Антенно-фидерный тракт (АФТ) является частью антенно-фидерной системы. Этот тракт соединяет передатчик с антенной; он включает в себя прямолинейные коаксиальные участки фидера — так называемые области регулярного поля, а также области нерегулярного поля со сложной формой и локальной неоднородностью поля — ступенчатые переходы, концевые заделки фидеров, крестообразные, Т-образные и Г-образные переходы (рис. 9-18).
Изоляционная конструкция АФТ состоит из комбинации воздушных промежутков с различной конфигурацией электродов и изоляторов, фиксирующих электроды АФТ.
Таким образом, разработка изоляции АФТ сводится к оптимизации воздушной изоляции, выбору изоляторов, решению задачи координации изоляции всей изоляционной конструкции с воздействующими напряжениями, а также отдельных элементов конструкции между собой.
Рис. 9-18. Типовые элементы антенно-фидерного тракта с переменной кривизной поверхности: а — ступенчатый переход: б — концевая заделка; в — крестообразный переход; г — Т-образный переход; д — Г-образный переход
Задача оптимизации изоляционных характеристик воздушных промежутков АФТ сводится к тому, чтобы размеры и формы элементов АФТ, выбранные по радиотехническим параметрам, обеспечивали выполнение двух взаимосвязанных условий:
(9-10)
где Emax, Ecр, Едоп, Ен — максимальная, средняя, допустимая и начальная напряженности электрического поля; kн, kдоп — фактическое и допустимое значения коэффициента неоднородности электрического поля промежутка длиной L; Upaб — рабочее напряжение АФТ; kс — коэффициент согласования (запаса), обеспечивающий надежную работу в течение заданного срока службы (гл. 8).
Решение задачи оптимизации АФТ и, прежде всего, минимизация kн, обычно осуществляется для элементов регулярного поля, форма которых определяется волновыми характеристиками фидера и передаваемой по нему мощностью.
Что же касается элементов с нерегулярным полем, то их параметры выбираются путем согласования с соответствующими параметрами элементов с регулярным полем.
В случае соединения фидеров различных диаметров (рис. 9-18,а) в качестве lmin принимается расстояние между электродами наиболее нагруженного в электрическом и тепловом отношениях фидера меньшего диаметра:
Там, где поверхность хотя бы одного из электродов отличается от цилиндрической, определяется коэффициент локальной неоднородности
В случае соединения фидеров разного диаметра (рис. 9-18,д), фидер меньшего диаметра имеет большую напряженность у поверхности внутреннего проводника. Поэтому в расчете kн.0 используется величина lц=lц.min - расстояние между внутренним цилиндром фидера меньшего диаметра и эквипотенциалью 0,9 в регулярной области.
На рис. 9-19,a представлены зависимости kн от размеров ступенчатого перехода в I области локальной неравномерности. По этим графикам с помощью критерия оптимизации (9-20) можно получить зависимости оптимального относительного радиуса закругления кромки (R/D)опт от соотношения диаметров соединяемых фидеров и волнового сопротивления (d/D,Z).
Аналогично можно получить зависимости оптимального относительного радиуса закругления кромки от волнового сопротивления для остальных вариантов, показанных на рис. 9-18.
Размеры, выбираемые с помощью приведенных зависимостей, являются оптимальными, так как обеспечивают отсутствие коронного разряда в области локальной неоднородности, а также наименьшую трудоемкость изготовления.
Для закрепления внутреннего токопровода АФТ относительно внешнего применяются различные изоляционные конструкции.
Наиболее распространенными являются изоляционные шайбы. Форма шайб определяется необходимыми радиотехническими характеристиками АФТ, в частности, постоянством волнового сопротивления по всей длине фидера, а также необходимыми изоляционными характеристиками шайб в соответствии с условиями (9-10).
Для компенсации скачкообразного изменения волнового сопротивления в месте установки и крепления шайб оба электрода должны иметь кольцевые углубления на всю толщину шайбы и снабжаться фланцами для ее укрепления.
Дополнительная неоднородность электрического поля в этой зоне снижает электрическую прочность изоляционного промежутка.
