Диэлектрическая шайба для коаксиальной линии

 

Использование: радиотехника СВЧ. Сущность изобретения: устройство представляет собой диэлектрическую опору в виде шайбы с основными кольцевыми выточками, в доньях которых выполнены дополнительные кольцевые выточки. Приведены условия выбора диаметров и глубины основных и дополнительных кольцевых выточек. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и сможет быть использовано в коаксиальных трактах СВЧ.

Для крепления внутреннего проводника в коаксиальных линиях передачи СВЧ и устройствах на их основе используются диэлектрические опоры в виде шайб, размещенных на проточках внутреннего и внешнего проводников линии. В местах изменения диаметров проводников линии (на "ступеньках") образуются дополнительные параллельная емкость и связанная с нею последовательная индуктивность, действующие совместно, как П-образный фильтр нижних частот, что приводит к увеличению отражений СВЧ-сигнала от шайбы с ростом частоты. Кроме того, за счет проточек (особенно на внутреннем проводнике) снижается электрическая прочность шайбы. Чем меньше глубина "ступенек", тем меньше отражения, шире частотный диапазон согласования шайбы, выше электрическая прочность.

Для уменьшения глубины "ступенек" уменьшают эффективную диэлектрическую проницаемость шайбы ( ε_э) путем удаления части диэлектрика. При этом для обеспечения согласования линии передачи необходимо точно знать величину волнового сопротивления (Z) участка линии, содержащего шайбу.

Известно соотношение z ln (1) где D, d диаметры соответственно наружного и внутреннего проводника участка линии, содержащего шайбу.

Из соотношения (1) видно, что для обеспечения требуемого Z необходимо точно знать значение ε_э шайбы. Точный расчет для шайб сложной формы не представляется возможным, так как значение ε_э в различных радиальных направлениях для этих конструкций будет разным, зависящим от формы шайбы, способы точного определения интегрального значения ε_э для этих конструкций не известны.

За прототип принята конструкция диэлектрической шайбы, снабженная с торцoв основными аксиальными кольцевыми выточками, суммарная глубина которых меньше толщины диэлектрической шайбы.

Основным недостатком этой конструкции является разное значение диэлектрической проницаемости в различных ее участках (в области выточек и между доньями выточек), что не позволяет точно рассчитать ε_э для всей шайбы и Z для участка линии, содержащего шайбу, из-за чего ухудшается согласование линии передачи. Кроме того, проточки на проводниках линии (особенно на центральном проводнике) существенно снижают электрическую прочность участка линии с шайбой, для ее повышения требуется применение специальных мер.

Целью является расширение частотного диапазона согласования шайбы и повышение ее электрической прочности, а техническим результатом обеспечение малого значения эффективной диэлектрической проницаемости.

Для этого основные аксиальные выточки на торцах шайбы имеют разные диаметры и в их доньях выполнены дополнительные кольцевые выточки, расположенные соосно, глубина каждой из которых равна расстоянию между доньями основных кольцевых выточек, а отношение произведения наружных диаметров дополнительных кольцевых выточек к произведению их внутренних диаметров равно отношению наружного и внутреннего диаметров любой основной кольцевой выточки, т.е.

(2) d_н, d_в наружный и внутренний диаметры любой основной выточки; d₁, d₂ внутренний и наружный диаметры первой от оси линии дополнительной выточки; d₃, d₄ внутренний и наружный диаметры второй от оси линии дополнительной выточки.

В продольном сечении (вдоль оси линии) дополнительные выточки могут иметь любую форму прямоугольную, треугольную, ступенчатую или даже криволинейную, при этом выполнение соотношения (2) в любом поперечном сечении шайбы (в области дополнительных выточек) оказывается возможным. Практически предпочтительнее выточки прямоугольной и треугольной формы.

Для упрощения конструкции и расчетов диметр d₁ выполнен равным внутреннему диаметру основной выточки меньшего диаметра, а диаметр d₄ равным наружному диаметру основной выточки большего диаметра. С целью повышения механической прочности дополнительные выточки имеют в продольном сечении форму прямоугольных треугольников, а их основания совпадают с доньями основных выточек.

