴连接器的两个同轴传输线之间的直角装置。如图17B所示，中心导体206突出气体放电管200的长度是不够的，因此，在其上电气连接一第二中心导体242，使其延长。电涌放电器240也有一个可适当选定大小和/或用一介质材料填充的空穴244，以使电涌放电器240的阻抗与同轴传输线的阻抗匹配。
图18是根据本发明的一同轴传输线电涌放电器系统的示意图。图18示出的RF传输线有一输入端250、一输出端252和一接地端254。在RF传输线中串联着一个根据本发明的气体放电管256。从图18可以看出，RF信号经过气体放电管256，气体放电管可以是本发明的任何实施例，如图1、8和14中示出的实施例10、80和200，但并不限于这些。
图18的示意图中在258处采用了一如上所述的接地夹和FEP薄膜的故障安全保护装置。还示出了限制流向电涌放电器的输出端254的电流的电感线圈260和一电阻262。此外，在中心导体与接地端之间连接一作低压保护的铁氧体珠(ferrite bead)264和一雪崩二极管266。铁氧体珠264允许低频(例如10MHz及10MHz以下)信号接地，但阻止高频(例如50MHz至1GHz)信号接地。雪崩二极管266把低频信号箝位至例如5至10伏的电压。
图19示出本发明的另一实施例，该实施例包括一其上连接有公同轴连接器272的同轴电缆270。连接器272含有气体放电管200。气体放电管200的中心导体206伸出公连接器272的端部。气体放电管200的各种零部件如图14所示，并在前面已描述过。
图20示出本发明的另一实施例，该实施例包括一具有背对背的母同轴连接器282和284的电涌放电器280。一气体放电管200在同轴连接器282与284之间。图20示出的实施例不同于图15B、15C、16B、17B和19示出的诸实施例，它的导电外壳202是与同轴电涌放电器的导电外主体形成一体的。如图20所示，母同轴连接器282和284在气体放电管200的两侧具有固体的介质材料286和288，这些材料把气体放电管固定在同轴电涌放电器的中部。
应予理解的是，本领域的技术人员完全有可能在本发明的原理和范围之内还可以对为了说明本发明的特征而描述和图示的零件、材料、零部件的布置和工作条件作出种种改变和变化。
权利要求
1.一种小型气体放电管，适用于同轴传输线的电涌放电器，并与传输线串联连接，使信号流通过所述气体放电管，气体放电管包括(a)一空心的导电外壳；(b)一对密封外壳的绝缘端；(c)一种密封在外壳中的惰性气体；(d)一延伸出外壳的中心导体，所述中心导体的纵向轴与信号传输方向平行；(e)导电外壳的内表面相对于纵向轴对称，中心导体的外表面相对于纵向轴对称；以及(f)空心外壳的内部被分成一有效放电区域和一阻抗匹配区域，选择两区域的比例使所述气体放电管与同轴传输线的阻抗匹配。
2.如权利要求1所述的气体放电管，其特征在于，阻抗匹配区域与有效放电区域之比为1比1的数量级。
3.如权利要求1所述的气体放电管，其特征在于，阻抗匹配区域与有效放电区域之比为2比1的数量级。
4.如权利要求1所述的气体放电管，其特征在于，外壳的至少一部分内表面和中心导体的至少一部分外表面是粗糙的，以集中电场和有利于气体放电管的可靠工作。
5.如权利要求4所述的气体放电管，其特征在于，粗糙表面呈螺纹或锯齿的形状。
6.如权利要求4所述的气体放电管，其特征在于，至少绝缘端中的一个具有径向条，以进一步有助于进气体放电管的可靠工作。
7.如权利要求1所述的气体放电管，其特征在于，所述绝缘端由陶瓷材料制成。
8.如权利要求7所述的气体放电管，其特征在于，与导电外壳接触的陶瓷绝缘端部分被金属化。
9.如权利要求8所述的气体放电管，其特征在于，与中心导体接触的陶瓷绝缘端部分也被金属化。
10.如权利要求1所述的气体放电管，其特征在于，惰性气体包括氖和氩的混合气体。
11.如权利要求1所述的气体放电管，其特征在于，导电外壳的内径为D，中心导体的外径为d，在阻抗匹配区域中的D与d之比大于有效放电区域中的D与d之比。
12.如权利要求11所述的气体放电管，其特征在于，D与d之比，在有效放电区域与阻抗匹配区域之间至少变化2倍。
13.如权利要求12所述的气体放电管，其特征在于，D与d之比，在有效放电区域与阻抗匹配区域之间至少变化3倍。
14.如权利要求1所述的气体放电管和气体放电管安装在其内的第一同轴连接器，形成一同轴传输线电涌放电器。
15.如权利要求14所述的同轴传输线电涌放电器，包括一与第一同轴连接器轴向对齐的第二同轴连接器，气体放电管串联连接于两个同轴连接器之间。
16.如权利要求14所述的同轴传输线电涌放电器，包括一与第一同轴连接器呈直角设置的第二同轴连接器，气体放电管串联连接于两个同轴连接器之间。
17.如权利要求14所述的同轴传输线电涌放电器，其中同轴连接器可安装在一印刷线路板上。
18.如权利要求14所述的同轴传输线电涌放电器，其中同轴连接器包括一空心凹口，所述凹口的尺寸制定得使气体放电管的阻抗与同轴传输线的阻抗匹配。
19.如权利要求18所述的同轴传输线，其特征在于，用除空气之外的介质材料至少填满部分空心凹口。
20.如权利要求5所述的气体放电管和至少一个同轴连接器，其中置有气体放电管，形成一同轴传输线电涌放电器。
21.如权利要求6所述的气体放电管和至少一个同轴连接器，其中置有气体放电管，形成一同轴传输线电涌放电器。
22.如权利要求11所述的气体放电管和至少一个同轴连接器，其中置有气体放电管，形成一同轴传输线电涌放电器。
23.如权利要求5所述的气体放电管和至少一个同轴连接器，其中置有气体放电管，形成一同轴传输线电涌放电器。
全文摘要
一种同轴传输线电涌放电器，有一空心导电体，空心导电体上安装有同轴连接器，以及一种在空心金属体内的气体放电管，气体放电管有一空心导电外壳和一中心导体，中心导体的轴线与信号传输方向平行，中心导体的直径制定得使电涌放电器的阻抗与传输线的阻抗匹配，RF信号经过所述气体放电管。
文档编号H01R13/646GK1139994SQ95191468
公开日1997年1月8日 申请日期1995年1月25日 优先权日1994年2月7日
发明者尼萨·A·乔德里 申请人:Tii工业股份有限公司