专利名称：用阻抗变换器从传输线路中析取能量的宽带抽头的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及从传输线路中析取电磁能的抽头，尤其涉及从传输线路中析取电磁能并使该电磁能与其它传输线路耦合的抽头。
本申请涉及一种抽头的发明，该抽头设计成安装在同轴的射频(RF)通信馈电电缆上。该抽头使电缆性能的降低减至最小，同时在多倍射频带宽上保持均匀耦合。该抽头不需要铰接头。
本申请人的以下在先美国专利公开了这种普通类型的抽头“用阻抗变换器从传输线路中析取能量的抽头”，美国专利No.5729184，发明人为W.Paxman和RStein；以及“从传输线路中析取能量的抽头”，美国专利No.5689218，发明人为R.Stein和W.Paxman。
现在市场上多数的抽头为频带都比较窄或者在宽频带限制之间有较高的插入损失(通过损失)。目前市场上多数抽头的另一问题是在安装时有可能使抽头损坏。抽头安装后，很难再将馈电电缆或跨接电缆连接到该抽头上。拉紧连接器将会使抽头及其安装件上产生应力，从而使该抽头损坏。
R.Stein和W.Paxman的在先发明(前面提及的)介绍了用于同轴传输线路的抽头，这些抽头分别采用了交叉连接耦合器和有匹配阻抗的阻抗变换器。本发明以现有技术的阻抗变换器的原理为基础，同时显著提高了性能，并降低了成本。
本发明的一个目的是提供一种变换抽头的负载阻抗的方法，使得该抽头能减小主电缆的损失，且能在更大的耦合带宽中工作。
本发明的另一目的是提供一种抽头组件，该抽头组件能简单、便宜的制造和使用，并操作稳定，且不需要分开安装馈电电缆或跨接电缆。
通过阅读下面的详细说明并参考附图，本发明的其它特征和优点将变得更清楚。
根据本发明，前述目的可通过使电磁能在主电缆和第二同轴电缆之间耦合的抽头来实现。该抽头包括一阻抗变换器、一个连接阻抗变换器和主电缆的探针、一个连接阻抗变换器和第二电缆的抽头电缆以及一个在探针和阻抗变换器之间串联耦合的电感装置。
附图中
图1是本发明的抽头的透视图；图1a是图1的抽头的仰视图；图2是图1的抽头的简化局部侧视图，其中外部壳体已除去；以及图3是本发明抽头的一阶等效电路示意图。
图示实施例的详细说明参考图1，新改进的抽头制造简单、安装便利，因此降低了成本。多数已有的抽头采用钻孔和攻丝的壳体。而新的抽头10则采用低成本的模制和超声波焊接的壳体15，从而使其价格更优惠。如图1a所示，壳体15的底侧有一半圆柱形表面16，它的大小适于环绕所需尺寸的电缆配装。该表面16覆盖有一层薄的粘结表面泡沫材料(“粘结泡沫”)，以便粘结和密封或绝缘主电缆的外表面。可以在粘结泡沫17的表面上施加保护性的剥离覆层。
本发明抽头在输出端有一用作跨接线的柔性电缆25(“抽头电缆”)，该电缆能减小作用在抽头本体上的机械应力。该电缆25终止于同轴连接器50。
抽头的成本比耦合器低，因为它的跨接电缆更少。本发明抽头10上的跨接线25也不需要顾客再购买和安装单独的跨接电缆。除了由于不用通常的跨接线而使成本减少外，它也能更快安装。该安装过程包括将专门的钻头放在在钻孔机马达上；在电缆中钻孔；清洁该电缆；剥去粘结泡沫层的保护覆层；将抽头导引器与孔对齐；然后压紧。如果需要，还可以进行电缆扎匝，以使其更安全。这些基本的操作可以用一支手完成，且能在困难区域很容易地安装。
图1-3所示为用于在同轴的电缆传输线路之间使电磁能耦合的抽头10。图3所示为等效电路。尽管图示为同轴传输线路，但是应当知道，各种传输线路都能由本发明的抽头分接。如图3所示，孔12钻通主同轴馈电电缆20的外皮、外导体和绝缘体并到达中心导体22。将该孔12钻成这样，使得该孔能露出中心导体22。在钻孔12时，应尽可能少地钻入中心导体22内。