Используются дисковые шайбы, имеющие в сечении вид ломаной трапеции, вогнутой и выгнутой чечевицы, конической и другой формы.
В технологическом отношении целесообразно применение трапецеидальных шайб, которые отличаются также несколько большей электрической прочностью и имеют увеличенную длину пути утечки.
Рассмотрим выбор формы шайб для коаксиальных фидеров с волновыми сопротивлениями от 50 до 150 Ом. Для такого диапазона значений волнового сопротивления отношение внутреннего и внешнего цилиндров должно быть не выше 0,5.
Зависимость неоднородности электрического поля и электрической прочности трапецеидальной шайбы от ее геометрических характеристик можно определить по плану эксперимента при варьировании на трех уровнях двух геометрических факторов (рис. 9-20): отношения радиусов внутреннего R2 и внешнего R1 электродов X1=R2/R1; угла наклона стороны трапеции 0=Х2, (в град.). Уровни варьирования приведены в табл. 9-15.
Таблица 9-16
План экспериментов — сочетания факторов X1 и Х2
Итак, можно сказать, что трапецеидальные шайбы имеют относительно простую и технологичную форму, повышающую электрическую прочность изоляционного промежутка благодаря наклонному расположению поверхности диэлектрика в пространстве между электродами; размеры шайбы выбираются по расчетной модели, при этом отношение R2/R1 выбирается в зависимости от требуемого значения волнового сопротивления Z (для Ζ=15 Ом это отношение равно 0,3—0,2). Угол Θ следует выбирать для данного отношения R2/R1 с учетом конструктивных ограничений по размеру меньшего основания 1рапеции, прилегающего к внешнему электроду, в пределах 20—30°, при этом обеспечивается приемлемое значение коэффициента неоднородности kнпр=22,0—23,0.
Шайбы трапецеидальной формы, несмотря на свои преимущества по напряжению перекрытия и обеспечению волновых характеристик АФТ, обладают определенными технологическими и экономическими недостатками по сравнению с простыми по форме плоскими шайбами. Особые трудности возникают при изготовлении трапецеидальных шайб больших размеров и в массовых количествах. Шайбы обычно вытачиваются из плоских заготовок. При трапецеидальной форме значительно возрастает расход материала из-за увеличения толщины заготовки почти в 2 раза. Одновременно возрастает трудоемкость и увеличивается отход материала.
Для изготовления шайб часто используют фторопласт как удобный в обработке материал. Однако использование фторопластовых шайб имеет свои недостатки:
сложность сборки АФТ, связанной с необходимостью равномерной затяжки фланцев без воздушных включений между фторопластом и металлом;
необходимость в запасных шайбах 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 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 ВЧ коаксиальных устройств существенными преимуществами по сравнению с шайбовой или на основе опорных изоляторов из стержней. Сравнение различных вариантов центрирующих изоляционных конструкций для АФТ показывает:
использование 1—4 опорных трубчатых изоляторов для крепления внутреннего токовода вместо шайбы более, чем в 50 раз сокращает расход изоляционных материалов;
трубчатые изоляторы по своим термоупругим свойствам допускают эксплуатацию при более высоких частотах, чем стержневые из аналогичного материала или шайбы;
разработанная форма электродов для трубчатых изоляторов позволяет получить высокую степень равномерности электрического поля (см. параграф 9-1);
Рис. 9-21. Схематическое изображение трубчатого изолятора между коаксиальными электродами антенно-фидерного тракта. Цифрами указаны значения напряженности электрического поля, МВ/м при напряжении 80 кВ
улучшаются условия принудительного охлаждения фидерного тракта вследствие отсутствия изоляционных шайб, препятствующих движению воздушного потока.
Выравнивающий эффект электрического поля достигается совместным использованием арматуры изолятора и поверхностей внутреннего и внешнего тоководов.
Вариант трубчатого стеатитового изолятора для АФТ показан на рис. 9-21. Видно, что арматура сочленяется с внутренней поверхностью внешнего проводника АФТ таким образом, что токоведущие трубы являются естественным продолжением арматуры изолятора.
