Кабельный разъем

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК П 9) 1 49 А 5 О 5 Н 01 й 17/04 ОСУДАРСТВЕН.ОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(57) Использование: для со альных кабелей в проводящей среде. Сущность изобретения: на торцовой поверхности изоляционной втулки 11 вилки 1 о- выполнены концентрические кольцевые выступы 14, а на торцовой поверхности изоляционной втулки 12 розетки 2 соответствующие кольцевые канавки 15.Указанные выступы и канавки, а также центральные контактные элементы 9 и 10 вилки и розетки образуют зазор, заполненный проводящей средой, шунтирующее сопротивление которой больше волнового сопротивления соединенных с вилкой и розеткой и- коаксиальных кабелей, 3,4. 1 э.п, ф-лы, 4.ил.Изобретение относится к электрическим соединителям и может быть использовано для соединения двух коаксиальных кабелей в проводящей среде.Цель изобретения - упрощение конструкции, повышение надежности, расширение функциональных возможностей за счет обеспечения передачи высокочастотных сигналов при работе разъема в проводящих средах.Для повышения надежности и долговечности центральных контактных элементов может быть предложена модификация раэьема, в которой между центральными контактнымиэлементами образован зазор, заполненный проводящей средой, причем сопротивление проводящей среды в зазоре меньше волнового сопротивления кабеля.При большом значении удельной электрической проводимости о превышение величины шунтирующего сопротивления проводящей среды в зазоре, образованном торцевыми поверхностями изоляционных втулок вилки и розетки, над волновым сопротивлением кабеля достигается при достаточно большом диаметре изоляционных втулок (200 мм и более). Поэтому для сокращения габаритов разъема может быть предложена его модификация, в которой на торцевой поверхности изоляционной втулки вилки выполнены концентрические кольцевые выступы, а на торцовой поверхности изоляционной втулки розетки соответствующие им кольцевые канавки. Такое конструктивное решение разьема и его модификаций позволяет обеспечить согласование по волновому сопротивлению волнового канала разъема и стыкуемых кабелей.Благодаря тому, что шунтирующее сопротивление проводящей среды в зазоре между кольцевыми выступами вилки и коль- цевыми канавками розетки выбрано больше волнового сопротивления кабеля, а в зазоре между центральными контактными элементами выбрано меньше волнового сопротивления кабеля, отражение от введенных неоднородностей может быть минимизировано, а вносимая разъемом погрешность определяемая его конструкцией, может быть установлена меньше, чем погрешность оконечной аппаратуры, к которой подключается кабель с разъемом, Проведем доказательно выбранных ограничений,Допустимая величина искажений, напримерр, относительное изменение амплитуды ЬО/О передаваемого сигнала, возникающих в кабельной линии при установке разъема, не должна превышать погрешности применяемой оконечной аппаратуры.Определим минимально допустимую величину шунтирующего сопротивления 2 з 1 проводящей среды в образованном зазоре 10 между центральным и внешними контактными элементами разъема при условии непосредственного контакта между центральными контактными элементами.ьоВеличина - (, как нетрудно доказать, в случае активного 2 з 1, равняется коэффициенту отражения Г от неоднородности тракта. вызванной установкой разъема 20 ЛО О-(О-ГО(2)Коэффициент отражения Г определяется известным выражением: 25Увх 2 вг- (3)где 2 вх - входное сопротивление кабельной 30 линии в точках установки разъема (точки (1) - (1) рис.1); 2 в - волновое сопротивление кНабеля. Согласно фиг,1. величина 2 вх опреИ )деляется выражениеМ: 35=г= - ало ъ Найдем 2 з 1 иэ (5) 2 з 1 ц (-,-у в ) (6)1 2 вИэ (5) следует, что чем больше 2 з 1 тем меньше ЬО/О и Г и, следовательно меньше влияние разъема, Например, для кабельной линии с волновым сопротивлением 50 Ом и погрешностью оконечной аппаратуры 10 численное значение минимально допустимого шунтирующего сопротивления 2 з составит; 231 - ( - 1 - 50) =225 Ом 1 50 2 0,1При погрешности оконечной аппаратуры 5% - примерно 500 Ом, Таким образом, соответственно больше в 4, 5 и 10 раэ волнового сопротивления кабеля,Для случая введения зазора только между центральными контактными элемен тами, схема участка кабельной линии, изображена на фиг.2.