УЗЕЛ ДЛЯ СВЯЗЫВАНИЯ РАДИОЧАСТОТНОЙ МОЩНОСТИ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ASSEMBLY FOR RADIO-FREQUENCY POWER COUPLING AND METHOD FOR USAGE THEREOF

Настоящее изобретение относится к узлу для связывания радиочастотной (РЧ) мощности и способу использования этого узла. Данный узел состоит как минимум из одного сумматора и/или делителя мощности прямоугольной формы с разъемами для ввода и вывода РЧ-мощности, а также проводниками внутри корпуса, обеспечивающими электрическое соединение разъемов как минимум с одним центральным проводником и одним внешним проводником.
Делители мощности используются для распределения РЧ-мощности от одного РЧ-генератора между несколькими потребителями. Сумматоры мощности предназначены для объединения РЧ-мощности из нескольких источников в целях подачи дополнительной мощности к одному потребителю. Потребителями РЧ-мощности могут быть, например, нагрузка или антенна. Большинство устройств, используемых в качестве делителя или сумматора мощности, также выполняют обратную функцию, то есть могут использоваться и как делитель, и как сумматор. Далее в тексте термин "делитель" также подразумевает "сумматор" и наоборот. Основными характеристиками сумматора/делителя при работе с РЧ-мощностью являются тепловыделение и напряжение пробоя. К устройству предъявляются требования в отношении передачи РЧ-мощности с низкими вносимыми и возвратными потерями. Дополнительные требования - компактность, удобство сборки, а также простота и экономичность в производстве.
На современном уровне развития техники известно два основных типа сумматоров/делителей мощности: на печатной плате (ПП) и на коаксиальном кабеле. Сумматоры/делители на печатной плате в основном используются в цепях низкой мощности. Под низкой мощностью в данном контексте подразумевается мощность в диапазоне от двух киловатт, в режиме незатухающей волны, до приблизительно десяти киловатт, в режиме импульсных колебаний. Устройства на печатной плате довольно компактны, однако они не используются для цепей высокой мощности. Коаксиальные сумматоры/делители применяются как при низкой, так и при исключительно высокой мощности сигнала, вплоть до нескольких сотен киловатт. Недостатком коаксиальных сумматоров/делителей является отсутствие компактности, то есть относительно большой размер.
На современном уровне развития техники сумматор, например, описанный в патенте US 4459568, представляет собой соединитель с воздушной прослойкой. Энергия передается по зазору между двумя полосковыми линиями. Это устройство содержит ПП, что не позволяет использовать его в высоковольтных цепях. В патенте US 2012029327 рассматривается сумматор/делитель мощности, допускающий работу с сигналом высокой мощности. Этот сумматор/делитель имеет относительно большой размер и по причине цилиндрической формы не может использоваться в стойках. В таком сумматоре/делителе мощности слишком много свободного места. В патенте US 5111166 рассматривается система выравнивания электрической длины тракта, рассчитанная на несколько входов и применяемая, в том числе, для суммирования мощности. Так как это устройство основано на ПП, оно может использоваться только в низковольтных цепях. Кроме того, данная система не является простой в эксплуатации и производстве. Ее сборка имеет сложную структуру.
Предметом настоящего изобретения является компактный узел для связывания радиочастотной мощности, который характеризуется простотой сборки и производства при низких затратах и может использоваться в цепях высокой мощности. Кроме того, предметом настоящего изобретения является способ компактного использования данного узла.
С целью достижения перечисленных выше целей предлагается узел для связывания радиочастотной мощности в соответствии с пунктом 1, а также способ использования узла для связывания радиочастотной мощности, в частности рассмотренной ранее, в соответствии с пунктом 13. В дополнительных пунктах формулы настоящего изобретения приведены перспективные варианты его реализации. Возможности, перечисленные в основных пунктах, могут сочетаться друг с другом и с возможностями, перечисленными в дополнительных пунктах. Возможности, перечисленные в дополнительных пунктах, могут сочетаться друг с другом.
