Фазовращатель. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Фазовращатель - устройство, осуществляющее поворот фазы электрич. сигнала. Широко используется в разл. радиотехн. устройствах - антенной технике, технике связи, радиоастрономии, измерит. технике и др. (см. также Антенна, Радиоприёмные устройства, Радиопередающие устройства). Ф. подразделяются на фиксированные (с фиксированным фазовым сдвигом) и регулируемые (с регулируемым фазовым сдвигом).

Простейшим фиксированным Ф. является отрезок линии передачи. Фазовый сдвиг, вносимый таким Ф.,

где l-длина Ф., l - длина волны в линии передачи .В таком Ф. фазовый набег пропорц. рабочей частоте. Диффе-ренц. фазовый сдвиг, являющийся разностью фазовых сдвигов, вносимых трактом с Ф. (р а б о ч и й к а н а л) и трактом без Ф. (о п о р н ы й к а н а л), в этом случае также пропорц. частоте. Введением спец. корректирующих цепей можно получить постоянный в диапазоне рабочих частот фазовый сдвиг в рабочем канале относительно фазового сдвига в опорном канале. В качестве корректирующих цепей используется обычно одна или неск. секций связанных однородных линий, каскадно соединённых между собой, как показано на рис. 1. Соответствующим выбором параметров связанных линий в Ф. может быть получен заданный фазовый сдвиг относительно опорного канала, не изменяющийся в полосе рабочих частот. Типичные фа-зочастотные характеристики Ф. на связанных линиях и линии опорного канала приведены на рис. 2. Для получения фиксированного фазового сдвига, равного 90°, могут использоваться направленные ответвители с равным делением мощности, в выходных плечах к-рых сигналы сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90° во всём диапазоне рабочих частот.

Рис. 1. Фазовращатель на связанных линиях передачи.

Рис. 2. Фазочастотные характеристики рабочего и опорного каналов фазовращателя на связанных линиях передачи.

Регулируемые Ф. подразделяются на Ф. с электрич. и "ручным" управлением. В Ф. с "ручным" управлением регулировка фазы может осуществляться за счёт изменения геом. длины линии либо за счёт изменения длины волны в линии. Геом. длина может регулироваться, напр., в телескопич. конструкции линии. Регулировка длины волны в линии может осуществляться регулировкой параметров заполняющей среды, напр., при помощи перемещения в линии диэлектрич. пластины с достаточно высокой ди-электрич. проницаемостью. Электрич. регулировка фазы осуществляется с помощью активных элементов с управляемым сопротивлением, в качестве к-рых могут применяться полупроводниковые диоды.

Рис. 3. Фазовращатель типа периодически нагруженной линии.

По характеру перестройки фазы Ф. подразделяются на аналоговые и дискретные соответственно с плавной и ступенчатой регулировкой вносимого фазового сдвига. По методу построения-на проходные и отражательные. Ф. проходного типа используют свойство изменения фазы коэф. передачи при изменении нагрузки линии, а Ф. отражательного типа - фазы коэф. отражения. Пример ячейки проходного Ф., выполненного по схеме типа периодически нагруженной линии, приведён на рис. 3. Фазовый сдвиг Ф., вносимый такой ячейкой, и коэф. отражения от входа Г_вх определяются ф-лами

где Y_о - волновая проводимость линии, В-реактивная проводимость нагрузок линии, q=2pl/l -электрич. длина линии, l-геом. длина линии. Если

то ячейка Ф. оказывается согласованной. При изменении проводимости В в процессе регулировки вносимого фазового сдвига возникаем рассогласование. Макс. величина фазового сдвига в Ф. типа периодически нагруженной линии ограничивается допустимым уровнем рассогласования.

Рис. 4. Фазовращатели с фильтрами верхних и нижних частот Т- и П-типов.

Другой разновидностью проходного Ф. является Ф. с фильтрами верхних (ФВЧ) или нижних (ФНЧ) частот. Схемы таких Ф. с ячейками Т- и П-типов приведены на рис. 4. Фазовый сдвиг и коэф. отражения от входа ячейки Ф. Т-типа определяются ф-лами

Здесь X, В-соответственно последовательное реактивное сопротивление и параллельная реактивная проводимость ячейки,

-волновое сопротивление линии. Как видно из (5), Г_вх = 0, если

Для Ф. П-типа в ф-лах (4)-(6) X и В меняются местами. Если условие (6) в процессе регулировки выполняется, то Ф. остаётся согласованным во всём диапазоне регулировки фазы. Одновременная регулировка ёмкостных и индуктивных элементов фильтров, при к-рой условие (6) выполняется, затруднительна. Поэтому Ф. с ФВЧ и ФНЧ, как правило, используются для дискретной регулировки фазы. Переключение фазы в таких Ф. осуществляется переключением фильтров ФВЧ и ФНЧ. Схема ячейки дискретного Ф. с ФВЧ и ФНЧ приведена на рис. 5. В каждом из фильтров

Ф. условие (6) должно выполняться. Эта схема дискретного Ф. по принципу работы близка к Ф. типа переключаемых каналов. В этих Ф. переключаются не фильтры, а отрезки линий передачи (каналы), имеющие разл. длины.

