Конденсатор переменной емкости
ADJUSTABLE CAPACITOR

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к конструкциям переменных конденсаторов, и может быть использовано в радиоэлектронной аппаратуре, в частности, в радиопередатчиках, резонансных антеннах и согласующих устройствах декаметрового диапазона.
Изобретение используется для решения технической задачи, состоящей в минимизации паразитных полостей конструкции конденсатора, где возможно образование поверхностных высокочастотных токов, которые приводят к высокочастотным потерям и перегреву конструкции при работе конденсатора в высокочастотном поле.
Наиболее близким техническим решением является конденсатор переменной емкости (Авт. свидетельство №2307416) - прототип.
Данное устройство содержит диэлектрический цилиндрический корпус, внутри которого размещен подвижный поршень.
Использовании этих конденсаторов в цепях с реактивными сопротивлениями индуктивности и емкости без учета коэффициента стоячей волны (КСВ) приводит к тому, что в цепи согласования постоянно присутствует стоячая волна и энергия от источника напряжения передается в нагрузку с потерями. Это явление очень опасно для выходных транзисторов усилителей мощности. Реактивности элементов изменяются при перестройке выходного каскада усилителя мощности на новое значение несущей частоты и от влияния воздействующих факторов (температура, влажность, давление и др.) на реактивные элементы высокочастотных контуров.
Цель изобретения - построение конструкции переменного конденсатора, обеспечивающей меньшие линейные габариты, применение радиочастотной керамики и фторопласта, как изолятора и как увеличителя диэлектрической проницаемости ε-среды в межтрубном (между обкладками) интервале и введением в конструкцию автомата постоянной подстройки емкости.
Поставленная цель достигается тем, что в конденсатор переменной емкости типа «бабочка», содержащий неподвижную часть в виде набора цилиндрических элементов, внутри которых размещены подвижные поршни соединяющие «крылья бабочки» дополнительно введены коллекторный двигатель с редуктором, муфта, соединенная с коллекторным двигателем с редуктором, винт, соединенный с муфтой, изолятор, механически связанный с поршнем и винтом, первый и второй концевые выключатели, датчик измерения падающей и отраженной волны, микроконтроллер, первый вход которого соединен с выходом датчика измерения падающей и отраженной волны, второй вход - с выходом первого концевого выключателя, третий вход - с выходом второго концевого выключателя, а выход - с коллекторным двигателем с редуктором.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между собой. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы, используемые в блоках, являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к расширению функциональных возможностей системы.
Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 представлена общая схема предлагаемой конструкции переменного конденсатора, на фиг. 2а, б - фото образца переменного конденсатора, который подтвердил его работоспособность, на фиг. 3 приведена схема широкополосного датчика измерения напряжения падающей и отраженной волны.
Конструкция переменного конденсатора включает: корпус в виде набора цилиндров для двух «крыльев бабочки» (внешние трубочки из радиокерамики с наружным покрытием из серебра) к которому крепится выводы высокочастотного элемента - 1, подвижный поршень (набор трубочек из латуни (меди) с внешним изолятором из s-фторопласта) - 2, изоляторы привода перемещения поршня - 3, коллекторный двигатель с редуктором - 4, микроконтроллер - 5, датчик измерения падающей и отраженной волны - 6, первый и второй концевые выключатели - 7, муфту - 8, винт - 9.
Переменный конденсатор работает следующим образом.
Конструкция конденсатора установлена в разрыве кольца резонансной (петлевой) антенны и выполняет ее настройку в резонанс на частоте связи. Концы кольца антенны закреплены к неподвижному набору цилиндров конденсатора (верхний и нижний). Колебательный контру образован индуктивностью кольца антенны фиксированной длины и конденсатора переменной емкости с приводом.
При движении поршня из внутренних трубочек - 2 он перемещается посредством винта - 9 с мелким шагом нарезки по всей длине цилиндра. При этом изменяется величина емкости между наружной обкладкой (внешние трубочки из керамики с наружным покрытием из серебра) 1 и поршнем 2. Перемещение поршня таким способом обеспечивает изменение емкость и осуществляется настройка антенны (резонансного контура). Минимальная емкость конденсатора достигается выдвижением поршня 2 из цилиндров, максимальная емкость конденсатора образуется при полном вхождении поршня в цилиндры. Величина максимальной емкости конденсатора определяется количеством цилиндров 1 и поршней 2 в наборе конструкции.
Настройка колебательного контура с реактивными сопротивлениями индуктивности и емкости выполняется с учетом коэффициента стоячей волны (КСВ), который возникает из-за рассогласования сопротивлений выхода передающего устройства и входом резонансной цепи (антенна или согласующее устройство). Для определения значения КСВ в конструкцию введен датчик измерения падающей и отраженной волны 6.
Датчик состоит из двух измерителей напряжения сигнала «падающая волна» и сигнала «отраженная волна».
Датчики падающей и отраженной волны используются в устройствах защиты усилителей мощности радиопередатчиков от перегрузки по входу и от рассогласования по выходу и устройствах стабилизации их выходной мощности. Названные датчики функционируют на основе направленных ответвителей, могут быть выполнены в виде двух связанных четвертьволновых линий и имеют полосу рабочих частот, не превышающую половины октавы частотного диапазона [1].
