ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ СИММЕТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к радиотехническим устройствам, работающим в диапазонах коротких и ультракоротких волн, и обеспечивает переход от несимметричного относительно общей шины («земли») выхода, например коаксиального кабеля, к симметричной (балансной) нагрузке, например, к симметричной антенне.
Полезная модель может также использоваться в усилителях мощности для перехода от однотактного каскада усиления к двухтактному, а также в других подобных случаях.
Известен широкополосный симметрирующий трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1 и гальванической развязкой между входом и симметричным выходом со средним зажимом нулевого потенциала, содержащий магнитопровод обмотки из коаксиальных кабелей, из которой начало внутреннего проводника первого кабеля образует зажим несимметричного относительно общей шины входа, начало наружного проводника и конец внутреннего проводника соединены с общей шиной, в котором обмотки из коаксиальных кабелей намотаны на магнитопроводе в одном направлении, количество витков первого кабеля и двух других соотносятся как 2 к 1, начало внешних проводников второго и третьего коаксиального кабелей и конец внутреннего проводника третьего коаксиального кабеля подключены к общей шине, а концы наружных проводников второго и третьего и наружный проводник первого кабеля после половины его числа витков соединены между собой, конец наружного проводника первого кабеля соединен с концом внутреннего проводника второго кабеля, а начала внутренних проводников второго и третьего кабелей образуют зажимы симметричного выхода (патент РФ №2076365, H01F 19/04, опубл. 27.03.1997).
Недостатком известного устройства являются:
- максимальная допустимая мощность (ассортимент) выпускаемых радиочастотных кабелей ограничивает максимальную мощность устройства;
- необходимость использования хрупкого и боящегося влаги ферритового магнитопровода затрудняет применение на открытых площадках (под антенной), усложняет конструкцию устройства, а так же снижает его КПД и повышает тепловыделение.
Известно решение по построению широкополосных УСС (для КВ диапазона), выполненных на связанных цилиндрических катушках, коаксиально расположенных и образующих обмоточный трансформатор; для расширения вверх диапазона рабочих частот содержат дополнительные «фазокомпенсирующие» обмотки, используемые в режиме согласованных двухпроводных «длинных» линий и дополнительные элементы (конденсаторы и катушки индуктивности) частотной коррекции (Кузнецов В.Д., Парамонов В.К., Широкополосное устройство для согласования и симметрирования, Электросвязь, 1968, №11). Главные недостатки данного решения заключаются в ограничении диапазона рабочих частот и максимально допустимого уровня мощности и сложности настройки. С ростом допустимой максимальной мощности из-за увеличения токов и напряжении в элементах УСС необходимо пропорционально увеличивать сечения проводников и зазоры между ними, и как следствие, габариты обмоток и устройства в целом. Проявляющиеся при этом «распределенные» эффекты (когда геометрические размеры элементов схемы становятся сравнимы с длиной волны сигнала) ограничивают сверху диапазон рабочих частот УСС. При номинальной мощности УСС более 1 кВт катушки трансформатора выполняются медной трубкой диаметром более 6-8 мм, причем элементы каркаса и крепежа катушек располагаются между обмотками в рабочих зазорах (образованных обмотками) «длинных» линий, что приводит к снижению электрической прочности (дополнительному ограничению мощности) и рассогласованию на входе УСС.
Известно решение по построению широкополосных УСС (для КВ диапазона), выбранное за прототип и выполненное на связанных плоских спиральных катушках, расположенных параллельно и образующих обмоточный трансформатор.
Высокочастотное симметрирующее устройство (показано на фиг. 1) содержит шесть проводников 1-6, размещенных в общем корпусе (не показан). Проводники выполнены в форме плоской спирали, причем первые четыре спирали закручены по часовой стрелке, а последние две спирали - против часовой стрелки. Спирали расположены в параллельных плоскостях. Расстояние между первым и вторым, вторым и третьим, третьим и четвертым, пятым и шестым проводниками равны, а проводники размещены таким образом, чтобы проекции с первого по четвертый и проекции пятого и шестого проводников совпадали. Начало второго проводника (отмечено звездочкой) соединено с общей шиной. Второй, третий и четвертый проводники образуют несимметричную линию относительно общей шины 7. Первый и второй, а также пятый и шестой проводники образуют в каждой паре симметричную линию. Конец третьего проводника соединен с концом первого проводника и началом пятого проводника. Концы второго и четвертого проводников соединены с началом шестого проводника. Начало первого и конец шестого проводника выполнены как симметричный выход к нагрузке (патент РФ №121653, МПК H01P 5/10, H01F 19/04). Недостатки данного решения заключаются в следующем. Плотность высокочастотного тока в проводнике 3 примерно в 2 раза превышает плотность тока в остальных проводниках, поэтому тепловой режим этого элемента и ограничивает предельную мощность всего УСС. Кроме того, плоские спирали не являются конструктивно жесткими и для фиксации их собственных геометрических размеров и заданных расстояний между ними требуют дополнительных конструктивных мер. Вспомогательные детали, во первых усложняют конструкцию трансформатора, а во вторых негативно влияют на электрические характеристики УСС.
