Фазообертач з діелектричною пластиною

Фазообертач такого типу являє собою відрізок лінії передачі (найчастіше відрізок прямокутного хвилеводу), усередині якої розташована пластина з діелектрика з малими втратами на НВЧ (радіокераміка, фторопласт (тефлон), полістирол, кварц). Вона може переміщатися у хвилеводі за допомогою механізму з мікрометричним гвинтом. На рис.6.4 показаний фазообертач такого типу, виконаний

на прямокутному хвилеводі й працюючий на основній хвилі – . Діелектрична пластина на кінцях має скоси або чвертьхвильові сходинки для зменшення відбиття від її кінців.

Рис.6.4. Фазообертач на прямокутному хвилеводі з діелектричною пластиною

Напруженість електричного поля хвилі ТЕ₁₀ уздовж широкої стінки хвилеводу змінюється за синусоїдальним законом і максимальна в центрі широкої стінки хвилеводу (х = а/2). На рис.6.5, а зображена конфігурація силових ліній електричного поля основної хвилі в поперечному розрізі хвилеводу, а на рис.6.5, б – епюри цього поля.

Рис.6.5. Електричне поле хвилі ТЕ₁₀: а – конфігурація силових ліній;

б – епюра електричного поля

У розглянутому пристрої суттєва конфігурація саме електричного поля, тому що матеріал, з якого виготовлена пластина, має , тобто є діелектриком. Діелектрична пластина впливає на електричну складову електромагнітної хвилі. Якщо пластина знаходиться поблизу вузької стінки хвилеводу, де напруженість електричного поля близька до нуля, вона практично не впливає на електромагнітну хвилю. У міру просування пластини до середини хвилеводу, вона входить в області з усе більшою напруженістю електричного поля і її вплив на електромагнітну хвилю зростає. Практично це приводить до зміни довжини хвилі у хвилеводі. Для знаходження залежності довжини хвилі від розташування пластини необхідно вирішити відповідну електродинамічну задачу. Однак зрозуміло і без розрахунків, що при переміщенні пластини до центра, довжина хвилі в лінії передачі зменшується, тому що в середовищі, зайнятому діелектриком, довжина хвилі враз менша, ніж у навколишньому просторі, для якого діелектрична проникність дорівнює одиниці.

Рис. 6.6. Залежність фазового зсуву від розміщення пластини

Це приводить, згідно з формулою (6.1), до збільшення фазового зсуву. Зразок графіка цієї залежності показаний на рис. 6.6.

Для фазообертачів такої конструкції при оптимальній конструкції узгоджуючих скосів може бути отриманий КСХН менший за 1,15 у смузі частот 15% від середньої частоти.

Находить застосування також конструкція, в якій діелектрична пластина занурюється у хвилевід паралельно силовим лініям Е через щілину в середині широкої стінки хвилеводу, яка практично не випромінює. Значення фазового зсуву залежить від глибини занурення. Виконання пластини у вигляді сегмента круга дозволяє забезпечити плавний перехід від порожнистого хвилеводу до хвилеводу з пластиною, чим забезпечується добре узгодження.

Феритовий фазообертач

Недоліком розглянутих вище змінних фазообертачів є те, що вони містять елементи, що переміщуються механічно. Це є причиною низької швидкодії й малої надійності пристрою. Цих недоліків позбавлений феритовий фазообертач. Він складається з лінії передачі, в якій поміщений феритовий стрижень або пластина. Зовні розташований електромагніт, що створює поперечне керуюче магнітне поле або соленоїд, що створює поздовжнє поле. Магнітна проникність намагніченого фериту має тензорний характер і компоненти цього тензора залежать від величини постійного магнітного поля . Довжина хвилі в лінії передачі залежить від магнітної проникності середовища, що заповнює її. Тому, змінюючи величину зовнішнього керуючого магнітного поля, можна змінюватиΛ, і отже, фазовий зсув.

Феритові фазообертачі поділяються на дві групи: взаємні й невзаємні. Якщо фазовий зсув не залежить від напрямку поширення хвилі, фазообертач називається взаємним. Якщо ж Δφ залежить від напрямку поширення хвилі – невзаємним. Ідеальний невзаємний фазообертач – такий чотириполюсник НВЧ, що пропускає НВЧ енергію в обидва боки без втрат, але з різним фазовим зсувом. Його матриця розсіювання має вигляд

. (6.6)

Реальний невзаємний фазообертач описується такими параметрами:

• невзаємний фазовий зсув ;

• втрати, що вносить фазообертач, ;

• КСХН входів;

• робоча смуга частот, де фазовий зсув лежить у потрібних межах, а значення інших параметрів не гірше заданих.

Рис.6.7. Взаємний феритовий фазообертач на прямокутному хвилеводі

На рис.6.7 показана конструкція взаємного феритового фазообертача на прямокутному хвилеводі, керованого поздовжнім магнітним полем (фазообертач Реджіа-Спенсера). Він складається з відрізка прямокутного хвилеводу, на осі якого розташований брусок з фериту зі скосами. Скоси необхідні для зменшення відбиття від кінців зразка. Керування фазою здійснюється зміною величини поздовжнього магнітного поля . Керуюче магнітне поле створюється соленоїдом, розташованим зовні хвилеводу. Його значення змінюється звичайно в діапазоні від нуля до десятків ерстед. Такий фазообертач добре працює на довільній частоті з діапазоном 8–70 ГГц, забезпечує регулювання фази в межах 0–360^о з робочими втратами 0,5–1,0 дБ, КСХН 1,1–1,5.

Хвилевод з феритом є граничним для хвилі з вектором Е, паралельним до широкої стінки хвилеводу, унаслідок цього ефект Фарадея не виявляється. У круглому хвилеводі цей ефект виявляється, що призводить крім фазового зсуву до повороту площини поляризації. Для усунення такого ефекту половини обмоток соленоїду підключаються назустріч одна одній.