Размеры и форма элементов антенно-фидерных трактов (АФТ), выбранные по радиотехническим параметрам, должны удовлетворять заданной электрической прочности. Однако для элементов АФТ со сложной конфигурацией внутреннего и внешнего проводников (электродов) (рис. 11.13) отсутствуют аналитические решения задач электростатики.
Оптимальные размеры (наименьшие габариты при заданной надежности) и форма электродов выбираются в соответствии с допустимой напряженностью Едоп и допустимым значением коэффициента неравномерности кдоп электрического поля:
(H.2)
где Е0 — напряженность начала коронного разряда; Up — приложенное (рабочее) напряжение; l— расстояние между электродами; Eср = Up/l; k3 — коэффициент запаса, обеспечивающий надежную работу в течение заданного срока.
Определение коэффициента по картине электрического поля, рассчитанного на ЭВМ, возможно в том случае, когда длины волны в фидере значительно больше геометрических размеров расчетной области, которые в радиальном направлении ограничиваются внутренним диаметром D внешнего проводника, а в осевом — выбираются такими, чтобы на границе отсутствовало изменение поля вдоль оси на расстоянии, не превышающем 3D.
Тогда для элементов АФТ с максимальным диаметром 300 мм законы электростатики применимы до частоты 100 МГц.
Расчет поля состоит в решении методом сеток уравнения Лапласа с кусочно-постоянными коэффициентами.
Рис. 11.13. Типовые элементы антенно-фидерных трактов с переменной кривизной поверхности: а—ступенчатый переход; б — концевая заделка фидера; в — коаксиальный крестообразный переход; г— коаксиальный Т-образный переход; д — коаксиальный Г-образный переход
Предлагаемый графоаналитический метод позволяет выбирать размеры и форму электродов и изоляционных промежутков в зависимости от конструкторско-технологических ограничений, обеспечивать создание АФТ с минимальными расходами материалов и затрат труда.
Пользуясь графиками рис. 11.14, можно решать и обратную задачу: по заданным размерам и форме деталей определять коэффициент неравномерности и рассчитывать напряженность электрического поля элементов АФТ, т. е. на стадии проектирования определять запас электрической прочности, заложенный в конструкции.
Другим путем оптимизации элементов АФТ может служить принцип равной электрической прочности вдоль оси, т. е. условие примерного равенства значений напряженности возникновения коронного разряда в коаксиально-цилиндрическом части (области «регулярного поля») и в области локальной неравномерности, что обеспечивается равенством наибольших напряженностей в этих областях: Е0 мах ц= Емах л·
Для области «регулярного поля» определяется коэффициент неравномерности электрического поля коаксиальных цилиндров:
где Е0 мах ц = Up/ln (R0/r0) — наибольшая напряженность в системе коаксиально-цилиндрических электродов; Еср=Up/l = Up(R0 — rо) — средняя напряженность в промежутке между электродами; Up — рабочее напряжение; I = R0 — rо — расстояние между электродами; R0 и r0 — радиусы наружного и внутреннего цилиндров.
Там, где форма поверхности хотя бы одного из электродов отличается от цилиндрической, определяется коэффициент локальной неравномерности. Сравнение наибольших напряженностей в области «регулярного поля» и в области локальной неравномерности производится с помощью относительного коэффициента неравномерности
Критерий выбора оптимальных размеров имеет вид kн.о=1, что обеспечивает выполнение условия и соблюдение принципа равнопрочности.
При оптимизации деталей АФТ по принципу равнопрочности исключается необходимость в определении зависимостей Е0 л всех деталей от их размеров, а достаточно иметь зависимость Еоц от rо и Ro/r0 при заданных изменениях параметров эксплуатации. Это позволяет значительно сократить экспериментальную и расчетную части работы.
Процесс оптимизации производится с использованием зависимостей относительного коэффициента неравномерности к от размеров при выбранных значениях г и Ro/ro. Соотношение Ro/r0 определяется заданной величиной волнового сопротивления W. В качестве г выбирается наибольшее значение из результатов теплового и электрического расчетов. В последнем случае отсутствие короны в процессе эксплуатации обеспечивается величиной, определяемой графическим решением уравнения
где Едоп — наибольшая напряженность в системе коаксиальных цилиндров, допустимая в процессе длительной эксплуатации
при выбранном рабочем напряжении Up и частоте; k3 — коэффициент запаса.
