Коаксиальный трансформатор с водоохлаждающим кабелем

КАЛЬКУЛЯТОР ДЛЯ РАСЧЕТА КОАКСИАЛА С ДВУХСЛОЙНЫМ ДИЭЛЕКТРИКОМ

(на рисунке — радиусы, в калькуляторе — диаметры. Er — диэлектрическая проницаемость материала слоя)

Полезен при изготовлении трансформатора с нестандартным волновым сопротивлением Z o путем изменения диаметра изоляции с помощью дополнительного слоя или создания воздушного зазора. При этом он расчитывает и К укор. нового коаксиала, необходимый для расчета длины 1/4 и т. п. трансформаторов.
На нем можно расчитать и обычный коаксиал, введя в поле «Ø 1 слоя» любую величину больше Ø центральн. жилы, но меньше Ø 2 слоя и одинаковую величину в полях Er 1 и 2 слоя.

	расчет коаксиала c двухслойным диэлектриком Ø ц. жилы Ø 1 слоя Ø 2 слоя Er 1 слоя Er 2 слоя Z o K укор. C pF/м
движок с сайта «RF CABLES» перевод на русский и модификация движка в метрические величины и расчет К укор. ra6foo

ТАБЛИЦА ШИРОКОПОЛОСНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

РАСЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ ДИАМЕТРА СПЛОШНОЙ ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ И ФТОРОПЛАСТОВОЙ
ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЯ ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ВОЛНОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОТРЕЗКА КАБЕЛЯ

Волновое сопротивление ρ кабеля определяет отношение внутреннего диаметра D внешнего проводника к диаметру центр. жилы d и диэлектрическая проницаемость Er диэлектрика между ними: ρ = 138 / V¯Er lg D/d. Но если взять кабель с заранее известным ρ, расчет даст значение ρ на 3. 12% меньше фактического. Для того, чтобы по формуле сошлась бухгалтерия, надо взять Er на 5. 15% меньше из за неплотного прилегания внешнего проводника, особенно оплетки, к изоляции. Чтобы не проводить исследования, измерения и обобщения для всех вариантов, будем исходить из того, что мы имеем кабель с известным нам ρ, с сплошным диэлектриком с стабильным известным Er и измеренными нами D изоляции и d центральной жилы с точностью 2%. Изменив отношение D/d в N раз путем изменения D, мы изменим ρ кабеля в lg N раз независимо от абсолютных величин Er, D и d.
Можно было бы сделать проще, сказать: кабели с ПЭ 50 Ом имеют D/d . , 75 Ом . , с ФП 50 Ом . , 75 Ом . , но ни постоянства отношения D/d ни закономерности его изменения у кабелей нет. В процессе изготовления отклонение ρ из за отклонения диаметров и Er изоляции, доводится до требуемого ГОСТом или ТУ ρ технологическими приемами, отклонение Er и диаметров остается. Поэтому будем исходить из того, что имеем. Иметь надо точные исходные значения ρ кабеля и диаметров изоляции и центральной жилы.
Например имеем ФП кабель 50 Ом с диаметром центр. жилы 1,54 мм и изоляции 4,6 мм, отношение D/d = 2,99. Надо сделать кабель 37,5 Ом. Находим отношение 37,5/50 = 0,75. Разворачиваем калькулятор в инженерный вид и через кнопку log в открывшемся справа поле кнопок делаем расчет lg D/d. lg 2,99 = 0.47567. Умножаем 0,47567 на 0,75 = 0,35675. Это логарифм отношения D/d кабеля 37,5 Ом. Через кнопку log, но с галочкой inv, находим антилогарифм числа 0,35675, т.е. отношение D_{37.5 Ом}/d = 2,274. Зная диаметр центральной жилы d несложно расчитать D_{37.5 Ом} = 2.274х1,54 = 3,5 мм. До этого диаметра надо снимать слои-ленты ФП изоляции.

