6.3 Измерения разности фаз.

Фаза является величиной, характеризующей аргумент синусоидальной функции времени, описывающей колебательный процесс. Фазой напряжения , является величина . Очевидно, мгновенная фаза линейно зависит от времени. Поэтому для двух гармонических колебаний с разными частотами

(6.32)

разность фаз также является линейной функцией времени.

В практике радиоизмерений наиболее важной измерительной задачей является измерение разности фаз двух гармонических колебаний с равными частотами. При этом разность фаз равна разности начальных фаз:

(6.33)

Модуль этой величины называют фазовым сдвигом. Для двух негармонических колебаний понятие разности фаз можно ввести как разность моментов времени , в которые эти колебания имеют одинаковые фазы, например, если в моменты перехода колебаний через нуль их напряжения будут иметь одинаковые направления изменений, можно выразить разность фаз через разность моментов времени, приравнивая мгновенные фазы

Откуда

(6.34)

где T - это период. В этом случае измеряют время задержки  которое определяется формулой:

(6.35)

В качестве , то есть меры разности фаз, могут быть применены либо фазовый сдвиг, создаваемый мерой фазового сдвига, либо известный интервал времени, в качестве которого используется период колебаний со стабильной и хорошо известной частотой. Рассмотрим меры фазового сдвига, устройства и методы измерения разности фаз.

6.3.1 Фазовращатели - меры фазового сдвига.

Фазовращателем называется устройство, с помощью которого вводится в электрическую цепь известный и регулируемый фазовый сдвиг. Если фазовращатель используется в качестве меры фазового сдвига, то к нему придается шкала, градуировочный график или таблица, позволяющие производить отсчет вносимого фазового сдвига. Конструкция, принцип действия фазовращателя зависят от диапазона частот, для которого он предназначен.

Низкочастотные фазовращатели создают на основе неуравновешенного четырехплечного моста (рис. 6.18).

На плечи и равных сопротивлений подают входное напряжение . Плечи и являются фазосдвигающими: напряжения и сдвинуты относительно друг друга на 90. Сумма этих напряжении всегда равна входному напряжению. Сопротивление можно изменять от нуля до бесконечности; емкость постоянна. При изменении сопротивления значения и изменяются. На векторной диаграмме (рис. 6.19) показано взаимное расположение векторов напряжений в этой схеме. Выходное напряжение снимается с диагонали моста и его вектор при изменении сопротивления резистора описывает полуокружность. Из рассмотрения векторной диаграммы следует, что , а . Таким образом, при изменении сопротивления резистора от нуля до бесконечности фазовый сдвиг изменяется от 0 до 180, если . Практически между нагрузкой и выходом фазовращателя включают усилитель или повторитель с конечным , так что пределы изменения фазового сдвига составляют приблизительно от 10 до 160.

Такой фазовращатель предназначен для работы на одной частоте. При переходе на другую частоту необходимо использовать другой градуировочный график или подключать другой конденсатор.

С

хема рис. 6.20 обеспечивает фазовый сдвиг от 0 до 360. Изменение фазы на выходе фазовращателя при данной частоте и постоянной емкости конденсаторов осуществляется одновременным и одинаковым изменением сопротивлений сдвоенных резисторов и . Емкостные фазовращатели применяются при низких частотах сигналов. В конечном счете в фазовращателе производится преобразование сопротивления в фазовый сдвиг относительно . Сам фазовращатель является перестраиваемой многозначной мерой фазового сдвига.

Для сверхвысоких частот применяют фазовращатели, принцип действия которых основан на изменении электрической длины тракта. К таким фазовращателям относятся фазовращатели тромбонные и диэлектрические. Волноводный фазовращатель (рис. 6.21) включает фазовый сдвиг, пропорциональный удвоенному перемещению U-образной подвижной части:

где - длина волн в волноводе.

Т

аким образом, отсчитывая перемещение подвижной части, определяют изменение сдвига фазы. Диэлектрический волноводный фазовращатель (рис. 6.22) состоит из отрезков волновода, внутри которого параллельно вектору E электромагнитного поля помещена тонкая пластина из высококачественного диэлектрика. Форма пластины подбирается такой, чтобы отражения от нее были минимальными. При ее перемещении от узкой стенки к оси волновода изменяется длина волны в частично заполненном диэлектриком волноводе и, следовательно, изменяется электрическая длина при фиксированной геометрической длине. Отсчет перемещения производится по микрометрическому винту, отградуированному в значениях фазового сдвига. Аналогичным образом действует ферритовый фазовращатель, в котором вместо диэлектрика применяется специальный феррит, а изменение в области, частично заполненной ферритом, обеспечивается изменением тока подмагничивания феррита. В этом случае отсчет производится по изменению значения тока подмагничивания.