Проведем расчет максимально допустимого сопротивления Ез 2 проводящей среды в зазоре между центральными контактными элементами.Согласно рис,2 входное сопротивление Я,Р"2) участка линии в точках (2 К 2) равно:(9) Из (9) следует, что чем меньше величина ЛО/О, тем меньше должна быть величина У 32.Например, для кабельной линии с волновым сопротивлением 7 = 50 Ом и погрешностями оконечной аппаратуры 100 и 50 максимально допустимое значение сопротивления зазора Ез 2 составит 11, 10 м и 3,2 Ом соответственно, что примерно в 5 и 10 раэ меньше волнового сопротивления кабельной линии.При одновременном введении двух зазоров в разъем следует учитывать, что вносимые погрешности будут складываться и поэтому при определении допустимых величин сопротивлений зазоров необходимо ввести запас по погрешности равный 1,5-2 раза,Введение зазоров, выбранных исходя из вышеизложенных условий позволяет отказаться от герметичных конструкций и выполнить разъем приниципиально негерметичным, что в свою очередь позволяет существенно упростить конструкцию разъема, отказаться от компенсаторов давления и герметиэирующих уплотнений. Кроме того, введение зазора между кольцевыми выступами и канавками исключает износ поверхностей изоляционных втуПодставив (7) и (3) и (2) получаем: ЛО Ъ 2- - = =+, - (8) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 лок вилки и розетки, даже при попаданиичастиц песка и ила между поверхностями,Так как стыкуемые контактные элементы разъема находятся в проводящей среде,обеспечивающей надежную токопередачумежду ними, то появлястся возможностьснизить контактное давление в стыкуемыхконтактных парах идаже вообще отказатьсяот соприкосновения контактных элементов,Это исключает износ контактных покрытийи дает воэможность применения в качествематериала для контактных элементов такогонетрадиционного материала для контактовкак титан.В ведение зазора между центральнымиконтактными элементами, кроме того, исключает компрессию при стыковках разьема.Выполнение упора с возможностью перемещения вдоль продольной оси разъемапозволяет регулировать ширину и длину зазора с проводящей средой, т,е. изменятьшунтирующее сопротивление в волновомканале разъема и следовательно оптимально перестраивать его при работе в среде сдругой удельной электрической проводимостью. Чем больше диаметр изоляционныхвтулок, тем длиннее путь токов утечки и,следовательнс, больше шунтирующее сопротивление проводящей среды междувнешними центральными контактными элементами.Выполнение на торцовой поверхностиизоляционной втулки вилки концентрических кольцевых выступов, а на торцевой поверхности изоляционной втулки розеткисоответствующих им кольцевых канавок,позволяет увеличить путь токов утечки безувеличения габаритов разъема,На фиг,3.4 представлен общий вид разьема, включающий все модификации. Кабельный разьем для работы в проводящейсреде состоит из двух частей - вилки 1 ирозетки 2, выполненных из отрезков коаксиальной линии и герметично соединенных скабелями 3, 4 плавными коаксиальными переходами 5, 6.Вилка 1 и розетка 2 содержат конта:;тные элементы 7, 8 и 9, 10 установленные наизоляционных втулках 11, 12 соответственно. Внешние контактные элементы 7, 9 охватывают с внешней стороныизоляционные втулки 11, 12 вилки 1 и розетки 2, и являются продолжением внешнихпроводников сочленяемых кабелей 3, 4,Центральные контактные элементы 8,10 расположены на оси разъема,На наружной поверхности внешнегоконтактного элемента 7 вилки 1 выполненупор 13, взаимодействующий с внешнимконтактным элементом 9 розетки 2, Упор 13имеет воэможность перемещения вдоль продольной оси разъема.