ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ СИММЕТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК H01P5/10 

Изобретение относится к радиотехническим устройствам, работающим в диапазонах коротких и ультракоротких волн, и обеспечивает переход от несимметричного относительно общей шины ("земли") входа, например, от коаксиального кабеля, к симметричной (балансной) нагрузке, например, к антенне.

Устройство по изобретению может также использоваться в усилителях мощности для перехода от однотактного каскада усиления к двухтактному, а также в других подобных случаях.

Описан широкий класс высокочастотных симметрирующих устройств, имеющих радиообразное конструктивное исполнение. Известно высокочастотное симметрирующее устройство [1] (фиг. 1а), принимаемое за прототип. Оно реализовано совокупностью следующих существенных признаков.

Устройство содержит три проводника 1, 2, 3, при этом проводники 1 и 2 являются, соответственно, внутренним и внешним в коаксиальной линии 4, а проводник 3, идентичный по выполнению проводнику 2, и служит балансирующим. Начало внутреннего проводника 1 образует относительно общей шины 5 несимметричный вход 6 устройства. Конец внутреннего проводника 1 соединен с концом проводника 3 и образует одно плечо 7 симметрично относительно общей шины 5 выхода. Начало проводника 3 соединено с началом внешнего проводника 2 и с общей шиной 5. Конец внешнего проводника 2 представляет собой второе плечо 8 симметричного выхода.

Из фиг. 1а очевидно, что проводники 2 и 3 образуют симметричную конструкцию относительно плоскости симметрии 9. Схема известного симметрирующего устройства [1] может быть усложнена за счет выполнения (фиг. 1б) проводника 3 в виде внешнего проводника второй коаксиальной линии 10, внутренний проводник которой 11 со стороны симметричного выхода устройства соединен с концом внутреннего проводника 1 коаксиальной линии 4.

Во многих практических случаях для исключения влияния внешнего электромагнитного поля, создаваемого симметрирующим устройством, известная схема [1] изготавливается (фиг. 2а, б) с экранирующим корпусом 12, относительно которого проводники 2 и 3 располагаются симметрично, т. е. сохраняется плоскость симметрии 9. В этом случае просто рассчитывается шунтирующий эффект на симметричном выходе, в частности шунтирующая индуктивность, ограничивающая ширину рабочего диапазона частот симметрирующего устройства [2] Очевидно, что чем шире рабочий диапазон частот, тем больше должна быть шунтирующая индуктивность, т. е. большее расстояние между проводниками 2 и 3, а также больший габарит экранирующего корпуса 12. В целом с расширением рабочего диапазона частот увеличиваются габариты и стоимость устройства.

Если высокочастотное симметрирующее устройство должно выполнять еще и функцию типовой повышающей трансформации сопротивлений, например, при переходе от стандартного кабеля с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом к симметричному антенному фидеру с волновым сопротивлением 150-300 Ом, то указанный недостаток проявляется еще в большей степени. Это следует из общего принципа построения известного симметрирующего устройства [1] так как симметрирование напряжения в нем происходит на выходе, т. е. на стороне большего уровня сопротивления. Следовательно, требуется большее значение шунтирующей индуктивности, а в противном случае сокращается ширина рабочего диапазона частот.

Задача изобретения создание высокочастотного симметрирующего устройства, габариты которого в меньшей степени зависят от задаваемой ширины рабочей полосы частот и от повышающей трансформации сопротивления. При задаваемых ширине рабочей полосы частот и коэффициенте повышающей трансформации сопротивлений габариты устройства по изобретению будут существенно меньшими, чем у известного с теми же частотными характеристиками. Соответственно, при одинаковых габаритах ширина рабочего диапазона частот для устройства по изобретению будет большей.

Задача решается высокочастотным симметрирующим устройством (фиг. 3), характеризуемым следующей совокупностью существенных признаков. Устройство содержит три проводника 1, 2, 3, начало первого из которых образует несимметричный относительно общей шины 4 вход устройства (зажим 6). Начало второго проводника соединено с общей шиной 4. Концы проводников 1 и 2 образуют симметричный выход устройства (зажимы 7 и 8).

