用阻抗變換器從傳輸線路中析取能量的寬帶抽頭的製作方法

2023-05-31 12:54:06 4

專利名稱：用阻抗變換器從傳輸線路中析取能量的寬帶抽頭的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及從傳輸線路中析取電磁能的抽頭，尤其涉及從傳輸線路中析取電磁能並使該電磁能與其它傳輸線路耦合的抽頭。
本申請涉及一種抽頭的發明，該抽頭設計成安裝在同軸的射頻(RF)通信饋電電纜上。該抽頭使電纜性能的降低減至最小，同時在多倍射頻帶寬上保持均勻耦合。該抽頭不需要鉸接頭。
本申請人的以下在先美國專利公開了這種普通類型的抽頭「用阻抗變換器從傳輸線路中析取能量的抽頭」，美國專利No.5729184，發明人為W.Paxman和RStein；以及「從傳輸線路中析取能量的抽頭」，美國專利No.5689218，發明人為R.Stein和W.Paxman。
現在市場上多數的抽頭為頻帶都比較窄或者在寬頻帶限制之間有較高的插入損失(通過損失)。目前市場上多數抽頭的另一問題是在安裝時有可能使抽頭損壞。抽頭安裝後，很難再將饋電電纜或跨接電纜連接到該抽頭上。拉緊連接器將會使抽頭及其安裝件上產生應力，從而使該抽頭損壞。
R.Stein和W.Paxman的在先發明(前面提及的)介紹了用於同軸傳輸線路的抽頭，這些抽頭分別採用了交叉連接耦合器和有匹配阻抗的阻抗變換器。本發明以現有技術的阻抗變換器的原理為基礎，同時顯著提高了性能，並降低了成本。
本發明的一個目的是提供一種變換抽頭的負載阻抗的方法，使得該抽頭能減小主電纜的損失，且能在更大的耦合帶寬中工作。
本發明的另一目的是提供一種抽頭組件，該抽頭組件能簡單、便宜的製造和使用，並操作穩定，且不需要分開安裝饋電電纜或跨接電纜。
通過閱讀下面的詳細說明並參考附圖，本發明的其它特徵和優點將變得更清楚。
根據本發明，前述目的可通過使電磁能在主電纜和第二同軸電纜之間耦合的抽頭來實現。該抽頭包括一阻抗變換器、一個連接阻抗變換器和主電纜的探針、一個連接阻抗變換器和第二電纜的抽頭電纜以及一個在探針和阻抗變換器之間串聯耦合的電感裝置。
附圖中

圖1是本發明的抽頭的透視圖；圖1a是圖1的抽頭的仰視圖；圖2是圖1的抽頭的簡化局部側視圖，其中外部殼體已除去；以及圖3是本發明抽頭的一階等效電路示意圖。
圖示實施例的詳細說明參考圖1，新改進的抽頭製造簡單、安裝便利，因此降低了成本。多數已有的抽頭採用鑽孔和攻絲的殼體。而新的抽頭10則採用低成本的模製和超聲波焊接的殼體15，從而使其價格更優惠。如圖1a所示，殼體15的底側有一半圓柱形表面16，它的大小適於環繞所需尺寸的電纜配裝。該表面16覆蓋有一層薄的粘結表面泡沫材料(「粘結泡沫」)，以便粘結和密封或絕緣主電纜的外表面。可以在粘結泡沫17的表面上施加保護性的剝離覆層。
本發明抽頭在輸出端有一用作跨接線的柔性電纜25(「抽頭電纜」)，該電纜能減小作用在抽頭本體上的機械應力。該電纜25終止於同軸連接器50。
抽頭的成本比耦合器低，因為它的跨接電纜更少。本發明抽頭10上的跨接線25也不需要顧客再購買和安裝單獨的跨接電纜。除了由於不用通常的跨接線而使成本減少外，它也能更快安裝。該安裝過程包括將專門的鑽頭放在在鑽孔機馬達上；在電纜中鑽孔；清潔該電纜；剝去粘結泡沫層的保護覆層；將抽頭導引器與孔對齊；然後壓緊。如果需要，還可以進行電纜扎匝，以使其更安全。這些基本的操作可以用一支手完成，且能在困難區域很容易地安裝。
圖1-3所示為用於在同軸的電纜傳輸線路之間使電磁能耦合的抽頭10。圖3所示為等效電路。儘管圖示為同軸傳輸線路，但是應當知道，各種傳輸線路都能由本發明的抽頭分接。如圖3所示，孔12鑽通主同軸饋電電纜20的外皮、外導體和絕緣體併到達中心導體22。將該孔12鑽成這樣，使得該孔能露出中心導體22。在鑽孔12時，應儘可能少地鑽入中心導體22內。
