УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВВОДА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ В ТЕМ-РУПОРНУЮ АНТЕННУ Российский патент 2002 года по МПК H01Q13/04 H01P5/12 

Изобретение относится к устройствам для ввода высоковольтных (ВВ) импульсов напряжения в n ТЕМ-рупорную антенну, составляющую, например, фазированную решетку и предназначенную для направленного излучения импульсов электромагнитного поля, и может быть использовано как в радиолокации, так и при исследовании воздействия излучения на среды и объекты.

Известно устройство для передачи ввода ВВ импульсов напряжения в ТЕМ-рупорную антенну, содержащее коаксиальную входную линию, внутренний электрод которой связан с одним из электродов, образующих рупор антенны, а внешний электрод - с другим электродом рупора антенны [1] (фиг.9а].

Недостатком устройства является то, что оно обеспечивает ввод ВВ импульсов напряжения в однорупорную антенну, не имеющую узконаправленного излучения, что ограничивает диапазоны применения таких устройств.

Также известно устройство для ввода высоковольтных импульсов напряжения в n ТЕМ-рупорную антенну, являющееся наиболее близким к описываемому, содержащее коаксиальную входную линию, имеющую внутренний электрод, коаксиальный ему наружный электрод и диэлектрик между ними, входная линия электрически соединена и согласована с п выходными линиями, предназначенными для подсоединения к ТЕМ-рупорам антенны, при этом все выходные линии выполнены идентичными и гибкими, каждая выходная линия выполнена двухпроводной, и каждый из проводов этой линии на ее выходе предназначен для подсоединения к одному из двух электродов, образующих соответствующий ТЕМ-рупор антенны, причем каждый из проводов выходной линии выполнен полосковым [2].

Известное устройство обеспечивает создание узкой диаграммы направленности антенны и, как следствие, повышение КПД излучения по оси излучения, что расширяет диапазон применения таких устройств по сравнению с [1].

Недостатком известного устройства является его низкая надежность, так как оно выполнено на полосковых линиях, которые обладают краевым эффектом, то есть меньшей электропрочностью, требуют сложной технологии изготовления для достижения прецизионности выполнения всей сложной геометрии устройства-делителя, иначе наступает рассогласование волнового сопротивления линии передачи и ввода ВВ импульсов напряжения в антенну и, как следствие, снижение амплитуды и дальности излучаемых антенной сигналов, т.е. уменьшение надежности работы устройства.

Целью изобретения является повышение надежности работы устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для ввода высоковольтных импульсов напряжения в n ТЕМ-рупорную антенну, содержащем коаксиальную входную линию, имеющую внутренний электрод, коаксиальный ему наружный электрод и диэлектрик между ними, входная линия электрически соединена и согласована с n выходными линиями, предназначенными для подсоединения к ТЕМ-рупорам антенны, при этом все выходные линии выполнены идентичными и гибкими, каждая выходная линия выполнена двухпроводной, и каждый из проводов этой линии на ее выходе предназначен для подсоединения к одному из двух электродов, образующих соответствующий ТЕМ-рупор антенны, согласно изобретению на конце входной линии со стороны ее соединения с выходными линиями наружный электрод выполнен укороченным на длину L относительно диэлектрика и внутреннего электрода, каждый из проводов выходной линии выполнен в виде электрического проводника круглого сечения, заключенного в цилиндрическом диэлектрике с диаметром цилиндра D, в каждой выходной линии два упомянутых цилиндрических диэлектрика соприкасаются между собой по длине проводов, проводник одного из проводов своим началом электрически соединен с концом внутреннего электрода входной линии, а начало второго провода размещено на упомянутом конце входной линии на длине L так, что цилиндрический диэлектрик этого провода соприкасается на этой длине с диэлектриком входной линии, а начало проводника этого провода электрически соединено с концом наружного электрода входной линии, при этом на конце каждой выходной линии со стороны, обращенной к соответствующему ТЕМ-рупору, вдоль линии упомянутого соприкосновения цилиндрических диэлектриков, совпадающей на выходе с осью симметрии ТЕМ-рупора, выполнен продольный вырез длиной не менее половины длины L и толщиной не более половины диаметра D, в вырез помещена изолирующая пластина, которая имеет выступающую из выреза часть, предназначенную для размещения по оси симметрии ТЕМ-рупора между его электродами, при этом выступающая часть имеет размер вдоль оси симметрии ТЕМ-рупора не менее длины выреза, и удвоенное значение этой длины пластина имеет в направлении, перпендикулярном указанной оси симметрии.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве выходные линии выполнены круглого сечения и организована зона разделения входной линии на n выходных, а также зона перехода непосредственно к рупорам антенны с обеспечением требуемой электропрочности и согласованности волновых сопротивлений всех элементов линий, что обеспечивает повышение надежности работы устройства при вводе ВВ импульсов напряжения в n ТЕМ-рупорную антенну.