Отличительными признаками изобретения является: а) проводники 1 и 2 идентичны по выполнению и расположены симметрично относительно оси проводника 3, который экранирует проводники 1 и 2 от общей шины 5; б) конец проводника 3 соединен с общей шиной 5; в) между началами первого и третьего проводников включен введенный индуктивный элемент 13.

Анализ известного уровня науки и техники показал отсутствие информации о высокочастотном симметрирующем устройстве, характеризуемом совокупностью перечисленных существенных признаков.

Нет информации, раскрывающей отдельные существенные признаки заявленного устройства. Проведенный анализ показал, что заявленное решение характеризуется требованиям "новизна" и "изобретательский уровень", поскольку достигнут результат, удовлетворяющий давно существующую потребность, получить который до сих пор не удавалось.

Устройство (фиг. 3) работает следующим образом. Входной сигнал на несимметричном, относительно общей шины 5 входе 6 делится между двумя идентичными линиями. Первая из этих линий образована проводниками 1 и 3, а вторая проводниками 2 и 3. Эти линии соединены между собой последовательно. При этом (фиг. 3) на входе упомянутых линий, т.е. в месте распределения колебаний между ними, вход линии, образованной проводниками 2 и 3, шунтирован индуктивным элементом. Этот элемент образован контуром протекания тока по наружной стороне проводника 3 от его начала, т.е. со стороны несимметричного входа 6, к его концу, где он соединен с общей шиной 5. Чтобы напряжение на несимметричном входе 6 делилось поровну между двумя идентичными линиями, образованными проводниками 1-3 и 2-3, необходимо ко входу линии из проводников 1 и 3 подключить такой же по номиналу индуктивный элемент (13), что и уже имеющийся на входе линии, образованной проводниками 2 и 3.

При этом только в случае, когда проводники 1 и 2 идентичные и симметричные относительно проводника 3, экранирующего их от общей шины 5, напряжения относительно нее на выходных плечах 7 и 8 будут равноамплитудными и противофазными.

Предлагаемое устройство может быть реализовано в различных модификациях. На фиг. 4 представлен вариант выполнения устройства, в котором проводник 3 образован соединенными по всей длине внешними проводниками коаксиальных линий, внутренние проводники которых являются первыми и вторыми проводниками устройства.

На фиг. 5 представлен вариант выполнения устройства 6 в котором балансирующий индуктивный элемент 13 образован короткозамкнутой на конце коаксиальной линией, наружный проводник которой является первым проводником устройства, а начало внутреннего проводника подключено к началу третьего проводника.

Помимо рассмотренных вариантов выполнения устройств по предлагаемому изобретению могут быть и другие, в частности включающие разомкнутую на конце корректирующую линию 10 (фиг. 1б). При всех реализациях остается сущность изобретения, дающая желаемый эффект. Этот эффект обусловлен в частности тем, что введенный индуктивный элемент 13 в различных вариантах устройства по изобретению находится со стороны несимметричного входа, а для прототипа на симметричном выходе. Поэтому с увеличением трансформации для устройств по изобретению требуемая шунтирующая индуктивность не увеличивается, а для устройства прототипа она растет, соответственно увеличиваются габариты и стоимость. Кроме того, вне зависимости от трансформации сопротивлений, в устройствах по предлагаемому изобретению балансирующий элемент очень мало влияет на шунтирующую индуктивность, поскольку он непосредственно не связан с условием симметрии устройства.

В устройстве прототипе балансирующий элемент привязан к условию симметрии устройства, что ограничивает получение относительно больших значений шунтирующей индуктивности.

Для оценки эффективности устройств по предлагаемому изобретению рассмотрим конкретный пример реализации (фиг.)5.

