ШИРОКОПОЛОСНЫЙ СИММЕТРИРУЮЩИЙ ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 1997 года по МПК H01F19/04 

Изобретение относится к радиотехническим устройствам, работающим в диапазонах длинных, средних, коротких и ультракоротких волн и обеспечивает переход от несимметричного относительно общей шины ("земли") входа к симметричной (балансной) нагрузке или наоборот. Такая задача возникает, например, при переходе от однотактного предварительного усилительного каскада к двухтактному оконечному каскаду усиления мощности. При этом помимо симметрирования часто требуется разделение входа и выхода по постоянному напряжению, то есть гальваническая развязка между ними.

С этой целью симметрирующей трансформатор выполняется с двумя раздельными, то есть гальванически развязанными, обмотками.

Известен класс широкополосных симметрирующих трансформаторов с гальванически развязанными обмотками [1]
Известен широкополосный симметрирующий трансформатор с коэффициентом трансформации 1: 1, имеющей гальванически развязанные первичную и вторичную обмотки (см. например, [1] с.176 рис.10 27 в и [2]). Его недостаток состоит в том, что вторичная обмотка с симметричным выходом не имеет средней точки, которую можно было бы соединить с общей шиной, обеспечить тем самым равенство напряжений на плечах симметричного выхода даже при различии сопротивлений нагрузок на этих плечах, кроме того, в среднюю точку можно, в частности, подавать постоянное напряжение для питания усилительных элементов, подключаемых к плечам симметричного выхода.

Задача создания гальванически развязанного симметрирующего трансформатора, имеющего среднюю точку (зажим нулевого потенциала) вторичной обмотки ближе всего к предлагаемому устройству, решается каскадным соединением двух известных устройств (фиг.1): гальванически развязанного трансформатора 1 с несимметричным входом и выходом (см. например, [1] с.158 рис.10.3) и гальванически связанного симметрирующего трансформатора II, имеющего среднюю точку на стороне симметричного выхода (см. например, [1] с.176, рис.10.27 а и [3] ).

Известное устройство (фиг.1), принимаемое в качестве прототипа, характеризуется совокупностью следующих существенных признаков.

Устройство содержит гальванически развязанный трансформатор I, соединенный каскадно с симметрирующим трансформатором II со стороны его несимметричного входа.

Устройство представляет собой два раздельных узла, каждый из которых содержит свой магнитопровод (Iа и Iб) с обмоткой из коаксиального кабеля (2,3).

При этом на первом магнитопроводе Iа обмотка выполнена коаксиальным кабелем 2, а на магнитопроводе Iб обмотка выполнена коаксиальным кабелем 3 и проводником 4, имеющими одинаковое число витков и намотанными в одном направлении.

Начало внутреннего проводника коаксиального кабеля 2 является зажимом несимметричного входа, а начало внешнего проводника коаксиального кабеля (КК) 2 присоединено к общей шине 5. К ней также присоединен конец внутреннего проводника КК2.

Конец внешнего проводника КК2 присоединен к началу внутреннего проводника КК3, а начало внешнего проводника КК3 и конец проводника 4 присоединены к общей шине 5.

При этом конец внутреннего проводника КК3 присоединен к началу проводника 4 и образует один зажим симметричного выхода, а другой его зажим образуется концом внешнего проводника КК3. На практике проводник 4 выполняется часто наружным проводником кабеля с целью получения лучшей симметрии.

Недостатками устройства по фиг.1 являются его большие стоимость и габариты, а также избыточные потери. Все это вызвано наличием двух раздельных составных узлов, каждый из которых содержит магнитопровод. Выполнение обоих составных узлов на общем магнитопроводе приводит к сокращению рабочей полосы частот из-за возрастания с увеличением частоты рассогласования и асимметрии. Оба эти фактора обусловлены главным образом тем, что продольные напряжения [1] на проводниках обоих составных узлов различны, а это различие возрастает с увеличением частоты колебаний.

Задачей изобретения является создание единого широкополосного симметрирующего трансформатора, обеспечивающего симметрирование с привязкой средней точки симметричного выхода к общей шине и гальваническую развязку между входом и выходом. Тем самым исключаются недостатки, присущие прототипу.

Другое достоинство устройства по предлагаемому изобретению заключается в возможности расширенного использования стандартных коаксиальных кабелей.

Задача решается широкополосным симметрирующим трансформатором (фиг.2), характеризуемым следующей совокупностью существенных признаков.

1. Устройство содержит магнитопровод 1 с обмотками, выполненными из коаксиальных кабелей КК2,3,4.

Iа. Количества витков КК2 и каждого из КК3 и КК4 соотносятся как 2:1.

2. Обмотки из половины количества витков КК2 совместно с КК3 и КК4 выполнены параллельно в одном и том же направлении на магнитопроводе 1; вторая половина витков обмотки КК2 выполнена в том же направлении на магнитопроводе 1.

3. При этом начало внутреннего проводника КК2 образует зажим несимметричного входа, а его конец и начала внешнего проводника присоединены к общей шине 5.

4. Начала наружных проводников КК3 и КК4 также присоединены к общей шине 5.

5. Концы наружных проводников КК3, КК4 и наружный проводник КК2 после половины его числа витков соединены между собой, а конец наружного проводника КК2 соединен с концом внутреннего проводника КК3, при этом начала внутренних проводников КК3 и КК4 образуют зажимы симметричного выхода.

6. Конец внутреннего проводника КК4 присоединен к общей шине 5.

Отличительными признаками заявленного изобретения являются изложенные выше существенные признаки 1а,2,4,5,6.