На торцовой поверхности изоляционной втулки 11 вилки 1 выполнен концентрический кОльцеоой выступ 14, а на торцевой поверхности изоляционной втулки 12 розетки 2 - соответствующая ему концентрическая кольцевая канавка 15. Торцевые поверхности изоляционных втулок 11, 12 и выполненные на них концентрический кольцевой выступ 14 и концентрическая кольцевая канавка 15 образуют зазор 16, заполненный проводящей средой 17, При этом шунтирующее сопротивление проводящей среды 17 в зазоре 16 больше волнового сопротивления кабеля.Между центральными контактными элементами 8, 10 образован зазор 18, заполненный проводящей средой 17. Сопротивление проводящей среды 17 между контактными элементами 8. 10 в зазоре 18 меньше волнового сопротивления кабеля,Разъем работает следующим образом: При сочленении вилки 1 с розеткой 2 излишний объем проводящей среды свободно вытесняется иэ зоны сочленения сквозь зазоры между сопрягаемыми поверхностями изоляционных втулок 11. 12 модификаций разъема 1 и 4, а в модификации 3 и их зазора между центральными элементами 8, 10. Величина зазора между торцевыми поверхностями изоляционных втулок 11, 12 первой модификации, и между концентрическим кольцевым выступом 14 и канавкой 15 в четвертой модификации, ограничивается упором 13, который предотвращает дальнейшее движение розетки 2, взаимодействуя с ее внешним контактным элементом 9, Практически величины зазоров таковы, что мелкие частицы песка и ил не мешают сочленению, и частично выбрасываются вместе с вытесняемой проводящей средой.Благодаря тому, что контактные элементы 7. 8 вилки 1 и 9, 10 розетки 2 в сочлененном состоянии окружены слоем проводящей среды, между ними обеспечивается надежный электрический контактдаже при отсутствии непосредственного соприкосновения контактных элементов, Это обстоятельство исключает истирание сопрягаемых поверхностей, и, тем самым обеспечивается высокая надежность и длительный срок службы. Требуемое качество передачи высокочастотных сигналов обеспечивается, во-первых, согласованием по волновому сопротивлению сочленяемых кабелей 3, 4 и канала передачи разъема, выполненного иэ отрезков коаксиального231 = 21 + 2 г + 23 + 2 К 1 + 2 кг (10) Сопротивления 211 2 г, 2 з представляютсобой сопротивления слоев проводящей 30 среды в виде колец, В выбранной четвертоймодификации, как показали измерения, эти сопротивления не превышают 5 Ом, что много меньше сопротивлений 2 к 1, 2 кг каналов в виде трубки с,толщиной стенки Ь и 35 длиной 1, Поэтому для оценочного расчетасопротивлениями 21, 2 г, 2 з пренебрегаем.Величины 2 к 1 и 2 кг определяются известной формулой для проводников: 40 2 к 1,г 1/51,гп, (11) где 31,г - площади поперечных сечений каналов в виде трубки:(14) 5501 - внутренний диаметр кольцевой канавки 15. С учетом (13) и (14), а также того, что,4 Ь 401 п формула (12) принимает вид: кабеля и согласованных с ними плавными коаксиальными переходами 5, 6, и, во-первых, выбором величины зазора таким образом, чтобы шунтирующее сопротивление 5 2 з 1 слоя проводящей среды между центральными 8, 10 и внешними 7, 9 контактными элементами было больше. чем волновое сопротивление сочленяемых кабелей,Используя полученные ранее числен ные значения шунтирующего сопротивления зазора 231 и сопротивление зазора 2 аг могут быть рассчитаны геометрические размеры зазоров. Например, для четвертой модификации общее шунтирующее 15 сопротивление 2 з слоя проводящей средымежду центральными контактными элементами 8, 10 и внешними контактными элементами 7, 9 разъема складываются иэ сопротивлений 21, 2 г, 2 з проводящей среды 20 в зазорах между торцевыми поверхностямиизолирующих втулок 11, 12, кольцевого выступа 14 и кольцевой канавки 15 и сопротивлений 2 к 1,г каналов между боковыми" поверхностями выступа 14 и канавки 15.25Аналогично может быть определена площадь поперечного сечения внешнего (относительно поверхности кольцевого выступа) канала в виде трубки с проводящей средой; Яг =л 0 гЬ(16) где Ог - внешний диаметр кольцевого выступа 14Учитывая (15), (16) и (11) формула (10) принимает вид: 2 з.