Пример. В устройстве (фиг. 5) в качестве проводников 1 и 2 были приняты медные трубы с наружным диаметром 20 мм каждая и длиной 600 мм. В качестве проводника 3 была также использована медная труба длиной равной 600 мм, с внутренним диаметром 72 мм и толщиной стенки 1,5 мм. При этом трубчатые проводники 1 и 2 располагались симметрично относительно проводника 3 в его полости, а расстояние между центрами проводников 1 и 2 составляло 40 мм. Указанные поперечные размеры проводников 1, 2 и 3 и их взаимное расположение дают стандартное волновое сопротивление, равное 75 Ом для рабочего режима распространения колебаний в симметричной двухпроводной экранированной линии. Рабочий режим характеризуется разнополярными равноамплитудными колебаниями на проводниках 1 и 2 по отношению к проводнику 3. В свою очередь трубчатый проводник 3 помещен в экранирующий корпус 12 квадратного сечения со стороной, равной 360 мм. Это дает волновое сопротивление 100 Ом. Этим и определяется ширина рабочего диапазона частот устройства относительно средней частоты f_o=125 МГц (при длине 600 мм).

Если теперь сохранить номинальное волновое сопротивление (75 Ом) и габариты экрана, а также определить соответствующее значение диаметра каждого из проводников 2 и 3 прототипа (фиг. 2а), то получим другое, меньшее значение шунтирующей индуктивности, точнее, другое волновое сопротивление линии, шунтирующее выход устройства. Определим его значение.

Проводникам 1 и 2 предлагаемого устройства, в данном случае, будет соответствовать коаксиальная линия 4 устройства-прототипа, имеющая диаметр наружного проводника 55-60 мм. В этом случае, при том же квадратном сечении экранирующего проводника 12 получим волновое сопротивление шунтирующей линии (на одно плечо) 75 Ом. Это означает, что в предлагаемом устройстве достигается эффект расширения полосы на 25-30% С другой стороны, при той же ширине полосы что и для устройства-прототипа, можно уменьшить экранирующий проводник. Размер стороны его "квадратного сечения" составит 240 мм вместо 360 мм. Это приводит к снижению габаритов и стоимости устройства.

Таким образом, даже при единичной трансформации, эффект оказывается весьма существенным, а по мере увеличения коэффициента трансформации он будет возрастать.

Использование: радиотехнические устройства работающие в диапазоне коротких и ультракоротких волн. Сущность изобретения: устройство содержит три проводника, начало первого из которых образует несимметричный относительно общей шины вход. Начало второго проводника соединено с общей шиной. Концы этих проводников образуют симметричный выход. Первый и второй проводники выполнены идентичными и расположены симметрично относительно оси третьего проводника. Третий проводник экранирует первый и второй проводники от общей шины и его конец соединен с общей шиной. Между началами первого и третьего проводников включен индуктивный элемент. Третий проводник может быть образован внешними проводниками двух коаксиальных линий, внутренние проводники которых являются первым и вторым проводниками. Индуктивный элемент образован короткозамкнутой на конце коаксиальной линией, наружный проводник которой является первым проводником, а начало внутреннего проводника подключено к началу третьего проводника. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Высокочастотное симметрирующее устройство, содержащее три проводника, начало первого из которых образует несимметричный относительно общей шины вход, начало второго проводника соединено с общей шиной, а их концы образуют симметричный выход, отличающееся тем, что первый и второй проводники идентичны по выполнению и расположены симметрично относительно оси третьего проводника, который экранирует их от общей шины и конец которого соединен с общей шиной, при этом между началами первого и третьего проводников включен введенный индуктивный элемент. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что третий проводник образован соединенными по всей длине внешними проводниками двух коаксиальных линий, внутренние проводники которых являются первым и вторым проводниками. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что индуктивный элемент образован короткозамкнутой на конце коаксиальной линией, наружный проводник которой является первым проводником, а начало внутреннего проводника подключено к началу третьего проводника.