На фиг. 1 показан продольный разрез устройства для ввода ВВ импульсов напряжения в n ТЕМ-рупорную антенну.

На фиг.2 - вид А фиг.1.

На фиг.3 - в сечении по Б-Б фиг.1 в качестве примера n=4.

Устройство для ввода высоковольтных импульсов напряжения в n ТЕМ-рупорную антенну содержит коаксиальную входную линию с волновым сопротивлением Z_вх, имеющую внутренний электрод 1, коаксиальный ему наружный электрод 2 и диэлектрик 3 между ними. Заданное значение волнового сопротивления Z_вх сформировано выбором соотношения диаметров: 2а - диаметр внутренней поверхности электрода 2, и 2b - диаметр наружной поверхности электрода 1 - по известной зависимости (см. , например, "Справочник по элементам волноводной техники", А.Л. Фельдштейн и др., М., "Сов. Радио", 1967 г., с.94) [3]:

где ε - диэлектрическая проницаемость среды между электродами 1 и 2. Входная линия электрически соединена и согласована с n выходными линиями 4, предназначенными для подсоединения к n ТЕМ-рупорам 5 антенны. Волновое сопротивление Z_вых каждой выходной линии соответствует зависимости Z_вых=nZ_вх. Все выходные линии 4 выполнены идентичными и гибкими, а каждая выходная линия 4 выполнена двухпроводной. Каждый из проводов 6, 7 этой линии на ее выходе предназначен для подсоединения к одному их двух электродов 8, 9, образующих соответствующий ТЕМ-рупор антенны. На конце входной линии со стороны ее соединения с выходными линиями наружный электрод 2 выполнен укороченным на длину L относительно диэлектрика 3 и внутреннего электрода 1. Величина L определена из условия обеспечения электрической прочности между разнопотенциальными электродами (между электродом 1 и проводом 6) в зоне разделения входной линии на n выходных линий. Величина L может быть определена по известной графической зависимости длины изоляционного промежутка от напряжения на нем (см., например, "Изоляция аппаратов высокого напряжения", А.М. Залесский и др. М. - Л., Госэнергетическое изд-во, 1961 г., с. 179-180, рис. 13-1). В указанной ссылке эта длина дана для статического напряжения, однако, как показали эксперименты, она достаточно обеспечивает электрическую прочность в рассматриваемой зоне разделения входной линии и для импульсного напряжения. Каждый из проводов 6 и 7 выходной линии выполнен в виде электрического проводника соответственно 10, 11 круглого сечения, заключенного в цилиндрическом диэлектрике соответственно 12, 13 с диаметром D цилиндра. В каждой выходной линии два упомянутых цилиндрических диэлектрика 12 и 13 соприкасаются между собой (по линии 0-0') по длине проводов. Проводник 11 одного из проводов своим началом электрически соединен с концом внутреннего электрода 1 входной линии, а начало второго провода 6 размещено на упомянутом конце входной линии на длине L так, что цилиндрический диэлектрик 12 этого провода соприкасается на этой длине с диэлектриком 3 входной линии. Начало проводника 10 этого провода электрически соединено с концом наружного электрода 2 входной линии, при этом на конце каждой выходной линии со стороны, обращенной к соответствующему ТЕМ-рупору 5, вдоль линии 0-0' упомянутого соприкосновения цилиндрических диэлектриков 12 и 13, совпадающей на выходе утройства с осью 0'-0" симметрии ТЕМ-рупора, выполнен продольный вырез 14, длина l₁ которого не менее половины длины L, а толщина h не более половины диаметра D. Значение h выбрано эмпирически по условию обеспечения электропрочности. Если h>D/2, то может возникнуть пробой в толще диэлектрика. В вырез помещена изолирующая пластина 15, которая имеет выступающую из выреза часть 16, предназначенную для размещения по оси симметрии 0'-0" ТЕМ-рупора между его электродами 8 и 9 (на равном расстоянии от них). Выступающая часть 16 имеет размер l₂ вдоль оси симметрии ТЕМ-рупора не менее длины l₁ выреза, и удвоенное значение длины l₂ (на фиг.2 - длина l₃) пластина 15 имеет в направлении, перпендикулярном указанной оси 0'-0" симметрии.