Узел для связывания РЧ-мощности в соответствии с настоящим изобретением состоит как минимум из одного сумматора и/или делителя мощности прямоугольной формы с разъемами для ввода и вывода РЧ-мощности, а также проводниками внутри корпуса, обеспечивающими электрическое соединение разъемов как минимум с одним центральным проводником и одним внешним проводником. В соответствии с настоящим изобретением внешним проводником является корпус прямоугольной формы.
Такая форма корпуса обеспечивает компактность узла для связывания РЧ-мощности. Простая конструкция сумматора и/или делителя мощности обеспечивает удобство сборки и производства при низких затратах. Допускается использование устройства в цепях высокой мощности.
Корпус может иметь форму параллелепипеда, в частности куба. Это обеспечивает удобство хранения в стойках, а также компактность сборки сумматоров и/или делителей мощности. Благодаря тесному примыканию корпусов по внешнему контуру смонтированные узлы занимают меньше места.
Компоненты, в частности все компоненты как минимум одного сумматора и/или делителя мощности в корпусе прямоугольной формы, могут быть цельнометаллическими. Допускается использование меди, алюминия и/или стали с медным покрытием. Это делает возможным применение в цепях, как низкой, так и высокой мощности при низких электрических, резистивных и частотных потерях в сумматорах/делителях мощности.
Сумматор и/или делитель мощности прямоугольной формы может содержать как минимум один компонент для суммирования или деления мощности (А) и как минимум один компонент для преобразования импеданса (В). Компонент для преобразования импеданса (В) может быть узкополосным или широкополосным частотным элементом. Он может представлять собой элемент сопоставления радиочастот для уменьшения степени отражения РЧ-сигнала, в частности между несколькими коаксиальными разъемами сопротивлением 50 Ом с одной стороны и единственным разъемом сопротивлением 50 Ом с другой стороны как минимум одного сумматора и/или делителя прямоугольной формы.
Компонент для преобразования импеданса (В) может быть реализован как электропроводник ступенчатой, конусной или биномиальной формы.
Форма зависит от области применения, мощности и частоты и может быть оптимизирована для снижения потерь мощности и уровня тепловыделения.
Сумматор и/или делитель мощности прямоугольной формы может иметь как минимум один коаксиальный, и/или один прямоугольный, и/или один круглый волновод. Форма волновода зависит от области применения, частоты и мощности, а также вида подключенных устройств соответствующего сумматора и/или делителя мощности. Для подключения к другим устройствам могут использоваться соответствующие соединители.
Сумматор и/или делитель мощности прямоугольной формы фактически может иметь размеры 19-дюймовой стойки, в частности с передней панелью модуля шириной 482,6 мм. Это упрощает эксплуатацию, поскольку 19-дюймовые стойки являются наиболее распространенными в области электроники. В сочетании с другими стандартными компонентами это позволяет получить очень компактный монтаж в стойке.
Сумматор и/или делитель мощности прямоугольной формы может содержать как минимум одну жидкость, в частности устройство водяного охлаждения. Такое охлаждение может быть необходимо в системах высокой мощности для отвода производимого тепла от сумматора мощности. Элементы водяного охлаждения могут быть размещены внутри центрального проводника. Входы могут находиться на той стороне внешнего проводника в виде корпуса прямоугольной формы, на которой расположены входные и выходные разъемы РЧ-сигнала. Это позволяет не размещать систему водяного охлаждения внутри сумматора и/или делителя мощности и тем самым предотвратить отклонение характеристик передачи РЧ-сигнала в сумматоре и/или делителе мощности. Благодаря подобному подходу повышается максимально возможная эксплуатационная РЧ-мошность, доступная для сумматора и/или делителя мощности.
Центральный проводник может иметь форму пластины, в частности размещенной параллельно плоскости заземления сумматора и/или делителя мощности прямоугольной формы.
