ВКЛАДЫШ ДЛЯ КОАКСИАЛЬНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ Российский патент 1995 года по МПК H01P3/06 

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано в коаксиальных трактах СВЧ.

Диэлектрические вкладыши, размещаемые между наружным и внутренним проводниками коаксиальной линии передачи, могут использоваться в качестве опор для внутреннего проводника линии, согласующих четвертьволновых трансформаторов и рассогласователей с заданным КСВН. Во всех этих случаях для обеспечения заданного уровня согласования необходимо точно знать величину волнового сопротивления (Z) участка коаксиальной линии, содержащего диэлектрический вкладыш. Z определяется диаметрами наружного (D) и внутреннего (d) проводников участка линии, содержащих этот вкладыш, и действующим (эквивалентным) значением диэлектрической проницаемости (ε_э ) в области размещения диэлектрика.

Известно
Z ln (1)
При выбранных D и d для обеспечения заданного необходимо обеспечить соответствующее значение ε_э с достаточной точностью. Известны методы расчета слоистых структур диэлектриков в форме кольца, соосного с линией. Точный расчет ε_э для диэлектрических вкладышей (шайб) сложной формы не представляется возможным, так как значение ε_э в различных радиальных направлениях для этих конструкций разное, зависящее от формы шайбы. Способы точного определения интегрального значения ε_э для этих конструкций (например, треугольной или звездообразной формы) не известны.

В общем случае отверстия могут быть заполнены диэлектриком с любой диэлектрической проницаемостью, отличающейся от диэлектрической проницаемости материала, так как формула для точного расчета
ε_э (2) где n 1,2. номера слоев диэлектрика;
ε_п диэлектрическая проницаемость n-го слоя диэлектрика;
d_n и d_n+1 соответственно внутренний и наружный диаметры n-го слоя диэлектрика, справедлива при любых ε_n.

Выбором соответствующих значений d и ε_n может быть обеспечено требуемое ε_э и Z участка линии, поэтому такая конструкция принципиально может быть использована для создания опор, согласующих трансформаторов и рассогласователей.

К недостаткам конструкции относится необходимость выполнения отверстий и особенно элементов их заполнения в виде дугообразных элементов (частей кругового кольца). Но так как многие диэлектрические материалы СВЧ выпускаются только в виде пластин сравнительно небольшой толщины, то изготовление из них дугообразных элементов (или цилиндров) не всегда возможно (особенно для линий больших диаметров), что ограничивает возможность применения этих материалов, усложняет конструкцию и технологию изготовления.

Задачей является обеспечение возможности создания вкладыша в виде опор, согласующих трансформаторов и рассогласователей, выполняемых из пластин диэлектрика, а техническим результатом обеспечение заданного значения волнового сопротивления участка коаксиальной линии, содержащего вкладыш, составленный из этих пластин. Для этого диэлектрические пластины, образующие вкладыш, имеют в поперечном сечении форму трапеций, боковые стороны которых совпадают с радиусами окружности поперечного сечения линии, образующими центральные узлы, сумма которых равна 2 π а диэлектрическая проницаемость каждой пластины и расстояние от точек пересечения оснований трапеции с радиусами выбраны из соотношения
ε_э (3) где ε_л и ε_xi- диэлектрические проницаемости материала соответственно заполнения линии и диэлектрических пластин;
а_i и b_i расстояния от оси коаксиальной линии до точек пересечения соответственно меньшего и большего оснований трапеции с любым из радиусов окружности поперечного сечения линии;
i 1, 2 таким образом, чтобы значение ε_э было равно заданному в пределах всех центральных углов. При этом в соответствии с выражением (1) обеспечено заданное значение Z.

Для упрощения расчетов конструкций и технологии изготовления пластины соединены между собой так, что образуют правильную призму или правильную усеченную пирамиду, расположенную соосно с проводниками линии.

Для расширения диапазона изменения ε_э при использовании диэлектрических пластин малой толщины они соединены между собой таким образом, что образуют звездообразную призму или усеченную пирамиду. В предлагаемых конструкциях сохраняется возможность охлаждения проводников потоком воздуха.

