ИМПУЛЬСНЫЙ КОАКСИАЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР НА НЕОДНОРОДНОЙ ЛИНИИ Российский патент 2000 года по МПК H01P5/12 H01P5/19 

Изобретение относится к коаксиальным линиям связи для передачи высоковольтных наносекундных импульсов напряжения и может быть использовано в качестве импульсного коаксиального трансформатора на неоднородной линии, возбуждающего, например, заданное число антенн, составляющих фазированную решетку, предназначенную для направленного излучения коротких сверхширокополосных импульсов электромагнитного поля, например, в радиолокации или при исследовании воздействия излучения на среды и объекты.

Известен импульсный коаксиальный трансформатор на неоднородной линии, содержащий наружный электрод в виде проводящей трубы и внутренний электрод, выполненный из группы отрезков труб с дискретно изменяющимися в одну сторону значениями диаметров, пространство между электродами заполнено трансформаторным маслом, входной узел трансформатора предназначен для подключения к источнику трансформируемого сигнала, а выходной узел - к нагрузке [1].

Основным недостатком трансформатора, образованного каскадным соединением отрезков однородных линий, является наличие больших искажений трансформируемого сигнала, вызванных многократными отражениями и переотражениями сигнала на стыках ступенчатых участков внутреннего электрода.

Также известен импульсный коаксиальный трансформатор на неоднородной линии, являющийся наиболее близким к описываемому, содержащий наружный и внутренний электроды с диэлектрической средой между ними, при этом один из электродов выполнен с переменным плавно изменяющимся в одну сторону значений сечением, входной узел трансформатора предназначен для подключения к источнику трансформируемого импульса, а выходной узел - к нагрузке, при этом выходной узел расположен от входного на расстоянии L, на котором обеспечена трансформация сигнала с допустимой величиной спада вершины импульса заданной длительности [2].

В данном устройстве - прототипе по сравнению с аналогом за счет замены каскадного изменяющегося сечения электрода на плавно изменяющееся сечение в трансформаторе существенно уменьшено искажение трансформируемого сигнала, что позволяет его использовать в трансформирующих, формирующих и корректирующих высоковольтных цепях.

Однако известное устройство не предусматривает возможности его использования для многоэлементной нагрузки, что снижает диапазон его применения.

Целью изобретения является расширение диапазона применения трансформатора (и в качестве разветвителя) за счет обеспечения возможности его синхронного подключения к коаксиальным элементам нагрузки с одновременным обеспечением надежности его работы с заданными метрологическими параметрами.

Поставленная цель достигается тем, что в импульсном коаксиальном трансформаторе на неоднородной линии, содержащем коаксиальные наружный и внутренний электроды с диэлектрической средой между ними, при этом, по крайней мере, один из электродов выполнен с переменным плавно изменяющимся в одну сторону значений сечением, входной узел трансформатора предназначен для подключения к источнику трансформируемого импульса, а выходной узел - к нагрузке, при этом выходной узел расположен от входного на расстоянии L, на котором обеспечена трансформация сигнала с допустимой величиной спада вершины импульса заданной длительности, согласно изобретению выходной узел трансформатора выполнен в виде n идентичных коаксиальных каналов, каждый из которых имеет наружный и внутренний электроды с диэлектрической средой между ними и волновое сопротивление Z_к, каналы предназначены для согласованного подключения к n идентичным нагрузкам, при этом каналы расположены равномерно радиально снаружи упомянутых электродов трансформатора, а оси каналов находятся в одной плоскости, которая перпендикулярна оси трансформатора и расположена на упомянутом расстоянии L от входного узла, причем внутренний электрод каждого коаксиального канала подключен к внутреннему электроду трансформатора, а наружный электрод каждого канала - к наружному электроду трансформатора, при этом соотношение диаметров наружного и внутреннего электродов трансформатора в месте пересечения с плоскостью осей каналов соответствует волновому сопротивлению , и в этой плоскости кратчайшее расстояние b по поверхности наружного электрода трансформатора между соседними наружными электродами каналов и диаметром d_к наружного электрода канала связаны соотношением

где c - скорость света в межэлектродной диэлектрической среде;
ε - диэлектрическая проницаемость среды между электродами;
t_ф - заданное значение длительности фронта трансформируемого импульса;
δt_ф - заданное значение погрешности длительности фронта трансформируемого импульса ( δt_ф < 100%).