Величина волнового сопротивления Z_вых каждой двухпроводной выходной линии задана волновым сопротивлением ТЕМ-рупора - Z_руп. Достижение равенства Z_вых= Z_руп обеспечено выбором соотношения диаметров: D-диаметр цилиндрического диэлектрика 12, 13 и d - диаметр проводника 10, 11, например, по известной из [3 ], стр.93 зависимости:

где ε₁ - диэлектрическая проницаемость цилиндрического диэлектрика 12, 13. При этом в данной зависимости с учетом двух соприкасающихся цилиндрических диэлектриков, согласно экспериментам, значения Z_вых выше в пределах 10%.

Электрическое соединение входных концов проводников 10, 11 с соответствующими электродами 1 и 2 может быть выполнено, например, пайкой или с помощью проводящих шайб 17 и 18, в которых выполнены отверстия 19, 20, и в них заложены и запаяны концы соответствующих проводников 10, 11, а сами шайбы 17 и 18 своими центральными отверстиями 21, 22 припаяны к электродам 2 и 1 соответственно.

Выходные концы проводников 10, 11 предназначены для соединения с электродами 8, 9 рупора 5. При этом расстояние между этими концами соответствует величине D. Это расстояние не изменяется и в точке пересечения (прикрепления, например, пайкой) проводников 10, 11 к электродам 8 и 9 ТЕМ-рупора. Таким образом, минимальное расстояние между электродами 8 и 9 равно D. Это обеспечивает оптимальность согласования волновых сопротивлений в точках соединения.

Чтобы обеспечить одинаковую поляризацию выходного вектора напряженности ТЕМ-рупоров многорупорной антенны, возможны скручивающие повороты выходных линий, что обеспечено их гибкостью. При этих поворотах соответствующие значения волновых сопротивлений Z_вых не меняются, так как не меняется размер поперечного сечения линии.

На фиг. 3 показаны для примера четыре выходные линии. Необходимое число линий формируется вокруг входной линии на участке длиной L.

Устройство работает следующим образом.

ВВ импульсы напряжения поступают в устройство от генератора ВВ импульсов напряжения (не показан) и передаются во входной линии по электродам 1 и 2. В зоне соединения входной и n выходных линий импульс напряжения распределяется на длине L между электродом 1 и каждым проводником 10 соответствующей двухпроводной выходной линии 4, а после прохождения участка длиной L - между проводниками 10 и 11 этой выходной линии. Затем, пройдя соответствующую выходную двухпроводную линию, импульс поступает на электроды 8, 9 соответствующего ТЕМ-рупора 5 антенны. После чего антенна, составляющая, например, фазированную решетку, излучает направленный импульс заданной амплитуды.

