3.6.3 Пристрої управління фазою хвиль, що направляються
Пристрої, призначені для управління фазою ЕМХ, називають фазообертачами (ФО).
Управління фазою коливань СВЧ в антенній техніці забезпечується за допомогою ФО, керованих магнітними або електричними полями.
Умовну класифікацію ФО, дозволяючих плавно або стрибкоподібно (дискретно) змінювати фазу коливань СВЧ, можна провести по наступних ознаках:
принципу дії і призначенню;
допустимому рівню СВЧ потужності (імпульсної, безперервної);
робочому діапазону частот (довжин хвиль);
конструктивному виконанню (хвилеводні, коаксіальні, смугові або мікросмугові і ін.).
До параметрів ФО пред'являються наступні вимоги:
смуга робочих частот не менше 5 - 15% від несучої частоти;
потужність, що пропускається, в імпульсі 5-220 кВт, середня -5-50 Вт;
час перемикання 0,1 - 100 мкс;
втрати не більш 0,5 - 1,5 дБ;
хороше узгодження Ксв, 1,5.
Існує три основні способи управління фазою: безперервний (аналоговий) - фазове зрушення змінюється плавно; дискретний - фазове зрушення змінюється стрибком на величину Df; дискретно-комутаційний - управління фазою здійснюється шляхом включення або відключення відрізків ліній передачі (за допомогою p-i-n - діодів), змінюючих загальну довжину тракту.
Розглянемо основні типи ФО.
Існує два основні типи ФО: феритові і напівпровідникові.
Феритові ФО. У основу їх роботи встановлені залежності магнітної проникності фериту від величини напруги управляючого зовнішнього магнітного поля Але. Вони дозволяють одержати як плавну, так і дискретну зміну фази в межах від 0 до 360 градусів.
На практиці використовуються ФО як з подовжнім, так і з поперечним керівником магнітним полем (рис.3.35,а і рис.3.35,б відповідно).
Рис.3.35. Основні типи ФО.
Дискретні ФО забезпечують «набіг» фази Df, 2Df, 4Df ...
У ФО на феритах, керованих зовнішнім магнітним полем, необхідно використовувати електромагніти (в більшості випадків значних по масі і габаритам), які мають швидкодію 10-6-10-5 з, що обмежує їх застосування. В цьому відношенні більш перспективні ФО СВЧ на напівпровідникових приладах, в яких управління фазовим зрушенням відбувається під дією електричного поля.
Напівпровідникові ФО. У них використовуються напівпровідникові елементи з різною структурою (p-n, p-i-n), сегнетоелектрики і ін. Вони дозволяють одержувати як плавну, так і дискретну зміну фази ЕМХ. У напівпровідникових ФО використовується зміна повного вхідного опору напівпровідникових приладів під дією управляючої напруги. Розрізняють прохідні (рис.3.36,а) і відбивні ФО (рис.3.36,б).
Для плавної зміни фази в аналогових напівпровідникових ФО використовують кремнієві діоди або діоди із змінною місткістю (варактори).
Значно більший інтерес представляють дискретні напівпровідникові ФО. У них використовують p-i-n діоди перемикачів з двома станами («відкритий-закритий»). Найчастіше такі ФО будують на основі мікросмугових ліній.
Простий прохідний ФО містить два відрізки ліній різної довжини (l1,l2), комутація яких забезпечується подачею управляючої напруги на пари діодів Д1,Д2 або Д3,Д4 (рис.3.36,а). При цьому забезпечуються відповідно фазові зрушення
f1 = (2p/lд)·l1 або f2 = (2p/lд)·l2,
де lд - довжина хвилі в діелектриці. Різниця фаз в прохідному ФО рівна Dj = j1-j2. Послідовне включення таких ФО може забезпечити зміну фази в заданих межах з дискретністю Dj.
До переваг ФО цієї групи можна віднести наступне:
діоди вносять практично однакові втрати при обох значеннях фазової затримки (невеликі відхилення можливі лише за рахунок зміни довжини відрізків ліній, що перемикаються);
схема компактна (особливо для малих фазових зрушень) і зручна для мікросмугового виконання.
Недоліками є відносно велике число діодів (до чотирьох на один елемент ФО) і необхідність подачі різнополярних управляючих сигналів.
Основними елементами відбивних ФО з безперервною зміною фази є, як правило, короткозамкнуті відрізки ліній з варакторами – відбивні секції. Вони можуть з'єднуватися із загальним трактом або безпосередньо, або через багатополюсники. Керовані елементи регулюють фазу сигналу на шляху до короткозамикача і назад.
Простий відбивний ФО містить короткозамкнутий (КЗ) відрізок, комутований діодом Д (рис.3.36,б). При подачі керованої напруги на діод він закорочує лінію. При цьому вноситься різниця фаз (Dj = (2p/lд)2·l), залежна від довжини КЗ відрізка l.
До недоліків напівпровідникових ФО цього типу слід віднести достатньо велику нерівномірність втрат, що вносяться, в діапазоні зміни фази. Це обмежує область застосування цих ФО.
Рис.3.36. Прохідні (а) і відбивні (б) ФО.
В ув'язненні слід зазначити, що пристрої управління фазою СВЧ сигналів, тобто фазообертачі знаходять найширше застосування у фазованих антенних решітках (ФАР) і активних ФАР (АФАР).
Основні вимоги до ФО в цьому випадку полягають в наступному: висока швидкодія і мала енергія управління; висока точність і стабільність фазових зрушень; широкосмугова, малі втрати, висока добротність; високий рівень імпульсної і середньої СВЧ потужності.