СВЧ-переход для магистральной высокочастотной кабельной линии

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к магистральным электрическим высокочастотным линиям, применяемым в кабельных переходах между областями с различным давлением, и может быть использована для обеспечения герметичного пропуска электрических кабелей через стены в зону агрессивных сред, в частности через переборку судового отсека глубоководного аппарата, разделенную переменной воздушно-водной средой.
зат.
зат.
Сверхвысокочастотный переход (СВЧ-переход) предназначен для соединения двух высокочастотных кабелей, являющихся частью высокочастотной линии, проходящей через гермостенку разделения двух сред. СВЧ-переход - это последовательность элементов, каждый из которых представляет собой коаксиальную линию передачи, выполняющую функцию передачи сигналов с требуемым уровнем отражений и потерь в заданном диапазоне частот. Основными параметрами СВЧ-линии являются волновое сопротивление, коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) и коэффициент затухания (К). Волновые сопротивления линии на выходе и входе должны быть одинаковыми, это условие обеспечивает режим передачи сигнала с наименьшими потерями. Волновое сопротивление зависит от размеров, формы и взаимного расположения проводников в поперечном сечении, а также от диэлектрической проницаемости материала внутренней изоляции, разделяющей проводники и, как правило, в используемой измерительной технике составляет 50 Ом. Важным параметром является потеря мощности сигнала в СВЧ-линии, выражающаяся коэффициентом затухания (К). Малый коэффициент затухания обеспечивается прежде всего однородностью линии, то есть соответствием электрических свойств материалов и конструктивных исполнений отдельных участков линии передачи. Необходимо применять материалы изоляторов с известной и стабильной диэлектрической проницаемостью ε, магнитной проницаемостью μ, тангенсом диэлектрических потерь tgδ. Для обеспечения герметичности составных сопрягаемых частей необходимо обеспечить соответствие коэффициентов линейного температурного расширения изоляторов и корпусов, а проводники должны обладать способностью смачиваться с герметизирующими составами. При этом необходимо учитывать химический состав и температуру плавления конструкционных материалов. Чтобы уменьшить потери в коаксиальной СВЧ-линии, необходимо использовать для изготовления проводников металлы и покрытия с высокой проводимостью, а в качестве изоляции - материалы с низкими величинами ε и tg δ. В СВЧ-переходах существует задача повышения критической частоты перехода, которая снижается с неоднородностью высокочастотной линии.
Одним из приемов является введение на границу стеклоизолятора и фторопластового изолятора воздушного зазора, форма которого должна быть близка к правильной геометрии, что накладывает особенные требования как к геометрии фторопластового изолятора, так и к геометрии металлостеклянного спая. Так, известен коаксиально-микрополосковый переход [патент РФ №113078, МПК Н01Р 5/08, опуб. 27.01.2012 г.], содержащий металлический корпус и концентрично расположенный в нем металлический стержень, спаянные со стеклоизолятором, на один конец стержня надет размещенный внутри корпуса внутренний проводник, причем между корпусом и внутренним проводником расположен фторопластовый изолятор, закрепленный в корпусе пуклевкой, при этом внутренний проводник выполнен с буртиком, которым обращен к стеклоизолятору.
В данном переходе отверстие фторопластового изолятора со стороны выступа внутреннего проводника выполнено конусообразным.
При этом выступ внутреннего проводника утоплен в конусообразной части отверстия, а между стеклянным и фторопластовым изоляторами выполнен воздушный зазор.
зат.
Недостатком аналога является то, что данный вид соединения конструктивно неустойчив: при стыковке штыря с ответной частью кабельного соединителя возможно смещение внутреннего проводника, при этом величина воздушного зазора, от которого зависит КСВН, может меняться. Также, на изменение величины общего зазора между торцем фторопластового изолятора и стеклоизолятором влияет хладотекучесть фторопласта. Форма изолятора под действием факторов эксплуатации со временем меняется, что приводит к повышению затухания полезного сигнала. Фторопласт Ф4, используемый в данном переходе в качестве изолятора, обладает высокой хладотекучестью, т.е. способностью изменять размеры даже при отсутствии механических напряжений. В процессе эксплуатации перехода это обстоятельство приводит к изменению величины воздушного зазора и, как следствие, к изменению высокочастотных параметров КСВН и К, что снижает качество измерений.
