Кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее устройство

 

Кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее устройство относится к области симметрирующих и согласующих устройств для симметрирования и согласования антенн метрового и дециметрового диапазона. Технический результат - расширение рабочей полосы частот кольцевого симметрирующего согласующего устройства. Кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее устройство содержит два симметричных трубчатых полукольца, образующих кольцо с зазором ab, коаксиальный вход, закрепленный на трубчатом кольце диаметрально противоположно зазору. Внутри первого полукольца проложен центральный проводник, образующий коаксиальную линию с этим полукольцом. Один конец центрального проводника соединен с центральным проводником коаксиального входа, другой конец выведен в зазор кольца. Часть коаксиальной линии первого полукольца, начиная от зазора, выполнена в виде четвертьволнового согласующего трансформатора. Во втором полукольце проложен центральный проводник, образующий разомкнутый шлейф. Конец центрального проводника разомкнутого шлейфа в зазоре кольца соединен с выходом центрального проводника четвертьволнового согласующего трансформатора. Центральный проводник и центральный проводник закреплены внутри трубчатых полуколец и с помощью диэлектрических шайб. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области техники СВЧ, а точнее к области симметрирующих и согласующих устройств, и может быть использовано для симметрирования и согласования антенн метрового и дециметрового диапазона.

Известно кольцевое симметрирующее устройство [1, стр. 325, рис. 18.10], содержащее два симметричных трубчатых полукольца, образующих кольцо с зазором, и коаксиальный вход, закрепленный на трубчатом полукольце диаметрально противоположно зазору в кольце. Внутри первого трубчатого полукольца проложен центральный проводник, образующий коаксиальную линию с волновым сопротивлением Z₀. Один конец центрального проводника соединен с центральным проводником коаксиального входа с волновым сопротивлением Z_0вх. Другой конец центрального проводника соединен в зазоре со вторым трубчатым полукольцом. Один конец симметричной нагрузки соединен в зазоре с корпусом первого трубчатого полукольца, другой конец - с корпусом второго трубчатого полукольца.

Симметрирующее действие кольцевого симметрирующего устройства происходит следующим образом. На коаксиальный вход подается высокочастотное напряжение. Ток I_к1, выходящий с внутренней поверхности первого полукольца, разветвляется на ток I_н1, идущий в симметричную нагрузку, и на ток I₁, текущий по наружной поверхности первого трубчатого полукольца, I_к1=I_н1+I₁. Ток в центральном проводнике первого полукольца I_пр1 складывается из тока I_н2 на втором конце симметричной нагрузки и тока I₂, текущего по наружной поверхности второго полукольца, I_пр1=I_н2+I₂. Токи в коаксиальной линии в центральном проводнике и на внутренней поверхности внешнего проводника в любом сечении равны: I_н1+I₁=I_н2+I₂.

Благодаря геометрической симметрии кольца и подключенной симметричной нагрузке токи I₁ и I₂ равны, в результате чего токи на обоих концах нагрузки равны по величине, т.е. I_н1=I_н2.

Известное кольцевое симметрирующее устройство близко по конструкции к предлагаемому кольцевому широкополосному симметрирующе-согласующему устройству и принято заявителями в качестве прототипа.

Такое кольцевое симметрирующее устройство производит симметрирование независимо от длины полуколец в широкой полосе рабочих частот. Недостатком этого устройства является его узкополосность по входным частотным характеристикам.

Техническим результатом заявляемого решения является расширение рабочей полосы частот при применении предложенного кольцевого широкополосного симметрирующе-согласующего устройства.

Этот технический результат достигается тем, что в кольцевом широкополосном симметрирующе-согласующеем устройстве, содержащем два симметричных трубчатых полукольца, образующих кольцо с зазором, коаксиальный вход, закрепленный на трубчатом кольце диаметрально противоположно зазору, внутри первого полукольца проложен центральный проводник, образующий коаксиальную линию с этим полукольцом, при этом один конец центрального проводника соединен с центральным проводником коаксиального входа, а другой конец выведен в зазор кольца, новым является то, что диаметр трубчатого кольца с зазором равен D_к= ₀/2 , где ₀ - центральная длина волны в свободном пространстве, а часть коаксиальной линии первого полукольца, начиная от зазора, выполнена в виде четвертьволнового согласующего трансформатора, во втором полукольце проложен центральный проводник, образующий разомкнутый шлейф, один конец центрального проводника разомкнутого шлейфа в зазоре кольца соединен с выходом центрального проводника четвертьволнового согласующего трансформатора, при этом диаметр d_тр центрального проводника четвертьволнового согласующего трансформатора, длина l_шл и диаметр d_шл центрального проводника разомкнутого шлейфа выбраны из соотношений:

где d_тр - диаметр центрального проводника четвертьволнового согласующего трансформатора,

d_шл - диаметр центрального проводника разомкнутого шлейфа,

D - внутренний диаметр трубок первого и второго полуколец,

l_шл - длина центрального проводника разомкнутого шлейфа,

Z_0вх - волновое сопротивление коаксиального входа,

R_н - активная составляющая входного сопротивления симметричной нагрузки,

- диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего полость трубчатых полуколец,

₀ - центральная длина волны рабочего диапазона в свободном пространстве,

Z_0шл - волновое сопротивление разомкнутого шлейфа,

В - заданная проводимость реактивной составляющей на входе симметричной нагрузки на длине волны _max рабочего диапазона,

_шл - фазовая постоянная распространения волны в разомкнутом шлейфе.

Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет создать кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее устройство, осуществляющее одновременно симметрирование и согласование в широкой полосе частот.

На фиг.1 приведен эскиз предлагаемого устройства.

На фиг.2 приведена электрическая схема предлагаемого устройства.

Кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее устройство (фиг.1) содержит два симметричных трубчатых полукольца 1 и 2, образующих кольцо с зазором ab, коаксиальный вход 3, закрепленный на трубчатом кольце диаметрально противоположно зазору, внутри первого полукольца проложен центральный проводник 4, образующий коаксиальную линию с этим полукольцом, один конец центрального проводника 4 соединен с центральным проводником 5 коаксиального входа 3, другой конец выведен в зазор кольца ab. Часть коаксиальной линии первого полукольца, начиная от зазора, выполнена в виде четвертьволнового согласующего трансформатора. Во втором полукольце 2 проложен центральный проводник 6, образующий разомкнутый шлейф, конец центрального проводника 6 разомкнутого шлейфа в зазоре кольца соединен с выходом центрального проводника 4 четвертьволнового согласующего трансформатора. Центральный проводник 4 закреплен внутри первого трубчатого полукольца 1 с помощью диэлектрических шайб 8, 9, 10. Центральный проводник 6 закреплен внутри второго трубчатого полукольца 2 с помощью диэлектрических шайб 11, 12, 13.

Симметрирующе-согласующее широкополосное устройство работает следующим образом. Высокочастотное напряжение подается на коаксиальный вход (см. фиг.2), затем на вход четвертьволнового согласующего трансформатора, состоящего из трубчатого полукольца 1 и центрального проводника 4, а с его выхода - на вход разомкнутого шлейфа, состоящего из трубчатого полукольца 2 и центрального проводника 6. На срезе полуколец 1 и 2 в точках ab токи I_к, текущие по поверхностям полуколец 1 и 2, разветвляются на токи I_н1 и I_н2, текущие на входы симметричной нагрузки, например антенны, и токи I₁ и I₂. Полукольца 1 и 2 представляют собой двухпроводный четвертьволновый, короткозамкнутый в точке d шлейф 2. Входное сопротивление такого шлейфа в точках ab равно

Поэтому на центральной длине волны ₀ токи I₁ и I₂, текущие по наружным поверхностям полуколец 1 и 2, равны нулю, так как I_1,2=U/Z_вхшл2=U/ =0.

Так как токи I_к1 и I_к2 на внутренней поверхности полуколец также равны, т.к. I₁=I₂=0, то токи на входе симметричной нагрузки равны, нагрузка имеет симметричное питание. При отклонении длины волны от центральной длины волны ₀, то есть в случае ₀, токи I_к1 и I_к2, текущие по поверхности полуколец, в силу симметричности равны по величине и противоположны по направлению, компенсируют друг друга по действию, а нагрузка запитывается симметрично. Кроме того, за точкой короткого замыкания d токов нет, ввиду отсутствия электромагнитного поля.

Согласование входного сопротивления симметричной нагрузки Z_вх, например антенны, с помощью предлагаемого технического решения производится за счет четвертьволнового трансформатора. Диаметр центрального проводника d_тр выбирается так, чтобы волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора было равно:

где Z_0вх - волновое сопротивление коаксиального входа,

R_н - активная составляющая входного сопротивления симметричной нагрузки.

Отсюда следует формула 1 описания:

Расширение полосы согласования симметричной нагрузки происходит следующим образом. Параллельно симметричной нагрузке в точках а и b подключено входное сопротивление Z_вхшл2 короткозамкнутого шлейфа, образованного двумя полукольцами 1 и 2, и входное сопротивление разомкнутого четвертьволнового шлейфа Z_вхшл1. На центральной длине волны ₀ входное сопротивление разомкнутого шлейфа Z_вхшл2= и не влияет на входное сопротивление симметричной нагрузки.

