CS276882B6 - Symmetrizing network - Google Patents

Description

Vynález spadá do oblasti vysokofrekvenční techniky. Týká se zejména symetrizátoru, který je opatřen jednak skříňkou s vnitřním prostorem, jednak uvnitř skříňky upraveným prvním kusem vodiče s první a druhou dílčí délkou, přičemž první kus vodiče je v první dílčí délce vytvořen jako koaxiální vedení s koaxiálním vnitřním vodičem, na jedné straně prochází jako koaxiální vedení skříňkou a vytváří tam koaxiální vstup a na druhé straně volně končí uvnitř skříňky, jednak uvnitř skříňky druhým kusem vodiče s první a druhou dílčí délkou, přičemž druhý kus vodiče je upraven rovnoběžně a v rozteči vzhledem k prvnímu kusu vodiče, na straně koaxiálního vstupu je spojen se skříňkou a na druhé straně volně končí uvnitř skříňky, jednak otvorem, který je upraven v prvním kusu vodiče na konci pevné dílčí délky, kterým vystupuje v pravém úhlu koaxiální vnitřní vodič z prvního kusu vodiče a se kterým je spojen druhý kus vodiče, a jednak dvěma souměrnými výstupními vedeními, která jsou spojena na druhé dílčí délce vždy s jedním z kusů vodiče, které jsou vyvedeny ze skříňky a tam vytvářejí souměrný výstup.

Takový symetrizátor je známý například z knihy H. Meinke a F. W. Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik - Příručka vysokofrekvenční techniky, 3. vydání, Sprínger-Verlag (1968), strana 394, obr. 18.11.

V technice radiových vysílačů jsou používány tak zvané symetrizátory nebo baluny (Balancing Units) s jedním koaxiálním vstupem a s jedním souměrným výstupem, aby bylo možné například k zemi souměrné antény napájet koaxiálním napájecím vedením.

Možná realizace takového symetrizátoru je tvořena dvěma paralelními, koaxiálními vedeními, která jsou spolu spojena tak, jak je to znázorněno. Pro přizpůsobení různým frekvencím v požadovaném rozsahu frekvencí od zhruba 4 MHz do 26 MHz je na vstupu druhého vedení uspořádán proměnný kondenzátor a na jeho výstupním konci zkratovací můstek.

Hlavní nevýhoda tohoto typu symetrizátoru spočívá v tom, že při nesouměrném zatížení o hodnotě jen několika pF vzniká velká nesouměrnost napětí, tedy rezonance. Tuto citlivost na nesouměrnost nelze odstranit jednoduchou úpravou.

Velmi často je s nesouměrností v symetrizátoru spojena také transformace odporu. U řešení, které je znázorněno na obr. 1, je nevyvážená vstupní impedance o hodnotě 50 ohmů zvýšena v poměru 1 : 4 na souměrnou o hodnotě 200 ohmů.

Aby bylo možné dosáhnout větších transformačních poměrů, například 1 : 6, to je z. hodnoty 50 ohmů na 300 ohmů, je třeba připojit přídavný transformátor vodivostního typu o délce zhruba 12 m, který se obtížně vyrábí a má, a to především při nižších frekvencích, relativně velké kolísání impedance.

V úvodu uvedený typ symetrizátoru by bylo také možné pro přizpůsobení na různé frekvence upravit tak, že by byl použitelný pro větší frekvenční rozsah, protože jinak jej na různé frekvence přizpůsobit nelze. Jak je to patrno z obr. 2, mohla by taková úprava být provedena prostřednictvím posuvného zkratu na vstupní straně a prostřednictvím proměnného kondenzátoru na straně výstupní .

Hlavní nevýhoda takového symetrizátoru by spočívala v tom, že při změně frekvence by bylo nutné seřizovat dva parametry. Mimoto šoupátka se svými kontakty bývají příčinou různých problémů, jako je opotřebení, zalamování a ohýbání kontaktů a jejich opalování.

Vynález si klade za úkol vytvořit symetrizátor, který by alespoň v rozsahu frekvence o hodnotě 4 MHz až o hodnotě 26 MHz umožnil větší transformační poměr než 1:4, přičemž by bylo možné jej snadno vyladit a měl robustní konstrukci.