Известен коаксиально-микрополосковый переход [патент РФ на полезную модель №198245, МПК Н01Р 5/08, опуб. 25.06.2020 г.], принятый за прототип, содержащий металлический корпус и концентрично расположенный в нем металлический стержень, спаянные со стеклоизолятором, на один конец стержня надет внутренний проводник, выполненный с буртиком, которым обращен к стеклоизолятору, между корпусом и внутренним проводником расположен фторопластовый изолятор, закрепленный в корпусе пуклевкой.
В прототипе, по сравнению с предыдущим аналогом, достигается снижение КСВН. В данном переходе на буртике внутреннего проводника выполнены две ступеньки, а в качестве материала фторопластового изолятора использован радиационно-стойкий материал Арфлон.
Однако, недостатком прототипа является относительно низкая стабильность измерений в диапазоне рабочих частот 0-18 ГГц, отрицательно влияющая на качество измерений.
Из практики проектирования СВЧ-переходов известно, что полезный сигнал, проходя по внутреннему проводнику, разделенному разными средами (в нашем случае - это стекло и фторопласт) теряет энергию в области границ двух сред. Эти области с разными диэлектрическими проницаемостями усиливают неоднородность высокочастотной линии. Для компенсации отражений в этих областях в аналоге (патент РФ №113078) между торцами выступа внутреннего проводника и стеклянного изолятора имеется воздушный зазор, а в прототипе (патент РФ №198245) буртик внутреннего проводника уперт в торец стеклянного изолятора, организуя «составной» воздушный зазор между образующей поверхностью буртика и внутренней поверхностью корпуса, ограниченный торцами фторопластового и стеклянного изоляторов. Стабилизацию положения внутреннего проводника авторы попытались решить упором его бурта между стеклянным и фторопластовым изоляторами, однако в ущерб качества электрических характеристик. Данный «составной» воздушный зазор имеет волновое сопротивление 50 Ом в области большей ступеньки буртика, а в области малой ступеньки - воздушный зазор имеет волновое сопротивление отличное от 50 Ом, что отрицательно влияет на качество измерений. Кроме этого авторы попытались отчасти решить вопрос стабилизации воздушного зазора применением для фторопластового изолятора материала Афрон, у которого стабилизированы механические свойства. Однако данный материал целесообразно использовать в условиях повышенного радиационного фона, в обычных же условиях эксплуатации это приведет к удорожанию конструкции, в отличие от широко распространенного фторопласта Ф4. Также в прототипе, форма воздушного зазора далека от идеальной за счет допусков на изготовление и воздействия условий эксплуатации. Кроме этого, известные устройства (аналог и прототип) применяют для работы в микрополосковой линии, где коаксиально-микрополосковый переход стыкует одиночный магистральный высокочастотный кабель с высокочастотным устройством, как правило, печатной платой, что сужает область применения и исключает использование в качестве коаксиального перехода в магистральных высокочастотных кабельных линиях. Характер потерь полезного сигнала, в данном случае будет усиливаться за счет увеличения количества границ сред с разными ε, оказывая отрицательное влияние на качество измерений высокочастотных параметров в диапазоне рабочих частот 0-18 ГГц.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышение качества измерений СВЧ-перехода для магистральной высокочастотной кабельной линии в диапазоне рабочих частот 0-18 ГГц.
Технический результат достигается тем, что СВЧ-переход для магистральной высокочастотной линии, содержащий металлический корпус и концентрично расположенный в нем металлический стержень, спаянные со стеклоизолятором, на один конец стержня надет внутренний проводник, выполненный с буртиком, обращенным к стеклоизолятору, между корпусом и внутренним проводником расположен фторопластовый изолятор, закрепленный в корпусе пуклевкой, согласно полезной модели на второй конец стержня надет второй внутренний проводник, выполненный с буртиком, обращенным к стеклоизолятору, между корпусом и вторым внутренним проводником помещен второй фторопластовый изолятор, закрепленный в корпусе пуклевкой, причем каждый внутренний проводник запрессован в соответствующий ему фторопластовый изолятор с образованием единой торцевой поверхности фторопластового изолятора с буртиком проводника, при этом каждый фторопластовый изолятор запрессован в корпус с упором во введенную между ним и стеклоизолятором фторопластовую шайбу, установленную с упором в стеклоизолятор и контактирующую со стенками корпуса.
