Протяженный по оси цилиндра кольцевой ферромагнитный сердечник высокочастотного трансформатора
Владельцы патента RU 2619087:
Открытое акционерное общество "Российский институт мощного радиостроения" (RU)
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в радиотехнике, в частности в трансформаторных устройствах и устройствах суммирования мощности при построении радиопередатчиков KB-УКВ диапазона. Технический результат состоит в выравнивании магнитного поля в различных частях сердечника трансформаторного устройства при его работе вблизи когерентного источника сильного магнитного поля. В цилиндрическом ферромагнитном сердечнике по длине выделяются две равные части. На каждой из частей сердечника располагают дополнительные обмотки, включенные между собой встречно-последовательно. Причем числа витков в дополнительных обмотках выбираются одинаковыми. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике, в частности, может быть применено при построении радиопередающих устройств KB и УКВ диапазонов.
Известны широкополосные трансформаторы, которые часто используются при построении мощных усилительных каскадов широкополосных радиопередающих устройств. При большом уровне выходной мощности трансформаторы часто выполняют, используя отрезки коаксиальных кабелей. Если наружный проводник (оплетка) какого-либо отрезка коаксиального кабеля, входящего в состав трансформатора (или устройства суммирования мощности), на входных и выходных зажимах подключен к точкам с различными потенциалами, кабель необходимо снабжать ферромагнитным сердечником с тем, чтобы уменьшить ток, протекающий по наружной поверхности оплетки кабеля (см. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ. Под ред. Алексеева О.В. - М.: Радио и связь, 1987, рис. 3.22, 3.29).
При конструировании широкополосных трансформаторов относительно небольшой мощности применяется метод намотки отрезков коаксиальных кабелей на кольцевые ферромагнитные сердечники (см. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ. Под ред. Алексеева О.В. - М.: Радио и связь, 1987, рис. 3.29, а). Преимуществом использования такого решения является локализация магнитного поля катушки в ограниченном кольцевом пространстве. Причем, чем больше тороидальная поверхность сердечника заполнена обмоткой, тем меньшая часть магнитного поля катушки будет располагаться вне тороидального объема.
По мере увеличения мощности устройства, т.е. мощности, проходящей по кабелю, радиус изгиба кабеля в процессе монтажа необходимо увеличивать (в соответствии с монтажными требованиями по использованию кабеля), и если число витков, требуемое для получения необходимого значения индуктивности намагничивания, становится меньше двух, надобность в кольцевой конструкции трансформатора отпадает (при ограниченной длине проводника его индуктивность будет максимальна при отсутствии изгибов). В этом случае конструкция трансформатора вырождается в прямолинейный отрезок кабеля, продетый сквозь ферритовый цилиндр, составленный из кольцевых сердечников (см. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ. Под ред. Алексеева О.В. - М.: Радио и связь, 1987, рис. 3.29, 6).
Если рядом с цилиндрическим сердечником такого трансформатора располагается другой (еще один) проводник, по которому протекает высокочастотный ток, когерентный с током в кабеле, магнитное поле этого внешнего для трансформатора тока будет накладываться на магнитное поле в сердечнике, обусловленное током наружной поверхности оплетки коаксиального кабеля, располагающегося внутри сердечника. Внешнее магнитное поле, при большой протяженности сердечника, может сильно изменяться по длине сердечника. В результате, суперпозиция «своего» магнитного поля и поля внешнего проводника приводит к существенному увеличению поля в той части сердечника, которая расположена ближе к внешнему проводнику. Увеличение поля может быть действительно существенным, так как коаксиальный кабель располагают в центре сердечника (для того, чтобы магнитное поле было одинаковым по периметру кольца), а внешний проводник может располагаться в непосредственной близости от наружной поверхности сердечника в какой-либо его части. В других частях протяженного сердечника внешнее магнитное поле может отсутствовать.