На фиг. 3 приведена схема широкополосного датчика падающей и отраженной волны, выполненного на основе использования датчика высокочастотного тока, описанного в [2].
Датчик содержит детектор отраженной волны на диоде VD1, детектор падающей волны на диоде VD2, и широкополосный направленный ответвитель, состоящий из первого Т1 и второго Т2 трансформаторов и резисторов R2 и R3.
В микроконтроллере 5 на основе этих двух напряжений рассчитывается коэффициент стоячей волны (КСВ) по соответствующей программе. Параметр КСВ не имеет размерности. Предельное значение КСВ равно единице, что означает 100% передачу энергии от источника к нагрузке. Если КСВ значительно больше 1, то в цепи согласования возникает стоячая волна и энергия от источника только частично передается в нагрузку.
Это явление очень опасно для выходных транзисторов усилителей мощности. При увеличении значения КСВ величина напряжения на выходном каскаде усилителя мощности возрастает в разы (например, если питающее напряжение усилителя 50В, то к нему добавляется напряжение стоячей волны еще 50В или более, при высокой добротности (в число раз относительно значения добротности, для мощных усилителей на транзисторах добротность может быть и несколько десятков). Результат такого сложения (питающего и обратного напряжений) приводит к пробою транзистора и невосстанавливаемому отказу усилителя. К примеру, для радиоламп такое явление приводит к эффекту расплавления анода, так как напряжение питания радиоламп составляет несколько киловольт, то сложение высоких напряжений на выходе усилителя приводит к отрыву электронов из катода и их "сумасшедшему" ускорению и разогреву анода ударной энергией.
Так как предлагаемая конструкция конденсатора стоит в цепи с реактивными сопротивлениями индуктивности и емкости, то изменение его емкости путем управления приводом (коллекторный двигатель с редуктором 4, муфта 8, винт 9) от датчика КСВ, приводит к изменению коэффициента стоячей волны в направлении к единице. Емкость конденсатора колебательного контура изменяется при его перестройке и снижается влияния воздействующих факторов на выходные каскады усилителей мощности.
Точность установки требуемого значения емкости и достижение минимального КСВ определяется передаточным числом редуктора и шагом винта.
Автоматическая регулировка точного подхода поршня 2 к номиналу емкости выполняется на основании результатов измерений падающей и отраженной волны в тракте от усилителя к антенне или от выходного каскада усилителя мощности к согласующему устройству. Критерий настройки - минимум коэффициента стоячей волны (КСВ) в тракте передачи.
Первоначальная установка поршня 2 в заданную позицию или на заданный номинал емкости выполняется микроконтроллером на основании градуировочной таблицы емкости конденсатора, которая хранится в памяти вычислителя. По заданной частоте настройки устанавливается величина перемещения поршня 2 по горизонтальной оси механизма, а точное позиционирование на необходимую величину выполняется по коэффициенту КСВ. Далее автомат позиционирования постоянно поддерживает КСВ на минимальном уровне, чем снимает эксплуатационные дестабилизирующие факторы.
Выходные контакты конденсатора находятся сверху внешних трубочек из керамики с наружным покрытием из серебра 1 и внизу.
Поршень конденсатора выполнен в виде «крыльев бабочки», основное назначение которых состоит в исключении высокого потенциала напряжения на поршне. Этим достигается исключение применения высоковольтных изоляторов для движителя поршня.
Керамика - это материал из высокочастотной радиокерамики, с высоким значением диэлектрической проницаемости - эпсилон, что позволяет уменьшить количество цилиндров при расчете необходимой емкости конденсатора (за прототип цилиндра можно принять конденсатор типа К15У-2 без внутреннего покрытия керамики). Высокое качество керамики обеспечивает низкое значение тангенса потерь и, следовательно, высокое значение параметра КВАР (кило вольт ампер реактивное). Это качество позволяет конденсатору выдерживает высокие напряжения высокой частоты и не перегревается при длительной работе, кроме того, сохраняются стабильные параметры емкости при дестабилизирующих факторах и стабильности параметра добротности колебательного контура.
На внутренние трубочки поршней надеваются фторопластовые изоляционные трубочки, которые имеют функцию увеличения эпсилон среды и высоковольтной защиты и дополнительную функцию низкого коэффициента трения поршня 2 в цилиндре 1 при его перемещении.
Для ограничения перемещения поршня 2 в линейных размерах в конструкцию введены концевые выключатели 7, которые предназначены для установки поршня в положение минимальной или максимальной емкости конденсатора.
Таким образом, предлагаемая конструкция переменного конденсатора обеспечивает отсутствие паразитных полостей, где возможно образование поверхностных токов, которые приводят к потерям и перегреву конструкции при работе конденсатора в высокочастотном поле, что достигается за счет выбора варианта компоновки конденсатора, радиотехнических материалов цилиндра и поршня, и введением механизма подстройки емкости конденсатора по критерию постоянного контроля значения коэффициента стоячей волны (КСВ).
Список использованных источников
1. Радиопередающие устройства / В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А. Ляховкин и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. - М.: Радио и связь, 2003. - 560 с.
2. Свидетельство на полезную модель 32883, Россия, G01R 19/02. Широкополосный датчик высокочастотного тока / Титов А.А., Ильюшенко В.Н. - Опубл. 27.09.2003.