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

Описание патента на изобретение RU2068589C1

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 Cp ≃ 0,1 мкф, характеризующееся высоким рабочим напряжением Up ≃ 1,5 кВ, граничной частотой fгр ≃ 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 Eп в Eп необходимо образование продольной составляющей Ez. Поскольку конструкция симметрична относительно продольной оси, в нем возможны волны высших типов E01 (электрические волны). Составляющая Ez возбуждает волну типа E01 на частоте, соответствующей условию λкр 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 λкр 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 Ez не возникает, а также в том, что выполнение опорного элемента в виде двух диэлектрических шайб с профилем, определяемым выражением (1) обеспечивает не только отсутствие Ez, 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 Ez. Полное подавление Ez 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 Wo волновое сопротивление линии, Wo 50 Ом;
E(X) диэлектрическая проницаемость материала шайб;
Δl длина участка конусной линии с шайбами (см. фиг.2);
Eo, Mo 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-fв 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 Ez 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 fср>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.

Похожие патенты RU2068589C1

название год авторы номер документа
Коаксиально-полосковое разделительное конденсаторное устройство 2024
  • Шувалов Виктор Михайлович
RU2814805C1
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА С КОРОТКИМ ФРОНТОМ 1993
  • Короза В.И.
  • Нечаев М.Н.
  • Чернецкий М.Г.
RU2090970C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 2006
  • Дмитриев Юрий Владимирович
  • Зюзин Лев Николаевич
  • Шувалов Виктор Михайлович
RU2312369C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА В ПУЧКЕ ИМПУЛЬСНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ 1990
  • Демьянович М.В.
  • Евреев А.И.
  • Казачков Ю.П.
RU2019858C1
Предохранитель 1990
  • Кирушев Сергей Васильевич
  • Цветков Сергей Александрович
SU1835565A1
Коаксиальный переход 1987
  • Фукс Рудольф Григорьевич
  • Гольдберг Лев Аронович
  • Сокол Илья Исаакович
SU1508304A1
НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ВИБРОСТЕНД 1991
  • Чистяков В.А.
  • Трифонов Н.В.
RU2032158C1
ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ ПИКОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ 2006
  • Желтов Константин Александрович
RU2305364C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ 1992
  • Берестов С.И.
RU2054681C1
РАДИОЛОКАЦИОННОЕ АНТЕННО-ФИДЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЕРТОЛЕТА 2005
  • Носков Сергей Леопольдович
  • Ананьев Виталий Петрович
  • Махрова Наталия Николаевна
RU2291525C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 068 589 C1

Реферат патента 1996 года ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ КОАКСИАЛЬНОЕ КОНДЕНСАТОРНОЕ УСТРОЙСТВО

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.

Формула изобретения RU 2 068 589 C1

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1996 года RU2068589C1

Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1
Устройство двукратного усилителя с катодными лампами 1920
  • Шенфер К.И.
SU55A1
Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1
Способ восстановления хромовой кислоты, в частности для получения хромовых квасцов 1921
  • Ланговой С.П.
  • Рейзнек А.Р.
SU7A1
Техническое описание и инструкция по эксплуатации
- Вильнюс, 1976.

RU 2 068 589 C1

Авторы

Борисов В.В.

Зюзин Л.Н.

Шувалов В.М.

Даты

1996-10-27Публикация

1993-04-20Подача