ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ КОАКСИАЛЬНОЕ КОНДЕНСАТОРНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1996 года по МПК H01G4/40 H01P1/00 

Изобретение относится к импульсной и осциллографической технике и может быть использовано в качестве разделительного устройства между цепью питания первичного преобразователя и сигнальным трактом скоростного осциллографа. Такое устройство необходимо, так как первичный преобразователь требует, как правило, высокого 1 2 кВ напряжения питания.

Для многих типов первичных преобразователей электрические сигналы на их выходе имеют широкий спектр частот. В таких случаях обладающее емкостью C_p ≃ 0,1 мкф, характеризующееся высоким рабочим напряжением U_p ≃ 1,5 кВ, граничной частотой f_гр ≃ 10 ГГц и равномерной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Эти требования являются противоречивыми, так как увеличение емкости и рабочего напряжения конденсатора вызывает увеличение его габаритных размеров, и, как следствие, уменьшение граничной частоты.

Известен коаксиальный конденсатор (1), содержащий входной и выходной коаксиальные разъемы, конусные переходы и разрывы по внутреннему и внешнему проводнику коаксиальной линии, в каждом из которых установлены специальный, намотанный на керамическом цилиндре металлобумажный безындуктивный конденсатор. Этим достигается снижение размеров конденсатора при сохранении требуемого волнового сопротивления и рабочего напряжения.

Наиболее близким техническим решением к данному предложению является высокочастотное коаксиальное конденсаторное устройство, содержащее коаксиальную линию, образованную двумя отрезками с конусообразными внутренними и внешними проводниками, обращенными друг к другу основаниями, резисторы с металлическими контактами, размещенными между внутренними и внешними проводниками и электрически соединенные с ними, низкочастотный конденсатор, установленный между внутренними проводниками, и центральный опорный элемент, закрепленный в основаниях корпусов [2]
Если рассмотреть двойной конусный переход с точки зрения распространения в нем фронта сферической электромагнитной волны (фиг.1), то видно, что при переходе этого фронта из входной конусной линии в выходную для преобразования нормальной составляющей E_п в E_п необходимо образование продольной составляющей E_z. Поскольку конструкция симметрична относительно продольной оси, в нем возможны волны высших типов E₀₁ (электрические волны). Составляющая E_z возбуждает волну типа E₀₁ на частоте, соответствующей условию λ_кр 0,57•D, где D диаметр внешнего проводника конусной линии в месте перехода фронта волны в выходную конусную линию. Эта волна, распространяясь в обратном направлении, попадает в закритическую область и быстро затухает, приводя к потерям энергии на частотах, составляющих условию λ_кр 0,57•D.

Таким образом, недостатками ВККУ (2) являются неравномерность АЧХ, обусловленная возникновением волн высшего типа и низкая механическая прочность, связанная с недостаточной толщиной опорного элемента. Целью изобретения является улучшение равномерности АЧХ и повышение механической прочности ВККУ.

Цель изобретения в ВККУ, содержащем коаксиальную линию, образованную двумя отрезками с конусообразными внутренними и внешними полупроводниками, обращенными друг к другу основаниями, резисторы с металлическими контактами, размещенными между внутренними и внешними проводниками и электрически соединенные с ними, низкочастотный конденсатор, установленный между внутренними проводниками, и центральный опорный элемент, закрепленный в основаниях корпусов (2) достигается тем, что во внутреннем проводнике одного из отрезков со стороны основания выполнена круглая выборка, в которой с зазором размещен внутренний проводник другого отрезка, причем в боковой и торцевой частях зазора установлено введенное диэлектрическое кольцо и на основаниях внутренних проводников расположены металлические диски, с параллельно включенными между ними малогабаритными конденсаторами, а центральный опорный элемент выполнен в виде двух диэлектрических шайб, имеющих профиль XY(θ), определенный выражением

где H величина, равная расстоянию от начала обоих отрезков до вертикальной оси, разделяющей эти отрезки;
E относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрических шайб, образующих центральный опорный элемент;
θ₁ и θ₂ угол, образованный соответственно образующей поверхности внешнего и внутреннего проводника с их осью;
θ текущая угловая координата q₂ < θ < θ₁.
Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемая конструкция обеспечивает разделение спектра проходящего сигнала на три полосы и прохождение ее по различным цепям, так что полоса пропускания ВККУ простирается от нижней граничной частоты низкочастотного конденсатора до верхней граничной частоты конденсаторного элемента, образованного емкостью боковой и торцевой части зазора между внутренними проводниками двух отрезков, содержащих диэлектрическое кольцо.