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве выходной узел выполнен в виде идентичных согласованных с основным коаксиалом коаксиальных каналов для подключения к нагрузке, при этом за счет геометрии узла и выбираемых из условия (1) параметров устройства трансформатор помимо своей основной функции выполняет роль разветвителя трансформируемого сигнала на группу одинаковых нагрузок с одновременным обеспечением надежности работы устройства с заданными метрологическими параметрами.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства.

На фиг. 2 дано сечение по A-A' на фиг. 1.

На фиг. 3 показана форма импульса в плоскости A-A' в виде зависимости передаваемого напряжения U от времени t.

Импульсный коаксиальный трансформатор на неоднородной линии содержит коаксиальные наружный 1 и внутренний 2 электроды с диэлектрической средой 3 (например, трансформаторное масло) между ними. По крайней мере, один из электродов (а могут и оба) (на фигурах 1, 2 -электрод 2) выполнен с переменным плавно изменяющимся в одну сторону значений сечением. (на фигурах 1, 2 в качестве примера выполнения устройства показан электрод 2 увеличивающимся плавно в диаметре от входа к выходу трансформатора, этим по сути и образована неоднородная коаксиальная трансформаторная линия).

Входной узел 4 трансформатора (который может содержать согласующие элементы, не рассматриваемые в данном тексте) предназначен для подключения к источнику (на фигурах не показан) трансформируемого импульса. Выходной узел 5 трансформатора предназначен для подключения к нагрузке (на фигурах не показана). Выходной узел 5 расположен от входного узла 4 на расстоянии L, на котором обеспечена трансформация сигнала с допустимой величиной λ спада вершины импульса заданной длительности t_и. (фиг. 3). Указанное расстояние L определено по известным зависимостям (см. [2], стр. 16, формула 1.29). При этом

где T₀ - время задержки импульса в трансформаторе.

где K_тр - коэффициент трансформации трансформатора.

где Z_вх - волновое сопротивление входного узла 4 (равное выходному сопротивлению согласованного с трансформатором источника трансформируемого импульса).

Выходной узел 5 трансформатора выполнен в виде n идентичных коаксиальных каналов 6. Каждый канал 6 имеет волновое сопротивление Z_к, наружный 7 и внутренний 8 электроды с диэлектрической средой 9 между ними. Каналы предназначены для согласованного подключения к n идентичным нагрузкам. Каналы 6 расположены равномерно радиально снаружи упомянутых электродов 1 и 2 трансформатора, а оси каналов находятся в одной плоскости A-A' (фиг. 1), которая перпендикулярна оси O-O' трансформатора и расположена на упомянутом расстоянии L от входного узла 4. Внутренний электрод 8 каждого канала 6 подключен к внутреннему электроду 2 трансформатора. Наружный электрод 7 каждого канала 6 подключен к наружному электроду 1 трансформатора. При этом соотношение диаметров наружного D (для коаксиалов - это всегда его внутренний размер) и внутреннего d (для коаксиалов - это всегда его наружный размер) электродов 1 и 2 трансформатора в месте пересечения с плоскостью A-A' осей каналов 6 соответствует волновому сопротивлению . Соотношение диаметров наружного D и внутреннего d электродов трансформатора в месте пересечения с плоскостью каналов соответствует волновому сопротивлению . Этот признак устройства обеспечивает согласование в указанном месте тракта выходного узла 5 и трактов каналов 6. При этом обеспечено соотношение

где Z_вых - волновое сопротивление выходного узла 5, связанное с соотношением указанных диаметров известной зависимостью (см. К.А.Желтов "Пикосекундные сильноточные ускорители", М., Энергоатомиздат, 1991 г., с. 11):

В указанной плоскости (сечение A-A' фиг. 1) кратчайшее расстояние b (фиг. 2) по поверхности наружного электрода 1 трансформатора между соседними наружными 7 электродами каналов 6 и диаметром d_к наружного электрода 7 канала 6 связаны соотношением (1).

Коаксильный трансформатор на неоднородной линии может быть как повышающим, так и понижающим, что зависит от соотношений волновых сопротивлений входного и выходного узлов (Z_вх и Z_вых). Поскольку Z_вх определяется сопротивлением источника трансформируемого импульса, то для обеспечения повышения амплитуды импульса должно иметь место уменьшение диаметра внутреннего электрода переменного сечения (или соответствующее изменение отношений диаметров, если оба электрода плавно изменяются), а для обеспечения понижения амплитуды трансформатор должен иметь увеличение диаметра внутреннего переменного электрода по длине L, что и приведено в качестве варианта выполнения устройства на фиг. 1. Диэлектрическая среда в каналах 6 может быть такой же, как и в промежутке между электродами 1 и 2, или другой, например полиэтилен, фторопласт и др.