Vytčený úkol se řeší symetrizátorem podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že na druhé dílčí délce mezi prvním kusem vodiče a mezi druhým kusem vodiče je uspořádán alespoň jeden proměnný kondenzátor a první dílčí délka je zvolena tak, že symetrizátor je možné vyladit na různé frekvence výlučně s nejméně jedním kondenzátorem.

Základem vynálezu je poznatek, že u symetrizátoru, který je znázorněn na obr. 2, lže volit parametry, to je impedanci vedení a délky vedení tak, že pro vyladění na různé frekvence postačí na souměrném výstupu jeden proměnný kondenzátor.

Tímto způsobem lze realizovat robustní a kompaktní symetrizátor, který lze současně velmi jednoduše vyladit.

Vynález je v dalším podrobněji vysvětlen na příkladech provedení ve spojení s připojeným výkresem, kde na obr. 1 je znázorněno základní schéma zapojení vyladitelného symetrizátoru podle známého stavu techniky, na obr. 2 je znázorněna možná konstrukce jiného vyladitelného symetrizátoru, na obr.3 až obr. 8 jsou znázorněny různé příklady provedení symetrizátoru podle vynálezu, které se od sebe liší toliko různým vytvořením středního čepu, na ob.r 9 až 9B jsou další příklady provedení symetrizátoru podle vynálezu, u kterých jsou posunuty přípojné body kondenzátorů a na obr. 10A až obr. 10C jsou znázorněny příklady provedení symetrizátoru podle vynálezu, u kterých je použito více kondenzátorů nebo přídavná indukčnost.

Na obr. 1 je znázorněn známý symetrizátor, který se používá v krátkovlnných vysílačích a v podobném provedení je znázorněn například v tiskovině Brown Boveri Mitteilungen - Sdělení Brown Boveri, sešit 2/3, 1972, str. 97 až 103.

Tento známý symetrizátor má koaxiální vstup 1 a souměrný výstup 2, mezi kterými jsou paralelně zapojena dvě koaxiální vedení 18 a 19. Vyladován je tento symetrizátor na vstupu upraveným proměnným kondenzátorem C a zkratovacím můstkem 20, který umožňuje měnit efektivní délku druhého vedení 19.

Hlavní nevýhoda tohoto uspořádání spočívá v tom, že symetrizátor v tomto provedení je omezen na transformační poměr o hodnotě 1 : 4. Dále je třeba při změně frekvence měnit dva parametry, to je kapacitu kondenzátoru C a efektivní délku druhého vedení 19.

Řešení umožňující větší transformační poměry, které se opírá o typ symetrizátoru znázorněný v uvedené knize autorů Meinkeho a Grundlacha, je znázorněno na obr. 2. Ve vnitřním prostoru 6 skříňky 5 jsou paralelně uspořádány dva stejně dlouhé kusy 14 a 17 vodiče tak, že jsou vždy na svém jednom konci vodivě spojeny se skříňkou 5 a na druhé straně volně vyústují ve vnitřním prostoru 6.

První kus 4 vodiče je na první dílčí délce 21 vytvořen jako koaxiální vedení s koaxiálním vnitřním vodičem 3.. Toto koaxiální vedení končí na jedné straně v koaxiálním vstupu 1. Na druhé straně vystupuje koaxiální vnitřní vodič 3. otvorem 9 v pravém úhlu z prvního kusu 4 vodiče, prochází k protilehlému druhému kusu 17 vodiče a je s ním vodivě spojen. Na druhé dílčí délce 12 jsou oba kusy 4., 17 vodiče shodné.

K volným koncům kusů 4 a 17 vodiče je připojeno vždy souměrné výstupní vedení 8, popřípadě 7. Obě souměrná výstupní vedení 7, 8 vytvářejí souměrný výstup 2.

Pro vylačíování symetrizátoru podle obr. 2 jsou upraveny dva elementy. Jednak je možné měnit první dílčí délku 11 prostřednictvím posuvného zkratu 21 a jednak jsou volné konce kusů 4, 17 vodiče navzájem spojeny prostřednictvím proměnného kondenzátoru Cl.

