Высокочастотный согласующий геркон

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к магнитоуправляемым герметизированным контактам (герконам), и может быть использовано при разработке радиотехнической аппаратуры для коммутации высокочастотных полосковых линий или для согласования коаксиальных кабелей с волновым сопротивлением 75 или 50 Ом. Техническим результатом является расширение пределов частотного диапазона с приемлемым уровнем согласования высокочастотных трактов и повышение качества согласования на частотах свыше 500 МГц. Технический результат достигается тем, что в высокочастотном согласующем герконе, содержащем цилиндрический баллон из стекла или керамики, в торцах которого герметично закреплены две ферромагнитные контакт-детали с наружным меднением по всей длине и дополнительным гальванопокрытием из благородных металлов на концах контакт-деталей, образующих зазор в перекрытии, смещенном к одному из торцов баллона, причем баллон расположен в месте разрыва коаксиального кабеля с обеспечением электрического контакта концов центрального провода кабеля с круглыми выводами геркона, после замыкания контакт-деталей геркона под воздействием управляющего магнитного поля согласование отрезков кабеля в диапазоне частот 100-5000 МГц, определяемое коэффициентом стоячей волны напряжения (КСВН), ограничено пределами неравенства 1<КСВН<1,15. Контакт-детали геркона, изготовлены из проволоки с диаметром, равным диаметру центрального провода коаксиального кабеля, имеют частичное одностороннее плющение в области перекрытия и заварены в баллоне таким образом, чтобы обеспечивалась минимальная несоосность продольной оси каждой контакт-детали относительно друг друга и продольной оси баллона, при этом между диаметром d, длиной плющения l, с фаской под углом α и толщиной плющения h и величиной перекрытия а контакт-деталей геркона должны одновременно соблюдаться следующие соотношения: 0,4<h/d≤0,5; 0,7<а/d≤1; 0,5<а/l≤0,8 при остром угле (90-α)° между плоскостью сопряжения от контактирующей поверхности к диаметру контакт-детали и продольной осью контакт-детали, ограниченном в пределах 45°<(90-α)°≤60°. Зазор в разомкнутом герконе ограничен соотношением емкости отрезка коаксиального кабеля с герконом, находящимся в разомкнутом Ср состоянии к емкости с замкнутым Сз герконом, находящимся в пределах 0,55<Ср/Сз≤0,75, при длине отрезка кабеля, равной длине геркона с выводами для обеспечения развязки разомкнутым герконом не менее 10 дБ на верхнем пределе частотного диапазона. 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к магнитоуправляемым герметизированным контактам (герконам), и может быть использовано при разработке радиотехнической аппаратуры для коммутации высокочастотных полосковых линий или для согласования коаксиальных кабелей с волновым сопротивлением 75 или 50 Ом.

Известен геркон [1], содержащий ферромагнитные подвижные контакт-детали, включенные в разрыв центрального провода коаксиального высокочастотного кабеля.

Недостатком такого геркона является недостаточное сопротивление изоляции центрального провода от наружной оплетки, особенно, если корпус геркона, изготовленный из меди, подпаян к оплетке, а свободные концы контакт-деталей при отсутствии внешнего управляющего магнитного поля находятся в контакте с корпусом. Кроме этого, сложность конструкции не позволяет использовать геркон в реле с навесным монтажом на печатных платах для коммутации высокочастотных полосковых цепей.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является геркон [2], содержащий контакт-детали, покрытые по всей длине тонким слоем меди, расплющенные части которых заварены с зазором и перекрытием в торцах стеклянного баллона. Контакт-детали имели дополнительное покрытие из благородных металлов, расположенное в области их перекрытия. В замкнутом состоянии под воздействием управляющего магнитного поля геркон обеспечивал низкие потери при пропускании тока высокой частоты, т.к. из-за скин-эффекта нескольких микрон меди достаточно для прохождения по этому слою 80% высокочастотного тока.

Недостатком прототипа является ограничение пределов частотного диапазона с приемлемым уровнем согласования высокочастотных трактов и снижения качества согласования на частотах свыше 500 МГц из-за влияния формы расплющенной части контакт-деталей геркона, выводы которого присоединены в разрыве центрального провода коаксиального кабеля.