Установлено, что диэлектрическая пластина (или отверстие в диэлектрике), поперечное сечение которой имеет форму трапеции, а боковые стороны совпадают с радиусами, сохраняет в любом радиальном направлении (в пределах образованного этими радиусами центрального угла) одно и то же значение ε_эi вдоль любого радиуса R_i, т.е. одно и то же ε_э в пределах всего центрального угла.

На чертеже представлена конструкция с произвольным расположением диэлектрических пластин 1-4, расположенных между проводниками коаксиальной линии с внутренним диаметром d и наружным диаметром D, поперечное сечение, где ε_х1, ε _х2, ε _х3 диэлектрические проницаемости пластин 1, 2, 3; R₁-R_n радиусы окружности поперечного сечения линии.

Все пластины имеют в поперечном сечении форму трапеций, боковые стороны которых совпадают в радиусами R_i. Каждый центральный угол, образованный этими радиусами, содержит хотя бы одну диэлектрическую пластину, сумма этих центральных углов равна 2π радиан, ε_л ≠ ε_xi. В верхней полуокружности представлен случай произвольного расположения пластин с разным значением ε _хi, требуемое значение ε _э обеспечивается соответствующим выбором а_i, b_i и ε_хi. В нижней полуокружности пластины с одинаковым ε_хi соединены между собой и образуют многогранник, требуемое значение ε_э обеспечивается выбором соответствующих а_i и b_i.

В верхней полуокружности представлен диэлектрический вкладыш, составленный из пластин с диэлектрической проницаемостью ε _х, образующих в любом поперечном сечении правильный многоугольник. В нижней полуокружности представлен диэлектрический вкладыш, составленный из пластин с той же диэлектрической проницаемостью ε_х, имеющих меньшую толщину и образующих в любом поперечном сечении многоугольник звездообразной формы. И в том, и в другом случае вкладыш может иметь форму призмы или усеченной пирамиды с отверстием той же формы. При этом значение ε _э будет одним и тем же для вкладышей, представленных на верхней и нижней полуокружностях.

Рассмотрим четырехугольник А₁В₁А₂В₂, представляющий собой поперечное сечение диэлектрической пластины с двумя параллельными гранями и диэлектрической проницаемостью ε_х, размещенной в центральном угле, ограниченном радиусами R₁-R_n так, чтобы боковые грани пластины совпали с радиусами R₁ и R_n. Так как А₁А_n B₁B_n, то четырехугольник А₁В₁А_nB_n трапеция.

Для радиуса, например, R₂ выражение (2) при ε₁ ε_л; ε ₂ ε_х; d₁= d₂; d₂ А₂О; d₃ B₂О; d₄ D можно записать
ε_эi (4)
Но из подобия треугольников ОВ₁В₂ и ОА₁А₂ (общий угол, В₁В₂ А₁А₂) следует

Точно также доказывается равенство
(5)
где а_i, b_i расстояния от точки О до точек пересечения любого радиуса с основаниями трапеции для любого центрального угла.

Таким образом, в пределах рассматриваемого центрального угла значение ε_э будет одним и тем же в любом радиальном направлении, т.е. одним и тем же для всего центрального угла, содержащего диэлектрическую пластину. Поэтому трапециевидная и дугообразные формы поперечного сечения диэлектрической пластины оказываются эквивалентными (с точки зрения обеспечения заданного ε _э).

Действительно в дугообразных (кольцевых) структурах конструкции-прототипа диаметры дуг остаются постоянными в пределах одного и того же центрального угла ( соnst). В предложенной конструкции расстояния а_i и b_i изменяются, но так как при этом изменяется и угол, под которым радиус R_i пересекает основания трапеций, то в результате имеет = const.

Из выражения (4) с учетом равенства (5) можно получить
(6) т.е. для пластин с разными значениями ε_хi (пластины 1-4) всегда могут быть найдены соответствующие а_i и b_i, обеспечивающие заданное значение ε _э для всего участка линии с диэлектриком, т.е. имеем ε _эi ε_э const, откуда следует справедливость выражения (3) для всего вкладыша и возможность обеспечения заданного Z в соответствии с выражением (1).

