КОАКСИАЛЬНО-ПОЛОСКОВОЕ КОНДЕНСАТОРНОЕ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

р
Предлагаемая полезная модель относится к импульсной технике и может быть использована в сигнальных трактах измерительных систем, между первичным преобразователем, например, детектором и регистрирующим устройством, например, скоростным осциллографом. Такое устройство необходимо, так как первичный преобразователь-датчик требует высокого - порядка 1-2 кВ - напряжения питания, а электрические сигналы на выходе первичного преобразователя имеют широкий спектр частот до 10 ГГц. Конденсаторное разделительное устройство должно обладать значительной емкостью С>0,1 мкф, высоким рабочим напряжением и равномерной амплитудно-частотной характеристикой в пределах требуемой полосы пропускания. Эти требования являются противоречивыми, так как увеличение емкости и рабочего напряжения вызывает увеличение его габаритных размеров, и как следствие, уменьшение граничной частоты.
Известно высокочастотное коаксиальное конденсаторное устройство, содержащее коаксиальную линию, образованную двумя отрезками с конусообразными внутренними и внешними проводниками, обращенными друг к другу основаниями, резисторы с металлическими контактами, размещенными между внутренними и внешними проводниками и электрически соединенные с ними, низкочастотный конденсатор, установленный между внутренними проводниками, и центральный опорный элемент, закрепленный в основаниях корпусов (1, Осциллограф скоростной С7-15. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - Вильнюс, 1976) Недостатком устройства (1) является неравномерность АЧХ, обусловленная возникновением волн высшего типа и низкая механическая прочность, связанная с недостаточной толщиной опорного элемента.
Известны СВЧ-конструкции, содержащие полосковые линии и коаксиальные разъемы (2, пат. РФ №2189125, 2080752. 2080700, 2065507 и др.), в которых осуществляется согласование полосковых СВЧ блоков и коаксиальных линий.
В патентах США (3, №№6008702, 5444729, 5245625, 5166600 и других по классам МПК H 01 G 4/40, Н 01 Р 5/03, Н 01 Р 5/07 представлены фрагменты полосковых СВЧ-элементов и коаксиальных переходов.
Наиболее близким техническим решением к данному предложению является коаксиальное конденсаторное устройство, содержащее входной и выходной коаксиальные разъемы, высоковольтный высокочастотный (ВВ ВЧ) конденсатор, причем к внутреннему проводнику входного коаксиального разъема подключена одна обкладка ВЧ ВВ конденсатора, вторая обкладка которого подключена к внутреннему проводнику выходного коаксиального разъема, представленное (4) в пат. РФ №2068589 H 01 G 4/40 - тот же заявитель - ФГУП НИИ импульсной техники. В устройстве (4) коаксиальная линия образована двумя отрезками с конусообразными внутренним и внешним проводниками.
Выполнение конусов с высокой точностью очень трудоемко, нетехнологично и требует значительных экономических затрат. Следующим существенным недостатком прототипа является сложность перехода к другим номиналам емкости, рабочего напряжения и волнового сопротивления, так как требует полной переработки геометрии конусных линий, что соответствует новой разработке.
Техническим результатом данного предложения является существенное упрощение конструкции, обеспечивающее простоту перехода к другим номиналам емкости, рабочих напряжений и волнового сопротивления. Упрощение технологии изготовления существенно снижает стоимость разделительного конденсаторного устройства.
Технический результат в конденсаторном разделительном устройстве, содержащем входной и выходной коаксиальные разъемы, высоковольтный высокочастотный конденсатор, причем одна обкладка ВВ ВЧ конденсатора подключена к внутреннему проводнику входного коаксиального разъема, вторая обкладка - подключена к внутреннему проводнику выходного коаксиального разъема, блок резисторов, включенный между внутренним проводником входного коаксиального разъема и высоковольтным разъемом, достигается тем, что конденсаторное разделительное устройство выполнено в металлическом корпусе, в боковых стенках которого расположены входной и выходной коаксиальные разъемы, основание корпуса является первым полоском полосковой линии, имеющей волновое сопротивление, согласованное с волновым сопротивлением коаксиальных разъемов, в разрыв второго полоска, расположенного внутри корпуса на диэлектрических опорах, высота которых определяет расстояние между первым и вторым полосками, включены параллельно соединенные высоковольтные бескорпусные конденсаторы, образующие в разрыве второго полоска ВЧ ВВ конденсатор, концы второго полоска подключены соответственно к внутренним проводникам входного и выходного коаксиальных
разъемов, внешние проводники которых подключены к первому полоску - нижней стенке корпуса.
Существо данного предложения заключается в том, что согласованы коаксиальная линия сигнального тракта и полосковая линия, содержащая ВВ ВЧ конденсатор. Существо изобретения заключается также в том, что размеры корпуса, полосковой линии и блока бескорпусных конденсаторов, их взаимное расположение выбраны такими, что при прохождении электромагнитной волны в полосковой линии в заданной полосе частот не возникает резонанс.
Предлагаемое коаксиально-полосковое разделительное устройство представлено на фиг1 (в разрезе), на фиг.2 - расчетная амплитудно-частотная характеристика и АЧХ опытных образцов КПРУ.