Рис. 11.15. Зависимость оптимального относительного радиуса закругления кромки ступенчатого перехода от отношения диаметров соединения фидеров и волнового сопротивления (№=75 Ом — сплошные кривые; №=50 Ом —штриховые кривые)
Зависимость напряженности от геометрических размеров определяется экспериментально для системы коаксиально-цилиндрических электродов в выбранном режиме; величина k3 задается на основании данных длительной эксплуатации.
Зависимости коэффициентов от размеров определяются с использованием картин электрических полей по методике, изложенной в начале данного параграфа, где в качестве электродов рассматриваются детали АФТ, влияющие на изменение картины электрического поля. При соединении фидеров разного диаметра (рис. 11,13, а) фидер меньшего диаметра имеет большую напряженность у поверхности внутреннего проводника. Поэтому в расчете коэффициента kо используется величина lЦ = lЦ min — расстояние между внутренним цилиндром фидера меньшего диаметра и эквипотенциалью 0,9 в регулярной области.
На рис. 11.14, а представлены зависимости коэффициента kH от размеров ступенчатого перехода в области / локальной неравномерности.
По этим графикам с помощью критерия оптимизации kn =1 построены на рис. 11.15 зависимости оптимального относительного радиуса закругления кромки R/Donт от соотношения диаметров соединяемых фидеров d/D и волнового сопротивления W.
Аналогично можно получить зависимости оптимального относительного радиуса закругления кромки остальных вариантов рис. 11.14 от волнового сопротивления.
Размеры выбираемые с помощью приведенных зависимостей, являются оптимальными, так как обеспечивают при заданной электрической прочности в области локальной неравномерности наименьшую трудоемкость изготовления, а следовательно, и наибольшую технологичность. Графоаналитический метод, основанный на условии равнопрочности, позволяет определять оптимальные размеры элементов АФТ, обеспечивающих надежную работу.
Для закрепления внутреннего электрода относительно внешнего применяются различные изоляционные конструкции.
Обычно применяемые изоляционные шайбы дисковой формы, помимо обеспечения электрических свойств, должны также обеспечивать требуемые радиотехнические параметры АФТ, в частности постоянство волнового сопротивления по всей длине фидера. Для компенсации скачкообразного изменения волнового сопротивления в месте установки и крепления шайб оба электрода должны иметь кольцевые углубления на всю толщину шайбы или снабжаться фланцами для ее укрепления. Неравномерность электрического поля в этой зоне снижает электрическую прочность изоляционного промежутка. Варьированием формы и размеров центрирующих шайб можно компенсировать это снижение.
В практике используются дисковые шайбы, имеющие в сечении трапецеидальную форму, с сечением в виде ломаной трапеции, вогнутой и выгнутой чечевицы, конические и др.
В технологическом отношении помимо дисковой формы целесообразно применять трапецеидальные шайбы, которые характеризуются также несколько большей электрической прочностью. Кроме увеличения пути тока утечки наклонное положение сторон создает благоприятное увеличение объема диэлектрика в радиальных сечениях от внешнего электрода к высоковольтному внутреннему. Поэтому вынужденное изменение диаметра на электродах в местах заделки шайбы происходит не скачком, а плавно, что уменьшает местную неоднородность поля в зоне армирования шайбы.
Описание зависимости коэффициента неравномерности электрического поля от варьируемых геометрических размеров может находиться методом планирования эксперимента при варьировании отношения радиусов внутреннего и внешнего электродов, а также угла наклона стороны трапеции.
Можно показать, что приведенный коэффициент неравномерности электрического поля минимизируется при уменьшении отношения R1/R2 и при увеличении значения угла наклона Θ.
Рис. 11.16. Схематическое изображение трапецеидальной шайбы между внутренним и внешним электродами и зависимости приведенного коэффициента неоднородности k от угла наклона Θ для значений R2/R1—а и зависимости Е от угла наклона для расчетных значений (штриховые кривые) и для экспериментальных (сплошные кривые) — б
Отношение R2/R1 определяет волновое сопротивление фидера:
Для волновых сопротивлений 75 и 150 Ом отношение R2/R1 получается небольшим, что и требуется по модели. Угол Θ следует выбирать для данного отношения с учетом конструктивных ограничений по размеру меньшего основания трапеции, прилегающего к внешнему электроду, в пределах 20... 30° (табл. 11.9).