Наличие на втором конце стержня второго внутреннего проводника, выполненного с буртиком, которым он обращен к стеклоизолятору, помещение между корпусом и вторым внутренним проводником второго фторопластового изолятора, закрепленного в корпусе пуклевкой, причем каждый внутренний проводник запрессован в соответствующий ему фторопластовый изолятор с образованием единой торцевой поверхности фторопластового изолятора с буртиком проводника, при этом каждый фторопластовый изолятор запрессован в корпус с упором в введенную между ним и стеклоизолятором фторопластовую шайбу, установленную с упором в стеклоизолятор и контактирующую со стенками корпуса, позволяет организовать СВЧ-переход, стыкуемый с магистральной высокочастотной кабельной линией путем входящего в нее высокочастотного разъема, как правило, стандартного, и обеспечить однородный характер СВЧ-перехода для магистральных высокочастотных кабельных линий в диапазоне рабочих частот 0-18 ГГц. В отличие от прототипа, где форма воздушного зазора далека от идеальной и может меняться в зависимости от условий эксплуатации перехода, в заявляемом решении воздушный зазор отсутствует, что создает режим передачи сигнала с наименьшими потерями, более оптимальные высокочастотные характеристики с точки зрения потери полезного сигнала и стабильные от условий эксплуатации перехода.
При этом запрессовка каждого внутреннего проводника в соответствующий ему фторопластовый изолятор с образованием единой торцевой поверхности фторопластового изолятора с буртиком проводника, также запрессовка каждого фторопластового изолятора в корпус с упором во введенную между ним и стеклоизолятором фторопластовую шайбу, установленную с упором в стеклоизолятор и контактирующую со стенками корпуса, позволяет осуществить стабильность положения внутренних элементов конструкции перехода, зафиксировав каждый внутренний проводник в осевом направлении относительно стеклоизолятора. Кроме того позволяет компенсировать отражения полезного сигнала в области двух сред с разным s (стеклоизолятор и фторопластовый изолятор), где присутствуют многократные (с обоих торцев стеклоизолятора) отражения полезного сигнала, повысив критическую частоту перехода, тем самым повысив качество измерений СВЧ-перехода для магистральной высокочастотной кабельной линии в диапазоне рабочих частот 0-18 ГГц.
Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия создания СВЧ-перехода для магистральной высокочастотной кабельной линии с обеспечением повышения качества измерений в диапазоне рабочих частот 0-18 ГГц.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Полезная модель иллюстрируется чертежами:
на фиг. 1 представлен общий вид СВЧ-перехода;
зат.
на фиг. 2 представлены графики зависимости коэффициентов затухания (К) компьютерных моделей СВЧ-переходов в диапазоне рабочих частот 0-18 ГГц, где кривая а - по прототипу, а кривая в - заявленное техническое решение. Для наглядности сравнения конструкция по прототипу была преобразована в СВЧ-линию с размещенным в середине корпуса стеклоизолятором.
Устройство выполнено следующим образом.
Коаксиальный СВЧ-переход для магистральной высокочастотной кабельной линии установлен в гермостенке 12 (фиг. 1). СВЧ-переход содержит герметично спаянные со стеклоизолятором 1 корпус 2, выполненный из стали 12Х18Н10Т, и концентрично расположенный в корпусе 2 и пропущенный через стеклоизолятор 1 стержень 3, выполненный из сплава 29НК. На оба конца стержня 3 надеты размещенные внутри корпуса 2 внутренние проводники 4,5 диаметром 1,3 мм, выполненные из бронзы. Между корпусом 2 и проводниками 4,5 расположены фторопластовые изоляторы 6,7 соответственно, закрепленные в корпусе 2 пуклевкой. Для уменьшения высокочастотных потерь корпус 2, металлический стержень 3, внутренние проводники 4,5 имеют покрытие золотом. Каждый проводник 4,5 выполнен с буртиком 8,9 (диаметром 1,55 мм и толщиной 0,22 мм) и установлен в СВЧ-переходе с ориентацией буртиков в сторону стеклоизолятора 1. Каждый проводник 4,5 запрессован в соответствующий ему изолятор 6,7 таким образом, что буртики 8,9 образуют единую торцевую поверхность с изоляторами 6,7 соответственно. Каждый изолятор 6,7 установлен с упором во введенную между ним и стеклоизолятором 1 охватывающую стержень 3 и контактирующую со стенками корпуса 2 фторопластовую шайбу 10,11 соответственно. Шайбы 10,11 установлены с упором в стеклоизолятор 1. В конструкции перехода оба проводника 4,5 могут быть выполнены или в виде двухсторонней цанги или один из проводников, например 5, может быть выполнен в виде цанги и штыря, а другой проводник 4 - в виде двухсторонней цанги. Торцы корпуса 2 могут быть оснащены элементами (не показано) для подсоединения к нему ответных кабельных соединителей.