Это позволяет обеспечить очень компактный узел и малый размер сумматора и/или делителя мощности.
Проводники в корпусе, обеспечивающие электрическое соединение разъемов как минимум с одним центральным проводником, могут иметь форму прутков, в частности цельнометаллических гнутых прутков круглого или прямоугольного сечения. Такая конструкция обеспечивает качественное электрическое соединение с низкими резистивными потерями и высоким уровнем передачи частоты из нескольких соединителей РЧ-мощности на центральный проводник. Низкие потери ведут к снижению выделяемого тепла, которое требуется отводить. Это позволяет работать с небольшой системой охлаждения или без нее.
Предложенный в настоящем изобретении способ использования узла для связывания радиочастотной мощности, в частности узла описанной выше конструкции, предполагает установку сумматоров и/или делителей мощности прямоугольной формы в стойке, в частности в 19-дюймовой стойке рядом друг с другом и/или поверх друг друга.
Преимущества описанного способа использования узла для связывания РЧ-мощности в соответствии с настоящим изобретением аналогичны ранее указанным преимуществам узла для связывания РЧ-мощности, и наоборот. В частности, компактный узел сумматоров и/или делителей мощности обладает вышеописанными преимуществами, например, требует меньше пространства по сравнению с сумматорами и/или делителями, известными на текущем уровне развития техники.
Настоящее изобретение более подробно рассматривается ниже с иллюстрациями вариантов выполнения на прилагаемых рисунках:
Фиг. 1 иллюстрирует сумматор/делитель мощности в соответствии с настоящим изобретением, вид под углом с демонстрацией внутренних компонентов сумматора/делителя.
Фиг. 2 иллюстрирует сумматор/делитель мощности с Фиг. 1 в разрезе по продольной оси, вид сбоку, с компонентом А для суммирования или деления мощности и компонентом В для преобразования импеданса.
Фиг. 3 иллюстрирует сумматор/делитель мощности с Фиг. 1 в разрезе по продольной оси, вид сверху.
На Фиг. 1 показан сумматор/делитель мощности в сборе в соответствии с настоящим изобретением, вид с угла. Внутренние компоненты сумматора/делителя мощности показаны путем исключения из рисунка части внешнего корпуса (5). Сумматор/делитель мощности имеет прямоугольную форму и оснащен несколькими разъемами для РЧ-мощности (1) на одной стороне и разъемом для РЧ-мощности (4) на другой стороне корпуса прямоугольной формы (5). Данная конструкция является одной из возможных реализаций, другие конструкции для простоты не показаны на рисунке.
В корпусе (5) параллельно плоскости заземления корпуса прямоугольной формы (5) расположен плоский центральный проводник (2). Он имеет прямое электрическое соединение с проводником РЧ-мощности (4). Несколько проводников РЧ-мощности (1) имеют электрическое соединение с центральным проводником (2) через проводники (3), расположенные внутри корпуса, которые имеют форму гнутых прутков с круглым сечением.
Корпус прямоугольной формы (5) выполнен из электропроводного материала. Внешний проводник (5) может быть изготовлен из металлического листа, в частности медного, алюминиевого или стального с медным покрытием.
В центральном проводнике (2) может быть размещена система охлаждения, например, система водяного охлаждения. Для простоты система охлаждения не показана на рисунке. Выделяемое тепло из центрального проводника (2) может отводиться за пределы сумматора/делителя мощности.
На Фиг. 2 показан сумматор/делитель мощности в разрезе по продольной оси, вид сбоку. С левой стороны расположен разъем РЧ-мощности (4) в корпусе (5), который имеет электрическое соединение с центральным проводником (2). С правой стороны корпуса (5) установлены несколько разъемов РЧ-мощности (1) в двух рядах, один над другим. Один ряд разъемов (1) находится над центральным проводником (2), а второй ряд разъемов (1) - под центральным проводником (2). Также возможны другие количества и компоновки разъемов (1) и (4), которые для простоты не показаны на рисунке.
