Устройства, управляющие фазой колебаний: фазовращатели
|
Фазовращатели |
|
Условное графическое обозначение |
|
|
|
Общее обозначение |
Регулируемый |
|
Невзаимный (большая стрелка указывает направление |
|
|
большего сдвига фазы) |
|
|
Допускается указывать величину сдвига фазы |
|
Назначение |
Фазовращатели СВЧ предназначены для изменения фазы отраженной или прохо- |
|
|
дящей волны на требуемую величину. |
|
Основные характеристики |
Максимальный управляемый фазовый сдвиг |
|
|
Рабочий диапазон частот |
|
|
Вносимые потери |
|
|
Максимальный КСВн |
|
|
Максимальный уровень мощности |
|
|
Время переключения |
|
|
Плавное или дискретное изменение фазового сдвига |
|
Матрица рассеяния |
|
|
|
|
|
Двухпозиционный в виде нагруженной линии передачи |
Отражательные фазовращатели ОФВ могут иметь входную проводимость y и |
|
|
y , соответственно вносят разные фазовые сдвиги. |
|
|
Как правило, ОФВ имеют одинаковую проводимость. |
|
|
|
|
|
|
Многопозиционный отражательный фазовращатель в виде отрезка |
Используется закороченная линия передачи с включенными параллельно |
линии передачи, шунтированного в ряде сечений коммутационными |
коммутирующими элементами. |
элементами |
Для внесения требуемого фазового сдвига включается соответствующий |
|
коммутирующий элемент. |
|
Волна, бегущая по линии передачи от входа, отражается от включенного |
|
коммутирующего элемента. При этом фазовый сдвиг, который получит волна, |
|
равен = 2β ln, где ln – расстояние от входа до коммутирующего элемента. |
|
|
Отражательный фазовращатель на реактивном многополюснике |
Двухпозиционный на переключаемых отрезках линии передачи. |
|
На выходах реактивного многополюсника включены отрезки линии передачи с |
|
последовательно включенными коммутационными диодами и |
|
короткозамыкателями. |
|
При включении одного или нескольких коммутационных диодов режим |
|
соответствующих отрезков линий передачи переходит из холостого хода в |
|
короткое замыкание, тем самым изменяется фаза коэффициента отражения от |
|
входа многополюсника, что приводит к изменению фазового сдвига отраженной |
|
волны. |
Фазовращатель на коммутируемых отрезках линий передачи |
В фазовращателе используются отрезки линий передачи разной длины, на входе |
|
и выходе которых включены коммутационные диоды. При работе фазовращателя |
|
в каждый момент времени подключен только один отрезок линии передачи. |
|
Вносимый фазовый сдвиг, при прохождении волной n-го отрезка линии передачи |
|
длиной ln равен |
|
= β ln. |
|
Количество фазовых сдвигов определяется количеством отрезков линии |
|
передачи. |
|
|
Варианты исполнения фазовращателей |
|
Волноводное исполнение |
|
Отражательный механический |
Простейший отражательный механический фазовращатель представляет собой отрезок линии передачи с |
фазовращатель |
короткозамыкающим поршнем. Такое устройство характеризуется матрицей рассеяния, вырождающейся в |
|
одно число - коэффициент отражения от входа фазовращателя. При изменении положения поршня в линии |
|
изменяется и фаза коэффициента отражения. |
|
Вносимый фазовый сдвиг = 2 β l, |
|
где l – расстояние от входа до короткозамыкающего поршня. |
1 – волновод, 2 – поршень, 3 – тяга. |
|
Волноводный тромбонный |
Максимальная величина вносимого фазового сдвига определяется величиной 2 l - удвоенным ходом |
|
