кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее устройство
Классы МПК: | H01P5/10 для связи симметричных линий или устройств с несимметричными линиями или устройствами |
Автор(ы): | Помазков А.П. (RU), Ионова С.П. (RU) |
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:
20.08.2004 |
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=0/2, где 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 центрального проводника четвертьволнового согласующего трансформатора dтр, длина lшл и диаметр центрального проводника dшл разомкнутого шлейфа выбраны из соотношений где D - внутренний диаметр трубок первого и второго полуколец;Z0 вх - волновое сопротивление коаксиального входа;Rн - активная составляющая входного сопротивления симметричной нагрузки; - диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего полость трубчатых полуколец;0 - центральная длина волны рабочего диапазона в свободном пространстве;Z0шл - волновое сопротивление разомкнутого шлейфа;Z0шл=-1/Btgшлlшл;В - заданная проводимость реактивной составляющей на входе симметричной нагрузки на длине волны max рабочего диапазона;шл - 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= 0/2 , где 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: 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, - диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего полость трубчатых полуколец, 0 - центральная длина волны рабочего диапазона в свободном пространстве,Z0шл - волновое сопротивление разомкнутого шлейфа, В - заданная проводимость реактивной составляющей на входе симметричной нагрузки на длине волны max рабочего диапазона, 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 Поэтому на центральной длине волны 0 токи I1 и I2, текущие по наружным поверхностям полуколец 1 и 2, равны нулю, так как I1,2=U/Zвхшл2=U/ =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 0, то есть в случае 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: где Z0вх - волновое сопротивление коаксиального входа,Rн - активная составляющая входного сопротивления симметричной нагрузки.Отсюда следует формула 1 описания: 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 0 входное сопротивление разомкнутого шлейфа Zвхшл2= и не влияет на входное сопротивление симметричной нагрузки.При отклонении длины волны от центральной длины волны 0 входное сопротивление короткозамкнутого шлейфа чисто реактивное и равно:zвхшл2=jz0шл2tg lшл2Входное сопротивление разомкнутого шлейфа также чисто реактивно и равно:zвхшл1=-jz0ctg lшл1Сопротивления 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, F=fв-fн - полоса согласования по определенному уровню коэффициента стоячей волны (КСВн). В каждом конкретном случае величина q определяется уровнем задаваемого КСВн в полосе 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 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 f0 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 0=60 см,- КСВн в полосе частот f0 70 МГц менее 1,5,- коэффициент перекрытия q=fв/fн=l,32,Макет изготовлен из латунной трубки, “труба DKHPM 10 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 информации1. 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