Наличие расположенных соосно дополнительных выточек позволяет получить пониженное значение ε_э шайбы, обеспечив при этом возможность точного расчета ε_э и Z, что невозможно в других известных конструкциях.

На фиг. 1-3 представлены поперечные сечения предлагаемой конструкции диэлектрической шайбы, где А^' А^'' основные аксиальные кольцевые выточки, выполненные с противоположных торцoв шайбы и имеющие разные диаметры; В^' В^'' дополнительные аксиальные кольцевые выточки, выполненные в доньях основных выточек; I, II, III, IV плоскости поперечных сечений шайбы.

Суммарная глубина выточек А^' и А^'' меньше толщины шайбы. Глубина дополнительных выточек В^' и В^'' одинакова и равна расстоянию между доньями основных выточек. Наружные и внутренние диаметры выточек А^' и А^'' соответственно d'_н d^'_в и d'^'_н d''_в Наружный и внутренний диаметры шайбы соответственно D и d.

На фиг. 1 изображен вид предлагаемой конструкции с произвольным расположением дополнительных прямоугольных выточек, имеющих внутренние и наружные диаметры соответственно d₁ d₂ и d₃, d₄ (считая от оси шайбы); на фиг. 2 изображен частный случай конструкции, изображенной на фиг. 1, где d'₁=d_в, d₄= d^''_н (такая конструкция практически более предпочтительна по сравнению с конструкцией на фиг.1 ); на фиг. 3 изображена конструкция шайбы, где дополнительные выточки В^' и В^''имеют в продольных сечениях форму прямоугольных треугольников с основаниями, совпадающими с доньями основных выточек А^' А^'' где ab, cd гипотенузы этих треугольников. Эта конструкция имеет механическую прочность выше, чем конструкция на фиг. 2. Любое поперечное сечение шайбы можно рассматривать как слоистую конструкцию (цилиндрический конденсатор с многослойным заполнением).

Способы расчета ε_э для участков коаксиальных линий со слоистым заполнением известны. Для обеспечения постоянства значения ε_э в области выточек А' и А'' необходимо иметь (3) Тогда с учетом выражения (3) для предлагаемой конструкции всей шайбы можно записать: ε_э=
(4) где ε диэлектрическая проницаемость материала шайбы.

В выражении (4) второй член равенства выражает значение ε_э для участков шайбы с основными выточками (пл. I-II; III-IV), третий член равенства выражает значение ε_э для участка шайбы с дополнительными выточками (пл. II-III)
Из выражения (4) следует
lg lg (5)
После несложных преобразований из формулы (5) с учетом формулы (3) получим:
(6)
Это и есть искомое соотношение (2).

Из соотношения (6) видно, что, задаваясь, например, значениями d₁ и d₄, всегда можно выбрать d₂, d₃ так, чтобы соотношение (6) выполнялось в любой плоскости поперечного сечения в области дополнительных выточек (пл. II-III) при любой их форме. Практически более целесообразно выбирать диаметры дополнительных выточек не произвольно, а из условия
d₁= d^'_в; d₄= d^''_н (7) тогда для конструкции изображенной на фиг. 2, соотношение (6) будет иметь более простой вид
(8) а разность (d_в d₂), определяющая механическую прочность конструкции по фиг. 2, будет больше, чем у конструкции по фиг. 1. Однако при том же значении ε_э механическая прочность может быть еще увеличена. Действительно, выражение (8) может быть записано в виде
d₃= d₂= d₂ (9)
Так как отношение диаметров основных выточек для заданного значения ε_э есть величина постоянная, то выражение (9) отражает пропорциональную зависимость между d₃ и d₂. Если на фиг. 2 соединить точки а и в и положить, что прямая ав отражает переменное значение d₂, то переменное значение d₃ будет соответствовать прямой c_d. Действительно, из выражения (9) следует, что при d₂= d_'в имеем d₃=d''_в при d₂=d^'_нимеем d₃=d''_н Таким образом, дополнительные выточки В' и В'' приобретут в продольном сечении форму прямоугольных треугольников, основания которых совпадут с доньями основных выточек.