подвижной части фазовращателя. |
|
|
||
Механический сжимной |
Он состоит из прямоугольного волновода с волной H10 , по оси широких стенок которого прорезаны длинные |
||
|
неизлучающие щели. |
||
|
При сжатии такого волновода со стороны узких стенок уменьшается его размер a , поэтому изменяется |
||
|
критическая длина волны KP 2a и, следовательно, фазовая скорость волны в волноводе |
||
|
Ф c |
1 2a 2 |
. Это приводит к изменению величины фазового сдвига, вносимого фазовращателем. |
|
|
||
Проходной волноводный ФВ на основе |
Он состоит из Н-плосткосного волноводно-щелевого моста, в два соседних плеча которого включены |
||
волноводно-щелевого моста |
отражательные фазовращатели, имеющие по три полупроводниковых выключателя каждый. |
||
|
Колебания СВЧ, подведенные к одному из входов такого фазовращателя, пройдя через мост и отразившись от |
||
|
полупроводниковых выключателей, находящихся в режиме запирания, вторично пройдя мост, проходят на |
||
|
выход фазовращателя. |
||
|
Величина вносимого фазового сдвига зависит от номера замкнутого выключателя верхнего и нижнего |
||
|
отражательных фазовращателей, работающих синхронно, и от расстояния между выключателями l . |
||
|
Дискрет фазы 2 . |
||
|
|
Механический ФВ с подвижной |
Фаза изменяется за счет поперечного перемещения в волноводе диэлектрической пластины. |
диэлектрической пластиной |
Если пластина прижата к узкой стенке волновода, где напряженность поперечных составляющих поля мала, |
|
то фазовая скорость волны в волноводе изменяется незначительно по сравнению с пустым волноводом. |
|
При перемещении пластины к середине волновода напряженность поперечных составляющих поля растет, |
|
уменьшается фазовая скорость волны в волноводе, и поэтому растет величина вносимого диэлектрической |
|
пластиной фазового сдвига. |
|
|
Отражательный на p-i-n диодах |
1 - прямоугольный волновод; 2 - диафрагма; 3 – n-i-p-i-n-диод. |
|
Расстояние между диафрагмами выбирают в зависимости от требуемого дискрета изменения фазы : |
|
2kZ l где kZ - продольная постоянная распространения волны в волноводе. |
|
|
Проходной ферритовый ФВ |
Состоит из отрезка прямоугольного волновода, внутри которого помещен продольно подмагниченный |
на прямоугольном волноводе |
ферритовый стержень. |
(Реджиа-Спенсера) |
Продольное магнитное поле в стержне создает соленоид, намотанный непосредственно на волновод. |
|
Фазовый сдвиг зависит от подмагничивающего поля, которое определяется током, проходящими через |
|
соленоид. При изменении тока в соленоиде изменяется и подмагничивающее поле, которое приводит к |
|
изменению магнитной проницаемости стержня и, следовательно, фазовой скорости проходящей волны. |
|
Недостатком ферритового аналогового фазовращателя является низкая точность установки фазы и |
|
необходимость постоянного протекания управляющего тока через соленоид для поддержания требуемого |
|
фазового сдвига. |
|
Фазовращатель Реджиа-Спенсера взаимный и может быть создан на любую рабочую частоту в диапазоне 8-70 |
|
ГГц. |
Его достоинством являются простота и возможность регулировки фазы в пределах 0-360° при сравнительно слабых управляющих магнитных полях и вносимом ослаблении мощности СВЧ 0,5-1,0 дБ.
Фазовращатель пригоден для использования в сравнительно узкой полосе частот при уровнях средней мощности не более 0,5 кВт.
