Высокочастотное коаксиальное конденсаторное устройство

 

Изобретение может быть использовано в качестве разделительного устройства между цепью литания первичного преобразователя и сигнальным трактом скоростного осциллографа. Цель изобретения - повышение верхней граничной частоты конденсаторного устройства. Во внутреннем проводнике 1 установлены низкочастотный конденсатор 6 и среднечастотный конденсатор 7. Последний представляет собой два металлических диска, механически зажатых внутренним проводником 1. Г-образное щелевое ответвление 9 является высокочастотным элементом конденсаторного устройства Длина Г-образного щелевого ответвления 9 определяется из выражения, приведенного в тексте описания Диэлектрическое кольцо 8 обеспечивает пробивное напряжение не менее 2,5 кВ. 5 ил.

CO l03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4004291/21 (22) 07.01.86 (4G) 15.11.93 Бюл. Na 41-42 (72) Борисов В.В.. Зюзин Л.Н.; Шувалов В.M. (54) ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ КОАКСИАЛЬНОЕ

КОНДЕНСАТОРНОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение может быть использовано в качестве разделительного устройства между цепью питания первичного преобразователя и сигнальным трактом скоростного осциллографа. Цель изобретения — повышение верхней граничной частоты (в) SU (и) 1402176 Л1 (51) 5 H01G4 40 конденсаторного устройства. Во внутреннем проводнике 1 установлены низкочастотный конденсатор 6 и среднечастотный конденсатор 7. Последний представляет собой два металлических диска, механически зажатых внутренним проводником 1.

Г-образное щепевое ответвление 9 явпяется высокочастотным элементом конденсаторного устройства. Длина Г-образного щелевого ответвпения 9 определяется из выражения, приведенного в тексте описания. Диэлектрическое кольцо 8 обеспечивает пробивное напряжение не менее 2,5 кВ. 5 ип.

1402176

Изобретение относится к импульсной и осциллографической технике и может быть использовано в качества разделительного устройства между цепью питания первичного преобразователя и сигнальным трактом скоростного осциллографа. Такое устройство необходимо, так как первичный преобразователь требует, как правило, высокого (1 — 2 кВ) напряжения питания, Для многих типов первичных преобразователей электрические сигналы на его выходе имеют широкий спектр частот. В таких случаях необходимо коаксиальное конденсаторное устройство, обладающее емкостью C> > 0,1 мкФ и характеризующееся высокими рабочим напряжением Up 1,5 кВ и граничной частотой flp 10 ГГц. Эти требования являются противоречивыми, так как увеличение емкости и рабочего напряжения конденсатора вызывает увеличение его габаритных размеров и, как следствие, уменьшение граничной частоты.

Целью изобретения является повышение верхней граничной частоты коаксиального конденсаторного устройства при сохранении высоких значений рабочего напряжения Up 1,5 кВ и емкости С> > 0,1 мкФ при обеспечении высокой технологичности конструкции, Существо изобретения заключается в то л, что предлагаемая конструкция обеспечивает разделение спектра проходящего сигнала на три полосы и прохождение их по различным цепям, каждая иэ которых характеризуется своей полосой пропускания, перекрывающейся G соседней, тэк что полоса пропускэния коаксиального конденсаторного устройства М простирается от нижней граничной частоты низкочастотного конденсатора (1н1) от верхней граничной частоты конденсаторного элемента, образованного Г-образным щелевым ответвлением и диэлектрическим кольцом (4з). Размеры Гобразного щелевого ответвления t и Ь, а также параметры диэлектрика диэлектрического кольца — диэлектрическая проницаетлость (а) и тангенс угла диэлектрических потерь (tg д) обеспечивают перекрытие граничных частот яз и fo2 . вяз — нижняя граничная частота конденсаторного элемента, образованного частями поверхности внутреннего проводника, ограничивающими Г образное целевое ответвление, и диэлектрическим кольцом;

1н2, 4z соответственно нижняя и верхняя частоты конденсаторного элемента, образованного двумя металлическими дисками с параллельно включенными между ними мэл0гэбэритными конденсэторэмм, и высокую верхнюю граничную частоту всего конденсаторного устройства в целом (l 0 ГГц). дальнейшее повышение которой ограничено технологическими причинами и условием перекрытия частот. Кроме того, в предлагаемой конструкции благодаря выполнению центральной шайбы с минимумом диэлектрика, устранению влияния металлических контактов резисторов, соос"0 ности и симметричности всей конструкции отсутствуют условия для возникновения, распространения и затухания волн высшего типа.

