Патент на изобретение №2292099

(54) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ КОАКСИАЛЬНО-ПОЛОСКОВЫЙ ПЕРЕХОД

(57) Реферат:

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной электротехники, может быть использовано в установках, создающих мощные импульсные электромагнитные поля. Техническим результатом является уменьшение длительности фронта переходной характеристики при данных длине перехода и радиусе внешнего проводника коаксиальной линии и упрощение конструкции. Высоковольтный коаксиально-полосковый переход (КПП) содержит внутренний и внешний проводники, соединенные, соответственно, с одной стороны с коаксиальной линией, а с другой – с полосковой линией. Внешний проводник перехода выполнен симметрично срезанным относительно плоскости, проходящей через продольную ось перехода и наклонно к оси. КПП включает плоскую пластину, соединенную с проводником полосковой линии, расположенную наклонно к продольной оси перехода со стороны, диаметрально противоположной началу упомянутого выше среза. Внешний проводник перехода выполнен в виде части цилиндрической трубы кругового сечения, а пластина расположена с наклоном, направленным навстречу направлению среза внешнего проводника. Внешний проводник перехода может быть выполнен с дополнительным симметричным относительно плоскости, проходящей через продольную ось перехода, срезом, расположенным наклонно к оси перехода со стороны, диаметрально противоположной началу основного среза и закрытым прикрепленной пластиной. Пластина может быть вложена во внешний проводник перехода и закреплена в нем со стороны, диаметрально противоположной началу основного среза. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной электротехники, может быть использовано в установках, создающих мощные импульсные электромагнитные поля. Импульсные генераторы установок обычно имеют коаксиальную конструкцию и коаксиальный выход, а антенны (например, ТЕМ рупор) имеют полосковую конструкцию и полосковый вход. В коаксиально-полосковом переходе осуществляется трансформация ТЕМ волны коаксиальной линии в ТЕМ волну двухпроводной полосковой линии (например, конической линии ТЕМ рупора).

Известен коаксиально-полосковый переход (КПП), включающий отрезок коаксиальной линии, закрытый на торце диэлектрической шайбой, и отрезок двухпроводной линии с плоским проводником. Первый плоский проводник подключен к внешнему проводнику отрезка коаксиальной линии со стороны диэлектрической шайбы через дополнительно введенные провода, включенные параллельно. Второй плоский проводник подключен к ее внутреннему проводнику отрезка коаксиальной линии через дополнительно введенные провода, покрытые слоем изоляции и пропущенные через отверстия, выполненные в диэлектрической шайбе /1/.

Недостатком этого КПП является достаточно сложная конструкция, так как выполнение проводников из набора отдельных проводов требует использования дополнительного несущего изолятора для фиксации положения каждого провода. Кроме того, на проводах происходит увеличение напряженности электрического поля, что приводит к его неравномерному распределению и может снизить величину допустимой амплитуды передаваемых импульсов. Покрытие проводов изоляцией хотя и решает эту проблему, но приводит к невозможности существования ТЕМ волны в переходе, где есть два диэлектрика – воздух и твердая изоляция – с разными диэлектрическими проницаемостями. Это неизбежно приведет к увеличению длительности фронта переходной характеристики КПП.

Известен так называемый “точечный” переход /2/. В нем сначала диаметр коаксиальной линии уменьшается до минимальных размеров с помощью встроенной конической линии и затем происходит “точечное” соединение проводников конической коаксиальной и конической полосковой линии. Благодаря малым размерам переходной области (области соединения проводников) такой переход позволяет передавать импульсы с очень коротким фронтом.

Недостатком данного точечного перехода является низкая электрическая прочность в результате малых изоляционных расстояний, поэтому переход размещается в сосуде с маслом высокой степени очистки и применяется только для коротких наносекундных и субнаносекундных импульсов.