|
|
1- ферритовый стержень; 2 - соленоид |
|
Невзаимный ФВ |
Невзаимный, или необратимый, фазовращатель основан на различии магнитной проницаемости для двух |
|
направлений вращения круговой поляризации или направлений распространения. Это различие приводит |
|
соответственно к увеличению или к уменьшению фазовых постоянных для двух противоположных |
|
направлений распространения. |
|
Разница по фазе, или так называемый дифференциальный (невзаимный) фазовый сдвиг пропорционален длине |
|
участка с ферритом. |
|
Устройство с дифференциальным фазовым сдвигом, равным 180°, называется гиратором. |
|
Фазовращатель характеризуется добротностью, равной отношению фазового сдвига к вносимым потерям. |
|
Хорошие фазовращатели имеют Q ~ 500-800. |
|
Величина вносимого дифференциального сдвига зависит от параметров феррита, внешнего магнитного поля и |
|
параметров волноводной системы. |
|
В фазовращателе на прямоугольном волноводе для увеличения фазового сдвига и уменьшения общей длины |
|
обычно используют две ферритовые пластины 1, расположенные по обе стороны от средней плоскости |
1 – ферритовые пластины |
волновода, намагничиваемые в противоположных направлениях. |
|
|
Невзаимный проходной ФВ на феррите |
|
с прямоугольной петлей гистерезиса |
|
1 - ферритовые вставки; 2 - согласующие диэлектрические вставки; 3 – проводники IУПР - управляющие импульсы тока
Он состоит из прямоугольного волновода, внутри которого размещены три тороидальных ферритовых элемента, имеющих «прямоугольную» петлю гистерезиса (ППГ). Подмагничивание феррита создается
|
|
|
импульсами тока, протекающего по проводам, проходящим через тороиды. |
|
Амплитуда импульсов IУПР выбирается такой, чтобы феррит достиг состояния насыщения по величине |
|
магнитной индукции B |
|
Значение фазового сдвига, вносимого одним ферритовым тороидом, определяется величиной остаточной |
|
магнитной индукции Br . |
|
Основным преимуществом таких фазовращателей является наличие внутренней магнитной памяти. Она |
|
проявляется в том, что ферриты с ППГ сохраняют состояние намагниченности неограниченно долго, а |
|
управляющий ток протекает лишь при перемагничивании феррита. |
|
Основным преимуществом таких фазовращателей является наличие внутренней магнитной памяти. |
|
Ферриты с ППГ сохраняют состояние намагниченности неограниченно долго, а управляющий ток протекает |
|
лишь при перемагничивании феррита. |
|
Импульсы тока имеют длительность порядка 10-6 с и амплитуду 20-30 А. |
|
Такие ФВ имеют широкое применение и работают в полосе частот 5-10%, внося дополнительные тепловые |
|
потери около 1 дБ при КСВ на входе примерно 1,2. |
|
Уровень средней мощности СВЧ-колебаний, подводимых к входу фазовращателя, может достигать 0,5 кВт. |
|
ФВ невзаимный. |
|
Тороидальные фазовращатели имеют время переключения 0,5-2,0 мкс. |
|
В полосе частот ±5% тороидальные фазовращатели с полным перекрытием фазы 0-360° имеют уровень |
|
вносимого ослабления 0,8-1,2 дБ и характеризуются входным КСВ не более 1,2 во всех фазовых состояниях. |
|
Допустимый уровень средней мощности колебаний СВЧ может достигать 0,2-0,4 кВт, а энергия, требуемая |
|
для перевода фазовращателя из одного состояния в другое, составляет 3-10-4-3 10-3 Дж. |
Электромеханический стрикционный |
Используется электрострикционный эффект, который состоит в деформации некоторых диэлектрических |
ФВ |
материалов, называемых пьезоэлектриками, под действием приложенного к ним электрического напряжения. |
|
Наиболее сильно этот эффект выражен у диэлектрических образцов, выполненных из керамики на основе |
|
цирконат-титанат свинца. Из этой керамики делают тонкие пластинки и склеивают их однополярными |
|
сторонами. Такие двухслойные пластинки называются биморфными. |
|
Под действием электрического напряжения, приложенного к металлизированным сторонам биморфной |
|
пластинки, она выгибается в направлении, определяемом полярностью приложенного напряжения. Величина |
|
прогиба зависит от значения приложенного напряжения. |
|
Прогиб биморфной пластины приводит к уменьшению размера широкой стенки прямоугольного волновода. |
|
Из-за изменения фазовой скорости волны на участке расположения биморфной пластины изменяется фаза |
|
проходящей волны. Напряжение, приложенное к биморфной пластине, составляет приблизительно сотни |
|
вольт. |
|
Такие фазовращатели находят применение в миллиметровом диапазоне волн. |
|
|
Коаксиальное исполнение Коаксиальный тромбонный
Это отрезок линии передачи длиной l, проходя который электромагнитная волна получает фазовый сдвиг ∆φ = 2πl /Λ. Для изменения ∆φ можно или изменять длину отрезка l, или изменять величину фазовой скорости волны в пределах отрезка, т.е. изменять электрическую длину отрезка l/Λ.