Анализ известного уровня науки и техники показал отсутствие информации о широкополосном симметрирующем трансформаторе, характеризуемом совокупностью перечисленных существенных признаков. Нет информации, раскрывающей отдельные существенные признаки заявленного устройства. Проведенный анализ крови, что заявленное решение характеризуется требованиям "новизна" и "изобретательский уровень", поскольку достигнут результат, удовлетворяющий давно существующую потребность, получить который до сих пор не удавалось.

Устройство работает следующим образом. Входной сигнал на несимметричном относительно общей шины 5 входе поступает на начало внутреннего проводника КК2. Этот сигнал проходит по КК2, точнее по двум равным по числу витков его участкам. На выходе КК2 сигнал симметрируется: делится поровну между КК3 и КК4 со стороны их выходов. При этом потенциальным на выходе КК2 является его наружный проводник, а его внутренний проводник соединяется с общей шиной 5. ПО КК3 и КК4 равноамплитудные сигналы распространяются на входы этих кабелей, где их соединенные наружные проводники вместе с наружным проводником КК2 присоединены к общей шине 5. В результате, там образуются по отношению к общей шине 5 разнополярные равноамплитудные напряжения. Гальваническая развязка относительно несимметричного входа устройства обусловлена тем, что КК2 имеет на своем входе потенциальный внутренний проводник, а соединенный с общей шиной 5 наружный проводник, а на выходе наоборот.

Теперь осталось обосновать, что сигнал с выхода КК2 делится поровну и без отражения между КК3 и КК4. Во-первых КК3 и 6 имеют одинаковые волновые сопротивления, каждое из которых равно половине волнового сопротивления КК2, причем КК3 и КК4 включены последовательно между собой. Во-вторых каждый из кабелей КК3 со стороны своего выхода, то есть в месте подключения к КК2, шунтирован одним и тем же большим индуктивным сопротивлением. Так, КК3 шунтирован на своем выходе обмоткой на магнитопроводе 1, образованной второй половиной числа витков наружного проводника КК2, намотанной отдельно от КК3 и КК4. Такая же обмотка с тем же числом витков, образованная соединенными вместе наружными проводниками КК3, КК4 и первой половиной числа витков КК2, шунтирует выход КК4.

В итоге получен симметричный трансформатор, содержащий на едином магнитопроводе 1 согласованные коаксиальные кабели, образующие благодаря определенному соединению своих проводников гальванически развязанные обмотки. Для получения согласования всех кабелей, то есть режима бегущей волны в них, значение сопротивления нагрузки, подключаемой между началами внутренних проводников КК3 и КК4, должно равняться волновому сопротивлению КК2. Поскольку волновое сопротивление КК3 и КК4 вдвое меньшее, то каждый из них может быть выполнен, например, путем параллельного соединения двух кабелей того же волнового сопротивления, что и КК2.

Для оценки эффективности устройств по предлагаемому изобретению рассмотрим один из выполненных примеров его реализации согласно фиг.2.

Пример. В качестве магнитопровода 1 было использовано два склеенных между собой стандартных кольцевых сердечника типоразмера К-65х40х6 из материала 300 ВНС. Две половины обмотки КК2 содержали по 4 витка коаксиального кабеля типа РК-50-2-21, а в качестве КК3 и КК4 использовались соединенные в параллель кабели типа РК-50-1-21. В результате проведенных измерений получили, что рабочий диапазон частот составил 3 150 МГц при коэффициенте отражения на входе, не большем, чем 0,1, а коэффициенте асимметрии выходного напряжения не превышающем ± 5% и КПД ≥ 94% Этими данными подтверждаются высокие электрические характеристики и все отмеченные выше достоинства устройств по предлагаемому изобретению.

В сравнении с устройством прототипом на те же рабочий диапазон частот и передаваемую мощность достигается снижение габаритов и стоимости на 20 30% а потерь мощности на 25 35%

Использование: в радиотехнических устройствах, работающих в диапазонах длинных, средних, коротких и ультракоротких волн. Устройство может использоваться в широкополосных усилителях мощности для перехода от однотактного каскада усиления к двухтактному. Сущность изобретения: устройство содержит размещенные на магнитопроводе три коаксиальных кабеля , намотанных в одном направлении, начало внутреннего проводника первого из них образует потенциальный зажим входа, несимметричного относительно общей шины, с которой соединены начало внешнего и конец внутреннего проводников этого кабеля, начала внешних проводников второго и третьего кабелей и конец внутреннего проводника третьего кабеля, при этом второй и третий кабели имеют по отношению к первому вдвое меньшие волновое сопротивление и число витков. Концы их внешних проводников соединены между собой и с внешним проводником первого кабеля после половины числа его витков. Концы внутренних проводников этих кабелей соединены одним с концом внешнего проводника первого кабеля, другой с общей шиной, а начала их внутренних проводников образуют симметричный выход. 2 ил.

Широкополосный симметрирующий трансформатор с коэффициентом трансформации 1 1 и гальванической развязкой между входом и симметричным выходом со средним зажимом нулевого потенциала, содержащий магнитопровод обмотки из коаксиальных кабелей, из который начало внутреннего проводника первого кабеля образует зажим несимметричного относительно общей шины входа, начало наружного проводника и конец внутреннего проводника соединены с общей шиной, отличающийся тем, что обмотки из коаксиальных кабелей намотаны на магнитопроводе в одном направлении, количество витков первого кабеля и двух других соотносятся как 2 1, начало внешних проводников второго и третьего коаксиального кабелей и конец внутреннего проводника третьего коаксиального кабеля подключены к общей шине, а концы наружных проводников второго и третьего и наружный проводник первого кабеля после половины его числа витков соединены между собой, конец наружного проводника первого кабеля соединен с концом внутреннего проводника второго кабеля, а начала внутренних проводников второго и третьего кабелей образуют зажимы симметричного выхода.