为了从中心导体22中析取电磁能并将该能量导入抽头10中，将探针30放入孔12中。该探针30是弹簧加载的，以便偏压该探针，使其与中心导体22接合。主电缆可以是任意形式的同轴电缆，例如辐射同轴电缆或无辐射同轴电缆。如前所述，增加一层绝缘粘结泡沫17以使该抽头与电缆隔绝。
为了使析取的能量与该抽头的输出耦合，在探针30和抽头电缆25之间装接有阻抗变换器40，该抽头电缆25终止于输出RF连接器50。图示实施例中，阻抗转换器40包括一准传输线路60。该阻抗变换器40工作的中心频率是该传输线路60的长度的函数。该传输线路60的一端与探针30串联耦合。在图3中，探针30的电感由一串联的电感器30a表示，而该电缆20的接地屏蔽(ground-to-shield)电容由一串联电容20a表示。还有一变频串联阻抗55，该变频串联阻抗55将在后面介绍。
为了将该抽头装在另一电缆上和完成使电磁能从主电缆20到第二电缆的耦合，通过将传输线路60的另一端连接到电缆25的内导体25a上而使抽头电缆25与阻抗变换器40相连。
图3所示抽头能够从主同轴电缆12中析取从大于25％至小于1％的能量，同时加在主电缆上的线路损耗最小。该抽头能够构形成在超过4GHz的频率下工作，同时保持中心频率的+/-50％的可用带宽。图1a的微带传输线表示阻抗变换器的一个可能结构。
在一个实施例中，基片上的微带传输线可以用作传输线路60。在另一实施例中，该传输线路60可以是高于接地层(groundplane)的单独导体。不过，可以采用任意形式的阻抗变换器，包括Ruthroff变换器、Guanella变换器、带状传输线路、微带传输线、集总元件等效传输线或多路传输线路。此外，通过电阻或其它的匹配器，可以改进在第二同轴电缆上的匹配，并通过适当地选择电容器，可以增加输入的选择性。
该抽头的结构有点类似于前面提到的在先专利所公开的发明，一弹簧加载探针30与传输线路(阻抗变换器)60相连，该传输线路再与输出口相连。输出口包括一段同轴电缆，即抽头电缆25，该抽头电缆25终止于连接器50。该弹簧加载探针30通过孔插入主电缆中，如前所述，该孔钻穿了主电缆的外皮、屏蔽物和绝缘体。该探针的尖头能够穿透中心导体的表面上的任何非金属残余物。
对已知阻抗变换器的第一改进是增加了耦合带宽，同时使该频带中的通过线路损耗减至最小。第二改进是能够以一支手安装该抽头。第三改进是增加了一小段到抽头的输出口的完全柔性电缆，从而减少了用户成本和将抽头安装到主电缆上的应力。
上述第一改进是通过三个因素实现的。本发明独有的第一因素是采用了小的(环形)铁氧体垫圈55(见图2)，该铁氧体垫圈55环绕靠近传输线路60的探针30的端部。该铁氧体垫圈55提供一串联阻抗，该阻抗在低MHz频率时(从大约100-400MHz，取决于所选的铁氧体元件)是一变频串联电感，而在高MHz频率时(在GHz范围)，该垫圈几乎完全成电阻性，几乎没有电感作用。该“变频阻抗”显著改进了信号通过抽头传输的平直性。该元件55在图3的等效电路中以可变电感器表示。
本发明独有的第二因素是不需要使抽头地线62与主电缆的屏蔽物24直接连接，同时直至低频都能保持耦合。对此，图2是本发明的实际实施例的简化侧视图，表示了安装在线路板32上的上述组件。本发明能够确定线路板32(见图2)的大小和位置，以便能使用等效板电容(board capacitance)35(见图3的假想线)，以“调谐”响应和提供额外的平直度，从而扩大频率响应。因此，在没有直接连接的情况下，即使400MHz或更小的频率也能接出，这在现有技术中是不可能的。
本发明独有的第三因素是采用大的(环形)铁氧体垫圈70(或等效物)，该铁氧体垫圈70环绕抽头电缆25的屏蔽物46(见图2)，以便使该“平衡”抽头适宜于大多数情况下应用的“非平衡”系统，从而减小抽头电缆25对环境和终端的变化的敏感性。该大的铁氧体垫圈70以与前述小的铁氧体垫圈55相同的方式提供变频阻抗，它在图3中表示为串联在地线与抽头电缆25的屏蔽物之间。
