8.6. Модуляторы фазы

Модуляторы фазы широко используются в системах УКВ-связи, телевизионных передатчиках СВЧ, в передатчиках радиолокацион­ных станций для формирования радиосигналов ЧМ, ФМ и ФМн при высоких требованиях к стабильности частоты несущего колебания. Кроме того, модуляторы фазы применяются для управления диаграм­мами направленности фазированных антенных решеток.

В идеальном случае модулятор фазы обеспечивает линейную зависимость девиации фазы Дф от управляющего напряжения при постоянстве амплитуды ФМ-колебаний на выходе модулятора и отсутствии ПАМ.

Существует множество принципов и схем для получения ФМ. В радиопередающих устройствах часто применяются схемы, приве­денные на рис. 8.17, а и 8.18, а. В основе обеих схем фазовращатели на резонансных контурах.

В контуры введены варикапы В, емкости которых меняются модулирующим напряжением. Это приводит к расстройке контуров

Рис. 8.17. Фазовый модулятор с двойным Т-мостом (а) и эквивалентная схема его колебательной системы (б)

Рис. 8.18. Модулятор фазы с двумя резонансными контурами (а) и частотные характеристики фазовращателя с двумя резонансными контурами {б)

относительно частоты f₀ колебаний, генерируемых возбудителем. Расстройка контуров при постоянной рабочей частоте f₀ сопровож­дается изменением фазы колебаний на выходе модулятора, т. е. появ­лением ФМ.

Модулятор на рис. 8.17, а содержит два резонансных контура включенных по Т-образной схеме (рис. 8.17, б). В этих контурах эквивалентные емкость С_1э и индуктивность L₂ изменяются с помо­щью варикапов B₁, B₂ под действием модулирующего сигнала U_п,

напряжение которого прикладывается через сопротивления к варика­пам В₂ и В₂. Сравнивая схемы рис. 8.17, а и б, находим

(8.30)

Фазовращатель, показанный на рис. 8.17, б, имеет следующие свойства:

1) если контуры одинаковы и настроены в резонанс на частоту входного напряжения f₀, а сопротивление нагрузки R_H равно при этом характеристическому сопротивлению контуров:

(8.31)

то выходное напряжение оказывается сдвинутым по фазе относи­тельно входного на 180° и равным ему по амплитуде;

2) если одновременно пропорционально изменять С_1э и L_2э в пре­делах ±50 % их значения при резонансе, то изменение фазы выход­ного напряжения достигнет ±90°;

3) входное сопротивление фазовращателя (см. рис. 8.17, б) при изменении С_1э и L_2э остается активным, постоянным и равным R_H.

Коэффициент передачи напряжения также остается постоянным, рав­ным единице.

При постоянстве входного сопротивления фазовращателя и коэф­фициента передачи напряжения обеспечивается отсутствие ПАМ.

К сожалению, зависимость фазы от изменения С_1э, L_2э оказыва­ется существенно нелинейной. К тому же существует нелинейная зависимость С_1э и L_2э от модулирующего напряжения Е_у. В резуль­тате близкую к линейной статическую модуляционную характери­стику φ(Е_у) при отсутствии ПАМ удается получить при небольшой девиации фазы — порядка 10°. На практике требуется большая девиа­ция фазы. Анализ схемы рис. 8.17, б показывает, что можно, умень­шив R приблизительно до 0,4г, получить частичную взаимную ком­пенсацию нелинейности зависимостей φ(С_1э, L_2э) и С_1э(Е_у), L_2э(Е_у) и достигнуть приемлемого уровня нелинейных искажений статиче­ской модуляционной характеристики (К_г в пределах единиц процен­тов) при девиации фазы до ±70°. При этом, однако, возникает ПАМ с глубиной около 70 %. Для ее устранения после модулятора прихо­дится включать усилитель-ограничитель.

Попутно усилитель увеличивает амплитуду модулированного сиг­нала, которая значительно снижается из-за включения аттенюатора (резисторы R₅, R_e на рис. 8.17, а).

Аттенюатор необходим для обеспечения оптимального значения сопротивления нагрузки R_н фазовращателя, на которое не должно

заметно влиять возможное изменение входного сопротивления после­дующих цепей. Конденсаторы С₄—С₇ — разделительные.

При работе на частоте десятки мегагерц типичное значение напряжения смещения Е₀, задающее начальную емкость варикапов, выбирается в пределах 1,5...2,5 В, а амплитуда модулирующего напряжения — около 1 В. Напряжение несущей частоты на входе модулятора устанавливается в доли вольта.

На рис. 8.18, а показан модулятор на основе квазиполиномиаль­ного фильтра, состоящего из пары связанных контуров. Такой моду­лятор предназначен для работы на частотах нижней части СВЧ-диапазона (сотни мегагерц).

Емкость каждого контура складывается из емкости варикапа и последовательно включенного с ним конденсатора, который можно использовать для подстройки контура. В качестве контурной индук­тивности применен заземленный на одном конце и разомкнутый на другом отрезок полосковой линии длиной меньше четверти волны.

Параметры схемы можно подобрать так, чтобы при изменении фазы Аф примерно на ±60° амплитуда напряжения на нагрузке изме­нялась незначительно, в пределах единиц процентов (рис. 8.18, б).

Система из нескольких связанных контуров (см. рис. 8.11) часто используется в качестве полосового фильтра. Как известно, в полосе пропускания фаза коэффициента передачи изменяется в зависимости от частоты почти по линейному закону, а входное сопротивление и модуль коэффициента передачи остаются примерно постоянными. Вполне очевидно, что эти свойства системы связанных контуров сохраняются и в том случае, когда частота колебаний остается посто­янной, а изменяется собственная частота контуров. На этом основано использование такой системы в МФ. Для перестройки контуров, как и в предыдущей схеме, применяются варикапы.

Зависимость фазы напряжения на нагрузке от расстройки контур­ных емкостей, а также затухание в децибелах показаны на рис. 8.19. Максимальное изменение фазы равно п • 90°, где п — число контуров.

При п = 3 пределы перестройки фазы равны ±270°. Из рис. 8.19, а видно, что рабочая область изменения фазы должна быть не выше ±120°. За пределами этой области резко растет затухание, а кроме того, сильно изменяется входное сопротивление фильтра.

Расчет показывает, что коэффициент передачи и входное сопротив­ление трехконтурного фазовращателя почти постоянны в пределах

Рис. 8.19. Зависимости фазы напряжения на нагрузке модулятора фазы φ_мф (а) и затухания коэффициента передачи К_мф (б) от изменения контурных емкостей

изменения фазы ±120°, если характеристические сопротивления кон-ров и сопротивления емкостных связей выбраны из соотношений:

p = ωL= 1/(ωС_в0)≈5,5R_н/Q_х; (8.32)

(8.33)

Здесь Q_x — собственная добротность контуров.

Максимальное изменение емкости варикапов в схеме рис. 8.11, ограниченное областью с незначительной ПАМ,

∆С_в/С_в0 ≈ ±(4,4/Q_х), (8.34)

где С_в0 — значение емкости варикапа при напряжении смещения Е_в0. Максимальная амплитуда модулирующего напряжения должна быть не выше значения

. (8.35)

Коэффициент нелинейных искажений такого МФ составляет еди­ницы процентов.