ОТВЕТВИТЕЛЬ ДЛЯ КОАКСИАЛЬНОГО КАБЕЛЯ
COAXIAL CABLE COUPLER

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано как устройство для ответвления электромагнитной энергии, преимущественно в магистральных коаксиальных кабелях.
Известны различные коаксиальные ответвители, содержащие коаксиальную линию, выполненную из внутреннего проводника и наружного проводника, и отрезок коаксиальной линии, выполненный из центрального проводника и внешнего проводника, центральный проводник которой электрически подсоединен к внутреннему проводнику коаксиальной линии, а внешний - к наружному (GB, 607200, Н01Р 5/04, опубл. 25.08.1948), (US, 4700145, Н01Р 5/12, опубл. 13.10.1982), (JP, 1103003, H01P 5/12, опубл. 20.04.1989).
Недостатком этих конструкций является то, что они являются стационарными, требуют подключения коаксиальных ответвителей к коаксиальному кабелю через разъемы. Внешний проводник отрезка коаксиальной линии ответвителя электрически подсоединен к наружному проводнику коаксиального кабеля посредством их механического контакта. Кроме того, эти устройства являются нерегулируемыми, а коэффициент ответвления электромагнитной энергии является заранее заданным и обеспечивается непосредственно конструктивными характеристическими размерами коаксиальных ответвителей и связи между ними.
При построении систем радиосвязи, в частности систем сотовой связи в зданиях и сооружениях (торговые центры, крупные офисные здания, многоуровневые гаражи и т.п.), возникает задача построения распределенной антенно-фидерной системы, подключенной к приемопередающему оборудованию. Решение данной задачи приводит к применению множества ответвителей (делителей) с различными коэффициентами перераспределения электромагнитной энергии. Причем ввиду конструктивных особенностей зданий основную магистральную линию (линии) распределения высокочастотного (ВЧ) сигнала желательно было бы выполнить цельным куском коаксиального кабеля с минимальными потерями (без использования большого количества разъемов), если бы не возникала необходимость установки дополнительного оборудования. Это требует, соответственно, использования достаточно большого количества ответвителей (делителей) для подсоединения дополнительного, например, антенного оборудования к основной линии через разрыв коаксиального кабеля и монтирования на отрезках коаксиальных кабелей ответных частей разъемов, что пропорционально ведет к увеличению потерь и снижению надежности системы в целом. При этом для ответвления электромагнитной энергии целесообразно использовать различные коэффициенты ответвления для оптимизации распределения ВЧ-сигнала, достаточного для функционирования того или иного подсоединяемого дополнительного антенного оборудования.
Для ответвления ВЧ-сигнала из магистрального кабеля может подходить коаксиальный ответвитель электромагнитной энергии (СТ7810-850), производимый фирмой Radio frequency systems (RFS). Каталог изделий WDCS, Edition 1, 06.02.050, KB 17/ 00197-01, P78 (ближайший аналог). В этом коаксиальном ответвителе центральный проводник отрезка коаксиальной линии подсоединен к внутреннему проводнику коаксиального кабеля через диэлектрическую вставку с заранее заданными размерами. Диэлектрическая вставка поджимается центральным проводником отрезка коаксиальной линии к внутреннему проводнику коаксиального кабеля со стороны его наружной поверхности. Однако такое решение обеспечивает только технически установленный разработчиком коэффициент ответвления (минус 10 дБ в ответвителе фирмы RFS). Его недостатки: узкая номенклатура, требуется соблюдение высокой точности геометрических размеров монтажных соединений, что повышает сложность монтажа и повышает требования к монтажному персоналу. В случае же необходимости использования каких-либо других (отличных от 10 дБ) коэффициентов ответвления, такая конструкция вообще не поддается регулировке из-за нестабильности воспроизводимых параметров.
Известен ответвитель для коаксиального кабеля, содержащий отрезок коаксиальной линии, выполненный из центрального проводника и внешнего проводника, между которыми расположен диэлектрический изолятор, причем центральный проводник отрезка коаксиальной линии предназначен для электрической связи с внутренним проводником коаксиального кабеля, а внешний - с наружным проводником коаксиального кабеля, коаксиальный кабель выполнен с изолирующим слоем между его внутренним проводником и наружным проводником и с диэлектрической оболочкой на наружном проводнике, центральный проводник отрезка коаксиальной линии электрически подсоединен к внутреннему проводнику коаксиального кабеля через отверстие, выполненное в диэлектрической оболочке, наружном проводнике, изолирующем слое и внутреннем проводнике коаксиального кабеля, с возможностью установки центрального проводника отрезка коаксиальной линии в отверстии, выполненном во внутреннем проводнике коаксиального кабеля (SU, 1517082, H01R 11/20, опубл. 23.10.1989).