I když tento symetrizátor připouští větší transformační poměry než 1:4, lze jej vzhledem k uvedeným dvěma prvkům, to je vzhledem ke kondenzátoru Cl a vzhledem k posuvnému zkratu 21 jen obtížně vylačíovat a mimoto je mechanický posuvný zkrat 21 náchylný k poruchám.

Při výpočtu různých parametrů symetrizátoru podle obr. 2 v závislosti na frekvenci bylo zjištěno, že při vhodné volbě těchto parametrů, to je impedanci vedení Ζθ, první dílčí délce 11 a druhé dílčí délce 12 lze symetrizátor vyladovat v rozsahu kmitočtů od 4 do 26 MHz, aniž by bylo nutné podstatně nebo vůbec měnit první dílčí délku 11. Tím zcela odpadá nutnost použít posuvný zkrat 21. Symetrizátor lze vyladovat na požadovaný kmitočet toliko prostřednictvím proměnného kondenzátoru Cl.

Vytváří se tedy alespoň jedna hodnota dílčí délky 11, po kterou se dílčí délka 11 udržuje v celé oblasti rozsahu kmitočtu konstantní. Pokud se připustí odchylky v poměru stojatých vln, vytváří se dokonce větší počet hodnot první dílčí délky 11, které zůstávají konstantní.

V následujícím příkladr se předpokládá vstupní impedance o hodnotě 50 ohmů. Obecně však lze zvolit na vstupu libovolnou impedanci.

Příklad vstupní impedance: výstupní impedance 11 + 12

11:

impedance vedení:

2,704 m 1,104 m

Ω

300 Ω

111 Ω /

/!

Pokud se zvolí parametry tak, jak je to uvedeno v příkladu, dosáhne se téměř ideálního vyladění symetrizátoru, pokud se mění kapacita kondenzátoru Cl z 1 571 pF při 4 MHz na 25,1 pF při 26 MHZ.

Ve svém nejjednodušším provedení je potom symetrizátor uspořádán tak, jak je to znázorněno na obr. 3. Je kompaktní, nepotřebuje pro svoji transformaci žádný přídavný transformátor vedení, z 200 na 300 ohmů a může být vyladován jen jedním, relativně malým kondenzátorem.

Jednoduché provedení podle obr.3 lze však z dále uvedených důvodů zdokonalit.

Poměr stojatých vln na vstupu o hodnotě 50 ohmů je při ideálním zatížení o hodnotě 300 ohmů vždy při nejnižším a nejvyšším provozním kmitočtu větší než 1,35. Z tohoto důvodu je symetrizátor v tomto provedení jen podmíněně vhodný pro použití při větším výkonu než 50 kW.

Dále je souměrnost napětí při nízkých kmitočtech, to je při kmitočtech o 35 % nižších než je maximální provozní kmitočet, a při nesouměrném zatížení ve skutečnosti lepší než u symetrizátoru s poměrem 1 : 4 podle obr. 1, avšak souměrnost se exponenciálně zhoršuje v blízkosti nejvyššího provozního kmitočtu. Nesouměrnost napětí může potom mít na výstupu symetrizátoru podle zatížení až hodnotu 1 : 10.

Příčiny tohoto problému jsou ve dvou okrajových efektech, které jsou zapříčiněny danou konstrukcí.

První rušivý faktor je rozptylová indukčnost L_g, která vzniká střední odbočkou v symetrizátoru, jak je to schematicky znázorněno na obr. 3. Tato rozptylová indukčnost L_s zhoršuje hlavně poměr stojatých vln a má také vliv na citlivost souměrnosti.

Druhá skutečnost spočívá v tom, že citlivost symetrizátoru na nesouměrné zatížení v podstatě závisí na volbě minimálně nastavitelné kapacity a k ní příslušného nejvyššího provozního kmitočtu .