Для устранения вышеуказанного недостатка предлагается высокочастотный согласующий геркон, содержащий цилиндрический баллон из стекла или керамики, в торцах которого герметично закреплены две ферромагнитные контакт-детали с наружным меднением по всей длине и дополнительным гальванопокрытием из благородных металлов на концах контакт-деталей, образующих зазор в перекрытии, смещенном к одному из торцов баллона, расположенного в месте разрыва коаксиального кабеля с обеспечением электрического контакта концов центрального провода кабеля с круглыми выводами геркона, отличающийся тем, что после замыкания контакт-деталей геркона под воздействием управляющего магнитного поля согласование отрезков кабеля в диапазоне частот 100-5000 МГц, определяемое коэффициентом стоячей волны напряжения (КСВН), ограничено пределами неравенства 1<КСВН<1,15, а контакт-детали геркона, изготовленные из проволоки с диаметром равным диаметру центрального провода коаксиального кабеля, имеют частичное одностороннее плющение в области перекрытия и контакт-детали заварены в баллоне таким образом, чтобы обеспечивалась минимальная несоосность продольной оси каждой контакт-детали относительно друг друга и продольной оси баллона, при этом между диаметром “d”, длиной плющения “l”, с фаской под углом α° и толщиной плющения “h” и величиной перекрытия “а” контакт-деталей геркона должны одновременно соблюдаться следующие соотношения: при остром угле (90-α)° между плоскостью сопряжения от контактирующей поверхности к диаметру контакт-детали и продольной осью контакт-детали, ограниченном в пределах 45°<(90-α)°≤60°, а зазор в разомкнутом герконе ограничен соотношением емкости отрезка коаксиального кабеля с герконом, находящимся в разомкнутом “Ср” состоянии к емкости с замкнутым “Сз” герконом, находящимся в пределах при длине отрезка кабеля, равной длине геркона с выводами для обеспечения развязки разомкнутым герконом не менее 10 дБ на верхнем пределе частотного диапазона.

В известных технических решениях нет признаков, сходных с отличительными признаками предложенного решения. Следовательно, предложенное техническое решение обладает существенными отличиями по сравнению с известными.

На фиг.1 представлена конструкция геркона в разрезе, на фиг.2 - конструкция контакт-детали, на фиг.3 - разрез и сечения отрезка коаксиального кабеля с герконом, на фиг.4 и 5 - экспериментальные характеристики высокочастотного геркона при согласовании отрезков коаксиального кабеля.

Высокочастотный согласующий геркон, представленный в разрезе на фиг.1. состоит из двух одинаковых по форме контакт-деталей 1, герметично заваренных в стеклянном баллоне 2 с минимально допустимой несоосностью между продольной осью симметрии баллона 2 и осями каждой из контакт-деталей 1. Из-за специфической формы контакт-детали 1 представленной на фиг.2, имеющей плющение толщиной “h” на длине “l” с фаской под углом α°, перекрытие “а” между контакт-деталями 1 смещено к одному из спаев баллона 2, как показано на фиг.1.

Использование предлагаемого геркона 2 в качестве антенного соединителя двух отрезков коаксиального кабеля с центральным проводом 3 и экраном 4 представлены на фиг.3. Степень согласования отрезков кабеля после замыкания геркона 2 обмоткой управления 5 расположены над экраном 4 оценивается по измерению величины коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) по стандартной методике.

Представленные на фиг.3 сечения, проходящие через вывод 1 геркона (А-А), через подвижную часть контакт-деталей и баллон 2 (Б-Б), через область перекрытия контакт-деталей 1 и баллон 2 (В-В) и через столб заварки контакт-деталей 1 с баллоном 2 (Г-Г), иллюстрируют влияние изменения формы центрального провода 3, роль которого начинают выполнять контакт-детали 1 после подпайки выводов геркона к частям кабеля.

Рассогласование, вносимое герконом между отрезками кабеля на разных частотах, представлено на фиг.4. На графике 5 представлены опытные измерения КСВН в диапазоне частот от 500 до 4000 МГц для геркона с длиной баллона 10 мм и диаметром баллона 1,6 мм, у которого контакт-детали были изготовлены из пермаллоевой проволоки диаметром 0,4 мм с наружным меднением толщиной 8 мкм. Подвижная контакт-деталь имела одностороннее плющение толщиной 0,2 мм на длине 5 мм, неподвижная контакт-деталь имела одностороннее плющение толщиной 0,2 мм на длине 0,5 мм. Контакт-детали были заварены в стеклянном баллоне с перекрытием 0.3 мм при зазоре 25 мкм. Магнитодвижущая сила срабатывания (МДС ср) геркона равнялась 20 А. Емкость разомкнутого геркона составляла 0,6 пФ.

