Лабораторная работа №2 полупроводниковые фазовращатели

Цель работы: изучение принципов построения полупроводниковых фазовращателей СВЧ. Проведение анализа и синтеза конструкций СВЧ фазовращателей.

Устройства, осуществляющие изменение фазового сдвига , называются фазовращателями. В настоящее время большое распространение получили фазовращатели на полупроводниковых диодных структурах (p-n, p-i-n, p-i-p-i-n). Фазовращатели с полупроводниковыми диодами могут быть как проходными, так и отраженными с непрерывным и дис­кретным изменением фазы.

2.1. Полупроводниковые фазовращатели с непрерывным изменени­ем фазы

Они образуются включением в линию варактора и могут быть выпол­нены по следующей схеме (рисунок 2.1) [6].

Рис. 2.1. Проходной фазовращатель.

Основной принцип работы проходного фазовращателя с непрерывным изменением фазы заключается в том, что при изменении управляющего напряжения изменяется емкостная составляющая полной проводимости диода

(2.1)

а, следовательно, и электрическая длина линии, в которую включена эта проводимость. Недостатком этой схемы является то, что в процессе регулировки фазы фазовращатель вносит большие потери, вызванные отражениями от управляющих элементов. Поэтому фазовращатель харан-теризуют специальным коэффициентом: качеством фазовращателя. Например, одноэлементный фазовращатель имеет качество:

град/дБ,

т.е., с изменением фазы на 15 градусов, потери изменяются на 1 дБ. Улучшение параметров фазовращателя достигается увеличением числа элементов и включением компенсирующих элементов, например, короткозамкнутых шлейфов (рисунок 2.2).

Рис. 2.2. Управляющий элемент с короткозамкнутым шлейфом.

Короткозамкнутый отрезок длиной 1КЗ, подключаемый параллельно с управляемой емкостью на определенной частоте может скомпенсировать либо начальное значение проводимости управляющего элемен­та, либо значение проводимости (Ь), соответствующее установленному значению управляемой емкости. Длина шлейфа может быть определена из выражения:

, (2.2)

где С - значение управляемой емкости при выбранном управляющем напряжении, - длина шлейфа, - длина волны для данной линии

передачи.

Фаза сигнала при прохождении фазовращателя определяется выражением:

, (2.3)

где Фо =Ф1 +Ф2, b - нормированная реактивная составляющая полной проводимости управляющего элемента.

При наличии компенсирующего отрезка вместо b следует подставить

. (2.4)

Фазовый сдвиг при воздействии управляющего напряжения, вызвавшего изменение реактивности АЬ, определяется из выражения:

. (2.5)

Максимальный фазовый сдвиг однозвенного фазовращателя 30-45°. В фазовращателе с n одинаковыми эквидистантно расположенными варакторами при изменении емкости от C_min до С_mах, фазовый сдвиг находится из формулы:

. (2.6)

Формула верна, если коэффициент отражения Г1...Гn = 0,25. Данное выражение может служить основой при выборе числа элементов.

От расстояния между элементами зависит крутизна изменения фа­зы. Например, при она выше, чем при . Потери на от­ражение в такой схеме можно компенсировать лишь для одного значе­ния фазового сдвига , выбрав расстояние между диодами:

/ (2.7)

Отражательные фазовращатели с непрерывным изменением фазы регулируют фазу сигнала на пути к короткозамыкателю, и обратно. Для разделения падающей и отраженной волны может быть использован 3-дБ направленный ответвитесь или ферритовый циркулятор (рисунок 2.3).

Рис. 2.3. Отражательный фазовращатель.

Расчет характеристик таких фазовращателей проводится теми же методами, что и проходных, но полученные значения параметров удваиваются (кроме качества фазовращателя). Например, в случае одинако­вых отражающих секций с одним управляемым элементом без активных потерь и идеальном направленном ответвителе, фазу сигнала можно оценить по формуле:

, (2.8)

где - нормированная емкостная проводимость варактора, l -расстояние от элемента до короткозамыкателя.

Существенным недостатком таких фазовращателей является то, что они обладают сравнительно низким качеством Кф, и значительной неравномерностью вносимых потерь, в диапазоне изменения фазы. Дан­ный недостаток ограничивает область применения таких фазовращате­лей.