кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее устройство

Классы МПК:H01P5/10 для связи симметричных линий или устройств с несимметричными линиями или устройствами 
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики (RU),
Министерство Российской Федерации по атомной энергии (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2001-08-27
публикация патента:

Кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее устройство относится к области симметрирующих и согласующих устройств для симметрирования и согласования антенн метрового и дециметрового диапазона. Технический результат - расширение рабочей полосы частот кольцевого симметрирующего согласующего устройства. Кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее устройство содержит два симметричных трубчатых полукольца, образующих кольцо с зазором ab, коаксиальный вход, закрепленный на трубчатом кольце диаметрально противоположно зазору. Внутри первого полукольца проложен центральный проводник, образующий коаксиальную линию с этим полукольцом. Один конец центрального проводника соединен с центральным проводником коаксиального входа, другой конец выведен в зазор кольца. Часть коаксиальной линии первого полукольца, начиная от зазора, выполнена в виде четвертьволнового согласующего трансформатора. Во втором полукольце проложен центральный проводник, образующий разомкнутый шлейф. Конец центрального проводника разомкнутого шлейфа в зазоре кольца соединен с выходом центрального проводника четвертьволнового согласующего трансформатора. Центральный проводник и центральный проводник закреплены внутри трубчатых полуколец и с помощью диэлектрических шайб. 2 ил.

Рисунок 1, Рисунок 2

Формула изобретения

Кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее устройство, содержащее два симметричных трубчатых полукольца, образующих кольцо с зазором, коаксиальный вход, закрепленный на трубчатом кольце диаметрально противоположно зазору, внутри первого полукольца проложен центральный проводник, образующий коаксиальную линию с этим полукольцом, при этом один конец центрального проводника соединен с центральным проводником коаксиального входа, а другой конец выведен в зазор кольца, отличающееся тем, что диаметр трубчатого кольца с зазором равен Dк=кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 22347710/2кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771, где кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 22347710 - центральная длина волны в свободном пространстве, а часть коаксиальной линии первого полукольца, начиная от зазора, выполнена в виде четвертьволнового согласующего трансформатора, во втором полукольце проложен центральный проводник, образующий разомкнутый шлейф, один конец центрального проводника разомкнутого шлейфа в зазоре кольца соединен с выходом центрального проводника четвертьволнового согласующего трансформатора, при этом диаметр центрального проводника четвертьволнового согласующего трансформатора dтр, длина lшл и диаметр центрального проводника dшл разомкнутого шлейфа выбраны из соотношений

кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771

кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771

кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771

где D - внутренний диаметр трубок первого и второго полуколец;

Z0 вх - волновое сопротивление коаксиального входа;

Rн - активная составляющая входного сопротивления симметричной нагрузки;

кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 - диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего полость трубчатых полуколец;

кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 22347710 - центральная длина волны рабочего диапазона в свободном пространстве;

Z0шл - волновое сопротивление разомкнутого шлейфа;

Z0шл=-1/Bкольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771tgкольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771шлlшл;

В - заданная проводимость реактивной составляющей на входе симметричной нагрузки на длине волны кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771max рабочего диапазона;

кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771шл - фазовая постоянная распространения волны в разомкнутом шлейфе.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области техники СВЧ, а точнее к области симметрирующих и согласующих устройств, и может быть использовано для симметрирования и согласования антенн метрового и дециметрового диапазона.

Известно кольцевое симметрирующее устройство [1, стр. 325, рис. 18.10], содержащее два симметричных трубчатых полукольца, образующих кольцо с зазором, и коаксиальный вход, закрепленный на трубчатом полукольце диаметрально противоположно зазору в кольце. Внутри первого трубчатого полукольца проложен центральный проводник, образующий коаксиальную линию с волновым сопротивлением Z0. Один конец центрального проводника соединен с центральным проводником коаксиального входа с волновым сопротивлением Z0вх. Другой конец центрального проводника соединен в зазоре со вторым трубчатым полукольцом. Один конец симметричной нагрузки соединен в зазоре с корпусом первого трубчатого полукольца, другой конец - с корпусом второго трубчатого полукольца.

Симметрирующее действие кольцевого симметрирующего устройства происходит следующим образом. На коаксиальный вход подается высокочастотное напряжение. Ток Iк1, выходящий с внутренней поверхности первого полукольца, разветвляется на ток Iн1, идущий в симметричную нагрузку, и на ток I1, текущий по наружной поверхности первого трубчатого полукольца, Iк1=Iн1+I1. Ток в центральном проводнике первого полукольца Iпр1 складывается из тока Iн2 на втором конце симметричной нагрузки и тока I2, текущего по наружной поверхности второго полукольца, Iпр1=Iн2+I2. Токи в коаксиальной линии в центральном проводнике и на внутренней поверхности внешнего проводника в любом сечении равны: Iн1+I1=Iн2+I2.

Благодаря геометрической симметрии кольца и подключенной симметричной нагрузке токи I1 и I2 равны, в результате чего токи на обоих концах нагрузки равны по величине, т.е. Iн1=Iн2.