Наиболее близким техническим решением является КПП имитатора ЭМИ “ARES” (США), содержащий внутренний и внешний проводники, соединенные, соответственно, с одной стороны с коаксиальной линией, а с другой – с полосковой линией. Внутренний проводник перехода представляет собой расширяющуюся по горизонтали трапецеидальную пластину с закругленными краями. Толщина пластины равна диаметру внутреннего проводника входной коаксиальной линии. Внешний проводник представляет собой расширяющуюся трубу, срезанную наклонно к ее продольной оси, выполненную в виде двух расходящихся в стороны срезанных половинок трубы эллиптического сечения, соединенных внизу плоской треугольной пластиной, расположенной наклонно к продольной оси перехода. Обе половинки трубы эллиптического сечения срезаны наклонно к своим осям, причем срез начинается вверху в начале КПП – в месте подсоединения коаксиальной линии – и заканчивается внизу в месте подсоединения полосковой линии. Поперечные сечения внешнего проводника КПП представляют собой дуги разнесенных по горизонтали окружностей, соединенные внизу прямолинейным отрезком /3, стр.17/. Дуги окружностей являются сечениями срезанных половинок эллиптического цилиндра, а прямолинейный отрезок – сечением пластины. На входе КПП со стороны коаксиальной линии половинки эллиптического цилиндра смыкаются, образуя в поперечном сечении полную окружность, то есть сечение внешнего проводника КПП совпадает с поперечным сечением внешнего проводника входной коаксиальной линии. Дуги, уменьшаясь вдоль КПП (3, фиг.6.2), исчезают совсем на его выходе, где поперечное сечение КПП представляет собой линию, то есть совпадает с поперечным сечением нижнего проводника полосковой линии. Вдоль кромки внешнего проводника проложен цилиндрический высоковольтный экран /3/.

Согласно /3 стр.15-16/, длительность фронта переходной характеристики КПП пропорциональна разности между максимальной и минимальной длиной линий тока по внешнему проводнику перехода. Линии тока вдоль оси пластины имеют минимальную длину, которая просто равна длине перехода l. Максимальную длину имеют линии тока, перетекающего вдоль кромки с верхней части коаксиальной линии на край плоской пластины. Следуя /3/, эта длина l_max определяется, применяя теорему Пифагора к развертке внешнего проводника

где

l – длина перехода;

r_с – внутренний радиус внешнего проводника коаксиальной линии;

w – полуширина нижнего проводника КПП в выходном сечении, стыкующемся с нижним проводником полосковой линии.

Разница длин t_r равна

Из формул следует, что для уменьшения длительности фронта переходной характеристики следует увеличивать длину перехода l и уменьшать радиус внешнего проводника коаксиальной линии r_с и ширину перехода w в выходном сечении. В высоковольтных установках радиус внешнего проводника выбирается из соображений электрической прочности и не может быть уменьшен. Допустимая длина перехода также часто бывает ограничена, а ширина данного перехода определяется шириной нижнего проводника полосковой линии в стыковочном сечении. Все это затрудняет уменьшение длительности фронта переходной характеристики КПП данной конструкции.

Недостатком изобретения является достаточно большая длительность формирования фронта импульса, сложная конфигурация внешнего проводника КПП, что затрудняет его изготовление, требует изготовления оправки и тщательной ручной подгонки, а также значительная ширина поперечного сечения перехода в результате конического расширения его внешнего проводника.

Задачей изобретения является уменьшение длительности фронта переходной характеристики при данных длине перехода и радиусе внешнего проводника коаксиальной линии и упрощение конструкции КПП.

Техническим результатом является уменьшение разности между максимальной и минимальной длиной линий тока по внешнему проводнику перехода и максимальной ширины поперечного сечения перехода.

Поставленная задача решается за счет того, что в высоковольтном коаксиально-полосковом переходе (КПП), содержащем внутренний и внешний проводники, соединенные, соответственно, с одной стороны с коаксиальной линией, а с другой – с полосковой линией, причем внешний проводник перехода выполнен симметрично срезанным относительно плоскости, проходящей через продольную ось перехода, наклонно к оси, включающим плоскую пластину, соединенную с проводником полосковой линии, расположенную наклонно к продольной оси перехода, диаметрально противоположно упомянутому выше срезу, внешний проводник перехода выполнен в виде части цилиндрической трубы кругового сечения, а пластина расположена с наклоном, направленным навстречу направлению среза внешнего проводника.

Внешний проводник перехода может быть выполнен с дополнительным симметричным относительно плоскости, проходящей через продольную ось перехода, срезом, расположенным наклонно к оси перехода диаметрально противоположно основному срезу и закрытым прикрепленной пластиной.