První škodlivý efekt, to je rozptylovou indukčnost, lze odstranit dalším vytvořením symetrizátoru podle obr. 3, tak, jak je to znázorněno na obr. 4. Střední odbočka je z obou stran souměrně překryta” dvěma trubkovými kusy 10 a 11 a přitom je uprostřed podle požadované pevnosti napětí ponechána otevřená štěrbina 12. Trubkové kusy 10 a 11 vytvářejí potom spolu s koaxiálním vnitřním vodičem 3. střední odbočky vždy koaxiální vedení s 50 ohmy podle příkladu provedení nebo s jinou impedancí vedení.

Dále je také možné uspořádat jen jeden trubkový kus 13. z jedné strany, který je na druhé straně oddělen štěrbinou 14, jak je to patrno z obr. 5 a 6. Velikost štěrbiny 14 je přitom určena napěťovým zatížením.

Další varianty provedení pro snížení rozptylové indukčnosti jsou patrny z obr. 7 a 8. Zde je vnější průměr odbočky, to je koaxiálního vnitřního vodiče 2 v mezilehlém prostoru mezi kusy 4 a 17 vodiče, zvětšen v podobě zesílení 15, popřípadě 16, a tím je snížena indukčnost. Přitom je třeba dbát na to, aby zesílení 15, 16 nebyla upravena uvnitř 50 ohmového koaxiálního vedení, které je uvnitř prvního kusu 4 vodiče. To je důvodem pro zvolený dvojnásobně kuželový, viz obr. 7,' popřípadě jednoduše kuželový tvar, který je patrný z obr. 8.

Další možnost pro kompenzaci rozptylové indukčnosti L_s představuje posunutí kondenzátoru Cl o třetí dílčí délku 13,, to je zhruba 20 cm pro 100 nH rozptylové indukčnosti, ve směru ke střední odbočce, jak to znázorňuje obr. 9. Také odběr pro souměrný výstup 2 prostřednictvím souměrných výstupních vedení 7, 8 by se potom měl uskutečňovat přímo přes kondenzátor ~ Cl. Dva příklady provedení pro takový odběr, které lze mechanicky snadno vytvořit, jsou znázorněny na obr. 9A a 9B.

Druhý škodlivý efekt, to je citlivost na nesouměrné zatížení, lze snížit tím, že se pro minimální nastavitelnou kapacitu ^cmin kondenzátoru Cl splní tato podmínka:

^cmin/^casym^>4· přičemž C_asvm označuje maximálně vznikající nesouměrnost na výstupu .

Další příklady provedení, které jsou znázorněny na obr. 10A až 10C, jsou vytvořeny tak, že jediný kondenzátor Cl je nahražen větším počtem kondenzátorů Cl ... C8.

Na obr. 10A jsou přídavně k proměnnému kondenzátoru Cl upraveny mezi kusy 4, 17 vodiče ještě dva kondenzátory C2, C3, které jsou bud proměnné, nebo nikoli a které jsou zapojeny vždy mezi jeden kus 4, 17 vodiče a mezi skříňku 5.

Na obr. 10B jsou mezi kusy 4, 17 vodiče zapojeny dva proměnné kondenzátory C4, C5 v sérii a jsou ve středu uzemněny. Toto řešení s sebou přináší různé výhody, jako například dokonalejší odolnost proti nesouměrnosti na prostupním vedení.

Střed uzemnění podle obr. 10B lze však provést také přes další kondenzátor C8, jak je to patrno z obr. 10C.

Ve všech případech je možné zvětšit kmitočtový rozsah symetrizátoru tím, že se do souměrného výstupu 2, jak je to znázorněno u příkladu provedení podle obr. 10A, zapojí přídavná indukčnost L. Tím lze rozšířit kompenzaci na větší kmitočtové rozsahy, pro které by musela být kapacita C kondenzátoru Cl menší

Claims (12)