В этом техническом решении центральный проводник отрезка коаксиальной линии выполнен в виде иглы. Используется корпус с прижимной крышкой, с пазом для кабеля и с двумя разновысокими контактными иглами, большая из которых изолирована от корпуса, а меньшая соединена с корпусом. На корпусе установлены рычаги и дополнительная контактная игла, соединенная с корпусом и равная по высоте упомянутой меньшей игле. Под рычаги в корпусе выполнены пазы, между которыми симметрично большей по высоте игле размещены меньшие по высоте иглы. Крышка выполнена Г-образной и установлена шарнирно с возможностью взаимодействия с рычагами. При повороте рычагов центральная игла внедряется во внутренний проводник коаксиального кабеля, а меньшие по высоте иглы - в его наружный проводник. Таким образом, создается механический и электрический контакт между проводниками отрезка коаксиальной линии и проводниками коаксиального кабеля.
Ограничениями этого устройства являются: возможность его использования только для небольших по диметру коаксиальных кабелей, т.к. при их больших диаметрах контактные иглы (особенно центральная) ломаются; применение гальванических (механических) контактов приводит к плохой серийной воспроизводимости устройств по их техническим параметром, т.е. большому разбросу по значениям коэффициентов ответвления; использование гальванических контактов приводит к снижению надежности устройства и срока его службы; конструкция из-за использования рычагов, специального корпуса и крышки является достаточно сложной.
Наиболее близким является ответвитель для коаксиального кабеля, содержащий отрезок коаксиальной линии, выполненный из центрального проводника и внешнего проводника, между которыми расположен диэлектрический изолятор, причем центральный проводник отрезка коаксиальной линии предназначен для электрической связи с внутренним проводником коаксиального кабеля, а внешний - с наружным проводником коаксиального кабеля, коаксиальный кабель, предназначенный для использования в ответвителе, выполнен с изолирующим слоем между его внутренним проводником и наружным проводником и с диэлектрической оболочкой на наружном проводнике, центральный проводник отрезка коаксиальной линии с диэлектрическим изолятором электрически подсоединен к внутреннему проводнику коаксиального кабеля через отверстие, выполненное в диэлектрической оболочке, наружном проводнике, изолирующем слое и внутреннем проводнике коаксиального кабеля, с возможностью установки центрального проводника с диэлектрическим изолятором отрезка коаксиальной линии в отверстии, выполненном во внутреннем проводнике коаксиального кабеля (RU, 56072, U1, H01P 5/04, опубл. 27.08.2006).
Преимуществом этого устройства является использование между центральным проводником отрезка коаксиальной линии и внутренним проводником коаксиального кабеля не механического соединения, а электрического (емкостная связь), а также возможность перемещения центрального проводника отрезка коаксиальной линии вдоль продольной оси отверстия, выполненного во внутреннем проводнике коаксиального кабеля, что позволяет изменять величину коэффициента ответвления. Вместе с тем, в известном техническом решении внешний проводник отрезка коаксиальной линии электрически и механически подсоединен к наружному проводнику коаксиального кабеля через пружинящий элемент, т.е. используется электрический контакт или гальваническая связь.
Ограничениями этого устройства являются: из-за использования пружинящего элемента (механического контакта) со временем происходит деградация качества электрического контакта, что приводит к возникновению нелинейности сопротивления и, как следствие, к возникновению интермодуляционных помех и изменению коэффициента ответвления; сложность монтажа, т.к. для установки пружинящего элемента требуется удаление части диэлектрической оболочки коаксиального кабеля.