Механическая прочность конcтрукции, показанной на фиг. 3, определяется разностью диаметров (d''_в -d'_в ) и будет выше, чем у конструкции по фиг. 2, так как (d''_в -d'_в)(d''_в -d₂). Дополнительным преимуществом конструкции, изображенной на фиг. 3, является отсутствие необходимости расчета диаметров d₂ и d_3, сама по себе форма выточек обеспечивает выполнение условия (8). Действительно, для расчета достаточно при заданных D,d и Z формулы (1) и выбранном ε определить по формулам (3) и (4) только значения d'_н d_в и d''_н d_в, обеспечивающие требуемое для выточек А' и А'' а треугольные выточки на фиг. 3 обеспечивают это же значение ε_э в области выточек В' В'' (пл. II-III). При этом глубина выточек А' А'' и толщина шайбы выбираются из конкретных конструктивных требований (прочности и жесткости конструкции).

Таким образом, предложенная конструкция диэлектрической шайбы за счет соосного расположения дополнительных выточек, а также выбора соотношения их диаметров позволяет получить малое значение ε_э шайбы и такого расчета этого значения, что недостижимо в конструкции, принятой за прототип, а также в других аналогах. При этом за счет достигаемого уменьшения глубины проточек на проводниках линии расширяется частотный диапазон согласования шайбы и повышается ее электрическая прочность (дополнительно также за счет увеличения пути поверхностного разряда в дополнительных выточках).

Выбором диаметров дополнительных выточек и их формы достигается упрощение расчетов и повышение механической прочности предложенной конструкции. Минимальное значение ε_э может быть получено в конструкции по фиг. 3, оно ограничивается лишь допустимой механической прочностью шайбы. Например, для коаксиальной линии сечением 42/18,2 мм (Z=50, Ом) для диэлектрической опоры с D= 43 мм и d=17 мм можно получить ε_э=1,24 при этом выточка А' имеет диаметры d'_н 32,14 мм, d_в18,2 мм; выточка А'' имеет диаметры d''_н42 мм d''_в= 23,78 мм, т.е. обеспечиваются и механическая целостность конструкции (d''_в -d'_в5,58 мм) и возможность точного расчета ε_э и Z.

Преимущества предлагаемой конструкции шайб проявляются наибольшим образом при использовании в качестве материала для их изготовления сополимеров или керамики с большим значением диэлектрической проницаемости (ε ), технологически такие шайбы достаточно просты в изготовлении.

Формула изобретения

1. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ШАЙБА ДЛЯ КОАКСИАЛЬНОЙ ЛИНИИ, имеющая с торцов основные кольцевые выточки, расположенные аксиально и суммарная глубина которых меньше толщины диэлектрической шайбы, отличающаяся тем, что основные кольцевые выточки имеют разные диаметры и в их доньях выполнены дополнительные кольцевые выточки, расположенные соосно и глубина каждой из которых равна расстоянию между доньями основных кольцевых выточек, а отношение произведения наружных диаметров дополнительных кольцевых выточек к произведению их внутренних диаметров равно отношению наружного и внутреннего диаметров любой основной кольцевой выточки.

2. Шайба по п.1, отличающаяся тем, что внутренний диаметр первой от оси диэлектрической шайбы дополнительной кольцевой выточки выбран равным внутреннему диаметру основной кольцевой выточки меньшего размера, а наружный диаметр второй от оси диэлектрической шайбы дополнительной кольцевой выточки выбран равным наружному диаметру основной кольцевой выточки большего размера.

3. Шайба по п.2, отличающаяся тем, что дополнительные кольцевые выточки имеют в продольном осевом сечении форму прямоугольных треугольников, а их основания совпадают с доньями основных кольцевых выточек.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3