Предлагаемое устройство представлено на фиг.1; на фиг,2 — 4 — увеличенное изображение внутреннего проводника и щелевого зазора; на фиг.5 — обобщенная частотная характеристика коаксиального конденсаторного устройства, 20 Принятые следующие обозначения: 1— внутренний проводник конусообразной формы, 2 — внешний проводник конусообразной формы, 3, 4 — резисторы, 5 — центральная шайба, 6 — низкочастотный конденсатор, 7 — конденсатор, образованный двумя металлическими дисками и включенными Måæäó ними малогабаритныMè конденсаторами, 8 — диэлектрическое кольцо, 9 — Г-образное щелевое ответвление, 10 0 — металлические контакты резисторов, 11— опорные шайбы.

Внешний проводник 2 коаксиала образует совместно с внутренним проводником

1 конусную линию. Внешний проводник 2 состоит из двух полукорпусов, связанных между собой электрически и механически.

Внутренний проводник 1 состоит из двух конусов, причем входной конус механически установлен в выходной, конус, а электри40 чески они разделены несколькими слоями диэлектрика кольца 8, обеспечивающего пробивное напряжение не менее 2,5 кВ. Гобразное щелевое ответвление 9 между корпусами внутреннего проводника 1 является

45 высокочастотным элементом конденсаторного элемента, Внутри внутреннего проводника 1 соосно с осью конусной лини установлены низкочастотный конденсатор 6 и среднечастотный конденсатор 7. В качестве низкочастотного может использоваться любой серийно выпускаемый конденсатор цилиндрической фор лы, имеющий выводы по торцам, удовлетворяющий требованиям по емкости и рабочему напряжению. Внеш55 ний диаметр этого конденсатор должен соответствовать диаметру в дисках конденсатора 7, а выводы должны допускать установку на них контактирующих цэнг(рэзжимных. резьбовых и т.п.). которые бы обеспечили эпек рический контакт с

1402176

20

30 тв i

2 П ъСц С

55 внутренними поверхностями тела внутреннего проводника конусной линии, Среднечастотный конденсатор 7 представляет собой два металлических кольца, механически зажатых внутренними поверхностями входного и выходного конусов внутреннего проводника 1, Между кольцами с помощью пайки установлены малогабаритные керамические конденсаторы, рассчитанные на. рабочее напряжение конденсаторного устройства. Число этих конденсаторов должно быть таким, чтобы суммарная емкость среднечастотного конденсатора 7 и индуктивность его выводов удовлетворяли условиям перекрытия полос. В центре металлических. колец (симметричных относительно оси) выполнено отверстие, R которое установлен низкочастотный конденсатор 6. Вся конструкция имеет волновое сопротивление Z =

=50 Ом .+- 3, что достигается использованием на входе и выходе коаксиальной линии

7/3 с разъемами, рекомендуемыми для Z =

=50 Ом, Конусная линия выполнена с малым углом раскрыва, в местах установки центрирующей и опорнь х шайб 5, 11 сделаны со- 25 ответствующие изменения диаметра внешнего проводника 2. Неоднородность волнового сопротивления линии возникает только в месте установки центрирующей шайбы 5, так как здесь осуществляется переход от конуснол линии к коаксиальной и обратно. Величина этой неоднородности обратно пропорциональна углу раскрыва конусной линии, в связи с чем необходимо выбирать компромисс между габаритами коаксиального элемента и его высокочастотностью (чем меньше угол раскрыва, тем больше его длина).

Резисторы 3, 4 выполнены на основе серийных резисторов, установленных в конструкцию, позволяющую утопить металлические контакты резисторов в теле внутреннего и внешнего проводников коаксиала. Резистор 3 предназначен для подачи высокого напряжения на первичный преобразователь, резистор 4 служит для организации утечки в статическом режиме.

Неоднородности, вносимые резисторами в таком включении, влияют на частотную характеристику на частотах, превышающих 10

f fk.

Коаксиаль lop, конденсаторное устройство работает следующим образом, Исследуемый сигнал поступает на входной разъем, распространяется по конусной линии, причем в месте установки конденсаторов 6, 7 и ответвления 9 (фиг.l) разделяется на три части. Часть спектра сигнала, лежащая в диапазоне частот - 30 кГц — 30

МГц, с затуханием нс более 3 дБ проходит через низкочастотный конденсатор 6, среднечастотная часть спектра сигнала - 30300 МГц проходит через среднечастотный конденсатор 7, высокочастотная часть спектра 300 МГц+ f» проходит через Г-образное щелевое ответвление 9. На фиг.5 условно показаны ход частотных характеристик каждого иэ элементов и суммарная характеристика (пунктир), соответствующие условию перекрытия по частоте: тн2 тв1 тнз тв2

Частота fH> определяется емкостью низкочастотного конденсатора 6, час гота f» определяется длиной Г-образного щелевогс ответвления 9 (фиг,3, 4). Приблизительно твэ связано с Ь соотношением; твз—

2Л4 где.с — скорость света; к — диэлектрическая проницаемость кольца 8 иэ диэлектрика.