Известное кольцевое симметрирующее устройство близко по конструкции к предлагаемому кольцевому широкополосному симметрирующе-согласующему устройству и принято заявителями в качестве прототипа.

Такое кольцевое симметрирующее устройство производит симметрирование независимо от длины полуколец в широкой полосе рабочих частот. Недостатком этого устройства является его узкополосность по входным частотным характеристикам.

Техническим результатом заявляемого решения является расширение рабочей полосы частот при применении предложенного кольцевого широкополосного симметрирующе-согласующего устройства.

Этот технический результат достигается тем, что в кольцевом широкополосном симметрирующе-согласующеем устройстве, содержащем два симметричных трубчатых полукольца, образующих кольцо с зазором, коаксиальный вход, закрепленный на трубчатом кольце диаметрально противоположно зазору, внутри первого полукольца проложен центральный проводник, образующий коаксиальную линию с этим полукольцом, при этом один конец центрального проводника соединен с центральным проводником коаксиального входа, а другой конец выведен в зазор кольца, новым является то, что диаметр трубчатого кольца с зазором равен Dк=кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 0/2кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 , где кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 0 - центральная длина волны в свободном пространстве, а часть коаксиальной линии первого полукольца, начиная от зазора, выполнена в виде четвертьволнового согласующего трансформатора, во втором полукольце проложен центральный проводник, образующий разомкнутый шлейф, один конец центрального проводника разомкнутого шлейфа в зазоре кольца соединен с выходом центрального проводника четвертьволнового согласующего трансформатора, при этом диаметр dтр центрального проводника четвертьволнового согласующего трансформатора, длина lшл и диаметр dшл центрального проводника разомкнутого шлейфа выбраны из соотношений:

кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771

кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771

кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771

где dтр - диаметр центрального проводника четвертьволнового согласующего трансформатора,

dшл - диаметр центрального проводника разомкнутого шлейфа,

D - внутренний диаметр трубок первого и второго полуколец,

lшл - длина центрального проводника разомкнутого шлейфа,

Z0вх - волновое сопротивление коаксиального входа,

Rн - активная составляющая входного сопротивления симметричной нагрузки,

кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 - диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего полость трубчатых полуколец,

кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 0 - центральная длина волны рабочего диапазона в свободном пространстве,

Z0шл - волновое сопротивление разомкнутого шлейфа,

кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771

В - заданная проводимость реактивной составляющей на входе симметричной нагрузки на длине волны кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 max рабочего диапазона,

кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 шл - фазовая постоянная распространения волны в разомкнутом шлейфе.

Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет создать кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее устройство, осуществляющее одновременно симметрирование и согласование в широкой полосе частот.

На фиг.1 приведен эскиз предлагаемого устройства.

На фиг.2 приведена электрическая схема предлагаемого устройства.

Кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее устройство (фиг.1) содержит два симметричных трубчатых полукольца 1 и 2, образующих кольцо с зазором ab, коаксиальный вход 3, закрепленный на трубчатом кольце диаметрально противоположно зазору, внутри первого полукольца проложен центральный проводник 4, образующий коаксиальную линию с этим полукольцом, один конец центрального проводника 4 соединен с центральным проводником 5 коаксиального входа 3, другой конец выведен в зазор кольца ab. Часть коаксиальной линии первого полукольца, начиная от зазора, выполнена в виде четвертьволнового согласующего трансформатора. Во втором полукольце 2 проложен центральный проводник 6, образующий разомкнутый шлейф, конец центрального проводника 6 разомкнутого шлейфа в зазоре кольца соединен с выходом центрального проводника 4 четвертьволнового согласующего трансформатора. Центральный проводник 4 закреплен внутри первого трубчатого полукольца 1 с помощью диэлектрических шайб 8, 9, 10. Центральный проводник 6 закреплен внутри второго трубчатого полукольца 2 с помощью диэлектрических шайб 11, 12, 13.

Симметрирующе-согласующее широкополосное устройство работает следующим образом. Высокочастотное напряжение подается на коаксиальный вход (см. фиг.2), затем на вход четвертьволнового согласующего трансформатора, состоящего из трубчатого полукольца 1 и центрального проводника 4, а с его выхода - на вход разомкнутого шлейфа, состоящего из трубчатого полукольца 2 и центрального проводника 6. На срезе полуколец 1 и 2 в точках ab токи Iк, текущие по поверхностям полуколец 1 и 2, разветвляются на токи Iн1 и Iн2, текущие на входы симметричной нагрузки, например антенны, и токи I1 и I2. Полукольца 1 и 2 представляют собой двухпроводный четвертьволновый, короткозамкнутый в точке d шлейф 2. Входное сопротивление такого шлейфа в точках ab равно кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771

Поэтому на центральной длине волны кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 0 токи I1 и I2, текущие по наружным поверхностям полуколец 1 и 2, равны нулю, так как I1,2=U/Zвхшл2=U/кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 =0.

Так как токи Iк1 и Iк2 на внутренней поверхности полуколец также равны, т.к. I1=I2=0, то токи на входе симметричной нагрузки равны, нагрузка имеет симметричное питание. При отклонении длины волны от центральной длины волны кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 0, то есть в случае кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 0, токи Iк1 и Iк2, текущие по поверхности полуколец, в силу симметричности равны по величине и противоположны по направлению, компенсируют друг друга по действию, а нагрузка запитывается симметрично. Кроме того, за точкой короткого замыкания d токов нет, ввиду отсутствия электромагнитного поля.