Сущность изобретения заключается также в том, что в предлагаемой конструкции обеспечены условия, при которых компонента E_z не возникает, а также в том, что выполнение опорного элемента в виде двух диэлектрических шайб с профилем, определяемым выражением (1) обеспечивает не только отсутствие E_z, но и обеспечивает им достаточную толщину, следовательно, механическую прочность конструкции.

Специально проведенные исследования и расчеты (3) показывают, что неоднородность, возникающая вследствие установки двух диэлектрических шайб, не оказывает существенного влияния на частотную характеристику ВККУ в рабочем диапазоне частот.

Предлагаемое коаксиальное конденсаторное устройство представлено на фиг. 2, на фиг.3 амплитудно-частотные характеристики ВККУ без диэлектрических шайб и с установленными диэлектрическими шайбами.

На фиг. 2 приняты следующие обозначения: внутренний проводник 1 конусообразной формы, внешний проводник 2, резисторы 3, 4, опорные диски 5, низкочастотный конденсатор 6, конденсатор 7, образованный двумя металлическими дисками и включенными между ними малогабаритными конденсаторами, диэлектрическое кольцо 8, боковой и торцевой зазор между внутренними проводниками двух отрезков 9, металлические контакты резисторов 10, диэлектрические шайбы 11, образующие центральный опорный элемент ВККУ.

Для предотвращения возникновения и распространения в обратном направлении волн высшего типа, приводящего к потерям энергии, т.е. неравномерности АЧХ, служат сплошные диэлектрические шайбы 11. Профиль описан выражением (1). Профиль рассчитан исходя из равенства электрической длины пути различных участков фронта сферической ТВ-волны по всем радиусам-векторам ее распространения. При таком подходе происходит наиболее плавный разворот фронта волны (без возбуждения в идеальном случае) компоненты E_z. Полное подавление E_z возможно лишь в случае идеального соблюдения условий разворота фронта сферической волны. Однако даже при изготовлении диэлектрических шайб с профилем, аппроксимированным линейной функцией при наличии конструктивных и технологических допусков происходит существенное улучшение АЧХ в резонансных областях, чем достигается цель изображения.

Нижеследующий текст показывает, что введение диэлектрических шайб выражается в появлении двух дополнительных емкостей С и индуктивностей переходных участков.

Емкости С вычисляются по формуле

где W_o волновое сопротивление линии, W_o 50 Ом;
E(X) диэлектрическая проницаемость материала шайб;
Δl длина участка конусной линии с шайбами (см. фиг.2);
E_o, M_o абсолютная диэлектрическая и магнитная проницаемость.

D диаметр внешнего конуса в месте установки шайб;
d диаметр внутреннего конуса в месте установки шайб;
Х текущая координата по профилю (фиг.2).

Эквивалентная индуктивность переходных участков от конусной линии к коаксиальной и обратно согласно (4) определяется по формуле
(3),
где r₁ радиус внутреннего проводника у основания конуса;
r₂ радиус внешнего проводника у основания конуса.

Расчет по формулам (2, 3) дал следующие приближенные значения эквивалентной емкости и индуктивности:
C₁=C₁=C₂=0,2 пФ;
L₁=L₁=L₂=0,1 нГн.

Эти величины не оказывают существенного влияния в рабочем (<10 ГГц) диапазоне частот.

Предлагаемое ВККУ работает следующим образом.

Исследуемый сигнал поступает на входной разъем, распространяется по конусной линии, причем, в месте установки конденсаторов 6, 7 и ответвления 9 разделяется на 3 части. Часть спектра сигнала, лежащая в диапазоне частот 30 кГц 10 МГц проходит через низкочастотный конденсатор 6, среднечастотная часть спектра сигнала 30 300 мГц проходит через среднечастотный конденсатор 7, высокочастотная часть спектра 300 МГц-f_в проходит через емкость боковой и торцевой части зазора 9.

Сигналы всех спектральных составляющих при прохождении в конусной линии образуют сферическое электромагнитное поле. Это означает, что в отличие от структуры ТЕМ-волны в коаксиальной линии, фронт волны не плоскость, а участок сферы, расположенный между внутренним и внешним проводником конусной линии. Фронт сферической волны при переходе из одной конусной линии в выходную искажается таким образом, что возникает продольная составляющая электрического поля (Е см. фиг.1), являющаяся на определенных частотах, источником возникновения электрических волн высших типов Е₀₁.