Устройство работает следующим образом.

На входной узел 4 коаксиального трансформатора поступает от источника импульс напряжения U(t) (фиг. 3) амплитудой, например, 100 ...500 кВ. При этом между наружным 1 и внутренним 2 электродами во входном узле 4 возникает импульс напряжения соответствующего значения. За счет того, что, по крайней мере, один из электродов выполнен с переменным плавно изменяющимся в одну сторону значений сечением, коаксиальная линия трансформатора является неоднородной, при этом волновое сопротивление в разных участках сечения линии является неодинаковым и меняется в соответствии с соотношением диаметров электродов 1 и 2. На длине L трансформатора, на которой обеспечена допустимая величина λ спада вершины импульса заданной длительности t_и, импульс напряжения трансформируется в соответствии с изменением волнового сопротивления трансформатора.

В выходном узле 5, расположенном на расстоянии L от входного узла, имеет место согласование тракта узла электродов 1, 2 и всех трактов коаксиальных каналов 6, ведущих к нагрузке. За счет того, что соотношение диаметров D и d в месте подключения электродов 1 и 2 к соответствующим электродам 7 и 8 каналов 6 соответствует волновому сопротивлению , т.е.
трансформируемый импульс без искажения (за счет согласованных переходов) "расходится" по n коаксиальным идентичным каналам, предназначенным для согласованного подключения к n идентичным элементам нагрузки. Таким образом, трансформатор помимо трансформации импульса выполняет функцию разветвителя этого импульса.

За счет того, что все коаксиальные каналы 6 расположены равномерно радиально снаружи электродов 1, 2, а оси их находятся в одной плоскости, перпендикулярной оси трансформатора, обеспечена одновременная передача разветвленного импульса к нагрузке, при этом исключена неидентичность токовых путей по поверхностям электродов 1, 2, эти пути являются минимальными, что обеспечивает надежность работы трансформатора-разветвителя, уменьшает погрешность δt_ф длительности фронта t_ф, которая неизбежно сопровождает увеличение длины подключения электрода 2 и внутренних электродов 8 каналов при отличном от 90^o расположении каналов относительно оси O-O' трансформатора.

Примеры выполнения устройства.

Для нижеприведенных примеров выполнения устройства общим является:
- электроды 1, 2 выполнены из алюминиевого сплава Д16Т;
- электроды каналов - из коаксиального кабеля типа РК 50-9-11;
- в межэлектродных промежутках устройства (между электродами 1 и 2 и в местах соединения их с каналами 6) использована диэлектрическая среда - трансформаторное масло с пробивной напряженностью электрического поля E_пр = 20 кВ/мм, ε = 22 и полиэтилен с ε = 2,2 в каналах 6 (кроме места их соединения с электродами 1 и 2);
- амплитуда трансформируемого импульса U_а1 = 200 кВ;
- количество коаксиальных каналов n = 36 (выбрано по заданному числу антенн в фазированной решетке - нагрузке трансформатора);
- волновое сопротивление каждого канала выходного узла Z_к = 50 Ом (этому значению соответствует волновое сопротивление каждого элемента нагрузки-антенны);
- заданное значение длительности фронта трансформируемого импульса t_ф = 0,25 нс;
- заданное значение погрешности длительности фронта трансформируемого импульса δt_ф = 10%;
- осевая длина трансформатора L = 0,5 м.

С учетом указанных значений диаметр канала d_к определен следующим образом.

Амплитуда импульса на выходном узле 5 трансформатора

Напряженность электрического поля на выходном узле и в каналах (см. К.А. Желтов, Пикосекундные сильноточные ускорители, М., Энергоатомиздат, 1991 г., с. 9)

где a_к - диаметр внутреннего электрода 8 коаксиального канала 6 (фиг. 2).

Принимаем E = E_пр = 20 кВ/мм и, решая совместно (2), (3), (4), получаем

Таким образом, подставляя найденное значение d_к в соотношение (1), получаем допустимый интервал значений b:
b + d_к = 10,1 ... 25,3 мм; b = 0,8 ... 16 мм
Далее в примерах выполнения устройства приведен анализ указанного интервала путем эксперимента.

Пример 1.

b = 16,5 мм. Устройство с указанным значением b дало погрешность δt_ф = 11%, что превысило заданное значение.

Пример 2.

b = 16 мм ⇒ δt_ф = 9,9% - удовлетворяет условию.

Пример 3.

b = 8 мм ⇒ δt_ф = 7,3%.