В варианте реализации, показанном на Фиг. 2, разъемы (1) являются коаксиальными разъемами сопротивлением 50 Ом. Разъем (4) является отдельным разъемом сопротивлением 50 Ом. Возможно использование других разъемов (1) и (4) в зависимости от области применения узла сумматоров/делителей мощности и рабочей частоты.
Как показано на Фиг. 2 (вид сбоку) и Фиг. 3 (вид сверху), сумматор/делитель мощности состоит из компонента А для суммирования или деления мощности и компонента В для преобразования импеданса. Компонент В для преобразования импеданса является узкополосным или широкополосным частотным элементом. Это элемент сопоставления РЧ для снижения уровня отражения РЧ-мощности, в частности между двенадцатью коаксиальными разъемами 50 Ом с одной стороны корпуса (5) и единственным разъемом 50 Ом с другой стороны.
Компонент для преобразования импеданса (В) на Фиг. 2 и 3 представляет собой электропроводник ступенчатой формы. Он также может иметь конусную или биномиальную форму (для простоты не показаны на рисунке). Форма зависит от области применения, мощности и частоты и может быть оптимизирована для снижения потерь мощности.
Как показано на Фиг. 2 и 3, 12 разъемов РЧ-мощности (1), по шесть в ряд соответственно, имеют электрическое соединение с центральным проводником (2), каждый по своему проводнику (3) в корпусе (5), выполненному в форме гнутого прутка Пруток может быть цельнометаллическим из меди, алюминия, стали с медным покрытием или другого металла. Прутки, как показано на Фиг. 2 и 3, имеют круглое сечение. В зависимости от области применения прутки также могут иметь другое сечение, например, прямоугольное или квадратное. Проводники (3) согнуты по длинной стороне в направлении плоской стороны центрального проводника (3), который имеет форму пластины. Проводники (3) напрямую соединяют разъемы (1) с центральным проводником (3) механически и электрически.
Вышеописанные функции могут использоваться по отдельности или в сочетании друг с другом, а также в сочетании с другими конструкциями, известными на текущем уровне развития техники. Для всех элементов, таких как разъемы РЧ-мощности (1), центральный проводник (2), проводники в корпусе (3), разъем РЧ-мощности (4) и внешний проводник в виде корпуса прямоугольной формы (5), могут использоваться другие материалы, например, металлы (золото и серебро), полупроводники или токопроводящие полимеры. Эти элементы могут изготавливаться из одинаковых или разных материалов.
Количество разъемов РЧ-мощности (1) и разъемов РЧ-мощности (4) может отличаться от показанного варианта. Например, может использоваться несколько разъемов РЧ-мощности (4), в частности для подключения к различным устройствам, получающим РЧ-мощность. Центральный проводник (2) может иметь форму пластины или иную форму, например, плоского конуса. Возможна установка системы охлаждения на корпусе (5) или внутри него, в частности в центральном проводнике (2). Компонент для преобразования импеданса (В) может иметь разные формы: кривая, волнообразная, ступенчатая и так далее.
Разъемы (1) и (4) могут быть коаксиальными, прямоугольными или круглыми волноводами, а также иметь другую форму. Корпус (5) может иметь форму куба, параллелепипеда или другую форму, например, полуконуса. Для монтажа и компоновки деталей в конструкции могут использоваться элементы, которые для простоты не показаны на рисунке.
Список условных обозначений
1. несколько разъемов РЧ-мощности
2. центральный проводник
3. проводники в корпусе, обеспечивающие электрическое соединение разъемов с центральным проводником
4. разъем РЧ-мощности
5. внешний проводник в виде корпуса прямоугольной формы РЧ радиочастота
А - компонент для суммирования или деления мощности
В - компонент для преобразования импеданса.