為了從中心導體22中析取電磁能並將該能量導入抽頭10中，將探針30放入孔12中。該探針30是彈簧加載的，以便偏壓該探針，使其與中心導體22接合。主電纜可以是任意形式的同軸電纜，例如輻射同軸電纜或無輻射同軸電纜。如前所述，增加一層絕緣粘結泡沫17以使該抽頭與電纜隔絕。
為了使析取的能量與該抽頭的輸出耦合，在探針30和抽頭電纜25之間裝接有阻抗變換器40，該抽頭電纜25終止於輸出RF連接器50。圖示實施例中，阻抗轉換器40包括一準傳輸線路60。該阻抗變換器40工作的中心頻率是該傳輸線路60的長度的函數。該傳輸線路60的一端與探針30串聯耦合。在圖3中，探針30的電感由一串聯的電感器30a表示，而該電纜20的接地屏蔽(ground-to-shield)電容由一串聯電容20a表示。還有一變頻串聯阻抗55，該變頻串聯阻抗55將在後面介紹。
為了將該抽頭裝在另一電纜上和完成使電磁能從主電纜20到第二電纜的耦合，通過將傳輸線路60的另一端連接到電纜25的內導體25a上而使抽頭電纜25與阻抗變換器40相連。
圖3所示抽頭能夠從主同軸電纜12中析取從大於25％至小於1％的能量，同時加在主電纜上的線路損耗最小。該抽頭能夠構形成在超過4GHz的頻率下工作，同時保持中心頻率的+/-50％的可用帶寬。圖1a的微帶傳輸線表示阻抗變換器的一個可能結構。
在一個實施例中，基片上的微帶傳輸線可以用作傳輸線路60。在另一實施例中，該傳輸線路60可以是高於接地層(groundplane)的單獨導體。不過，可以採用任意形式的阻抗變換器，包括Ruthroff變換器、Guanella變換器、帶狀傳輸線路、微帶傳輸線、集總元件等效傳輸線或多路傳輸線路。此外，通過電阻或其它的匹配器，可以改進在第二同軸電纜上的匹配，並通過適當地選擇電容器，可以增加輸入的選擇性。
該抽頭的結構有點類似於前面提到的在先專利所公開的發明，一彈簧加載探針30與傳輸線路(阻抗變換器)60相連，該傳輸線路再與輸出口相連。輸出口包括一段同軸電纜，即抽頭電纜25，該抽頭電纜25終止於連接器50。該彈簧加載探針30通過孔插入主電纜中，如前所述，該孔鑽穿了主電纜的外皮、屏蔽物和絕緣體。該探針的尖頭能夠穿透中心導體的表面上的任何非金屬殘餘物。
對已知阻抗變換器的第一改進是增加了耦合帶寬，同時使該頻帶中的通過線路損耗減至最小。第二改進是能夠以一支手安裝該抽頭。第三改進是增加了一小段到抽頭的輸出口的完全柔性電纜，從而減少了用戶成本和將抽頭安裝到主電纜上的應力。
上述第一改進是通過三個因素實現的。本發明獨有的第一因素是採用了小的(環形)鐵氧體墊圈55(見圖2)，該鐵氧體墊圈55環繞靠近傳輸線路60的探針30的端部。該鐵氧體墊圈55提供一串聯阻抗，該阻抗在低MHz頻率時(從大約100-400MHz，取決於所選的鐵氧體元件)是一變頻串聯電感，而在高MHz頻率時(在GHz範圍)，該墊圈幾乎完全成電阻性，幾乎沒有電感作用。該「變頻阻抗」顯著改進了信號通過抽頭傳輸的平直性。該元件55在圖3的等效電路中以可變電感器表示。
本發明獨有的第二因素是不需要使抽頭地線62與主電纜的屏蔽物24直接連接，同時直至低頻都能保持耦合。對此，圖2是本發明的實際實施例的簡化側視圖，表示了安裝在線路板32上的上述組件。本發明能夠確定線路板32(見圖2)的大小和位置，以便能使用等效板電容(board capacitance)35(見圖3的假想線)，以「調諧」響應和提供額外的平直度，從而擴大頻率響應。因此，在沒有直接連接的情況下，即使400MHz或更小的頻率也能接出，這在現有技術中是不可能的。