Пример 4.

b = 0,8 мм ⇒ δt_ф = 3%.

Пример 5.

b = 0,75 мм ⇒ δt_ф = 3%, возникли большие технологические сложности с закреплением каналов.

Выводы: выбранный в соотношении (1) диапазон значений (b + d_к) обеспечивает трансформирование импульсного сигнала в пределах заданного значения погрешности δt_ф длительности фронта.

Верхний предел значений соответствует заданному δt_ф.

Все значения ниже верхнего предела удовлетворяют заданному условию по погрешности, однако устройство технологически практически не выполнимо при выходе из значений ниже нижнего предела в (1) из-за сближения элементов каналов друг с другом и невозможности их устойчивого закрепления на соответствующих электродах 1 и 2.

Таким образом, рассмотрение примеров выполнения устройства показало, что описанный импульсный коаксиальный трансформатор на неоднородной линии имеет большее применение по сравнению с прототипом, т.к. помимо трансформации сигнала обеспечивает также и разветвление этого сигнала, при этом обеспечена надежность его работы с заданными метрологическими параметрами.

Устройство может быть использовано в импульсной технике, при радиолокации, при возбуждении группы антенн, составляющих фазированную решетку, а также при исследованиях воздействия излучения на среды и объекты.

Источники информации, принятые во внимание
1. В.В.Кремнев, Г.А.Месяц "Методы умножения и трансформации импульсов", Новосибирск, "Наука" С.О., 1987, с. 14-15.

2. Там же, стр. 15-16 - прототип.

Сущность изобретения: импульсный коаксиальный трансформатор на неоднородной линии содержит коаксиальные наружные и внутренний электроды, один из которых имеет плавно изменяющееся сечение, входной и выходной узлы, последний выполнен в виде n идентичных коаксиальных каналов, оси которых расположены равномерно радиально в плоскости, перпендикулярной оси трансформатора в точке, находящейся на заданном расстоянии от входного узла, внутренний и наружный электроды каждого канала подключены соответственно к внутреннему и наружному электроду трансформатора, волновые сопротивления каналов и трансформатора согласованы выбором соотношения диаметров электродов трансформатора в плоскости подключения каналов, в этой плоскости кратчайшее расстояние по поверхности наружного электрода трансформатора между соседними наружными электродами каналов и диаметром наружного электрода связаны приведенным расчетным соотношением с учетом заданного значения погрешности длительности фронта трансформируемого импульса, скорости света в межэлектродной диэлектрической среде, заданного значения длительности фронта трансформируемого импульса и диэлектрической проницаемости среды между электродами трансформатора. Технический результат заключается в расширении применения устройства - в качестве разветвителя с одновременным обеспечением надежности работы устройства с заданными метрологическими параметрами. 3 ил.

Импульсный коаксиальный трансформатор на неоднородной линии, содержащий коаксиальные наружный и внутренний электроды с диэлектрической средой между ними, при этом, по крайней мере, один из электродов выполнен с переменным, плавно изменяющимся в одну сторону значений сечением, входной узел трансформатора предназначен для подключения к источнику трансформируемого импульса, а выходной узел - к нагрузке, при этом выходной узел расположен от входного на расстоянии L, на котором обеспечена трансформация сигнала с допустимой величиной спада вершины импульса заданной длительности, отличающийся тем, что выходной узел трансформатора выполнен в виде n идентичных коаксиальных каналов, каждый из которых имеет наружный и внутренний электроды с диэлектрической средой между ними и волновое сопротивление Zк, каналы предназначены для согласования подключения к n идентичным нагрузкам, при этом каналы расположены равномерно радиально снаружи упомянутых электродов трансформатора, а оси каналов находятся в одной плоскости, которая перпендикулярна оси трансформатора и расположена на упомянутом расстоянии L от входного узла, причем внутренний электрод каждого коаксиального канала подключен ко внутреннему электроду трансформатора, а наружный электрод каждого канала - к наружному электроду трансформатора, при этом соотношение диаметров наружного и внутреннего электродов трансформатора в месте пересечения с плоскостью осей каналов соответствует волновому сопротивлению , и в этой плоскости кратчайшее расстояние b по поверхности наружного электрода трансформатора между соседними наружными электродами каналов и диаметром d_к наружного электрода канала связаны соотношением:

где с - скорость света в межэлектродной диэлектрической среде;
ε - диэлектрическая проницаемость среды между электродами;
t_ф - заданное значение длительности фронта трансформируемого импульса;
δt_ф - заданное значение погрешности длительности фронта трансформируемого импульса (δt_ф<100%).