В основу полезной модели положена задача создания высокочастотного симметрирующего устройства, в котором за счет увеличения числа проводников и изменения их формы и схемы их подключения осуществлено расширение диапазона работы устройства до коротковолновой области, для мощности 20 кВт и более.
Решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что в высокочастотном симметрирующем устройстве, содержащем корпус, внутри которого размещены неэкранированные линии передачи из плоских спиральных проводников, использовано семь одинаковых проводников, расположенных в параллельных плоскостях, при этом расстояние между первым и вторым, третьим и четвертым, шестым и седьмым проводниками равны, а проводники размещены таким образом, чтобы проекции с первого по пятый и проекции шестого и седьмого проводников совпали; начало первого, четвертого и седьмого соединены с общей шиной, начало второго и третьего проводника соединены между собой и с несимметричным входом; первый и второй, третий и четвертый, четвертый и пятый и шестой и седьмой проводники образуют в каждой паре симметричную линию; концы первого и четвертого проводника соединены с началом шестого; концы второго, третьего и пятого соединены с началом седьмого; начало пятого и конец шестого проводников выполнены как симметричный выход к нагрузке. Каждый спиральный проводник выполнен в виде двухсторонней печатной платы с совпадающими проекциями проводящих слоев, соединенных между собой в конце и в начале, каждый слой не менее 50 мк толщиной.
Предлагаемая схема подключения проводников приводит к выравниванию рассеиваемой мощности и температурного режима проводников устройства без существенного увеличения поперечных размеров отдельных проводников и габаритов устройства в целом, что позволяет увеличить подводимую высокочастотную мощность без сужения диапазона рабочих частот. Выполнение спиральных проводников в виде двухсторонней печатной платы, с соединенными концами проводящих слоев обеспечивает конструктивную жесткость спиральных проводников и, как следствие отсутствие дополнительных конструктивных элементов в рабочих зазорах линий, а следовательно улучшению согласования (уменьшению КСВ на входе УСС) на краях диапазона рабочих частот.
Полезная модель поясняется фиг. 2.
Высокочастотное симметрирующее устройство содержит соединенный с общей шиной корпус (не показан), в котором размещаются семь проводников 1-7. Проводники выполнены в виде плоской спирали и расположены в параллельных плоскостях, при этом расстояние между первым и вторым, третьим и четвертым, шестым и седьмым проводниками равны, а проводники размещены таким образом, чтобы проекции с первого по пятый и проекции шестого и седьмого проводников совпали; начало (отмечено звездочкой) первого, четвертого и седьмого соединены с общей шиной, начало второго и третьего проводника соединены между собой и с несимметричным входом; первый и второй, третий и четвертый, четвертый и пятый и шестой и седьмой проводники образуют в каждой паре симметричную линию; концы первого и четвертого проводника соединены с началом шестого; концы второго, третьего и пятого соединены с началом седьмого; начало пятого и конец шестого проводников выполнены как симметричный выход к нагрузке. Каждый спиральный проводник выполнен в виде двухсторонней печатной платы с совпадающими проекциями проводящих слоев, соединенных между собой в конце и в начале, каждый слой не менее 50 мк толщиной.
Устройство работает следующим образом. В нижней части диапазона рабочих частот (длина проводников линий много меньше длины волны) устройство представляет собой многосекционный обмоточный трансформатор с усиленной (продублированной) входной секцией, причем снизу диапазон рабочих частот ограничен шунтирующим действием индуктивности заземленных обмоток. В верхней части диапазона, на частотах, для которых длины проводников, образующих линии сравнимы с длиной волны, устройство работает как двухступенчатый трансформатор на отрезках согласованных длинных линиях, у которого первая (входная) ступень выполнена из двух, соединенных параллельно по входу и по выходу одинаковых отрезков линии. Сверху рабочий диапазон практически ограничен частотами, для которых длина проводников линий превышает ¼ длины волны.
Во всем диапазоне рабочих частот устройства у наиболее нагруженной по току входной ступени (секции) ток через каждый проводник уменьшен практически в два раза, что обеспечивает четырех кратное увеличение подводимой (проходящей) высокочастотной мощности, без увеличения коэффициента стоячей волны - КСВ на входе.