Источник

КОАКСИАЛ, линии, колебательные контуры, трансформаторы, фильтры, сумматоры мощности

2___КОАКСИКАЛЬНЫЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ КОНТУРЫ
Благодаря своей конструкции, которая фактически представляет собой одновременно и два индуктивно связанных проводника, и длинный цилиндрический конденсатор, коаксиал нашёл множество альтернативных применений.
Начнём с рассмотрения колебательных контуров из коаксиала, о которых я упомянул в предыдущем ролике о TRAP-антеннах. Для лучшего понимания перед этим рассмотрим несколько более простых примеров.
Представим себе обычную однослойную циллиндрическую катушку. Очевидно, что такая катушка имеет существенную индуктивность. Но кроме индуктивности такая катушка будет иметь также и ёмкость. Эта ёмкость возникает между соседними витками катушки. Но так как витки катушки намотаны последовательно, то результирующая ёмкость её будет стремиться к нулю. Теоретически такую катушку можно рассматривать как колебательный контур, однако на практике из-за исчезающе малой ёмкости, высокой резонансной частоты и низкой добротности, т.е. быстрого затухания, получить стабильные колебания в такой катушке крайне сложно.
Другое дело бифилярная катушка. Такая катушка наматывается двойным проводом, и конец первого провода соединяется с началом второго. Количество витков бифилярной катушки при тех же габаритах и проводе совпадает с количеством витков обычной катушки, их индуктивности отличаются незначительно.
А вот ёмкость бифилярной катушки значительно выше. Это прямо связано с тем, что каждый виток первой половины индуктивности лежит рядом с витком второй половины индуктивности. Поэтому витки такой катушки одновременно являются обкладками полноценного конденсатора.
Благодаря возросшей ёмкости, а также лучшему потокосцеплению между половинами обмотки, добротность образованного колебательного контура весьма высока. И частота колебаний лежит уже в радиодиапазоне. Поэтому бифилярные катушки действительно применяются на практике. Однако, только на относительно высоких частотах. Т.к. для создания более низкочастотного контура придётся мотать огромный бифиляр.
А теперь вспомним про то, что у нас есть коаксиал с великолепной погонной ёмкостью. Намотаем коаксиальный кабель в форме катушки и соединим его проводники как в бифиляре: конец центральной жилы подпаяем к началу оплётки. И колебательный контур готов.
Благодаря большой ёмкости длинного конденсатора коаксиала мы можем работать в широком диапазоне частот от десятков килогерц до единиц Гигагерц. Более того, благодаря постоянным погонным параметрам, мы получаем точную воспроизводимость параметров колебательных контуров. Для катушек из кабеля одинаковой длины будут всегда одинаковые ёмкость и индуктивность колебательного контура. При изменении длины коаксила индуктивность и ёмкость будут менятся одновременно и пропорционально.
Из-за хорошей индуктивной связи и равномерной ёмкости между проводниками коаксиала колебательный контур получает очень хорошую добротность. Реактивное сопротивление такого контура на резонансной частоте может достигать единиц-десятков кОм, в зависимости от типа кабеля.
Благодаря таким свойствам его и применяют, как уже указывалось, в многодиапазоных антеннах. В TRAP-антеннах фаза колебаний в контуре напрямую связана с фазой колебаний в полуволновых отрезках. Они работают синхронно. Стрелками обозначено направление тока в TRAP-антенне. Когда в полотне ток течёт в одну сторону, в контурной индуктивности он течёт в противоположную. Параллельные контуры заменяют собой противофазные полуволновые отрезки. Равно как полуволновые отрезки аналогичны параллельным КК, как мы помним из ролика про согласование антенн.