Пластина может быть вложена во внешний проводник и закреплена в нем диаметрально противоположно основному срезу.

Максимальная длина линий тока, которые направлены вдоль кромки среза, уменьшается за счет того, что длина кромки основного среза становится короче, так как часть кромки внешнего проводника отсутствует из-за дополнительного среза и, кроме того, уменьшается максимальная ширина поперечного сечения перехода. Минимальная длина линий тока увеличивается за счет того, что плоская пластина расположена наклонно к продольной оси перехода с наклоном, направленным навстречу направлению среза внешнего проводника. Разница максимальной и минимальной длин путей токов уменьшается, уменьшая длительность переходной характеристики КПП.

На фиг.1 изображен общий вид высоковольтного КПП.

На фиг.2 изображено сечение А-А фиг.1.

На фиг.3 изображен вид сверху высоковольтного КПП с внутренним и внешним проводниками двухпроводной полосковной линии.

На фиг.4 изображен вид сверху высоковольтного КПП с дополнительным плоским срезом.

На фиг.5 изображен высоковольтный КПП с плоской металлической пластиной.

На фиг.6 изображен вид сверху высоковольтного КПП с плоской металлической пластиной.

На фиг.7 изображено сечение Б-Б фиг.1.

На фиг.8 изображено сечение С-С фиг.1.

На фиг.9 изображено сечение Д-Д фиг.1.

Высоковольтный коаксиально-полосковый переход (КПП), содержит внутренний 1 и внешний 2 проводники (фиг.1), соединенные, соответственно, с одной стороны с коаксиальной линией 3, а с другой – с полосковой линией 4. Внешний проводник 2 перехода выполнен симметрично срезанным 5 (кромка среза) (фиг.1) относительно плоскости 6, проходящей через продольную ось 7 перехода (фиг.2), наклонно к его оси 7 (фиг.1). Внешний проводник 2 перехода выполнен включающим плоскую пластину 8, соединенную с проводником 9 полосковой линии и расположенную наклонно к продольной оси 7 перехода, диаметрально противоположно упомянутому выше срезу 5 (фиг.2). Внешний проводник 2 перехода выполнен в виде части цилиндрической трубы кругового сечения (фиг.7), а пластина 8 расположена с наклоном, направленным навстречу направлению среза 5 внешнего проводника 2 (фиг.1).

Внешний проводник 2 перехода может быть выполнен с дополнительным симметричным относительно плоскости 6 (фиг.2), проходящей через продольную ось 7 перехода срезом 10, расположенным наклонно к продольной оси перехода 7 диаметрально противоположно основному срезу 5 и закрытым прикрепленной пластиной 8 (фиг.1, 3, 4).

Пластина 8 может быть вложена во внешний проводник 2 и закреплена в нем диаметрально противоположно основному срезу 5 (фиг.5).

К кромке среза 5 прикреплен цилиндрический экран 11 (фиг.1, 2).

Поперечное сечение внешнего проводника 2 перехода после начала среза 5 и до начала дополнительного среза 10 (фиг.1) имеет форму дуги окружности внешнего проводника 12 коаксиальной линии (фиг.7). После начала дополнительного среза 10 поперечное сечение внешнего проводника 2 перехода имеет форму двух дуг окружности, соединенных между собой плоской пластиной 8 (фиг.8). Ширина сечений перехода практически не превышает диаметра внешнего проводника 12 коаксиальной линии. Таким образом, внешний проводник 2 перехода плавно переходит в плоский расширяющийся проводник 9 трапецеидальной формы, края которого имеют закругления 13 (фиг.9), выполненные радиусом, равным половине толщины проводника 9.

Внутренний проводник 1 перехода плавно переходит во второй плоский расширяющийся проводник 14 трапецеидальной формы с закругленными краями 15.

Сечение АА является стыковочным сечением между собственно КПП и двухпроводной полосковой линией. Размеры стыковочного сечения линии (сначала h_L, затем w_L) определяются по формулам:

где

h_L – расстояние между проводниками двухпроводной конической линии (по осям скруглений);

r_c – внутренний радиус внешнего проводника коаксиальной линии;

r_L – радиус цилиндра, скругляющего кромку;

w_L – полуширина нижнего проводника линии (по осям скруглений);

c_f – заданное отношение w_L к h_L (постоянное вдоль линии).

