3.6.3 Устройства управления фазой направляемых волн

Устройства, предназначенные для управления фазой эмв, называют фазовращателями (ФВ).

Управление фазой колебаний СВЧ в антенной технике обеспечивается при помощи ФВ, управляемых магнитными или электрическими полями.

Условную классификацию ФВ, позволяющих плавно или скачкообразно (дискретно) изменять фазу колебаний СВЧ, можно провести по следующим признакам:

• принципу действия и назначению;

• допустимому уровню СВЧ мощности (импульсной, непрерывной);

• рабочему диапазону частот (длин волн);

• конструктивному выполнению (волноводные, коаксиальные, полосковые или микрополосковые и др.).

К параметрам ФВ предъявляются следующие требования:

• полоса рабочих частот не менее 5 – 15% от несущей частоты;

• пропускаемая мощность в импульсе 5-220 кВт, средняя -5-50 Вт;

• время переключения 0,1 – 100 мкс;

• потери не более 0,5 – 1,5 дБ;

• хорошее согласование К_св, 1,5.

Существует три основных способа управления фазой: непрерывный (аналоговый) – фазовый сдвиг изменяется плавно; дискретный – фазовый сдвиг изменяется скачком на величину f; дискретно-коммутационный – управление фазой осуществляется путем включения или отключения отрезков линий передачи (с помощью p-i-n – диодов), изменяющих общую длину тракта.

Рассмотрим основные типы ФВ.

Существует два основных типа ФВ: ферритовые и полупроводниковые.

Ферритовые ФВ. В основу их работы положены зависимости магнитной проницаемости феррита от величины напряжения управляющего внешнего магнитного поля Н_о. Они позволяют получить как плавное, так и дискретное изменение фазы в пределах от 0 до 360 градусов.

На практике используются ФВ как с продольным, так и с поперечным управляющим магнитным полем (рис.3.35,а и рис.3.35,б соответственно).

Рис.3.35. Основные типы ФВ.

Дискретные ФВ обеспечивают «набег» фазы f, 2f, 4f ...

В ФВ на ферритах, управляемых внешним магнитным полем, необходимо использовать электромагниты (в большинстве случаев значительных по массе и габаритам), которые имеют быстродействие 10^-6-10^-5 с, что ограничивает их применение. В этом отношении более перспективны ФВ СВЧ на полупроводниковых приборах, в которых управление фазовым сдвигом происходит под действием электрического поля.

Полупроводниковые ФВ. В них используются полупроводниковые элементы с различной структурой (p-n, p-i-n), сегнетоэлектрики и др. Они позволяют получать как плавное, так и дискретное изменение фазы ЭМВ. В полупроводниковых ФВ используется изменение полного входного сопротивления полупроводниковых приборов под действием управляющего напряжения. Различают проходные (рис.3.36,а) и отражательные ФВ (рис.3.36,б).

Для плавного изменения фазы в аналоговых полупроводниковых ФВ используют кремниевые диоды или диоды с переменной емкостью (варакторы).

Значительно больший интерес представляют дискретные полупроводниковые ФВ. В них используют переключательные p-i-n диоды с двумя состояниями («открыт-закрыт»). Чаще всего такие ФВ строят на основе микрополосковых линий.

Простейший проходной ФВ содержит два отрезка линий различной длины (l₁,l₂), коммутация которых обеспечивается подачей управляющего напряжения на пары диодов Д₁,Д₂ или Д₃,Д₄ (рис.3.36,а). При этом обеспечиваются соответственно фазовые сдвиги

f₁ = (2/_д)·l₁ или f₂ = (2/_д)·l₂,

где _д – длина волны в диэлектрике. Разность фаз в проходном ФВ равна  = ₁-₂. Последовательное включение таких ФВ может обеспечить изменение фазы в заданных пределах с дискретностью .

К преимуществам ФВ этой группы можно отнести следующее:

• диоды вносят практически одинаковые потери при обоих значениях фазовой задержки (небольшие отклонения возможны лишь за счет изменения длины переключаемых отрезков линий);

• схема компактна (особенно для малых фазовых сдвигов) и удобна для микрополоскового исполнения.

Недостатками являются относительно большое число диодов (до четырех на один элемент ФВ) и необходимость подачи разнополярных управляющих сигналов.

Основными элементами отражательных ФВ с непрерывным изменением фазы являются, как правило, короткозамкнутые отрезки линий с варакторами – отражательные секции. Они могут соединяться с общим трактом либо непосредственно, либо через многополюсники. Управляемые элементы регулируют фазу сигнала на пути к короткозамыкателю и обратно.

Простейший отражательный ФВ содержит короткозамкнутый (КЗ) отрезок, коммутируемый диодом Д (рис.3.36,б). При подаче управляемого напряжения на диод он закорачивает линию. При этом вносится разность фаз ( = (2/_д)2·l), зависящая от длины КЗ отрезка l.

К недостаткам полупроводниковых ФВ этого типа следует отнести достаточно большую неравномерность вносимых потерь в диапазоне изменения фазы. Это ограничивает область применения этих ФВ.

Рис.3.36. проходные (а) и отражательные (б) ФВ.

В заключении следует отметить, что устройства управления фазой СВЧ сигналов, т.е. фазовращатели находят самое широкое применение в фазированных антенных решетках (ФАР) и активных ФАР

(АФАР). Основные требования к ФВ в этом случае заключаются в следующем: высокое быстродействие и малая энергия управления; высокая точность и стабильность фазовых сдвигов; широкополосность, малые потери, высокая добротность; высокий уровень импульсной и средней СВЧ мощности.