Решаемая изобретением задача - повышение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства - повышение точности воспроизведения заданного коэффициента ответвления, расширение диапазона ответвления, упрощение конструкции, уменьшение времени настройки и упрощение монтажа.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном ответвителе для коаксиального кабеля, содержащем отрезок коаксиальной линии, выполненный из центрального проводника и внешнего проводника, между которыми расположен диэлектрический изолятор, причем центральный проводник отрезка коаксиальной линии предназначен для электрической связи с внутренним проводником коаксиального кабеля, а внешний - с наружным проводником коаксиального кабеля, коаксиальный кабель, предназначенный для использования в ответвителе, выполнен с изолирующим слоем между его внутренним проводником и наружным проводником и с диэлектрической оболочкой на наружном проводнике, центральный проводник отрезка коаксиальной линии с диэлектрическим изолятором электрически подсоединен к внутреннему проводнику коаксиального кабеля через отверстие, выполненное в диэлектрической оболочке, наружном проводнике, изолирующем слое и внутреннем проводнике коаксиального кабеля, с возможностью установки центрального проводника с диэлектрическим изолятором отрезка коаксиальной линии в отверстии, выполненном во внутреннем проводнике коаксиального кабеля, согласно заявленному устройству введена металлическая пластина, внутренняя поверхность которой, обращенная к диэлектрической оболочке коаксиального кабеля, исполнена по форме и размерам, соответствующим форме и размерам диэлектрической оболочки коаксиального кабеля, причем металлическая пластина выполнена с, по меньшей мере, одним элементом соединения, обеспечивающим ее установку непосредственно на диэлектрической оболочке коаксиального кабеля, отверстие в диэлектрической оболочке, наружном проводнике, изолирующем слое и внутреннем проводнике коаксиального кабеля выполнено с диаметром, равным наружному диаметру диэлектрического изолятора, металлическая пластина и внешний проводник отрезка коаксиальной линии соединены между собой и свободны от гальванического (электрического) контакта с наружным проводником коаксиального кабеля.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- центральный проводник отрезка коаксиальной линии был установлен с возможностью его перемещения вдоль продольной оси отверстия, выполненного во внутреннем проводнике;
- выступающий наружу конец отрезка коаксиальной линии был выполнен в виде коаксиального разъема;
- металлическая пластина была установлена на диэлектрической оболочке коаксиального кабеля посредством элемента соединения - клеевого слоя;
- была введена вторая пластина, внутренняя поверхность которой, обращенная к диэлектрической оболочке коаксиального кабеля, была исполнена по форме и размерам, соответствующим форме и размерам диэлектрической оболочке коаксиального кабеля, при этом вторая пластина установлена на диэлектрической оболочки коаксиального кабеля оппозитно металлической пластине с возможностью образования элемента соединения - хомута посредством монтажа металлической пластины и второй пластины винтами;
- центральный проводник отрезка коаксиальной линии был снабжен емкостным элементом, выполненным в виде зазора в центральном проводнике или в виде диэлектрической вставки в него;
- центральный проводник отрезка коаксиальной линии был снабжен индуктивным элементом, выполненным в виде волнистой наружной поверхности центрального проводника или в виде витой спирали, установленной в разрыве центрального проводника.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 изображает заявленное устройство, внешний вид;
Фиг.2 - то же, что фиг.1, поперечное сечение;
Фиг 3 - то же, что фиг.2, вариант с емкостным элементом;
Фиг.4 - то же, что фиг.2, вариант с индуктивным элементом;
Фиг.5 - то же, что фиг.2, другой вариант с индуктивным элементом;
Фиг.6 - результаты измерения КСВн ответвителя с использованием измерителя параметров АФС "Site Master S332B" в диапазоне 1500-2500 МГц;
Фиг.7 - частотную зависимость коэффициента ответвления от частоты в диапазоне работы сетей сотовой связи стандартов GSM 1800 и UMTS.
Ответвитель для коаксиального кабеля (фиг.1, 2) содержит отрезок 1 коаксиальной линии, выполненный из центрального проводника 2 и внешнего проводника 3, между которыми расположен диэлектрический изолятор 4. Коаксиальный кабель 5, предназначенный для использования в ответвителе, выполнен с изолирующим слоем 6 между его внутренним проводником 7 и наружным проводником 8 и с диэлектрической оболочкой 9 на наружном проводнике 8. Центральный проводник 2 отрезка 1 коаксиальной линии с диэлектрическим изолятором 4 электрически подсоединен к внутреннему проводнику 7 коаксиального кабеля 5 через отверстие, выполненное в диэлектрической оболочке 9, наружном проводнике 8, изолирующем слое 6 и внутреннем проводнике 7 коаксиального кабеля 5, с возможностью установки центрального проводника 2 с диэлектрическим изолятором 4 отрезка 1 коаксиальной линии в отверстии, выполненном во внутреннем проводнике 7 коаксиального кабеля 5.