Сборка устройства осуществляется следующим образом.
Корпус 2 и стержень 3 спаивают при помощи технологии металлостеклянных спаев со стеклоизолятором 1. На оба конца стержня по обе стороны от стеклоизолятора 1 надевают идентичные фторопластовые шайбы 10, 11. В изоляторы 6, 7 запрессовывают внутренние проводники 4, 5 с образованием единой торцевой поверхности изоляторов 6,7 с буртиками 8,9 соответственно. Далее изоляторы 6,7 запрессовывают в корпус 2 с упором их торцевых поверхностей в шайбы 10,11, которые упирают торцами в стеклоизолятор 1. Буртики 8,9, а собственно и проводники 4,5 защемляются в толще фторопластовых деталей, при этом цанги проводников 4,5 одеваются на концы стержня 3, обеспечивая фиксацию проводников 4, 5 относительно изоляторов 6, 7 и образуя единый электропроводящий стержень. Далее изоляторы 6, 7 закрепляют в корпусе 2 пуклевкой. В результате, за счет последовательных операций запрессовки фторопластовых деталей 6,7,10,11 и внутренних проводников 4,5 в конструкции перехода отсутствуют воздушные зазоры, что делает линию более однородной. Компенсация отражений полезного сигнала на границе двух сред обеспечивается зазором между торцами проводников 4,5 и стеклоизолятором 1, который определяется толщиной фторопластовых шайб 10, 11. Волновое сопротивление области перехода, ограничиваемой буртиками 8,9, незначительно отличается от 50 Ом. Переход испытывают на герметичность, предварительно контролируя электрические и высокочастотные параметры. Переход готов к установке в гермостенку 12 для магистральной высокочастотной кабельной линии.
Оптимизация потерь полезного сигнала на границе двух сред в различных конструкциях СВЧ-линий не поддается расчетам и, как правило, доказывается эмпирически на технологических образцах. Для сравнения заявленного технического решения и решения по прототипу были разработаны компьютерные модели с использованием программы трехмерного моделирования процессов распространения электромагнитных полей. Для наглядности сравнения конструкция по прототипу была также преобразована в СВЧ-линию с размещенным в середине корпуса стеклоизолятором. На фиг. 2 представлены графики изменения коэффициентов затухания СВЧ-переходов по прототипу (кривая а) и по заявляемому техническому решению (кривая в). Графики наглядно демонстрируют, что до 12 ГГц характеристики прототипа и заявленного решения относительно близки, а в диапазоне частот 12…14 Ггц имеет место резонанс, обусловленный неоднородностью двух сред стекла и фторопласта. Компенсация резонанса в заявленном техническом решении имеет более сглаженную характеристику по сравнению с прототипом.
Таким образом, заявленное техническое решение обеспечивает большую стабильность СВЧ характеристик по сравнению с прототипом, тем самым повышая качество измерений СВЧ-перехода для магистральной высокочастотной кабельной линии в диапазоне рабочих частот 0-18 ГГц.
На предприятии была изготовлена опытная партия СВЧ-переходов для магистральной высокочастотной кабельной линии, выполненная в соответствии с заявляемой полезной моделью, высокочастотные характеристики которой полностью подтвердили повышенное качество измерений в диапазоне рабочих частот 0-18 ГГц.
Итак, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:
- заявляемый СВЧ-переход для магистральной высокочастотной кабельной линии относится к области электротехники;
- заявляемый СВЧ-переход для магистральной высокочастотной кабельной линии при использовании способен обеспечить повышение качества измерений в диапазоне рабочих частот 0-18 ГГц;
- для заявляемого СВЧ-перехода в том виде, в котором он охарактеризован в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленный СВЧ-переход соответствует условию «промышленная применимость».