本發明獨有的第三因素是採用大的(環形)鐵氧體墊圈70(或等效物)，該鐵氧體墊圈70環繞抽頭電纜25的屏蔽物46(見圖2)，以便使該「平衡」抽頭適宜於大多數情況下應用的「非平衡」系統，從而減小抽頭電纜25對環境和終端的變化的敏感性。該大的鐵氧體墊圈70以與前述小的鐵氧體墊圈55相同的方式提供變頻阻抗，它在圖3中表示為串聯在地線與抽頭電纜25的屏蔽物之間。
實際上，圖2所示的傳輸線路40是高於接地層的一單獨導體60。它也可以是線路板32的表面上的一微帶線。在是微帶線的實施例中，該小的鐵氧體55將取表面安裝裝置的形式。該傳輸線路也可以是其它形式，本發明並不局限於圖中所示的或所介紹的形式。該變頻阻抗也可以不是鐵氧體，而採取其它形式。
上述第二改進是通過兩個因素實現的。第一因素是可由Andrew公司及其代理商處獲得定製工具(未示出)，該工具可用於以一支手在接出電纜上鑽出進入孔。而本發明獨有的第二因素是使用粘結泡沫17，該粘結泡沫17用作固定裝置和密封電纜和抽頭以防止水汽進入的裝置。如果需要，除了粘結泡沫外，可以在抽頭殼體15的端部補充有電纜扎匝。
第三改進是通過採用完全柔性但低損耗的電纜作為抽頭和連接器之間的抽頭電纜25而實現的。該電纜25節約了用戶的跨接電纜的費用，並且由於減小了粘結應力，可以採用粘結安裝的方法。
線路板32的製造和組裝成本、殼體15的成本和抽頭10的安裝成本都將大大低於市場上的任何抽頭，因為它易於安裝，且不需要買跨接線。
這樣的抽頭能夠總體減小成本。在一個實施例中，上述某些元件和組件如下表所示
本發明抽頭是真正寬帶的，並在整個帶寬上有均勻的插入損耗(通過損耗)和耦合損失。
製造簡單也能提高性能的可重複性。本發明的抽頭具有可靠性和防水性，這是目前市場上的多數抽頭都不具備的性能。
上述抽頭的損耗低，且可在較寬的頻帶上工作。它具有的寬帶輸出阻抗使其能用於30至150歐姆的同軸系統。系統所採用單孔使得使用經濟簡單。當不使用非線性組件時，該抽頭產生的互調分量非常低。該抽頭可以耦合的範圍從3dB到大於20dB，同時還保持相同或更寬的帶寬。該抽頭具有最小的性能降低且在整個寬帶寬上保持均勻耦合。
本發明的抽頭組件能夠用於安裝在各種尺寸的同軸電纜上。而且，這些組件能穩定地用於較寬的範圍，且不需要鉸接頭。該組件的製造容易且便宜，因為它包括的零件數目最少。
儘管對本發明的特殊實施例和用途進行了圖示和說明，但是應當知道，本發明並不局限於上面所介紹的具體結構和組成，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下可以對前述實施例進行各種改進、改變和變化，本發明的精神和範圍由附加的權利要求限定。
權利要求
1．一種使電磁能在主電纜和第二同軸電纜之間耦合的抽頭系統，所述系統包括一阻抗變換器；一個連接所述阻抗變換器和所述主電纜的探針；一第一變頻阻抗，該第一變頻阻抗電串聯於所述探針和所述阻抗變換器之間；以及一連接所述阻抗變換器和所述第二電纜的抽頭電纜。
2．根據權利要求1所述的抽頭系統，其中所述阻抗變換器包括一傳輸線路。
3．根據權利要求3所述的抽頭系統，其中在所述主電纜的接地屏蔽與抽頭電纜的接地屏蔽之間沒有直接連接。
4．根據權利要求3所述的抽頭系統，其中所述阻抗變換器、所述第一變頻阻抗、所述抽頭電纜和所述探針都裝在線路板上，以便通過所述線路板的板電容使主電纜的接地屏蔽與抽頭電纜的接地屏蔽之間間接連接。
5．根據權利要求1所述的抽頭系統，其還包括一第二變頻阻抗，該第二變頻阻抗與所述抽頭電纜的接地屏蔽電串聯。
6．根據權利要求5所述的抽頭系統，其中所述第一和第二變頻阻抗包括環繞所述探針的第一鐵氧體墊圈和環繞所述抽頭電纜的第二鐵氧體墊圈。
7．根據權利要求1所述的抽頭系統，其還包括一外部殼體和在所述外殼內的一些粘結泡沫，以便使所述探針和所述主電纜隔絕和將所述殼體裝在所述主電纜上。
8．根據權利要求1所述的抽頭系統，其還包括一同軸電纜連接器，該同軸電纜連接器與所述抽頭電纜的自由端耦合，所述抽頭電纜包括一小段柔性、低損耗的電纜。