Введена металлическая пластина 10, внутренняя поверхность которой, обращенная к диэлектрической оболочке 9 коаксиального кабеля 5, исполнена по форме и размерам, соответствующим форме и размерам диэлектрической оболочки 9 коаксиального кабеля 5. Металлическая пластина 10 выполнена с, по меньшей мере, одним элементом 11 соединения, обеспечивающим ее установку непосредственно на диэлектрической оболочке 9 коаксиального кабеля 5. Отверстие в диэлектрической оболочке 9, наружном проводнике 8, изолирующем слое 6 и внутреннем проводнике 7 коаксиального кабеля 5 выполнено с диаметром, равным диаметру диэлектрического изолятора 4. Металлическая пластина 10 и внешний проводник 3 отрезка 1 коаксиальной линии соединены между собой и свободны от электрического контакта с наружным проводником 8 коаксиального кабеля 5.
Так же, как в ближайшем аналоге, центральный проводник 2 отрезка 1 коаксиальной линии установлен с возможностью его перемещения вдоль продольной оси отверстия, выполненного во внутреннем проводнике 7, для изменения величины коэффициента ответвления.
Кроме того, выступающий наружу конец отрезка 1 коаксиальной линии может быть выполнен в виде коаксиального разъема для установки какого-либо дополнительного оборудования.
Металлическая пластина 10 может быть установлена на диэлектрической оболочке 9 коаксиального кабеля 5 посредством элемента 11 соединения - клеевого слоя (фиг.1, 2).
Кроме того, может быть введена вторая пластина 12, внутренняя поверхность которой, обращенная к диэлектрической оболочке 9 коаксиального кабеля 5, исполнена по форме и размерам, соответствующим форме и размерам диэлектрической оболочки 9 коаксиального кабеля 5. Вторая пластина 12 установлена на диэлектрической оболочке 9 коаксиального кабеля оппозитно металлической пластине 10 с возможностью образования элемента 11 соединения - хомута посредством монтажа металлической пластины 10 и второй пластины 12 винтами 13 (фиг.1-5).
Центральный проводник 2 отрезка 1 коаксиальной линии (фиг.3) может быть снабжен емкостным элементом 14 для корректировки частотной зависимости коэффициента ответвления. Емкостной элемент 14 может быть выполнен в виде зазора в центральном проводнике 3 или в виде диэлектрической вставки в зазор (могут использоваться и выпускаемые промышленностью конденсаторы).
Для корректировки частотной зависимости коэффициента ответвления центральный проводник 2 отрезка 1 коаксиальной линии может быть снабжен индуктивным элементом 15, выполненным в виде волнистой наружной поверхности центрального проводника 2 (фиг.4). Индуктивный элемент 15 может быть выполнен в виде витой спирали (фиг.5), установленной в разрыве центрального проводника 2. (Могут использоваться и выпускаемые промышленностью стандартные индуктивные элементы).
Монтаж устройства (фиг.1, 2) осуществляют следующим образом.
В коаксиальном кабеле 5 (например, магистральном кабеле) в необходимом месте подсоединения дополнительного оборудования высверливается отверстие, проходящее через диэлектрическую оболочку 9, наружный проводник 8, изолирующий слой 6 во внутренний проводник 7. Диаметр этого отверстия выбирается таким, чтобы центральный проводник 2 с диэлектрическим изолятором 4 входил в отверстие с небольшим натягом. По сравнению с ближайшим аналогом удаления диэлектрической оболочки 9 под пружинящий элемент не требуется, а наоборот, для улучшения электрической емкостной связи требуется ее сохранность в месте контакта с диэлектрическим изолятором 4.
Центральный проводник 2 отрезка 1 имеет возможность установки (совместно с диэлектрическим изолятором 4) непосредственно в отверстии, выполненном во внутреннем проводнике 7 коаксиального кабеля для обеспечения максимальных величин коэффициента ответвления. Кроме того, центральный проводник 2 имеет возможность его перемещения вдоль продольной оси отверстия, выполненного во внутреннем проводнике 7. Коэффициент ответвления электромагнитной энергии регулируется глубиной проникновения центрального проводника 2 отрезка 1 коаксиальной линии в коаксиальный кабель 5.
Металлическая пластина 10, соединенная с внешним проводником 3 отрезка 1 коаксиальной линии, прижимается к диэлектрической оболочке 9 коаксиального кабеля 5 и прикрепляется к ней элементом 11 соединения, например, слоем эпоксидного клея (фиг.1, 2). Для повышения надежности соединения может быть введена вторая пластина 12, внутренняя поверхность которой, обращенная к диэлектрической оболочке 9 коаксиального кабеля 5, исполнена по форме и размерам, соответствующим форме и размерам диэлектрической оболочки 9 коаксиального кабеля 5. Вторая пластина 12 установлена на диэлектрической оболочке 9 коаксиального кабеля оппозитно металлической пластине 10 с возможностью образования элемента 11 соединения - хомута посредством монтажа металлической пластины 10 и второй пластины 12 винтами 13 (фиг.1-5).