Для уменьшения габаритов трансформатора, величина магнитного поля в сердечнике, обусловленного передаваемым (рабочим) сигналом, выбирается близкой к уровню насыщения магнитного материала сердечника. Но с появлением дополнительного, внешнего поля, магнитный материал в отдельных частях сердечника, расположенных в непосредственной близости от проводника - источника внешнего поля, может войти в область насыщения. Следствием захода в область насыщения магнитного материала лишь в части сердечника будет не только появление искажений в передаваемом сигнале, но и возникновение градиента температуры по сечению сердечника. Последнее обстоятельство часто служит причиной механического разрушения сердечника. Чтобы избежать насыщения даже в небольшой части сердечника (местоположение которой к тому же может сильно изменяться при изменении частоты или взаимной фазировки сигналов в различных частях устройства), приходится при расчетах делать запасы по величине допустимой магнитной индукции по всему сердечнику, что ведет, в итоге, к существенному росту габаритов и массы трансформатора.
Задачей настоящего изобретения является принудительное выравнивание (усреднение сильно изменяющихся в пространстве расположения сердечника) внешних высокочастотных магнитных полей в местах расположения выделяемых частей протяженного по длине магнитного сердечника.
На фиг. 1 изображен фазоинвертирующий трансформатор, выполненный из отрезка коаксиального кабеля, расположенного внутри протяженного, цилиндрического по форме, ферромагнитного сердечника (составленного, например, из кольцевых сердечников). Источник сигнала подключен слева к зажимам коаксиального кабеля, у которого заземлен (подключен к общей шине) наружный проводник. К противоположным зажимам кабеля подключается также несимметричная, относительно «земли», нагрузка Zн. Однако здесь заземляется центральный проводник коаксиального кабеля. При таком подключении, к наружному проводнику кабеля будет прикладываться выходное напряжение трансформатора.
Для уменьшения тока, протекающего по наружной поверхности внешнего проводника кабеля и уменьшающего в результате ток в цепи нагрузки, устанавливается соосно с кабелем протяженный кольцевой магнитный сердечник, набираемый, к примеру, из кольцевых ферромагнитных сердечников. Как известно, величина магнитного поля прямолинейного проводника с током, в какой-либо точке пространства обратно пропорциональна расстоянию от центра проводника до этой точки. Поэтому если проводник располагается строго по центру кольцевого сердечника, магнитное поле по кольцевому периметру сердечника будет одинаковым.
И напротив, магнитное поле тока, протекающего по проводнику, расположенному снаружи сердечника, будет в различных частях сердечника различающимся по величине (и различающимся, возможно, во много раз) и по направлению (относительно кольцевого периметра).
В результате сложения (суперпозиции) собственного (вызванного током в обмотке трансформатора) и внешнего магнитных полей в одной части сердечника суммарное магнитное поле может и снизиться, но в другой части (противоположной) обязательно увеличится. В итоге, обязательно найдется часть кольцевого сердечника, где суммарное магнитное поле неизбежно возрастет. Чтобы при возрастании итоговое магнитное поле не превысило предельно допустимых значений, приходится снижать в расчетах допустимое значение магнитной индукции.
Схема на фиг. 1 иллюстрирует применение трубчатого сердечника при построении фазоинвертирующего высокочастотного трансформатора на основе использования отрезка коаксиального кабеля. Источник сигнала 1 подключен слева к зажимам кабеля 2, у которого на этой стороне заземлен (подключен к общей шине) наружный проводник. На противоположных зажимах кабеля 2, к которым подключается несимметричная, относительно «земли» нагрузка 3, заземляется центральный проводник. Для уменьшения тока, протекающего по наружной поверхности кабеля, соосно с кабелем, устанавливаются цилиндрический магнитный сердечник. На фиг. 1 сердечник разделен по оси цилиндра на две части 4 и 5 одинаковой магнитной длины (т.е. при использовании идентичных колец, состоящих из одинакового их числа). Тем самым в сердечнике выделяются части с минимальным и максимальным уровнем наведенного в них внешнего магнитного поля. На частях сердечника 4 и 5 устанавливаются обмотки 6 и 7, включенные между собой встречно-последовательно.
Этот прием может использоваться не только в трансформаторах инвертирующих, как представлено на фиг. 1, но и в симметрирующих, повышающих.