Принятые обозначения:
Входной и выходной высокочастотные разъемы 1, 2; входной и выходной участки 3, 4 второго полоска полосковой линии; блок бескорпусных конденсаторов 5, образующие высоковольтный высокочастотный конденсатор; основание 6 корпуса, работающее как первый полосок полосковой линии; боковые стенки 7, 8 корпуса на которых закреплены ВЧ коаксиальные разъемы; верхняя 9 стенка корпуса; блок резисторов 10 для подачи высоковольтного напряжения; высоковольтный разъем 11; диэлектрические опоры 12-15 с элементами крепления (винтами), на которых размещается первый полосок относительно второго полоска; обкладки 16, 17 ВЧ ВВ конденсатора; внутренние проводники 18, 19 входного и выходного коаксиальных разъемов; внешние проводники 20, 21 входного и выходного коаксиальных разъемов.
В качестве входного и выходного ВЧ-разъемов 1, 2 использованы разъемы типа СР75-168 ФВ. Входной и выходной участки 3, 4 второго полоска полосковой линии выполнены из латуни, покрытие - О-Ви(99,5); использован блок 5 бескорпусных конденсаторов типа К15-20в - 0,1 мкФ - 2 кВ; основание 6 корпуса, работающее как первый полосок полосковой линии, выполнено из латуни, покрытие - О-Ви(99,5); боковые стенки 7, 8 корпуса, на которых закреплены ВЧ коаксиальные разъемы, выполнены из латуни, покрытие - О-Ви(99,5); верхняя стенка 9 корпуса выполнена из латуни, покрытие - О-Ви(99,5); для подачи высоковольтного напряжения использованы блок 10 резисторов типа ТВО 2 Вт - 1 МОм; в качестве высоковольтного разъема использован разъем типа ТВШР45; диэлектрические опоры 12-15 выполнены из фторопласта типа Ф4.
Предлагаемое устройство при включении в измерительный тракт работает следующим образом.
Высокое (до 2-х кВ) напряжение для питания датчика (на чертеже не представлен) подается через высоковольтный разъем 11 и блок резисторов 10 на внутренний проводник 18 входного коаксиального разъема 1 и далее по линии передачи на датчик - первичный преобразователь (линия передачи и датчик не показаны). Блок параллельно включенных, высоковольтных высокочастотных конденсаторов 22, образует ВВ ВЧ конденсатор 5, рассчитанный на высокое напряжение питания датчика. Он предназначен для предохранения регистрирующей аппаратуры, подсоединяемой к выходному разъему 2, от высокого постоянного напряжения. При срабатывании датчик формирует импульс, амплитуда которого в среднем равна половине напряжения питания, а длительность такова, что емкость ВВ ВЧ конденсатора 5 должна пропустить его без заметных искажений плоской части вершины. Указанный импульс имеющий как правило нано, субнано-секундный или пикосекундный фронт, попадает на входной разъем 1, далее на входной участок первой полосковой линии 3, проходит без заметных искажений через ВВ ВЧ конденсатор 5 и далее через выходной участок 4 первого полоска и выходной разъем 2 подается через выходную кабельную линию на регистрирующую аппаратуру (выходная кабельная линия и регистрирующая аппаратура не показаны).
Отсутствие искажений фронта передаваемого импульса определяется высокочастотностью конструкции, то есть согласованием всех импедансов, отсутствием в конструкции существенных неоднородностей и резонансов в заданной полосе частот. Полоса частот, на которую рассчитана конструкция как раз и определяется длительностью фронта передаваемого импульса, которую надо передать без существенных искажений.
Расчет предлагаемого устройства, для подтверждения возможности получения указанных параметров, был проведен с помощью программы MW-Office, причем для расчета была принята эквивалентная схема, в которую включалась электромагнитная (ЕМ)-структура, описывающая электромагнитные свойства конструкции.
Была исследована АЧХ эквивалентной схемы для выявления возможных резонансов волноводного типа. Расчетная АЧХ и экспериментально полученные АЧХ опытных образцов КПРУ представлены на фиг.2. Как видно из фиг.2, экспериментально полученная АЧХ согласуется с расчетной АЧХ.
Таким образом доказана возможность получения полосы пропускания порядка 1,5-1,6 ГГц при емкости порядка 1 мкФ, рабочем напряжении порядка 1,8 кВ. Такое конденсаторное разделительное устройство надежно защищает сигнальный тракт и
регистрирующую аппаратуру от высоковольтного напряжения и пропускает импульсные сигналы от датчика (например, детектора) в указанном диапазоне частот.
Коаксиально-полосковое конденсаторное разделительное устройство разработано на современной элементной базе, существенно проще в изготовлении, по сравнению с конусообразными проводниками коаксиалов прототипа, и может быть легко адаптировано к изменению номиналов рабочего напряжения, требуемой емкости.
Предлагаемое коаксиально-полосковое конденсаторное разделительное устройство обладая достоинствами прототипа: рабочее напряжение 1,8 кВ, АЧХ без резонансных выбросов в пределах полосы пропускания порядка 1,5 ГГц имеет по сравнению с ним преимущества, заключающиеся в увеличении емкости в 10 раз, упрощении конструкции, и как следствие, в гибкости адаптации к изменению номиналов рабочего напряжения и требуемой емкости, а также в снижении стоимости благодаря упрощению технологии изготовления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Осциллограф скоростной С7-15. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - Вильнюс, 1976)
2. Пат. РФ №2189125, 2080752, 2080700, 2065507.
3. Пат. США №№6008702, 5444729, 5245625, 5166600, МПК H 01 G 4/40, Н 01 Р 5/03, Н 01 Р 5/07.
4. Пат. РФ №2068589 H 01 G 4/40, прототип.