Максимальная величина вносимого фазового сдвига определяется величиной 2 l - удвоенным ходом
подвижной части фазовращателя.
Фазовращатель тромбонного типа создает фазовый сдвиг за счет изменения длины электрического тракта. Коаксиальный фазовращатели вносит фазовый сдвиг, пропорциональный удвоенному перемещению U-
образной подвижной части: 
, где λв — длина волны в волноводе. Отрезки коаксиалов длиною λ/4 представляют собой «металлические изоляторы», так как их входное сопротивление равно бесконечности.
Невзаимный ферритовый ФВ с поперечным Невзаимный, или необратимый, фазовращатель также основан на различии магнитной проницаемости для подмагничиванием двух направлений вращения круговой поляризации или направлений распространения. Это различие
приводит соответственно к увеличению или к уменьшению фазовых постоянных для двух противоположных направлений распространения. Разница по фазе, или так называемый дифференциальный (невзаимный) фазовый сдвиг пропорционален длине участка с ферритом. Устройство с дифференциальным фазовым сдвигом, равным 180°, называется гиратором. Фазовращатель характеризуется добротностью, равной отношению фазового сдвига к вносимым потерям.
Вращающееся поле Н в ферритовых образцах обеспечивается частичным заполнением диэлектриком 2 поперечного сечения линии передачи.
Хорошие фазовращатели имеют Q ~ 500-800. Величина вносимого дифференциального сдвига зависит от параметров феррита, внешнего магнитного поля и параметров волноводной системы.
1 – ферритовые пластины; 2 - диэлектрик
Полосковое исполнение
Трехразрядный бинарный ФВ на p-i-n диодах
Поляризационный вентиль. Вентиль, построенный на основе эффекта смещения поля. Резонансный вентиль. Вентили
Условное графическое обозначение
|
|
|
Назначение |
Вентилем (или изолятором) в технике СВЧ называют четырехполюсник, обладающий тем свойством, что величина вносимого |
|
|
им затухания зависит от направления движения волны через вентиль. В зависимости от рабочего диапазона, конструкции и |
|
|
уровня рабочей мощности потери в вентиле при распространении волны в одном направлении обычно лежат в пределах от 0,1 |
|
|
до 1 дБ, а при распространении в обратном направлении достигают 10-70 дБ. |
|
|
Вентили используются как элементы развязки в трактах СВЧ, например, для устранения вредного воздействия отраженной |
|
|
волны на генератор СВЧ-колебаний. |
|
|
Невзаимные четырёхполюсники с малыми потерями в прямом направлении (lпр, дБ) и большим в обратном (lобр, дБ). |
|
Основные |
lОБР |
f |
характеристики |
Характеризуются величиной вентильного отношения B lПР и согласованием (КСВН) в полосе рабочих частот |
f . |
|
Основными характеристиками являются: вносимые потери в прямом направлении Спр, затухание в обратном направлении |
|
|
Cобр, диапазон и полоса рабочих частот, коэффициент стоячих волн (КСВ) Ксв входа в полосе рабочих частот. |
|
|
Эффективность вентиля (качество развязки) можно характеризовать вентильным отношением В (добротностью) - отношением |
|
|
ослаблений обратной и прямой волн, выраженных в децибелах |
|
BCОБР 
СПР ,
CПР 10log PВХ 
PВЫХ , дБ (при прямом прохождении волны); CОБР 10log PВХ 
PВЫХ , дБ (при обратном прохождении волны).