1. Symetrizátor, který je opatřen jednak skříňkou s vnitřním prostorem, jednak uvnitř skříňky upraveným prvním kusem vodiče s první a druhou dílčí délkou, přičemž první kus vodiče je v první dílčí délce vytvořen jako koaxiální vedení s koaxiálním vnitřním vodičem, na jedné straně prochází jako koaxiální vedení skříňkou a vytváří tam koaxiální vstup a na druhé straně volně končí uvnitř skříňky, jednak uvnitř skříňky druhým kusem vodiče s první a druhou dílčí délkou, přičemž druhý kus vodiče je upraven rovnoběžně a v rozteči vzhledem k prvnímu kusu vodiče, na straně koaxiálního vstupu je spojen se skříňkou a na druhé straně volně končí uvnitř skříňky, jednak otvorem, který je upraven v prvním kusu vodiče na konci první dílčí délky, kterým vystupuje v pravém úhlu koaxiální vnitřní vodič z prvního kusu vodiče a se kterým je spojen druhý kus vodiče, a jednak dvěma souměrnými výstupními vedeními, která jsou spojena na druhé dílčí délce vždy s jedním z kusů vodiče, která jsou vyvedena ze skříňky a tam vytvářejí souměrný výstup, vyznačující se tím, že na druhé dílčí délce (12) mezi prvním kusem (4) vodiče a mezi druhým kusem (17) vodiče je uspořádán alespoň jeden proměnný kondenzátor (Cl ... C8) a první dílčí délka (11) je zvolena tak, že symetrizátor je možné vyladit na různé frekvence výlučně nejméně jedním kondenzátorem (Cl — C8).

2. Symetrizátor podle bodu 1, vyznačující se tím, že pro zmenšení rozptylové indukčnosti (Lg) je koaxiální vnitřní vodič (3) obklopen mezi prvním kusem {4) vodiče a druhým kusem (17) vodiče nejméně jedním trubkovým kusem (10, 11, 13), který je spojen s jedním z kusů (4, 17) vodiče a spolu s koaxiálním vnitřním vodičem (3) vytváří koaxiální vedení.

3. Symetrizátor podle bodu 2, vyznačující se tím, že má upraveny dva trubkové kusy (10, 11), které jsou spojeny vždy s jedním z kusů (4, 17) vodiče a mezi sebou jsou odděleny štěrbinou (12).

4. Symetrizátor podle bodu 2, vyznačující se tím, že má upraven jen jeden trubkový kus (13), který je spojen s jedním z kusů (4, 17) vodiče a od opačného kusu vodiče je oddělen štěrbinou (14).

5. Symetrizátor podle bodu 1, vyznačující se tím, že pro zmenšení rozptylové indukčnosti (Lg) má koaxiální vnitřní vodič (3) mezi oběma kusy (4, 17) vodiče zesílení (15, 16).

6. Symetrizátor podle bodu 5, vyznačující se tím, že zešílení (15, 16) je provedeno ve tvaru jednoduchého nebo dvojitého kužele.

7. Symetrizátor podle bodu 1, vyznačující se tím, že pro zmenšení rozptylové indukčnosti (L_s) spojuje alespoň jeden z kondenzátorů (Cl ... C8) oba kusy (4, 17) vodiče v místě, které je od volných konců kusů (4, 17) vodiče vzdáleno o třetí dílčí délku (13).

8. Symetrizátor podle bodu 1, vyznačující se tím, že mezi prvním kusem (4) vodiče a druhým kusem (17) vodiče jsou zapojeny za sebou dva kondenzátory (C4, C5) a uprostřed jsou uzemněny.

9. Symetrizátor podle bodu 8, vyznačující se tím, že uzemnění je provedeno přes další kondenzátor (C8).

10. Symetrizátor podle bodu 1, vyznačující se tím, že volné konce kusů (4, 17) vodiče jsou spojeny se skříňkou (5) vždy prostřednictvím jednoho dalšího kondenzátorů (C2, popřípadě C3).

11. Symetrizátor podle bodu 1, vyznačující se tím, že pro rozšíření kmitočtového rozsahu je mezi souměrná výstupní vedení (7, 8) zapojena přídavná indukčnost.

12. Symetrizátor podle bodu 1, vyznačující se tím, že je zvolen vztah ^cmiu/^casym ^{> 4}' ^{kde c}min 3^e nastavitelná kapacita nejméne⁷ jednoho kondenzátorů (Cl ... C8) a C_asym je maximálně vznikající asymetrie na výstupu.