3___КОАКСИАЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Равномерная индуктивная связь и ёмкость между проводниками коаксиала привела к широкому распространению коаксиальных трансформаторов. Они получаются с хорошо воспроизводимыми параметрами.
Центральная жила и оплётка в коаксиальных трансформаторах работают как обмотки в обычных фарадеевских трансформаторах. И потому их можно использовать аналогично. Однако стоит обратить внимание на то, что есть несколько разновидностей коаксиальных трансформаторов.
Самый простой тип коаксиального трансформатора подключается к источнику и нагрузке так же как обычный фарадеевский – источник подключается к одной обмотке, допустим цнтральной жиле, нагрузка — к другой обмотке, к оплетке.
Вы можете видеть схемы подключения таких трансформаторов 1:1 и 1:2 по напряжению, что соответствует 1:1 и 1:4 по сопротивлению. Думаю, принцип работы такого включения трансформаторов очевиден. Пожалуй, единственной отличительной чертой таких трансформаторов является весьма большая ёмкость между первичной и вторичной обмотками по сравнению с фарадеевскими трансформаторами.
Гораздо индереснее другое включение коаксиальных трансформаторов, которое называется последовательным или продольным. В этом случае источник подключается с одной стороны линии к обоим проводникам, а нагрузка – с другой стороны также к обоим проводникам. Вы можете возразить, что же это за трансформатор, если это обычная линия передачи?
Это действительно линия передачи, но одновременно и трансформатор 1:1, если нагрузка согласована с источником.
Как при помощи трансформаторов на длинных линиях достичь коэффициента трансформации отлично от 1:1? Поразительно, но это делается точно так же как и с фарадеевскими трансформаторами. Например, если нам нужен коэффицент трансформации 1:2 по напряжению или 1:4 по сопротивлению, мы должны взять два одинаковых коаксиальных трансформатора, включить их по входу параллельно, а по выходу последовательно.
Сравним на рисунке как это делается на фарадеевских трансформаторах и на длинных линиях. И в том и другом случае входы трансформирующих устройств мы соединяем параллельно, а выходы последовательно.
Трансформаторы на длинных линиях, трансформаторы Рутрофа, обладают рядом преимуществ перед фарадеевскими трансформаторами. Сейчас я не стану детально расписывать все недостатки фарадеевских трансформаторов, а скажу только, что из-за набора их паразитных параметров фарадеевские трансформаторы обладают весьма обрезанной АЧХ и не способны работать равномерно в широком диапазоне, в особенности на высоких частотах.
А вот трансформаторы Рутрофа обладают равомерными характеристиками в широчайшем диапазоне, от десятков килогерц до единиц гигагерц. В принципе и на более высоких частотах используются трансформаторы Рутрофа, но уже не на коаксиале, а на микрополосковых линиях.
Типичный трансформатор Рутрофа выглядит следующим образом. Это отрезок кабеля продетый сквозь ферритовую трубку или кольцо. На более низких частотах можно продеть несколько витков через кольцо для ещё лучшей индуктивной связи. Конструкция очень напоминает запорный дроссель, и это он и есть.
Главным свойством трансформаторов Рутрофа является то, что для противонаправленных токов в проводниках коаксиала, т.е для полезного сигнала, он представляет нулевое сопротивление, в то время как для сонаправленных или нескомпенсированных токов, коими обычно являются наводки и четные гармоники, трансформатор представляет очень большое сопротивление.
За счёт этого свойства трансформаторы Рутрофа часто используются как фильтры, и в т.ч. как фильтры гармоник.

4___ФИЛЬТРЫ ГАРМОНИК
Для того, чтобы понять, как работают фильтры гармоник, рассмотрим строение простого широкополосного малошумящего двухтактного усилителя мощности.
Сразу на входе усилителя мы видим трансформатор Рутрофа. Как мы уже сказали, для встречных токов его сопротивление стремится к нулю, а для сонаправленных – очень велико. Наводки и чётные гармоники как раз являются сонаправленными токами, и благодаря трансформатору Рутрофа они не проходят на затворы транзисторов. На затворы полевых транзисторов проходит только полезный сигнал.
Здесь я зделаю небольшое отступление, чтобы на примере первой и второй гармоник показать, зачем нам нужна фильтрация. В двухтактных усилителях первая гармоника представляет собой противофазные токи, которые, приходя на затворы транзисторов, усиливают полезный сигнал. А вторая гармоника и все чётные являются синфазными токами. Если бы линия была нагружена на одно сопротивление, то синфазные токи просто вычитались бы. Однако линия нагружена на отдельные транзисторы, значит чётные гармоники могут этим каскадом усиливаться.
Так вот для того, чтобы не пропустить синфазные токи, наводки и чётные гармоники, на каскад, перед ним стоит фильтр – трансформатор Рутрофа.
Из-за неидеальности каскада, какие-то синфазные компоненты всё-таки могут появиться на выходе транзисторов. Поэтому выходная цепь усилителя устроена ещё интересней.
Один из выходных трансформаторов ТР2 предназначен для ответвления чётных гармоник. Его обмотки включены встречно, а чётные гармоники плеч усилителя синфазны. Значит, чётные гармоники формируют противофазные токи в трансформаторе ТР2 и закорачиваются на корпус. Трансформатор ТР2 иногда называют трансформатором закоротки чётных гармоник.
В данной схеме чётные гармоники закорочены просто на корпус, но лучше закорачивать их через балластный резистор, сопротивение которого равно сопротивлению нагрузки, для того, чтобы избежать отражения волн обратно на транзисторы.
Перед нагрузкой у нас стоит ещё один трансформатор Рутрофа ТР3. И обмотки его включены сонаправленно, следовательно для чётных гармоник его сопротивление будет очень большим. Поэтому все чётные гармоники пойдут только в трансформатор закоротки чётных гармоник.
А полезный сигнал и нечётные гармоники ведут себя противоположным образом. Так как нечётные гармоники в плечах усилителя противофазны, то ТР2 для них представляет большое сопротивление, а ТР3 – наоборот, сопротивление, стремящееся к нолю. Поэтому первая и остальные нечётные гармоники пойдут в нагрузку.
В результате, трансформаторы ТР2 и ТР3 работают как вилка для чётных и нечётных гармоник.
Может показаться, что на выход усилителя проходят кроме полезного сигнала ещё и нечётные гармоники, 3-я, 5-я, 7-я. Однако не стоит забывать, что двухтактный усилитель работает с углом отсечки 90°. В этом режиме все нечётные гармоники, кроме первой, равны нулю.
Таким образом, благодаря применению трансформаторов Рутрофа мы получили простой широкополосный малошумящий энергоэффективный усилитель мощности.