实际上，图2所示的传输线路40是高于接地层的一单独导体60。它也可以是线路板32的表面上的一微带线。在是微带线的实施例中，该小的铁氧体55将取表面安装装置的形式。该传输线路也可以是其它形式，本发明并不局限于图中所示的或所介绍的形式。该变频阻抗也可以不是铁氧体，而采取其它形式。
上述第二改进是通过两个因素实现的。第一因素是可由Andrew公司及其代理商处获得定制工具(未示出)，该工具可用于以一支手在接出电缆上钻出进入孔。而本发明独有的第二因素是使用粘结泡沫17，该粘结泡沫17用作固定装置和密封电缆和抽头以防止水汽进入的装置。如果需要，除了粘结泡沫外，可以在抽头壳体15的端部补充有电缆扎匝。
第三改进是通过采用完全柔性但低损耗的电缆作为抽头和连接器之间的抽头电缆25而实现的。该电缆25节约了用户的跨接电缆的费用，并且由于减小了粘结应力，可以采用粘结安装的方法。
线路板32的制造和组装成本、壳体15的成本和抽头10的安装成本都将大大低于市场上的任何抽头，因为它易于安装，且不需要买跨接线。
这样的抽头能够总体减小成本。在一个实施例中，上述某些元件和组件如下表所示
本发明抽头是真正宽带的，并在整个带宽上有均匀的插入损耗(通过损耗)和耦合损失。
制造简单也能提高性能的可重复性。本发明的抽头具有可靠性和防水性，这是目前市场上的多数抽头都不具备的性能。
上述抽头的损耗低，且可在较宽的频带上工作。它具有的宽带输出阻抗使其能用于30至150欧姆的同轴系统。系统所采用单孔使得使用经济简单。当不使用非线性组件时，该抽头产生的互调分量非常低。该抽头可以耦合的范围从3dB到大于20dB，同时还保持相同或更宽的带宽。该抽头具有最小的性能降低且在整个宽带宽上保持均匀耦合。
本发明的抽头组件能够用于安装在各种尺寸的同轴电缆上。而且，这些组件能稳定地用于较宽的范围，且不需要铰接头。该组件的制造容易且便宜，因为它包括的零件数目最少。
尽管对本发明的特殊实施例和用途进行了图示和说明，但是应当知道，本发明并不局限于上面所介绍的具体结构和组成，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对前述实施例进行各种改进、改变和变化，本发明的精神和范围由附加的权利要求限定。
权利要求
1．一种使电磁能在主电缆和第二同轴电缆之间耦合的抽头系统，所述系统包括一阻抗变换器；一个连接所述阻抗变换器和所述主电缆的探针；一第一变频阻抗，该第一变频阻抗电串联于所述探针和所述阻抗变换器之间；以及一连接所述阻抗变换器和所述第二电缆的抽头电缆。
2．根据权利要求1所述的抽头系统，其中所述阻抗变换器包括一传输线路。
3．根据权利要求3所述的抽头系统，其中在所述主电缆的接地屏蔽与抽头电缆的接地屏蔽之间没有直接连接。
4．根据权利要求3所述的抽头系统，其中所述阻抗变换器、所述第一变频阻抗、所述抽头电缆和所述探针都装在线路板上，以便通过所述线路板的板电容使主电缆的接地屏蔽与抽头电缆的接地屏蔽之间间接连接。
5．根据权利要求1所述的抽头系统，其还包括一第二变频阻抗，该第二变频阻抗与所述抽头电缆的接地屏蔽电串联。
6．根据权利要求5所述的抽头系统，其中所述第一和第二变频阻抗包括环绕所述探针的第一铁氧体垫圈和环绕所述抽头电缆的第二铁氧体垫圈。
7．根据权利要求1所述的抽头系统，其还包括一外部壳体和在所述外壳内的一些粘结泡沫，以便使所述探针和所述主电缆隔绝和将所述壳体装在所述主电缆上。
8．根据权利要求1所述的抽头系统，其还包括一同轴电缆连接器，该同轴电缆连接器与所述抽头电缆的自由端耦合，所述抽头电缆包括一小段柔性、低损耗的电缆。