Рис. 5. Дискретный фазовращатель с фильтрами верхних и нижних частот.

Рабочий канал может содержать описанную выше корректирующую цепочку для выравнивания фазочастотной характеристики.

В Ф. отражательного типа фаза коэф. отражения регулируется сопротивлением оконечной нагрузки линии. Зависимость фазы коэф. отражения от сопротивления нагрузки

Если сопротивление нагрузки линии носит чисто реактивный характер, что, как правило, имеет место в аналоговых Ф., где используются управляющие элементы с малыми активными потерями, такие, как диоды с нелинейной ёмкостью, работающие при обратном смещении р-n-пере-хода, то

где Х_н - реактивное сопротивление нагрузки линии.

Рис. 6. Комплексные плоскости коэффициентов отражений Г в сечении переключательного элемента (а) и на входе четырёхполюсника (б).

В дискретных Ф. в качестве управляющих элементов применяются pin-диоды, переключательные диоды с Шоттки барьером и др. В этих диодах необходимо учитывать активные потери, к-рые к тому же могут не оставаться постоянными при переключении. Если переключат. элемент непосредственно включить в линию, то фазы и амплитуды отражённых волн будут определяться комплексными коэф. отражений Г₁ и Г₂, соответствующими сопротивлениям переключат. элемента в каждом из состояний

На комплексной плоскости коэф. отражений Г, показанной на рис. 6 (а), эти коэф. отражений изображаются радиус-векторами ОГ₁ и ОГ₂, лежащими внутри единичной окружности C₁. Для получения необходимой разности фаз с пост. значениями амплитуд отражённых волн в каждом из состояний (или с заданным отношением амплитуд) перед переключат. элементом включается спец. четырёхполюсник, осуществляющий преобразование коэф. отражения Г₁ и Г₂ в сечении переключат. элемента в коэф. отражения

на входе четырёхполюсника. На комплексной плоскости коэф. отражений r, показанной на рис. 6 (б), эти коэф. отражений изображаются радиус-векторами

внутри единичной окружности С₂. Преобразование единичной окружности в единичную окружностъ осуществляется дробно-линейным конформным отображением вида

где

-точка внутри единичного круга в комплексной плоскости Г, переходящая в центр единичного круга в комплексной плоскости р;

-число, комплексно сопряжённое с числом Г₀;q-произвольное действит. число, определяющее поворот конформного отображения относит. центра r₀=0. Выбором положения точки Г₀ в единичном круге С₁ на комплексной плоскости Г можно добиться необходимого положения радиус-векторов r₁ и r₂ на комплексной плоскости коэф. отражения. Для этого должны выполняться условия

где DФ, h -заданные значения сдвига фаз и отношения амплитуд векторов коэф. отражения Ф. Поскольку точка Г₀ переходит в центр единичной окружности на преобразованной плоскости коэф. отражения r, то она оказывается согласованной в этой плоскости. Следовательно, функция четырёхполюсника, включённого перед переключат. элементом, сводится к согласованию нек-рого фиктивного комплексного сопротивления

соответствующего коэф. отражения Г₀. Это фиктивное сопротивление, называемое "согласуемый импеданс", определяется сопротивлениями переключат. элемента в каждом из состояний и заданными параметрами Ф. и может быть найдено по коэф. отражения Г₀, определяемому ф-лами (10), (11). Напр., для Ф. на 180° с равными амплитудами в каждом из состояний

Для обеспечения заданных параметров Ф. в широкой полосе частот необходимо согласование согласуемого импеданса Z_c во всей рабочей полосе частот.

Разделение падающей и отражённой волн в Ф. отражат. типа осуществляется при помощи спец. развязывающих устройств, таких, как Y-циркуляторы или направленные ответвители с равным делением мощности в выходных плечах. Работа Ф. отражат. типа с Y-циркулятором основана на однонаправленном прохождении сигнала по Y-циркулятору. Сигнал, поданный на один из входов Y-циркулятора, полностью поступает на др. его вход, к к-рому подключена отражат. ячейка Ф. Отражённый от ячейки сигнал поступает на третий вход Y-циркулятора, являющийся выходом Ф.

В Ф. с направленным ответвителем отражательные ячейки подключают к прямому и ответвлённому плечам. Сигналы, поступающие со входа направленного ответвителя на отражат. ячейки, равны по амплитуде и находятся в квадратуре. Отражённые от отражат. ячеек сигналы поступают на вход и выход Ф. Если отражат. ячейки идентичны, то на входе направленного ответвителя сигналы находятся в противофазе, а на выходе - в фазе и, следовательно, полностью поступают на выход Ф. В качестве развязывающих устройств могут использоваться также кольцевые гибридные соединения длиной 3l/2 Отражат. ячейки подключаются к развязанным входам гибридного соединения. Поскольку поступающий на вход сигнал достигает развязанных входов в фазе, то для обеспечения необходимого 90°-ного фазового сдвига перед одной из отражат. ячеек должен быть установлен дополнительный четвертьволновый отрезок линии либо др. фиксированный Ф. Это при идентичности отражат. ячеек обеспечивает суммирование отражённых сигналов в четвёртом плече гибридного соединения, являющемся выходом Ф., и их отсутствие во входном плече.

Литература по фазовращателям

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.