5___СЛОЖЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ
Применение коаксиальных трансформаторов этим, разумеется, не ограничивается. В радиотехнике часто возникает необходимость сложения мощностей. При чём в большинстве случаев требуются широкополосные схемы сложения мощностей.
Самая простая схема сумматора мощностей состоит из двух четвертьволновых отрезков длинной линии и баластного резистора. Это так называемая мостовая схема, синфазные токи источников идут в нагрузку, а противофазные в балластный резистор. При этом режим работы источников не зависит от степени рассогласования фаз.
Однако очевидно, что эта схема сильно частотозависима. Завязана на длину волны.
А нам нужна широкополосная схема сложения. Такие схемы давно существуют на фарадеевских трансформаторах. Они не зависят от конкретной частоты, однако из-за АЧХ фарадеевских трансформаторов такие схемы не могут работать на высоких частотах.
Как же быть? Как сделать широкополосную схему, чтобы она могла работать и на ВЧ, и при этом желательно мостового типа, чтобы работала стабильно, независимо от рассогласования источников.
И тут нам помогут как раз коаксиальные трансформаторы. Простейшая мостовая схема на коаксиальных трансформаторах представляет собой ничто иное как вилку фильтров. Синфазный ток от источников идёт на нагрузку через трансформатор Рутрофа, обмотки которого включены противофазно. А противофазный ток, проходя через трансформатор с прямых включением обмоток, поглощается балластным резистором.

6___ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Способ трансформирования напряжения и сопротивления, рассмотренный ранее, когда линии, например, включаются по входу параллельно, а по выходу последовательно, не единственный.
Существует способ трансформирования сигнала, основанный на использовании распределения тока и напряжения в стоячей волне внутри четвертьволнового отрезка кабеля. Этот способ, разумеется, частотозависим. И называются такие трансформаторы четвертьволновыми.
Расчёт согласования сопротивлений в четвертьволновом трансформаторе производится по следующей простой формуле:
Z_вх=〖ρ_0〗^2/Z_вых ,
где ρ_0 – волновое сопротивление кабеля, Zвх и Zвых – сопротивления источника и нагрузки.
Главное, что нужно понять из этой формулы, что выходное сопротивление обратно входному.
Для лучшего понимания рассмотрим следующие примеры.
Представим, что к кабелю с волновым сопротивлением 75 Ом подключен источник сигнала с сопротивлением 75 Ом и нагрузка сопротивлением 75 Ом. Очевидно, что 75=75^2/75. Никакого преобразования сопротивлений, а следовательно напряжений и токов нет. Это случай идеального согласования.
А теперь представим, что нагрузка резко отвалилась, например произошёл обрыв цепи. Теоретически это должно привести к тому, что сопротивление открытого конца должно устремиться к бесконечности. В реальности оно конечно не будет бесконечным из-за токов смещения и потерь, но оно будет очень большим. Допустим 7.5 кОм.
Очевидно, что 75 не = 75^2/7500. Равенство нарушено. От открытого конца возникает отраженная волна. Она не может уменьшить сопротивление открытого конца, поэтому она уменьшит сопротивление генератора. Как она это сделает?
Мы все знаем, что I = U/R. Следовательно, R = U / I. Напряжение на генераторе начинает падать, а ток расти. Мы наблюдаем картину типичной стоячей волны в четвертьволновом отрезке кабеля, с максимумом тока на источнике и с максимумом напряжения на открытом конце.
Зная сопротивление кабеля 75 Ом и сопротивление открытого конца 7500 Ом, мы с легкостью рассчитаем, какое у нас стало сопротивление на генераторе:
75^2/7500 = 0.75 Ом.
Ситуация для генератора ужасная, это короткое замыкание, т.е. для него такая линия стала перемычкой с сопротивлением 0.75 Ом. И если у него нет защиты от перегрузки по току, он просто сгорит. Вот почему обрыв кабеля и сильное рассогласование так опасны для генераторов.
Ещё раз повторим, если на выходе четвертьволнового трансформатора обрыв, то на генераторе короткое замыкание.
Рассмотрим противоположный случай. Мы замкнули выход кабеля перемычкой в 0.75 Ом. Не сложно догадаться, что после этого у нас входное сопротивление линии стало 7500 Ом. И генератор стал работать как на холостом ходу.
В линии установилась стоячая волна с максимумом тока на дальнем замкнутом конце и с максимумом напряжения и сопротивления на стороне генератора.
Зачем применяются четвертьволновые трансформаторы? Главным свойством четвертьволновых трансформаторов является возможность согласовать кардинально разные сопротивления.
Допустим, что у нас есть генератор переменного сигнала, который может выдать много тока, но его выходное напряжение составляет максимум 22 Вольта. И есть высокоомная нагрузка, например драйвер для светодиодных ламп, который потребляет мало тока, но может работать только от 220 В.
Понятно, что если мы такой драйвер подключим к низковольтному источнику напрямую, он даже не запустится. Но если между ними мы пустим отрезок кабеля, составляющий четверть длины волны генератора, то на драйвер будет поступать уже трансформированный сигнал, напряжение которого будет пропорционально входному сопротивлению драйвера. Иначе говоря, генератор выдаёт 22 Вольта в линию, а драйвер из линии получает 220 Вольт. Система согласована.