9．根据权利要求1所述的抽头系统，其还包括一外部壳体，其中，所述一小段柔性、低损耗的电缆伸出所述壳体之外。
10．根据权利要求1所述的抽头系统，其中所述探针是弹簧加载的，以便保证与所述主电缆的中心导体接合。
11．一种使电磁能在第一和第二同轴电缆之间耦合的抽头系统，所述抽头包括一个探针，该探针穿过第一电缆的外导体并与该第一电缆的内导体接触；一阻抗变换器，该阻抗变换器使该探针与第二电缆的内导体连接，以便在第一和第二电缆之间使电磁信号耦合；以及-第一变频阻抗，该第一变频阻抗电串联于该探针和该阻抗变换器之间。
12．根据权利要求11所述的同轴抽头，其中所述探针是弹簧加载的，以偏压该探针并使其与第一电缆的内导体接合。
13．根据权利要求11所述的同轴抽头，其还包括一外部壳体和一同轴连接器，该同轴连接器适于与该第二电缆连接。
14．根据权利要求13所述的同轴抽头，其还包括在该阻抗变换器和同轴连接器之间耦合的抽头电缆。
15．根据权利要求11所述的同轴抽头，其中所述阻抗变换器包括g传输线路。
16．根据权利要求11所述的同轴抽头，其还包括绝缘和密封装置，该装置用于使所述探针与第一电缆的外导体绝缘并使所述探针与所述第一电缆隔离。
17．根据权利要求14所述的同轴抽头，其中所述第一电缆的接地屏蔽与抽头电缆的接地屏蔽之间不直接连接。
18．根据权利要求17所述的同轴抽头，其中所述阻抗变换器、所述第一变频阻抗、所述抽头电缆和所述探针都安装在线路板上，以便通过所述线路板的板电容使第一电缆的接地屏蔽与抽头电缆的接地屏蔽之间间接连接。
19．根据权利要求14所述的同轴抽头，其还包括一第二变频阻抗，该第二变频阻抗与所述抽头电缆的接地屏蔽电耦合。
20．根据权利要求16所述的同轴抽头，其还包括一外部壳体，其中所述绝缘和密封装置包括一些粘结泡沫，以便使所述探针和所述壳体与所述主电缆隔绝。
21．根据权利要求19所述的同轴抽头，其中所述第一和第二变频阻抗包括环绕所述探针的第一铁氧体垫圈和环绕所述抽头电缆的第二铁氧体垫圈。
22．根据权利要求14所述的同轴抽头，其中所述抽头电缆包括一小段柔性、低损耗的电缆，该电缆伸出所述壳体之外并终止于所述同轴连接器。
23．一种从第一电缆中析取电磁能并使该能量与所述第二电缆耦合的方法，包括以下步骤提供带有内导体的第一和第二电缆；向所述第一电缆内钻孔，并使该孔延伸到所述第一电缆的所述内导体处；将探针穿过所述第一电缆的外导体并与所述第一电缆的所述内导体接触；利用阻抗变换器使探针与第二电缆的内导体耦合，该阻抗变换器使电磁信号在第一和第二电缆之间耦合；以及环绕所述探针放置第一铁氧体垫圈。
24．根据权利要求23所述方法，其还包括在所述阻抗变换器和所述第二电缆之间连接一抽头电缆，并环绕所述抽头电缆放置第二铁氧体垫圈。
25．一种使电磁能在主同轴电缆和第二同轴电缆之间耦合的抽头系统，所述系统包括一阻抗变换器；一个连接所述阻抗变换器和所述主电缆的探针；一第一铁氧体垫圈，该第一铁氧体垫圈环绕所述探针，以便提供串联于所述探针和所述阻抗变换器之间的变频阻抗；以及一连接所述阻抗变换器和所述第二电缆的抽头电缆。
26．根据权利要求25所述的抽头系统，其还包括一第二铁氧体垫圈，该第二铁氧体垫圈环绕所述抽头电缆，以便提供与所述抽头电缆的屏蔽串联的变频阻抗。
全文摘要
一种使电磁能在第一和第二同轴电缆之间耦合的抽头，其包括一阻抗变换器；一个连接该阻抗变换器和主电缆的探针；和一个连接阻抗变换器和第二电缆的抽头电缆。铁氧体垫圈环绕探针和抽头电缆，以提供串联的变频阻抗。
文档编号H03H7/38GK1316825SQ0013728
公开日2001年10月10日 申请日期2000年12月21日 优先权日1999年12月21日
发明者W·R·帕克斯曼, S·M·沃伦, K·G·霍德森 申请人:安德鲁公司