Если полосковая линия имеет постоянное сечение, то для согласования сечений следует либо добавить промежуточную коническую секцию полосковой линии, либо выбрать радиус цилиндрической части внешнего проводника перехода, исходя из соотношения

Расчеты и измерения переходной характеристики перехода показали, что длина перехода должна быть не менее двух r_с – внутренних радиусов внешнего проводника.

КПП работает следующим образом. На вход КПП падает импульсная осесимметричная ТЕМ волна из коаксиальной линии 3. При распространении вдоль КПП она трансформируется в ТЕМ волну полосковой линии 4. При этом ток с верхней (фиг.1) части внешнего проводника 2 перехода должен перетечь в нижнюю часть. Длительность переходной характеристики высоковольтного КПП пропорциональна разнице максимальной и минимальной длин путей токов. При выполнении внешнего проводника 2 перехода в виде части цилиндрической трубы кругового сечения, расположения пластины 8 наклонно к продольной оси 7 перехода и направления наклона пластины навстречу направлению среза 5 внешнего проводника 2, а также выполнении внешнего проводника перехода с дополнительным срезом, либо вложения пластины во внешний проводник максимальная длина пути тока уменьшается, а минимальная увеличивается по сравнению с прототипом. Максимальная длина линий тока, которые направлены вдоль кромки среза, уменьшается за счет того, что длина кромки основного среза становится короче, так как часть кромки внешнего проводника отсутствует из-за дополнительного среза и, кроме того, уменьшается максимальная ширина поперечного сечения перехода. Минимальная длина линий тока увеличивается за счет того, что плоская пластина расположена наклонно к продольной оси перехода с наклоном, направленным навстречу направлению среза внешнего проводника.

Разница длин линий тока в данном случае примерно равна

где

r_с – половина длины дуги в выходном сечении внешнего проводника.

Половина длины дуги в выходном сечении внешнего проводника отсутствует из-за дополнительного среза или экранировки плоской пластиной (фиг.5). В переходе – прототипе эта разница равна

Разница максимальной и минимальной длин путей токов определяет длительность переходной характеристики КПП.

Использование изобретения позволяет уменьшить длительность фронта переходной характеристики при данных длине перехода и радиусе внешнего проводника коаксиальной линии, а также упростить конструкцию КПП.

Источники информации

1. Шевцов Э.Н. и др. Переход с коаксиальной линии на двухпроводную линию с плоскими проводниками – Авторское свидетельство № 1356061, МКИ H 01 P 5/08, опубл. 1987 г.

2. Wells J. et al. A Device for Radiating High Power RF Fields from a Coaxial Source, Ultra-Wideband Short-Pulse Electromagnetics 3, Plenum Press, New York, 1997, pp. 391-396.

3. Farr E. G. at all. Design considerations for ultra- wideband, high-voltage baluns, Sensor and Simulation Note 371, October 1994.

Формула изобретения

1. Высоковольтный коаксиально-полосковый переход (КПП), содержащий внутренний и внешний проводники, соединенные соответственно с одной стороны с коаксиальной линией, а с другой – с полосковой линией, причем внешний проводник перехода выполнен симметрично срезанным относительно плоскости, проходящей через продольную ось перехода, наклонно к оси, и включающий плоскую пластину, соединенную с проводником полосковой линии, расположенную наклонно к продольной оси перехода со стороны, диаметрально противоположной началу упомянутого выше среза, отличающийся тем, что внешний проводник перехода выполнен в виде части цилиндрической трубы кругового сечения, а пластина расположена с наклоном, направленным навстречу направлению среза внешнего проводника.

2. Высоковольтный КПП по п. 1, отличающийся тем, что внешний проводник перехода выполнен с дополнительным симметричным относительно плоскости, проходящей через продольную ось перехода, срезом, расположенным наклонно к оси перехода со стороны, диаметрально противоположной началу основного среза, и закрытым прикрепленной пластиной.

3. Высоковольтный КПП по п. 1, отличающийся тем, что пластина вложена во внешний проводник перехода и закреплена в нем со стороны, диаметрально противоположной началу основного среза.

РИСУНКИ