В устройстве, приведенном на фиг. 1, предполагается, что магнитное поле внешнего источника пронизывает половину (по длине) протяженного сердечника. Если заведомо известно, что магнитное поле внешнего источника накладывается на меньшую часть сердечника, указанной петлевой обмоткой можно охватывать не весь сердечник, а только его часть, включающую кольца, находящиеся в области нахождения внешнего поля и равное им число колец из той части, где магнитное поле внешнего источника отсутствует. Возможный вариант такого решения приведен на фиг. 2.
Если же заведомо известно, что магнитное поле внешнего источника накладывается на большую часть сердечника, то в части петлевой обмотки, охватывающей меньшую часть сердечника, число витков может быть увеличено, но так, чтобы ампервитки, определяемые в данном случае произведением числа колец на число витков, в каждой из частей обмотки были одинаковы.
Из конструктивных соображений (например, при необходимости вписаться в заданные габариты радиопередатчика) протяженный трубчатый сердечник приходится деформировать, к примеру, складывать пополам, как на фиг. 3. Как отмечалось ранее, такое решение приводит к уменьшению продольной индуктивности внешнего проводника кабеля, но из конструктивных соображений на него часто приходится идти. При таком конструктивном решении может быть предложен вариант установки дополнительных петлевых обмоток между частями сердечника, приведенный на фиг. 3. Здесь петлевые обмотки 6-7 и 8-9 выравнивают внешние наведенные поля, различающиеся по вертикали (на рисунке), а обмотки 12-13 и 10-11 в горизонтальном (по рисунку) направлении.
В приведенных выше вариантах исполнения трансформатора дополнительные петлевые обмотки выполнялись одновитковыми, вокруг одинакового числа магнитных сердечников. В некоторых случаях расстояние (геометрическое) между частями сердечника может быть значительным (например, расстояние между обмотками 12-13 и 10-11 на фиг. 3), в результате чего возрастают индуктивности проводников, соединяющих части обмоток. Для снижения влияния этих индуктивностей, возможно, увеличивать числа витков в обмотках, но обязательно, в одинаковое число раз. Более того, могут быть различными и числа витков в двух частях обмотки, важно чтобы были одинаковыми ЭДС, создаваемые магнитным потоком основного сигнала в обеих частях обмотки, то есть должны быть равными произведения чисел витков на число сердечников, охватываемых обмотками, в каждой части обмотки. Таким образом, основное правило при установке таких обмоток заключается в том, что соотношение чисел витков в обмотках должно быть обратно пропорциональным магнитным сопротивлениям вдоль оси цилиндра этих частей сердечника.
Интересным свойством предлагаемого решения является тот факт, что его эффективность при указанных выше соотношениях внешних (наведенных) полей и поля, создаваемого продольным напряжением сигнала на внешнем проводнике коаксиального кабеля, не сопровождается появлением нежелательных эффектов при других ситуациях. То есть предлагаемое решение при некоторых соотношениях между фазами рабочего и наведенного внешнего сигнала существенно улучшает характеристики устройства, при других вариантах взаимной фазировки сигнала и помехи - это решение не мешает работе, но никогда, в том числе и при отсутствии внешних полей, не ухудшает характеристики устройства. То есть при отсутствии внешних наведенных полей дополнительные петлевые конструкции себя вообще не проявляют.
1. Цилиндрический ферромагнитный сердечник, составленный из кольцевых сердечников для высокочастотного трансформатора, отличающийся тем, что в сердечнике по длине выделяются две части с минимальным и максимальным уровнем наведенного в них внешнего поля, на которых располагают дополнительные обмотки, соединенные между собой встречно-последовательно и с соотношением чисел витков в них обратно пропорциональным магнитным сопротивлениям этих частей сердечника вдоль оси цилиндра.
2. Цилиндрический ферромагнитный сердечник по п. 1, отличающийся тем, что каждая часть сердечника разделена по длине на две части, на которых располагают дополнительные обмотки, включенные между собой встречно-последовательно, с соотношением чисел витков в них обратно пропорциональным магнитным сопротивлениям вдоль оси цилиндра этих частей сердечника.