Таблица 11.9
Результаты расчетов приведены на рис. 11.16.
Из приведенных расчетов вытекают следующие выводы:
- Центрирующие шайбы коаксиальных фидеров трапецеидальной формы имеют относительно простую технологическую форму, повышающую электрическую прочность изоляционного промежутка за счет увеличения пути тока утечки и за счет плавного увеличения объема диэлектрика в пространстве между электродами.
- Геометрические размеры шайбы выбираются по расчетной теоретической модели. Отношение R2/R1 минимизируют в пределах 0,3... 0,2, а угол Θ наклона стороны трапеции максимизируют до значения примерно 20 ... 30°.
- Используя полученную модель для оценки приведенного коэффициента неравномерности, можно подобрать угол Θ (или отношение R2/R1), обеспечивающий приемлемые значения коэффициента 22,0 ... 23,0.
Рассмотренный тип шайбы трапецеидальной формы, несмотря на более высокое напряжение поверхностного пробоя и обеспечение волновых характеристик АФУ, обладает определенными технологическими и экономическими недостатками по сравнению с плоской шайбой. Особые трудности возникают при массовом изготовлении трапецеидальных шайб больших размеров. Для трапецеидальной формы шайб значительно возрастает расход дефицитного фторопласта из-за увеличения толщины заготовки почти в 2 раза. Одновременно возрастают трудоемкость и отход дефицитного и дорогого материала в стружку.
Использование дисковых перфорированных фторопластовых шайб, в свою очередь, имеет следующие недостатки:
- сложность сборки АФТ, связанной с необходимостью равномерной затяжки фланцев без воздушных включений между фторопластом и металлом; наличие воздушных включений приводит к образованию частичных разрядов (ЧР) и преждевременному разрушению фторопласта;
- наличие дополнительного запасного количества шайб из-за низкой короно- и дугостойкости фторопласта;
- повышение мощности вентиляторов охлаждения из-за препятствий воздушному потоку, создаваемых шайбами;
- низкие удельные нагрузки на шайбы из-за хладотекучести фторопласта;
- образование в процессе эксплуатации несмываемых загрязнений на поверхности фторопластовых шайб, которые снижают поверхностную электрическую прочность; удаление загрязнения возможно только механическим путем.
Более рациональной представляется система изоляции с использованием опорных изоляторов из трубок на основе высокочастотных материалов. Конструкция таких изоляторов обладает для высокочастотных коаксиальных устройств существенными преимуществами: по сравнению с шайбовой конструкцией разработанная форма электродов для трубчатых изоляторов (§ 6.1) позволяет достигнуть высокой степени равномерности электрического поля;
улучшаются условия принудительного охлаждения фидерного тракта вследствие отсутствия изоляционных шайб, препятствующих движению воздушного потока.
или на основе опорных изоляторов из стержней: использование 1...4 опорных изоляторов для крепления внутреннего токовода более чем в 50 раз сокращает расход изоляционных материалов;
Рис. 11.17. Схематическое изображение опорного трубчатого изолятора между наружными и внутренними трубами коаксиального антенно-фидерного тракта (цифрами показана напряженность электрического поля при U=80 кВ)
трубчатые изоляторы по своим термоупругим свойствам позволяют эксплуатацию при более высоких частотах, чем стержневые из аналогичного материала;
При рассмотрении трубчатого изолятора предусматривается выполнение следующих условий:
обеспечение равномерного электрического поля, что гарантирует минимальные массогабаритные характеристики и максимальную электрическую прочность;
отсутствие при напряжениях, меньших 1,2Uр, частичных разрядов внутри и на поверхности тела изолятора, что исключает преждевременное разрушение диэлектрика и появление радио- помех;
надежность электрического контакта тела изолятора с металлическими элементами тракта; механическая прочность изолятора.
С целью уменьшения расхода латуни выбрана арматура минимальной массы. Выравнивающий эффект электрического поля достигается совместным использованием арматуры изолятора и поверхностей внутреннего и внешнего тоководов.
Окончательный вариант трубчатого стеатитового изолятора для АФТ и его установка представлены на рис. 11.17. Видно, что арматура сочленяются с внутренней поверхностью внешнего проводника АФТ таким образом, что трубы являются естественным продолжением арматуры изолятора.