Для практического использования наиболее целесообразны вкладыши, составленные из одинаковых пластин диэлектрика так, чтобы они образовали правильные многогранники или многогранники, имеющие в поперечном сечении форму звезды. При этом многогранники могут быть либо призмой (основания одинаковые), либо усеченной пирамидой (основания не одинаковые). Во всех случаях в любом поперечном сечении должно выполняться равенство (6), т.е. и (3). При звездообразной форме оснований многогранника заданное значение ε_э можно получить при использовании пластин меньшей толщины, чем в правильных многогранниках за счет большего угла наклона пластины к радиусу (увеличивается эффективная толщина пластины). Изменяя количество вершин (лучей) звезды, можно в достаточно широких пределах изменять ε_э.Одно и то же значение ε _э в звездообразной конструкции можно получить при меньших толщинах диэлектрических пластин ( соnst для верхней и нижней полуокружности). Технологически более удобны вкладыши в виде призмы, однако принципиально они могут быть выполнены и в виде усеченной пирамиды (в этом случае плоскости пластин, образующих вкладыш, не параллельны).

Предлагаемая конструкция дает широкие возможности для создания конкретных конструкций опор, согласующих трансформаторов и рассогласователей, так как обеспечивает заданное значение эффективной диэлектрической проницаемости для диэлектрического вкладыша, составленного из пластин диэлектрика, и изменения этого значения в достаточно широких пределах возможны за счет выбора толщины пластин, их расстояния от оси линии, числа граней и формы вкладыша, что позволяет использовать диэлектрики СВЧ, выпускаемые только в виде пластин. При этом обеспечиваются более широкая возможность в выборе диэлектрических материалов, большая технологичность и простота конструкции по сравнению с прототипом, возможность изменения ε _э в широких пределах при использовании одного и того же типоразмера диэлектрика.

Для подтверждения возможности осуществления предложенной конструкции рассмотрим конструкцию диэлектрического рассогласователя для линии с воздушным заполнением ( ε _л 1) сечением 35 х 15 мм. Диэлектрический материал пластины из микалекса ( ε _х ≈ 6,5). Если выполнять вкладыш в виде правильной призмы, вписанной в линию (а_i d, b_i D), то, изменяя число граней (К) призмы, можно получить различные значения ε _э. Например, ε _э 1,18 при К 3, ε _э 2 при К 4, ε _э= 3,36 при К 6, ε _э 4,3 при К 8. Технологически изготавливать такие призмы достаточно просто, при этом такой вкладыш помимо функции рассогласователя выполняет при всех значениях К еще и функции опоры для внутреннего проводника.

Использование: в качестве опор для внутреннего проводника коаксиальной линии передачи, согласующих четверть волновых трансформаторов и рассогласователей. Сущность изобретения: между внутренним и внешним проводниками коаксиальной линии передачи установлены элементы из диэлектрического материала. Каждый элемент выполнен в виде пластины с поперечным сечением в форме трапеции. Смежные пластины соединены между собой боковыми гранями. Приведена формула для расчета величины диэлектрической проницаемости материала пластин. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ВКЛАДЫШ ДЛЯ КОАКСИАЛЬНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ, содержащий элементы из диэлектрического материала, размещенные между внутренним и внешним проводниками коаксиальной линии внутри пространств, ограниченных центральными углами, сумма которых равна 2π и имеющих в поперечном сечении форму трапеций, боковые стороны которых совпадают с радиусами, образующими центральные углы, отличающийся тем, что каждый элемент из диэлектрического материала выполнен в виде пластины, при этом величина диэлектрической проницаемости материала каждой пластины и расстояния от продольной оси коаксиальной линии до точек пересечения радиусов с меньшим и большим основаниями трапеции выбраны из соотношения

где D внутренний диаметр внешнего проводника коаксиальной линии;
d наружный диаметр внутреннего проводника коаксиальной линии;
ε_э величина эквивалентной диэлектрической проницаемости вкладыша в пределах всех центральных углов;
ε_л величина диэлектрической проницаемости материала заполнения коаксиальной линии;
ε_xi величина диэлектрической проницаемости материала i-й пластины (i 1, 2, 3),
a_i, b_i расстояния от продольной оси коаксиальной линии до точек пересечения радиуса соответственно с меньшим и большим основаниями трапеции i-й пластины. 2. Вкладыш по п.1, отличающийся тем, что каждая пластина соединена своей боковой гранью с соответствующей боковой гранью смежной пластины.