7___ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Как мы уже сказали, четвертьволновые коаксиальные трансформаторы привязаны к длине волны, поэтому узкополосны. Но существуют такие продольные коаксиальные трансформаторы, параметры которых почти не зависят от частоты. Речь идёт об экспоненциальных трансформаторах.
Экспоненциальный трансформатор – это линия передачи с плавно меняющимся волновым сопротивлением. Достигается это тем, что расстояние между центральной жилой и оплёткой делается переменным напротяжении всей линии.
Допустим, на входе линии максимальное расстояние между проводниками, следовательно максимальное сопротивление. А на выходе – минимальное расстояние между проводниками, следовательно минимальное сопротивление.
Экспоненциальный трансформатор не завязан на длину волны и может работать и в системах со стоячими волнами, и в режиме бегущей волны. По своей природе он полностью соответствует согласующему отрезку линии, применяемому во многих высокоомных антеннах для согласования с низкоомным кабелем. Вследствии того, что ему не требуется режим стоячей волны с определённой длиной, его параметры не зависят от частоты сигнала, поэтому экспоненциальный трансформатор очень широкополосен.

А теперь давайте закрепим главное:
1. Электрическое (и магнитное) поле коаксиальной линии полностью сосредоточено внутри неё, что уменьшает потери на излучение до минимума
2. Коаксиал обладает внушительной погонной ёмкостью и постоянством параметров, что делает оправданным использование колебательных контуров из него
3. Благодаря хорошей и равномерной индуктивной связи между проводниками коаксиала целесообразно применение коаксиальных трансформаторов и фильтров
4. Коаксиальные трансформаторы позволяют создавать предельно простые вилки фильтров и мостовые схемы сложения мощностей
5. Четвертьволновые трансформаторы позволяют согласовывать кардинально отличные сопротивления
6. Экспоненциальные трансформаторы позволяют согласовывать сопротивления в широком диапазоне частот

Надеюсь, данный ролик был для Вас полезен. Вопросы и предложения для следующих выпусков оставляйте в комментариях. Ставьте лайк и обязательно делитесь роликом, этим Вы очень поможете каналу.
Всем спасибо, удачи!

Источник

Вам также может понравиться

Как выбрать удлинитель?

Удлинитель – это практичный инструмент, который можно

9 правил, которые продлят жизнь бытовой технике

Современная жизнь сопряжена с частым использованием

Нужно ли менять проводку во время капремонта?

Этот тип ремонтных работ не проводится исходя из вкуса

Электромонтажные работы — выбираем профессионалов

Специалисты, работающие в области электрики и электромонтажа