= Ъ + 2 кг - ( + - ) (7)11 При выбранных из практических сооб- ражений О = 10 мм, Ог = 20 мм, Ь = 1 мм, проводимости среды г 1 См/м, а таже рассчитанного ранее значения 2 з = 500 Ом длина 1 трубчатых каналов должна быть равна 10 мм.Проведем расчет требуемых габаритов центральных контактных элементов 8 и 1 О при наличии между ними зазора с проводящей средой. В случае выполнения центрального контактного элемента 8 вилки 1 в виде штыря, а центрального контактного элемента 10 розетки 2 в виде гнезда, образованный зазор между ними представляет собой канал в виде трубки. в которой ток протекает в радиальном направлении от внешней поверхности штыря к внутренней поверхности гнезда (стеканием с торца штыря пренебрегаем).Величину зазора Ь примем равной 1 мм, диаметр штыря б = 3 мм, проводимость среды о, равнойсм/м.Для ориентировочного расчета, учитывая, что Ь в 3 раза меньше б, заменим канал в виде трубки длиной 1 эквивалентной пластиной толщиной П, длиной 1, шириной губ.Сопротивление такой пластины определяется формулой:(19)- 2 лб 0 Я 1 =Рт 01 Ь (15) Найдем иэ (18) выражение для 1; При принятых габаритах штыря величин зазора Ь и учитывая ранее определенную величину 2, вычислим требуемую величину 1: 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 31=. - 3 002 м5 3,14 310 1Таким образом, оценочные расчеты подтверждают возможность создания не- герметичного разъема для передачи ВЧ сигналов в проводящей среде.В качестве материала для контактных элементов 7, 8, 9, 10, упора 13 может быть использован титан, для изоляционных втулок 11, 12 капролон или полиэтилен. Герметизация с сочленяемыми кабелями может быть обеспечена обрезиниванием. Упор 13 может быть выполнен в виде фигурной гайки, связанной резьбовым соединением с внешним контактным элементом 7. вилки 1,Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества:1, Повышение надежности и долговечности за счет введения зазора между сопрягаемыми изоляционными втулками и отказа от непосредственногосоприкосновения контактных элементов, что исключает износ деталей разъема при длительной работе в проводящей среде с присутствием частиц ила или песка,2, Упрощение конструкции, за счет исключения компенсаторов внутреннего давления, эксцентриковых тяг пружин.3, Обеспечение передачи высокочастотных сигналов за счет выполнения вилки и розетки разьема из отрезков коаксиальной линии, согласованной с сочленяемыми кабелями коаксиальными переходами,Формула изобретения 1. Кабельный разъем для работы в проводящей среде, состоящий из двух частей - вилки и розетки, каждая из которых герметично соединена с кабелем и содержит центральный контактный элемент, установленный в изоляционной втулке, о тл ича ющийся тем, что, с цельюупрощения конструкции, повышения надежности и расширения эксплуатационных возможностей путем обеспечения передачи высокочастотных сигналов, вилка и розетка выполнены в виде отрезков коаксиальной линии, внешние проводники которой образуют внешние контактные элементы вилки и розетки, при этом вилка и розетка соединены плавными переходами с коаксиальными кабелями, на наружной поверхности внешнего контактного элемента вилки выполнен упор, взаимодействующий с внешним контактным элементом розетки. на торцевой поверхности изоляционной втулки вилки выполнены концентрические кольцевые выступы, а на торцевой поверхности изоляционной втулки розетки - соответствующие им концентрические кольцевые канавки, центЗаказ 2182 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 ральные контактные элементы вилки и розетки, а также указанные выступы и канавки образуют зазор. заполненный проводящей средой, причем шунтирующее сопротивление проводящей среды в зазоре больше волнового сопротивления кабеля. 2. Разъем по п.1, о т л и ч а ю щи й с ятем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей путем обеспечения работы в средах с различной проводимостью, 5 упор выполнен с возможностью перемещения вдоль продольной оси раэьема.