АНТЕННЫЙ ИЗОЛЯТОР Российский патент 2009 года по МПК H01Q1/12 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено, в частности, для применения в составе мощных передающих антенно-фидерных устройств коротковолнового (декаметрового) диапазона.

Известен высоковольтный изолятор, выполненный из разных диэлектрических материалов [1]. Этот изолятор содержит несущий стержень, выполненный из стекловолокна с наполнителем, и полимерную защитную оболочку с высокими ребрами. Данный изолятор предназначен для высоковольтных подстанций и линий передач промышленной частоты и не предназначен для высокочастотных антенно-фидерных устройств. При использовании на высокой частоте высокие ребра не способствуют повышению электрической прочности, т.к. прежде чем произойдет пробой по поверхности изолятора, удлиненной за счет ребер, наступит тепловое разрушение изолятора из-за потерь мощности в несовершенном диэлектрике. Оболочка с большими ребрами увеличивает емкость изолятора, что увеличивает потери и ускоряет тепловой пробой. Кроме того, оба диэлектрика непосредственно примыкают к проводникам, находящимся под высоким потенциалом, следовательно, будет разрушена в первую очередь та часть, которая выполнена из диэлектрика с большей удельной проводимостью на высокой частоте, в данном случае - защитная оболочка.

По этой причине антенные изоляторы, предназначенные для антенно-фидерных устройств, с которыми должны работать коротковолновые передатчики средней и высокой мощности, содержат диэлектрический стержень из материала с малой активной удельной проводимостью на высокой частоте (радиофарфор, стеатит), причем длина стержня в несколько раз (5...15 раз) больше его диаметра; такие изоляторы называются палочными [2]. Благодаря относительно большой длине изолятора напряженность поля в диэлектрике невелика, и тепловые потери не превышают величину, при которой происходит тепловой пробой.

Известен палочный антенный изолятор, содержащий круглый жесткий стержень из диэлектрического материала, причем длина стержня в несколько раз (5...15 раз) больше его диаметра [3]. Недостатком этого антенного изолятора является круглая форма поперечного сечения, которая технологична при изготовлении стержня из фарфора или стеатита, но не технологична при изготовлении стержня из листовых материалов (листовые стеклотекстолит, фторопласт-4).

Наиболее близким к заявляемому является антенный изолятор, содержащий жесткий стержень из диэлектрического материала, причем длина стержня в несколько раз (5...15 раз) больше наибольшего размера его поперечного сечения [4]. Недостатком этого антенного изолятора, присущим также и антенному изолятору [3], является то, что по всей длине стержень выполняется из дорогого высокочастотного диэлектрика. Высокочастотный диэлектрик дорог потому, что к нему предъявляется требование малых потерь мощности, т.е. малой удельной активной проводимости на высокой частоте во избежание теплового пробоя.

Предлагаемым изобретением решается задача уменьшения потребного объема высокочастотного диэлектрика в составе антенного изолятора.

Для достижения этого технического результата в известном антенном изоляторе, содержащем жесткий стержень из диэлектрического материала, причем длина стержня в несколько раз (5...15 раз) больше наибольшего размера его поперечного сечения [4], части стержня, расположенные по концам, выполнены из материала с меньшей удельной активной проводимостью, а часть стержня, расположенная посередине, выполнена из материала с большей удельной активной проводимостью. При этом отношение кратчайшего расстояния Х вдоль оси жесткого стержня из диэлектрического материала на каждом из его концов от проводника, который в рабочем состоянии находится под напряжением высокой частоты, до части стержня, выполненной из материала с большей удельной активной проводимостью, к L - длине жесткого стержня из диэлектрического материала между поверхностями проводников, находящимися в рабочем состоянии под напряжением высокой частоты, выбрано по формуле

где σ₁ - меньшая удельная активная проводимость;

σ₂ - большая удельная активная проводимость;

ε₁ - относительная диэлектрическая проницаемость материала с меньшей удельной активной проводимостью;

ε₂ - относительная диэлектрическая проницаемость материала с большей удельной активной проводимостью;

S₁ - площадь поперечного сечения части стержня, выполненной из материала с меньшей удельной активной проводимостью;

S₂ - площадь поперечного сечения части стержня, выполненной из материала с большей удельной активной проводимостью.

На фиг.1 изображен предлагаемый антенный изолятор в исполнении, предназначенном для фиксации расстояния между проводами фидера, виды сбоку и сверху.

На фиг.2 изображен предлагаемый антенный изолятор в исполнении, предназначенном для подвешивания проводов фидера и натяжения проводов антенны, вид сбоку.

На фиг.3 представлен график распределения удельной мощности тепловых потерь в зависимости от расстояния от конца изолирующего стержня антенного изолятора.

Антенный изолятор, изображенный на фиг.1, содержит жесткий стержень из диэлектрического материала, причем длина стержня L в 5...15 раз больше наибольшего размера а его поперечного сечения. Части 1 и 2 стержня, расположенные по концам, выполнены из материала с меньшей удельной активной проводимостью, например из фторопласта-4, а часть 3 стержня, расположенная посередине, выполнена из материала с большей удельной активной проводимостью, например из капролона. Части стержня скреплены между собой винтами 4. Концы стержня снабжены прорезями 5 для удобной фиксации проводов. Отношение размеров Х и L выбрано в соответствии с формулой (1), приведенной выше. Размеры Х и L отсчитаны от края прорези 5, ближайшего к части 3 антенного изолятора так, что размер L соответствует длине жесткого стержня из диэлектрического материала между поверхностями проводников, находящимися в рабочем состоянии под напряжением высокой частоты, а Х есть кратчайшее расстояние вдоль оси жесткого стержня между поверхностью проводника, который в рабочем состоянии находится под напряжением высокой частоты, и частью 3 стержня антенного изолятора, выполненной из материала с большей удельной активной проводимостью. Размерность величин в формуле (1) должна быть или одинаковой, или соответственной, например, если длина изолятора выражена в сантиметрах, то площадь сечения должна быть в квадратных сантиметрах.