Более точно 4в можно определить, рассматривая щелевое ответвление как радиальный резонатор, закороченный на конце краевой емкостью Скр (фиг,3). Выражения для расчета остальных характерных частот выглядят следующим образом:

2П2С где Z — волновое сопротивление тракта;

Снн — емкость низкочастотного конденсатора; где LH< — индуктивность выводов низкочастотного конденсатора;

2 П Е Ссч где С,. — суммарная емкость среднечастотного конденсатора;

fâ2

2 l1 Lcu Ссч где Lc — индуктивность выводов среднечастотного конденсатора; тн3

2 П Е Сотв 2 Z e a, (R> + Rz) д2 где Сотв — емкость щелевого-ответвления; яо — абсслютная диэлектрическая проницаемость вакуума;

Ь Ят, R2, t - геометрические параметры ответвления (фиг.3), Таким образом, для озможно записать следующее неравенство, связываюсцее основные параметры высокочастотной части: с L..С, <Д,с с

M о (R1 + В2) 1402176

Таким образом, коаксиальное конденсаторное устройство предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом и известными техническими решениями име5 ет преимущество, заключающееся в повышении верхней граничной частоты = в 4 раза.

Дополнительным преимуществом предлагаемого высокочастотного коаксиального

10 конденсаторного устройства является более высокая, чем у прототипа технологичнОсть.

Это связано с тем, что в нем не используются специальные безиндуктивные конденсаторы, а в качестве емкостных и резистивных

15 элементов используются обычные, недорогие, освоенные промышленностью резисторы и емкости. (56) Заявка Японии hb 55-34572, 20 кл; Н 01 6 4/40, 1981, Осциллограф скоростной С7-15. Техническое описание и инструкция по зксплуатао ции. Вильнюс, 30.06,76, с, 15 — 18, 81 — 83.

Формула Изобретения 25

ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ КОАКСИАЛЬНОЕ КОНДЕНСАТОРНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее коаксиально расположенные внутренний и внешний проводники кону- 30 сообразной формы. размещенные между ними и электрически соединенные с ними резисторы с металлическими контактами, закрепленную в основании конусов центральную шайбу и низкочастотный конден- 35 сатор, расположенный в разрыве внутреннего проводника, отличающееся тем, что, с целью повышения верхней гра -. ничной частоты, оно снабжено двумя MG таллическими дисками с параллельно 40 включенными между ними малогабаритными . конденсаторами и диэлектрическим кольцом, при этом разрыв внутреннего проводника выполнен цилиндрической формы с Г-образным щелевым ответвлени- 45 ем, в котором размещено диэлектрическое кольцо, металлические диски размещены в цилиндрической части разрыва внутреннего проводника на его поверхности, а длина

Ь Г-образного щелевого ответвления опре- -"" делена следующим выражением:

c,(м), 2 Е р 7е где - диэлектрическая проницаемость ма- 55 которое позволяет, задавшись верхней граничной частотой конструкции 4 и определив t по условию злектролрочности: р и

Епр где Up — рабочее напряжение конденсатора:

Елр — электропрочность диэлектричесКого ответвления, рассчитать параметр Ь.

В соответствии с-предложенным решением был разработан образец коаксиального конденсаторного устройства, который имеет следующие параметры, Up 1,6 кВ, Ср = 0,1 мкФ, frр = 10,0 ГГц (измерения игр проводились как непосредстве но по АЧХ, так и косвенно по импульсной характеристике конденсаторного элемента, полуширина которой с учетом разброса составила т+1г -30...40 пс, что соответствует граничной частоте frp (по уровню 3 дБ)

9,5...10,5 ГГц. териала диэлектрического кольца: с - скорость света (м/с);

РВз - верхняя граничная частота конденсаторного элемента, образованного частями поверхности внутреннего про-. водника, ограничивающими Г-образное щелевое ответвление, и диэлект-:рическим кольцом (Гц); причем граничные частоты конденсаторных элементов соответствуют условию

Н2, В1 Нз В2 где 1нз - нижняя граничная частота конденсаторного элемента, образованного частями поверхности внутреннего, проводника, ограничивающего. Г-образное щ левое ответвление, и диэлектрическим кольцом (Гц)

faq - соответственно нижняя и верхняя . граничные частоты конденсаторного . элемента, образованного двумя металлическими дисками с параллельно включенными между ними малогабаритными конденсаторами (Гц);

f4 - верхняя граничная частота низкочастотного конденсатора (Гц), при этом в центральной шайбе выполнены отверстия в форме сегментов, а металличе- . ские контакты резисторов размещены в теле внутреннего и внешнего проводников.

1402176

1402176

Составитель A.Ñàëûíñêèé

Техред M.Моргентал Корректор М.Шароши

Редактор ТЛОрчикова

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб„4/5

Заказ 3244

ПрОИЗВОдСтВЕННО-ИэдатЕЛЬСКИй КОМбИНат "ПатЕНт", Г, УжГОрОд. уЛ.ГаГарннЗ 101