При отклонении длины волны от центральной длины волны ₀ входное сопротивление короткозамкнутого шлейфа чисто реактивное и равно:

z_вхшл2=jz_0шл2tg l_шл2

Входное сопротивление разомкнутого шлейфа также чисто реактивно и равно:

z_вхшл1=-jz₀ctg l_шл1

Сопротивления z_вхшл2 и z_вхшл1 подключены параллельно, их реактивности противоположны по знаку и компенсируют друг друга в широкой полосе частот. За счет этого суммарные реактивности, подключаемые параллельно входу симметричной нагрузки, например антенны, уменьшаются и полоса согласования существенно расширяется.

Ширина полосы согласования характеризуется коэффициентом перекрытия q=f_в/f_н, где f_в - верхняя частота рабочего диапазона частот, f_н - нижняя частота рабочего диапазона частот, F=f_в-f_н - полоса согласования по определенному уровню коэффициента стоячей волны (КСВ_н). В каждом конкретном случае величина q определяется уровнем задаваемого КСВ_н в полосе F и коэффициентом трансформации n=R_н/Z_0вх.

В целях подтверждения осуществимости заявляемого технического решения изготовлен макет кольцевого широкополосного симметрирующе-согласующего устройства со следующими параметрами:

- рабочая частота f₀=500 МГц,

- центральная длина волны ₀=60 см,

- диаметр трубчатого кольца по оси трубок D_к=95 мм,

- ширина зазора в трубчатом кольце l₃=10 мм,

- волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора Z_0тр=61 Ом,

- волновое сопротивление коаксиального входа Z₀=50 Ом,

- волновое сопротивление компенсирующего шлейфа Z_0шл=50 Ом,

- КСВн в полосе частот f₀ 100 МГц менее 1,5,

- коэффициент перекрытия q=f_в/f_н=1,5.

Для сравнения приведем расчетные данные по частотной характеристике прототипа [1, стр. 325, рис. 18.10]:

- рабочая частота f₀=500 МГц,

- центральная длина волны ₀=60 см,

- КСВн в полосе частот f₀ 70 МГц менее 1,5,

- коэффициент перекрытия q=f_в/f_н=l,32,

Макет изготовлен из латунной трубки, “труба DKHPM 10 1 ОП 63 ГОСТ 494-75” с внутренним диаметром D_тр=8 мм. Центральные проводники выполнены из латунного прутка ЛС-59-1 ГОСТ 15527-74. В качестве коаксиального входа применен стандартный высокочастотный соединитель СР50-73Ф. Диэлектрические опорные шайбы изготовлены из фторопласта ФТ-4.

Проведенный анализ показывает, что предлагаемое кольцевое симметрирующе-согласующее широкополосное устройство отвечает критериям патентоспособности и может быть использовано в технике СВЧ и для симметрирования и согласования антенн метрового и дециметрового диапазона.

Источник информации

1. А.С. Лавров, Г.Б. Резников. Антенно-фидерные устройства. М.: Сов. Радио, 1974.

Формула изобретения

Кольцевое широкополосное симметрирующе-согласующее устройство, содержащее два симметричных трубчатых полукольца, образующих кольцо с зазором, коаксиальный вход, закрепленный на трубчатом кольце диаметрально противоположно зазору, внутри первого полукольца проложен центральный проводник, образующий коаксиальную линию с этим полукольцом, при этом один конец центрального проводника соединен с центральным проводником коаксиального входа, а другой конец выведен в зазор кольца, отличающееся тем, что диаметр трубчатого кольца с зазором равен D_к=₀/2, где ₀ - центральная длина волны в свободном пространстве, а часть коаксиальной линии первого полукольца, начиная от зазора, выполнена в виде четвертьволнового согласующего трансформатора, во втором полукольце проложен центральный проводник, образующий разомкнутый шлейф, один конец центрального проводника разомкнутого шлейфа в зазоре кольца соединен с выходом центрального проводника четвертьволнового согласующего трансформатора, при этом диаметр центрального проводника четвертьволнового согласующего трансформатора d_тр, длина l_шл и диаметр центрального проводника d_шл разомкнутого шлейфа выбраны из соотношений

где D - внутренний диаметр трубок первого и второго полуколец;

Z_{0 вх} - волновое сопротивление коаксиального входа;

R_н - активная составляющая входного сопротивления симметричной нагрузки;

- диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего полость трубчатых полуколец;

₀ - центральная длина волны рабочего диапазона в свободном пространстве;

Z_0шл - волновое сопротивление разомкнутого шлейфа;

Z_0шл=-1/Btg_шлl_шл;

В - заданная проводимость реактивной составляющей на входе симметричной нагрузки на длине волны _max рабочего диапазона;

_шл - фазовая постоянная распространения волны в разомкнутом шлейфе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2