3. Фазовращатели

Фазовращатели-это устройства, служащие для изменения фазы электромагнитной волны, поступающей на их вход. На практике применяют проходные и отражательные фазовращатели. Проходной фазовращатель является двухплечным устройством. В идеальном случае электромагнитная волна должна проходить со входа на выход такого устройства без отражений и затухания, получая лишь фазовый сдвиг . В этом случае фазовращатель можно представить в виде эквивалентного четырехполюсника, матрица ||S|| которого определяется формулой при N=2, где = S₁₁ = S₂₂= 0; S₁₂ = S₂₁ = exp(-i). Отражательный фазовращатель является одноплечным устройством, которое в идеальном случае полностью отражает электромагнитную волну, поступающую на его вход. При этом фаза отраженной волны изменяется на по отношению к фазе падающей волны. Такой фазовращатель можно представить в виде эквивалентного двухполюсника, описываемого коэффициентом отражения на входе Г=exp(-i). Фазовый сдвиг, вносимый фазовращателем, может быть или фиксированным или управляемым. В фазовращателях с регулируемым фазовым сдвигом величина может изменяться плавно (плавные или аналоговые фазовращатели) или скачкообразно (дискретные фазовращатели). Управление вносимым фазовым сдвигом обычно осуществляют или механическим, или электрическим путем. В механических фазовращателях изменение вносимого фазового сдвига происходит вследствие перемещения отдельных элементов конструкции, а в электрических - под воздействием подаваемых электрических сигналов.

Простейшим фазовращателем проходного типа является отрезок линии передачи длиной , проходя который электромагнитная волна получает фазовый сдвиг = 2/Для изменения можно или изменять длину отрезка , или изменять величину фазовой скорости волны в пределах отрезка, т. е. изменять электрическую длину отрезка/.

На рис.95 изображена схема проходного механического плавного фазовращателя, построенного на основе коаксиальной линии. Перемещением подвижной части изменяется длина линии между входом и выходом устройства. Для устранения отражений проходящей

Рис.95

волны скользящие контакты во внешнем и внутреннем проводниках разнесены, что позволяет обеспечить одинаковое волновое сопротивление Z_B во всех сечениях линии независимо от положения подвижной части. Компенсация отражений в местах скачкообразного изменения диаметров внешнего и внутреннего проводников коаксиальной линии обеспечивается последовательным включением коротких отрезков коаксиальной линии с большей величиной волнового сопротивления, чем Z_B. Эквивалентной схемой таких отрезков является последовательно включенная индуктивность, величина которой подбирается так, чтобы компенсировать влияние емкости в эквивалентной схеме стыка коаксиальных линий с разными размерами металлических проводников.

Изменение фазовой скорости волны, распространяющейся по отрезку линии, можно обеспечить с помощью изменения параметров среды, заполняющей этот отрезок. При этом можно изменять вносимый фазовый сдвиг, не изменяя длину отрезка линии. Пусть в прямоугольный волновод, по которому распространяется волна Н₁₀, введена тонкая диэлектрическая пластина длиной параллельно боковым стенкам волновода. Для уменьшения отражений концы пластины заострены. В этом случае на участке волновода, содержащем пластину, структура электромагнитной волны несколько изменится, поскольку электромагнитное поле появится внутри пластины. При этом часть мощности будет переноситься внутри пластины, а часть - в окружающем ее воздухе. Из-за этого скорость распространения волны на участке волновода с пластиной V будет меньше, чем скорость распространения волны Vф₀ в незаполненном волноводе. Анализ волн в прямоугольном волноводе, частично заполненном диэлектриком, показывает, что увеличивается с увеличением пластины и ее толщины. Конструкция плавного волноводного фазовращателя близка к конструкции поглощающего аттенюатора и отличается от нее только тем, что на диэлектрической пластине фазовращателя отсутствует поглощающий слой. Плавно изменяя расстояние от пластины до узкой стенки, удается плавно изменять вносимый фазовый сдвиг, причем наибольшая величина будет при размещении пластины в середине широкой стенки волновода.

Фазовращатели с электрическим управлением могут быть выполнены на коммутационных диодах СВЧ, на намагниченных ферритах или на сегнетоэлектрических элементах. Наибольшее распространение получили дискретные фазовращатели на коммутационных диодах. Использование полупроводниковых элементов и микрополосковой линии передачи позволяет выполнять конструкции фазовращателей на основе печатных плат или включать в состав интегральных схем СВЧ. В качестве коммутационных диодов обычно используют р-i-n-диоды. Структура такого диода является трехслойной (рис. 96, а): между хорошо проводящими полупроводниковыми слоями с дырочной (слой р) и электронной (слой п) проводимостями расположен достаточно широкий слой с низкой проводимостью, близкой к собственной проводимости полупроводника (слой i). Торцевые поверхности диода металлизируют и используют в качестве выводов. Если к диоду приложить постоянное напряжение, называемое смещением, так, что плюс источника смещения соединен с слоем р, а минус-со слоем п, то сопротивление слоя i, а значит, и всего диода резко уменьшится за счет поступления в этот слой электронов из слоя п и дырок из слоя р. Такое смещение называют прямым. При приложении к диоду обратного смещения (плюс источника смещения соединен со слоем п) сопротивление диода резко возрастает, поскольку все постоянное напряжение оказывается приложенным к слою i , где создается сильное электрическое поле, способствующее удалению свободных зарядов из этого слоя. Поэтому если к диоду одновременно приложить смещение и достаточно малое переменное напряжение высокочастотного сигнала, то для последнего диод будет вести себя по-разному в зависимости от полярности смещения: при прямом смещении диод обладает малым активным сопротивлением R (несколько Ом) и его можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 96, б), где L_s учитывает индуктивность выводов диода; при обратном смещении активное сопротивление диода R. достаточно велико (несколько кОм) и его можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 96. в), где С- учитывает общую емкость диода в этом состоянии (обычно величина С = 0,3...1 пФ).

Рис.96

На основе p-i-n диодов строятся схемы переключателей, устройств, имеющих одно входное плечо и несколько выходных. Прикладывая прямое или обратное смещение к p-i-n диодам, удается высокочастотный сигнал, подаваемый на вход переключателя, передать полностью в одно (любое) из выходных плеч. На рис.97показана эквивалентная схема двухканального переключателя с последовательным включением p-i-n диодов.

Рис.97