Вреальных конструкциях вентилей СПР обычно составляет величину от 0,1 до 1 дБ, а СОБР - от 10 до 70 дБ.
Коэффициент стоячей волны при этом не превышает 1,1.
Матрица рассеяния
Волноводное исполнение Поляризационный вентиль (вентиль на основе эффекта Фарадея)
|
Вентиль, основанный на эффекте Фарадея, представляет собой круглый волновод, вдоль оси которого |
|
|
расположен тонкий ферритовый стержень, намагниченный в продольном направлении постоянным |
|
|
магнитным полем Н0. Напряжённость магнитного поля Н0 значительно ниже резонансной величины Нрез. |
|
|
На входе вентиля расположена поглощающая пластина. Если в волноводе распространяется волна типа Н11 |
|
|
с поляризацией, показанной на рис., поглощающая пластина создаёт минимальные потери для волны, |
|
1- ферритовый стержень; 2 – переход с |
поступающей со стороны входа вентиля. За счёт эффекта Фарадея плоскость поляризации волны на выходе |
|
вентиля поворачивается на 45° (при соответствующем подборе длины и диаметра ферритового стержня). |
||
круглого на прямоугольный волновод; 3 – |
Плоскость поляризации волны обратного направления поворачивается в ту же сторону еще на 45°. В |
|
поглощающая пластина; 4 - соленоид |
результате электрическое поле отражённой волны оказывается параллельно плоскости поглощающей |
|
|
пластины. Отражённая волна практически полностью поглощается. |
|
|
Поляризационный вентиль (рис. а) состоит из поляризатора на круглом волноводе с волной Н11, принцип |
|
|
работы которого основан на использовании эффекта Фарадея. |
|
|
К входам поляризатора подключены плавные переходы 2 на прямоугольные волноводы I и II, являющиеся |
|
|
входом и выходом вентиля. |
|
|
Внутри переходов размещены поглощающие пластины 3. |
|
|
Параметры ферритового стержня 1 и соленоида 4 подобраны так, чтобы обеспечивать поворот на угол |
|
|
=45º плоскости поляризации, проходящей по круглому волноводу волны Н11. |
|
|
При возбуждении входа вентиля I волной Н10 прямоугольного волновода (рис. б) она в плавном переходе 2 |
|
|
преобразуется в волну Н11 круглого волновода. Это преобразование происходит без поглощения мощности |
|
Зависимость магнитной проницаемости |
СВЧ пластиной 3, так как силовые линии электрического поля проходящей волны перпендикулярны |
|
пластине. Пройдя через поляризатор, плоскость поляризации волны Н11 поворачивается по часовой стрелке |
||
феррита от величины подмагничивающего |
||
поля (+ относится к волне с правой |
на 45°, и силовые линии электрического поля оказываются параллельными узким стенкам выходного |
|
прямоугольного волновода. Второй плавный переход преобразует без потерь волну Н11 круглого волновода |
||
круговой поляризацией, - относится к |
||
в волну Н10 прямоугольного волновода II. При возбуждении прямоугольного волновода II волной Н10 (рис. |
||
волне с левой круговой поляризацией) |
||
в) она без потерь преобразуется в волну Н11 круглого волновода. Пройдя поляризатор, плоскость |
||
1 – поле для эффекта Фарадея; 2 – для |
||
поляризации волны Н11 поворачивается по часовой стрелке на 45°, так как направление вращения плоскости |
||
эффекта смещения поля; 3 – для эффекта |
||
поляризации в эффекте Фарадея определяется направлением подмагничивающего поля Н0 и не зависит от |
||
ферромагнитного резонанса |
||
|