На графике 6 (фиг.4) представлены опытные данные для геркона предлагаемой конструкции. Уменьшение длины плющения на подвижной контакт-детали с 6 до 0,3 мм с углом фаски 45° снизило рассогласование до уровня КСВН<1.1 на частоте 4000 МГц. Разомкнутый геркон обеспечивал развязку между отрезками кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом не менее 10 дБ на частоте 3000 МГц, как показано на графике 7 (фиг.5).

Пределы ограничений соотношения геометрии контакт-деталей в области контактирования геркона обоснованы теорией и практикой применения геркона на сверхвысоких частотах. Как известно, на степень рассогласования КСВН высокочастотного тракта большое влияние оказывает нарушение геометрии высокочастотного тракта и изменения диэлектрической постоянной изолятора между экраном и центральным проводом коаксиального кабеля. Конструктивное исполнение высокочастотного согласующего геркона обеспечивает удовлетворительные условия для серийного изготовления при выполнении всех требований, предъявляемых условиями эксплуатации.

Опытные образцы высокочастотного согласующего геркона с заявляемыми отличительными признаками с длиной стеклянного баллона 10 мм, диаметром 1,6 мм и диаметром выводов 0,4 мм, с наружным меднением толщиной 5 мкм и дополнительным гальванопокрытием из рутения толщиной 1 мкм на контактирующих поверхностях.

МДСср герконов находилась в пределах (15-25) А, а МДС отпускания - (10-20) А при длине геркона с выводами 41 мм.

Измерение КСВН при использовании геркона в коаксиальной измерительной линии с волновым сопротивлением 75 Ом на частоте 2000 МГц находилось в пределах 1,05 и в 2 раза было ниже эксплуатационных требований. Использование геркона в реле навесного монтажа при коммутации разрыва в полосковой линии с волновым сопротивлением 50 Ом обеспечивает развязку в 25 дБ при разомкнутом и согласовании в 6 дБ при замкнутом состоянии геркона.

Источники информации

1. Патент США №3087125 Н, кл. 333-7, заявл. 1961 г., опубл. 1963 г.

2. Патент ФРГ №110506 1, кл. 21g-4/01, заявл. 1958 г., опубл. 20.04.1961 г.

Формула изобретения

Высокочастотный согласующий геркон, содержащий цилиндрический баллон из стекла или керамики, в торцах которого герметично закреплены две ферромагнитные контакт-детали с наружным меднением по всей длине и дополнительным гальванопокрытием из благородных металлов на концах контакт-деталей, образующих зазор в перекрытии, смещенном к одному из торцов баллона, расположенного в месте разрыва коаксиального кабеля с обеспечением электрического контакта концов центрального провода кабеля с круглыми выводами геркона, отличающийся тем, что после замыкания контакт-деталей геркона под воздействием управляющего магнитного поля согласование отрезков кабеля в диапазоне частот 100-5000 МГц, определяемое коэффициентом стоячей волны напряжения (КСВН), ограничено пределами неравенства 1<КСВН<1,15, контакт-детали геркона изготовлены из проволоки диаметром, равным диаметру центрального провода коаксиального кабеля, имеют частичное одностороннее плющение в области перекрытия и заварены в баллоне таким образом, чтобы обеспечивалась минимальная несоосность продольной оси каждой контакт-детали относительно друг друга и продольной оси баллона, при этом между диаметром d, длиной плющения I, с фаской под углом α°, с толщиной плющения h и величиной перекрытия а контакт-деталей геркона должны одновременно соблюдаться следующие соотношения: 0,4<h/d≤0,5; 0,7<а/d≤1; 0,5<а/l≤0,8 при остром угле (90°-α°) между плоскостью сопряжения от контактирующей поверхности к диаметру контакт-детали и продольной осью контакт-детали, ограниченном в пределах 45°<(90°-α°)≤60°, а зазор в разомкнутом герконе ограничен соотношением емкости отрезка коаксиального кабеля с герконом, находящимся в разомкнутом Ср состоянии к емкости с замкнутым Сз герконом, находящимся в пределах 0,55≤Ср/Сз≤0,75, при длине отрезка кабеля, равной длине геркона с выводами для обеспечения развязки разомкнутым герконом не менее 10 дБ на верхнем пределе частотного диапазона.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5