Поскольку все волновые сопротивления участков устройства согласованы, импульс в устройстве передается от генератора и вводится в антенну практически не измененным по амплитуде и форме.

За счет того, что на конце входной линии укорочением наружного электрода на длину L образована зона соединения входной и выходной линий, где соприкасаются цилиндрические диэлектрики разнополярных электродов, а соединение соответствующих электродов входной линии с проводниками выходной линии разнесены на длину L, обеспечена электрическая межэлектродная прочность этой зоны с одновременным согласованием волновых сопротивлений зоны соединения, что повышает надежность работы устройства.

При этом за счет того, что каждый из проводов выходной линии выполнен в виде электрического проводника круглого сечения, заключенного в цилиндрическом диэлектрике, в устройстве отсутствуют краевые эффекты, свойственные прототипу, имеющие полосковые линии, при этом напряженность поля на электродах уменьшается, что повышает электрическую прочность устройства и, как следствие, повышает надежность работы устройства.

Одновременно за счет того, что выбраны цилиндрические соприкасающиеся по длине диэлектрика, обеспечивающие требуемую электрическую прочность устройства, обеспечена возможность поворота выходных линий при скручивании (для обеспечения необходимой полярности электродов ТЕМ-рупоров) без изменения волнового сопротивления этих линий, что повышает надежность работы устройства.

За счет того, что длины поверхностей диэлектрических промежутков на участке длиной L и по пластине 15, вдоль которых может распространяться поверхностный пробой, выбраны, по крайней мере, одинаковыми, обеспечена, по крайней мере, равная электрическая прочность обоих узлов перехода (входная линия -выходная линия и выходная линия - рупор), что повышает надежность устройства.

Наличие выреза 14 и установленной в нем описанным образом пластины 15 обеспечивает электропрочность соединения выходной линии с рупором, а возможность соединения концов проводников 10, 11 с электродами 8, 9 рупора на расстоянии D за счет совпадения линии соприкосновения цилиндрических диэлектриков на выходе линии с осью симметрии ТЕМ-рупора обеспечивает согласование волновых сопротивлений выходной линии и рупора, что повышает надежность устройства.

Пример выполнения устройства.

При изготовлении устройства заявителем были использованы:
входная линия - кабель РК 50-9-11 (медные провода внешним диаметром 2,7 мм, изоляция - полиэтилен. Z_вх=50 Ом);
электроды 10, 11 - медные провода диаметром 3 мм, цилиндрическая изоляция диаметром D=10 мм, Z_вых ≅ 200 Oм;
пластина 15 - стеклотекстолит l₁=3 см; l₂=3 см; h=3 мм; l₃=6 см;
генератор ВВ импульсов напряжения - маслонаполненный искровой разрядник, разработки заявителя.

Количество линий равно числу рупоров, равно 4.

Передаваемый импульс имеет амплитуду 50 кВ, фронт 0,2 нc, длительность ~ 3 нc.

Генератор связан с описываемым устройством через один из выходов коаксиального трансформатора на неоднородной линии, разработки заявителя (патент 2149485, кл. Н 01 Р 5/12, 1999 г.).

Излучение поступает на измерительный полосковый датчик, разработки заявителя и регистратор типа СРГ7.

По данным измерения сигнал, переданный на 4-х ТЕМ-рупорную антенну, форму не изменил. Амплитуда передаваемого сигнала в течение всего периода измерений оставалась в пределах заданной погрешности измерения. Число переданных импульсов составило 10⁸. В процессе передачи импульсов электропробоев в линии передачи не было.