Согласование входного сопротивления симметричной нагрузки Zвх, например антенны, с помощью предлагаемого технического решения производится за счет четвертьволнового трансформатора. Диаметр центрального проводника dтр выбирается так, чтобы волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора было равно:

кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771

где Z0вх - волновое сопротивление коаксиального входа,

Rн - активная составляющая входного сопротивления симметричной нагрузки.

Отсюда следует формула 1 описания:

кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771

Расширение полосы согласования симметричной нагрузки происходит следующим образом. Параллельно симметричной нагрузке в точках а и b подключено входное сопротивление Zвхшл2 короткозамкнутого шлейфа, образованного двумя полукольцами 1 и 2, и входное сопротивление разомкнутого четвертьволнового шлейфа Zвхшл1. На центральной длине волны кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 0 входное сопротивление разомкнутого шлейфа Zвхшл2=кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 и не влияет на входное сопротивление симметричной нагрузки.

При отклонении длины волны от центральной длины волны кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 0 входное сопротивление короткозамкнутого шлейфа чисто реактивное и равно:

zвхшл2=jz0шл2tgкольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 lшл2

Входное сопротивление разомкнутого шлейфа также чисто реактивно и равно:

zвхшл1=-jz0ctgкольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 lшл1

Сопротивления zвхшл2 и zвхшл1 подключены параллельно, их реактивности противоположны по знаку и компенсируют друг друга в широкой полосе частот. За счет этого суммарные реактивности, подключаемые параллельно входу симметричной нагрузки, например антенны, уменьшаются и полоса согласования существенно расширяется.

Ширина полосы согласования характеризуется коэффициентом перекрытия q=fв/fн, где fв - верхняя частота рабочего диапазона частот, fн - нижняя частота рабочего диапазона частот, кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 F=fв-fн - полоса согласования по определенному уровню коэффициента стоячей волны (КСВн). В каждом конкретном случае величина q определяется уровнем задаваемого КСВн в полосе кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 F и коэффициентом трансформации n=Rн/Z0вх.

В целях подтверждения осуществимости заявляемого технического решения изготовлен макет кольцевого широкополосного симметрирующе-согласующего устройства со следующими параметрами:

- рабочая частота f0=500 МГц,

- центральная длина волны кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 0=60 см,

- диаметр трубчатого кольца по оси трубок Dк=95 мм,

- ширина зазора в трубчатом кольце l3=10 мм,

- волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора Z0тр=61 Ом,

- волновое сопротивление коаксиального входа Z0=50 Ом,

- волновое сопротивление компенсирующего шлейфа Z0шл=50 Ом,

- КСВн в полосе частот f0кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 100 МГц менее 1,5,

- коэффициент перекрытия q=fв/fн=1,5.

Для сравнения приведем расчетные данные по частотной характеристике прототипа [1, стр. 325, рис. 18.10]:

- рабочая частота f0=500 МГц,

- центральная длина волны кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 0=60 см,

- КСВн в полосе частот f0кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 70 МГц менее 1,5,

- коэффициент перекрытия q=fв/fн=l,32,

Макет изготовлен из латунной трубки, “труба DKHPM 10кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее   устройство, патент № 2234771 1 ОП 63 ГОСТ 494-75” с внутренним диаметром Dтр=8 мм. Центральные проводники выполнены из латунного прутка ЛС-59-1 ГОСТ 15527-74. В качестве коаксиального входа применен стандартный высокочастотный соединитель СР50-73Ф. Диэлектрические опорные шайбы изготовлены из фторопласта ФТ-4.

Проведенный анализ показывает, что предлагаемое кольцевое симметрирующе-согласующее широкополосное устройство отвечает критериям патентоспособности и может быть использовано в технике СВЧ и для симметрирования и согласования антенн метрового и дециметрового диапазона.

Источник информации

1. А.С. Лавров, Г.Б. Резников. Антенно-фидерные устройства. М.: Сов. Радио, 1974.

Класс H01P5/10 для связи симметричных линий или устройств с несимметричными линиями или устройствами 

волноводный переход -  патент 2402843 (27.10.2010)
сверхширокополосный симметрирующий фидер -  патент 2361334 (10.07.2009)
симметрирующее устройство -  патент 2344521 (20.01.2009)
адаптивное антенное согласующее устройство -  патент 2282284 (20.08.2006)
симметрирующее устройство -  патент 2255393 (27.06.2005)
согласующее устройство для работы антенны на двух разных частотах -  патент 2251766 (10.05.2005)
симметрирующее устройство, устройство радиосвязи и способ конструирования антенной системы -  патент 2143160 (20.12.1999)
двухдиапазонная антенна (варианты) -  патент 2118017 (20.08.1998)
высокочастотное симметрирующее устройство -  патент 2072594 (27.01.1997)
симметрирующее устройство -  патент 2020663 (30.09.1994)
Наверх