При установке диэлектрических шайб 11, профиль XY которых описывается выражением (1) происходит плавный разворот фронта волны, таким образом, что вначале фронт плавно преобразуется во фронт ТЕМ-волны, а затем во фронт сферической волны в выходной конусной линии. При таком переходе составляющая E_z имеет минимальную величину, обусловленную неидеальностью процесса разворота электрической волны, а, следовательно, потери энергии на волне высших типов существенно меньше. При рассмотрении эквивалентной схемы без учета эффекта волн высших типов, емкости, вносимые шайбами, совместно с индуктивностями переходных участков образуют 2-звенный П-образный фильтр низкой частоты с частотой f_ср>10 ГГц, что соответствует требуемому диапазону частот.

Были изготовлены опытные образцы ВККУ, амплитудно-частотные характеристики которых представлены на фиг. 3, без диэлектрических шайб (а) и с диэлектрическими шайбами (б). Как видно, из сравнения частотных характеристик (а) и (б), резонансные выбросы в случае (б) стали менее глубокими и широкими и не превышают уровень 3 дБ. Размеры ХY сплошных диэлектрических шайб 11 определены в соответствии с выражением (1) и составляют:
а) на конечном участке внутреннего проводника ≃ 5 мм;
б) на конечном участке внешнего проводника ≃ 1,2 мм.
В предлагаемом устройстве предусмотрены две шайбы, расположенные между конечными участками конусов внутреннего и внешнего проводников. Размер XY превышает размер центральной опорной шайбы прототипа, что повышает ее механическую прочность.

Таким образом, предлагаемое устройство характеризуется удовлетворительной верхней частотой (9 10 ГГц), равномерной амплитудно-частотной характеристикой и высокой механической прочностью.

Источники информации
1. Коаксиальный конденсатор. Заявка Японии N 55-34572, 1980. Заявитель НИППЮН ДЕН КОСН.

2. Осциллограф скоростной С7-15. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Вильнюс, 1976.

3. В.В.Борисов, В.М.Шувалов. Расчет и исследование СВЧ-узлов сигнального тракта аналого-цифровых регистраторов. НИИИТ, "О"-634, 1988.

4. Г. В.Глебович, И.П.Ковалев. Широкополосные линии передачи импульсных сигналов. М. Сов. Радио, 1972.

Использование: импульсная техника. Сущность изобретения: высокочастотное коаксиальное конденсаторное устройство содержит коаксиальную линию, образованную двумя отрезками с конусообразными внутренними и внешними проводниками. Между внешними и внутренними проводниками размещены резисторы, электрически соединенные с ними. Между внутренними проводниками размещены низкочастотный конденсатор и малогабаритные конденсаторы. В основаниях конусов проводников закреплен опорный элемент в виде диэлектрических шайб. Приведено выражение для определения ширины шайб по радиус-вектору. 3 ил.

Высокочастотное коаксиальное конденсаторное устройство, содержащее коаксиальную линию, образованную двумя отрезками с конусообразными внутренними и внешними проводниками, обращенными друг к другу основаниями, резисторы с металлическими контактами, размещенные между внутренними и внешними проводниками и электрически соединенные с ними, низкочастотный конденсатор, установленный между внутренними проводниками, и центральный опорный элемент, закрепленный в основаниях конусов, отличающееся тем, что во внутреннем проводнике одного из отрезков со стороны основания выполнена круглая выборка, в которой с зазором размещен внутренний проводник другого отрезка, причем в боковой и торцевой частях зазора установлено введенное диэлектрическое кольцо и на основаниях внутренних проводников расположены металлические диски с параллельно включенными между ними малогабаритными конденсаторами, а центральный опорный элемент выполнен в виде двух диэлектрических шайб, имеющих профиль XY(θ), определенный выражением:

где H величина, равная расстоянию от начала обоих отрезков до вертикальной оси, разделяющей эти отрезки;
ε относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрических шайб, образующих центральный опорный элемент;
q₁ и θ₂ угол, образованный соответственно образующей поверхности внешнего и внутреннего проводника с их осью;
θ текущая угловая координата
q₂ < θ < θ₁.