Антенный изолятор, изображенный на фиг.2, содержит жесткий стержень из диэлектрического материала, причем длина стержня L в 5...15 раз больше большего диаметра d его поперечного сечения. Части 1 и 2 стержня, расположенные по концам, выполнены из материала с меньшей удельной активной проводимостью, например из стеклотекстолита, а часть 3 стержня, расположенная посередине, выполнена из материала с большей удельной активной проводимостью, например из капролона. Части стержня скреплены между собой винтовым соединением 4. Концы стержня снабжены металлической армировкой 6. Отношение размеров Х и L выбрано в соответствии с формулой (1), приведенной выше. Размеры Х и L отсчитаны от края армировки 6, ближайшего к части 3 антенного изолятора так, что размер L соответствует длине жесткого стержня из диэлектрического материала между поверхностями проводников, находящимися в рабочем состоянии под напряжением высокой частоты, а Х есть кратчайшее расстояние вдоль оси жесткого стержня из диэлектрического материала между поверхностью проводника, находящегося в рабочем состоянии под напряжением высокой частоты, и частью 3 стержня антенного изолятора, выполненной из диэлектрика с большей удельной активной проводимостью.

Антенный изолятор работает следующим образом. Нами было установлено, что удельная мощность тепловых потерь в неидеальном диэлектрике антенного изолятора распределена по его длине весьма неравномерно. На фиг.3 приведен типичный пример. По оси абсцисс отложено расстояние в см, отсчитываемое от края изолятора, т.е. от металлических частей (армировки), находящихся под напряжением высокой частоты. Максимальное расстояние (15 см) соответствует середине изолятора. По оси ординат отложена удельная мощность тепловых потерь в Вт/м³. Неравномерность распределения удельной мощности тепловых потерь происходит из-за неравномерности распределения величины напряженности электрического поля:

где P_ud - удельная мощность тепловых потерь;

σ - удельная активная проводимость;

Е - напряженность электрического поля.

В предлагаемом антенном изоляторе части 1 и 2 диэлектрического стержня, расположенные у концов, т.е. там, где напряженность поля больше, выполнены из диэлектрика с меньшей удельной активной проводимостью. Поэтому удельная мощность тепловых потерь в этих частях не превышает допустимую, и антенный изолятор в этих частях не разрушается. В части 3 стержня антенного изолятора напряженность поля меньше, и, несмотря на большую величину удельной активной проводимости, удельная мощность тепловых потерь в этой части тоже не превышает допустимую, и антенный изолятор в этой части также не разрушается. Таким образом, антенный изолятор оказывается работоспособным, несмотря на то, что большая часть его стержня выполнена из дешевого материала с относительно высокими тепловыми потерями мощности на высокой частоте (верхней частоте диапазона, на которую рассчитан антенный изолятор).

Нами проведены серии численных электродинамических расчетов, в результате аппроксимации которых получена приближенная формула (1). Эта формула отображает условие, при котором антенный изолятор получается равнопрочным с точки зрения теплового пробоя как в частях 1 и 2, так и в части 3, так что при этом условии использование заявляемого изолятора оказывается наиболее эффективным.

Использованные источники

1. Заявка ВОИС №03023792, МПК⁷ Н01 В 17/14, опубл. 20.03.2003.

2. Айзенберг Г.З. Коротковолновые антенны. - М.: Связьиздат. - 1962. - 815 с.

3. Патент США №3248475, МПК H01Q 1/16 (нац. кл. 174-72), опубл. 26.04.1966.

4. Патентная заявка Великобритании №2314215, МПК⁶ H01Q 1/16, опубл. 17.12.1997.

Изобретение относится к области радиотехники предназначено для использования в составе мощных передающих антенно-фидерных устройств коротковолнового (декаметрового) диапазона. Техническим результатом является уменьшение необходимого объема высокочастотного диэлектрика в составе антенного изолятора. Указанный технический результат достигается тем, что в известном антенном изоляторе, содержащем жесткий стержень из диэлектрического материала, части стержня, расположенные по концам, выполнены из материала с меньшей удельной активностью, а часть стержня, расположенная посередине, выполнена из материала с большей удельной активной проводимостью. 3 ил.

Антенный изолятор, содержащий жесткий стержень из диэлектрического материала, причем длина стержня в 5...15 раз больше наибольшего размера его поперечного сечения, отличающийся тем, что части стержня, расположенные по концам, выполнены из материала с меньшей удельной активной проводимостью, а часть стержня, расположенная посередине, выполнена из материала с большей удельной активной проводимостью, при этом кратчайшее расстояние Х вдоль оси жесткого стержня из диэлектрического материала на каждом из его концов от проводника, который в рабочем состоянии находится под напряжением высокой частоты, до части стержня, выполненной из материала с большей удельной активной проводимостью, к L - длине жесткого стержня из диэлектрического материала между поверхностями проводников, находящимися в рабочем состоянии под напряжением высокой частоты, выбрано по формуле

где σ₁ - меньшая удельная активная проводимость;

σ₂ - большая удельная активная проводимость;

ε₁ - относительная диэлектрическая проницаемость материала с меньшей удельной активной проводимостью;

ε₂ - относительная диэлектрическая проницаемость материала с большей удельной активной проводимостью;

S₁ - площадь поперечного сечения части стержня, выполненной из материала с меньшей удельной активной проводимостью;

S₂ - площадь поперечного сечения части стержня, выполненной из материала с большей удельной активной проводимостью.