Для сравнения необходимо отметить, что по данным заявителя устройство-прототип не обеспечивает передачу импульса амплитудой 50 кВ, так как в выходных полосковых линиях наступает электрический пробой. При передаче импульсов амплитудой 30 кВ в устройстве-прототипе без пробоев были переданы ~ 10⁴ импульсов.

Вывод: описанное устройство для ввода ВВ импульсов напряжения в n ТЕМ-рупорную антенну по сравнению с прототипом обладает большей надежностью работы, что позволяет использовать его в составе антенных устройств направленного излучения в широком спектре радиолокации и при воздействии излучения на среды и объекты.

Источники информации
1. Proceedings of the 4^th Ultra-Wideband Short-Pulse Electromagnetics Conference, held June 14-19, 1998, in Tel Aviv, Israel, p.5. Fig. 9a.

2. Там же, Fig. 9c, d - прототип.

Устройство содержит коаксиальную входную линию, согласованную с выходными идентичными гибкими линиями. Каждая выходная линия двухпроводная. На конце входной линии ее наружный электрод выполнен укороченным на длину 1. Каждый провод выходной линии содержит проводник круглого сечения, заключенный в цилиндрический изолятор. В каждой выходной линии цилиндрические диэлектрики соприкасаются по длине. В зоне деления входной линии начало одного из проводов выходной линии размещено на длине L так, что цилиндрические диэлектрики этого провода и выходной линии соприкасаются, а проводник этого провода соединен с наружным электродом входной линии, а с внутренним электродом соединен второй проводник этой выходной линии. Со стороны рупора в цилиндрических диэлектриках выполнен вырез длиной не менее половины L. В него помещена изолирующая пластина, имеющая толщину не более половины диаметра цилиндрического диэлектрика, и выступающая вдоль оси симметрии рупора на длину не менее длины выреза, и имеющая удвоенное значение этой длины в поперечном направлении. Техническим результатом является повышение надежности устройства. 3 ил.

Устройство для ввода высоковольтных импульсов напряжения в ТЕМ-рупорную антенну, содержащее коаксиальную входную линию, имеющую внутренний электрод, коаксиальный ему наружный электрод и диэлектрик между ними, входная линия электрически соединена и согласована с выходными линиями, предназначенными для подсоединения к ТЕМ-рупорам антенны, при этом все выходные линии выполнены идентичными и гибкими, каждая выходная линия выполнена двухпроводной, и каждый из проводов этой линии на ее выходе предназначен для подсоединения к одному из двух электродов, образующих соответствующий ТЕМ-рупор антенны, отличающееся тем, что на конце входной линии со стороны ее соединения с выходными линиями наружный электрод выполнен укороченным на длину L относительно диэлектрика и внутреннего электрода, каждый из проводов выходной линии выполнен в виде электрического проводника круглого сечения, заключенного в цилиндрическом диэлектрике с диаметром цилиндра D, в каждой выходной линии два упомянутых цилиндрических диэлектрика соприкасаются между собой по длине проводов, проводник одного из проводов своим началом электрически соединен с концом внутреннего электрода входной линии, а начало второго провода размещено на упомянутом конце входной линии на длине L так, что цилиндрический диэлектрик этого провода соприкасается на этой длине с диэлектриком входной линии, а начало проводника этого провода электрически соединено с концом наружного электрода входной линии, при этом на конце каждой выходной линии со стороны, обращенной к соответствующему ТЕМ-рупору, вдоль линии упомянутого соприкосновения цилиндрических диэлектриков, совпадающей на выходе с осью симметрии ТЕМ-рупора, выполнен продольный вырез длиной не менее половины длины L и толщиной не более половины диаметра D, в вырез помещена изолирующая пластина, которая имеет выступающую из выреза часть, предназначенную для размещения по оси симметрии ТЕМ-рупора между его электродами, при этом выступающая часть имеет размер вдоль оси симметрии ТЕМ-рупора не менее длины выреза, и удвоенное значение этой длины пластина имеет в направлении, перпендикулярном указанной оси симметрии.