Внешний проводник 3 может представлять собой наружный корпус коаксиального разъема. Таким образом, выступающий наружу конец отрезка 1 коаксиальной линии может быть выполнен в виде коаксиального разъема. Это позволяет уменьшить габариты и упростить устройство для подсоединения к нему различного оборудования.
Для корректировки частотной зависимости коэффициента ответвления центральный проводник 2 отрезка 1 коаксиальной линии может быть снабжен емкостным элементов 14 или индуктивным элементом 15, выполненными в соответствии вышеописанными средствами (фиг.3-5). При этом изменения диаметра отверстия в коаксиальном кабеле 5 или каких-либо дополнительных настроек не требуется, а корректировка осуществляется путем замены соответствующих емкостных элементов 14 или индуктивных элементов 15 (фиг.3-5). Необходимость в корректировке частотной зависимости может возникнуть при расширении частотного диапазона коаксиального ответвителя для стабилизации его характеристик.
В заявленном устройстве отсутствуют непосредственные электромеханические контакты между проводниками отрезка 1 коаксиальной линии и коаксиального кабеля 5 (используется емкостная электрическая связь), что обеспечивает долгосрочную стабильность характеристик ответвителя и гарантирует отсутствие интермодуляционных помех. Кроме того, заявленное устройство более удобно при монтаже, т.к. не требует удаления диэлектрической оболочки 9 коаксиального кабеля 5 для установки какого-либо пружинящего элемента или других механических средств для обеспечения электрических контактов.
Как показали испытания, монтируемая непосредственно на магистральный коаксиальный кабель конструкция обеспечивает широкий диапазон уровня ответвления сигнала (-5 ÷ -40 дБ). Требуемый на практике коэффициент ответвления для получения необходимого уровня ВЧ-энергии дополнительного оборудования может определяться на месте монтажа, например, путем подключения измерителя мощности к ответвителю или с использованием известной зависимости коэффициента ответвления от длины центрального проводника 2 отрезка 1.
Технические характеристики нескольких номиналов заявленного ответвителя сведены в таблицу.
Таблица
Котвл. (дБ)
КСВн
Диаметр кабеля (дюйм)
Вес (г)
Тип ВЧ разъема
-5
1.5
1/2 (7/8, 5/4)
91 (96, 120)
N
-7
1.3
1/2 (7/8, 5/4)
91 (96, 120)
N
-11
1.2
1/2 (7/8, 5/4)
91 (96, 120)
N
-15
1.1
1/2 (7/8, 5/4)
91 (96, 120)
N
-40
1.05
1/2 (7/8, 5/4)
91 (96, 120)
N
На фиг.6 и 7 представлены результаты испытания образца ответвителя (ОК) с коэффициентом ответвления -7 дБ для коаксиального кабеля 5 диаметром 1/2'' (кабель LCF 12-50 фирмы RFS). Ответвитель разработан для диапазона частот 1710-2170 МГц, обеспечивающего работу сетей сотовой связи в стандарте GSM 1800 и UMTS (3G).
Рабочий диапазон (фиг.6) обозначен маркерами M1 и М2. Внутри рабочего диапазона КСВн меньше 1.3, что удовлетворяет Российским требованиям к элементам АФС сотовой связи 1.5. Рост КСВн на частотах свыше 2170 МГц может быть скомпенсирован использованием вариантов ответвителя, изображенных на фиг.4 и 5.
На фиг.7 заметно увеличение коэффициента ответвления с увеличением частоты. Корректировка также может быть реализована использованием вариантов, приведенных на фиг.4 и 5.
Предельная простота конструкции и удобство монтажа, а также не высокая чувствительность зависимости коэффициента ответвления от геометрических размеров обуславливают практическую значимость предлагаемого устройства.
Наиболее успешно заявленный ответвитель для коаксиального кабеля промышленно применим при реализации сложных, разветвленных антенно-фидерных схем, может быть использован при построении сетей сотовой связи и беспроводного доступа и других систем связи в крупных зданиях и сооружениях (стадионы, торговые центры, подземные паркинги, метрополитен и т.д.).