9．根據權利要求1所述的抽頭系統，其還包括一外部殼體，其中，所述一小段柔性、低損耗的電纜伸出所述殼體之外。
10．根據權利要求1所述的抽頭系統，其中所述探針是彈簧加載的，以便保證與所述主電纜的中心導體接合。
11．一種使電磁能在第一和第二同軸電纜之間耦合的抽頭系統，所述抽頭包括一個探針，該探針穿過第一電纜的外導體並與該第一電纜的內導體接觸；一阻抗變換器，該阻抗變換器使該探針與第二電纜的內導體連接，以便在第一和第二電纜之間使電磁信號耦合；以及-第一變頻阻抗，該第一變頻阻抗電串聯於該探針和該阻抗變換器之間。
12．根據權利要求11所述的同軸抽頭，其中所述探針是彈簧加載的，以偏壓該探針並使其與第一電纜的內導體接合。
13．根據權利要求11所述的同軸抽頭，其還包括一外部殼體和一同軸連接器，該同軸連接器適於與該第二電纜連接。
14．根據權利要求13所述的同軸抽頭，其還包括在該阻抗變換器和同軸連接器之間耦合的抽頭電纜。
15．根據權利要求11所述的同軸抽頭，其中所述阻抗變換器包括g傳輸線路。
16．根據權利要求11所述的同軸抽頭，其還包括絕緣和密封裝置，該裝置用於使所述探針與第一電纜的外導體絕緣並使所述探針與所述第一電纜隔離。
17．根據權利要求14所述的同軸抽頭，其中所述第一電纜的接地屏蔽與抽頭電纜的接地屏蔽之間不直接連接。
18．根據權利要求17所述的同軸抽頭，其中所述阻抗變換器、所述第一變頻阻抗、所述抽頭電纜和所述探針都安裝在線路板上，以便通過所述線路板的板電容使第一電纜的接地屏蔽與抽頭電纜的接地屏蔽之間間接連接。
19．根據權利要求14所述的同軸抽頭，其還包括一第二變頻阻抗，該第二變頻阻抗與所述抽頭電纜的接地屏蔽電耦合。
20．根據權利要求16所述的同軸抽頭，其還包括一外部殼體，其中所述絕緣和密封裝置包括一些粘結泡沫，以便使所述探針和所述殼體與所述主電纜隔絕。
21．根據權利要求19所述的同軸抽頭，其中所述第一和第二變頻阻抗包括環繞所述探針的第一鐵氧體墊圈和環繞所述抽頭電纜的第二鐵氧體墊圈。
22．根據權利要求14所述的同軸抽頭，其中所述抽頭電纜包括一小段柔性、低損耗的電纜，該電纜伸出所述殼體之外並終止於所述同軸連接器。
23．一種從第一電纜中析取電磁能並使該能量與所述第二電纜耦合的方法，包括以下步驟提供帶有內導體的第一和第二電纜；向所述第一電纜內鑽孔，並使該孔延伸到所述第一電纜的所述內導體處；將探針穿過所述第一電纜的外導體並與所述第一電纜的所述內導體接觸；利用阻抗變換器使探針與第二電纜的內導體耦合，該阻抗變換器使電磁信號在第一和第二電纜之間耦合；以及環繞所述探針放置第一鐵氧體墊圈。
24．根據權利要求23所述方法，其還包括在所述阻抗變換器和所述第二電纜之間連接一抽頭電纜，並環繞所述抽頭電纜放置第二鐵氧體墊圈。
25．一種使電磁能在主同軸電纜和第二同軸電纜之間耦合的抽頭系統，所述系統包括一阻抗變換器；一個連接所述阻抗變換器和所述主電纜的探針；一第一鐵氧體墊圈，該第一鐵氧體墊圈環繞所述探針，以便提供串聯於所述探針和所述阻抗變換器之間的變頻阻抗；以及一連接所述阻抗變換器和所述第二電纜的抽頭電纜。
26．根據權利要求25所述的抽頭系統，其還包括一第二鐵氧體墊圈，該第二鐵氧體墊圈環繞所述抽頭電纜，以便提供與所述抽頭電纜的屏蔽串聯的變頻阻抗。
全文摘要
一種使電磁能在第一和第二同軸電纜之間耦合的抽頭，其包括一阻抗變換器；一個連接該阻抗變換器和主電纜的探針；和一個連接阻抗變換器和第二電纜的抽頭電纜。鐵氧體墊圈環繞探針和抽頭電纜，以提供串聯的變頻阻抗。
文檔編號H03H7/38GK1316825SQ0013728
公開日2001年10月10日 申請日期2000年12月21日 優先權日1999年12月21日
發明者W·R·帕克斯曼, S·M·沃倫, K·G·霍德森 申請人:安德魯公司