Фазовращатели. Виды и применение. Работа и особенности

Электронные фазовращатели предназначаются для преобразования временного параметра обрабатываемого сигнала, называемого «фазой». Необходимость в этом возникает в тех случаях, когда приходится работать с измерительными цепями или при настройке диаграммы направленности радиопередающей антенны, например.

Что такое фазовый сдвиг сигнала

Под этим показателем понимается смещение точки смены полярности синусоидального сигнала, оцениваемое в угловых градусах (радианах). Другими словами, его фаза привязывается к моменту времени, когда огибающая проходит через нуль временной оси абсцисс. Любое отклонение от первоначального положения описываемой точки расценивается как смещение фазы.

Под ее сдвигом понимается различие между мгновенными значениями сравниваемых сигналов, кривые которых выводятся, например, на экран осциллографа. При измерении фазы одного и того же сигнала сравниваются положения в этих точках до и после обработки (для этих целей применяются, например, 2-хлучевые осциллографические приборы).

Что такое фазовращатели и какие существуют разновидности

Фазовые вращатели или круговые преобразователи – это специальные электронные схемы, с помощью которых удается смещать этот параметр на 180 или на 360 градусов. Для узкополосного сигнала с несущей f или для фиксированной частоты, величина сдвига пропорциональна времени его задержки, что позволяет управлять фазой изменения этого параметра.

Различные виды фазовращателей отличаются по целому ряду признаков, основные из которых это:

Тип управления процессом.
Характер изменения фазы.
Способ включения в тракт.

Более полная классификация этих устройств осложняется тем, что производители не всегда указывают в описаниях все характеристики своих изделий. Но даже с учетом доступной информации их разнообразие очень велико.

По способу управления различают следующие основные виды преобразователей фазы:

Fazovrashchateli 2

С ручной настройкой.
Электромеханические фазовращатели.
С электронным управлением.

Ко второй категории относятся схемы на основе ферритовых, сегнетоэлектрических элементов или миниатюрных электромеханических приборов. К последнему классу причисляют устройства, собранные из высокоскоростных диодов и транзисторов подходящей структуры.

По своему прямому назначению выделяются следующие виды фазовращателей:

С подстройкой параметров.
Измерительные (малогабаритные).
Проходные и отражательные.

Первые имеют определенную шкалу значений выходного сигнала и настраиваются окончательно только в исключительных случаях. Их измерительные аналоги характеризуются широкой полосой регулировки фазы, достигающей 360 градусов на рабочей частоте. Проходные и отражательные фазовращатели выполняют функцию, обозначенную в их названии.

По способу включения в электронный тракт различают коаксиальные и волноводные изделия, а по характеру изменения фазы все они подразделяются на устройства с плавной перестройкой и со ступенчатой регулировкой.

Характеристики фазовращателей

Основные параметры фазовращающих систем представлены следующими показателями:

Входная и выходная мощности.
Потери полезного сигнала в устройстве.
Коэффициент, указывающий на условия образования стоячей волны (КСВН).

Отношение входной мощности к выходной (или наоборот – не имеет значения) указывает на величину невозвратимых потерь в схеме. КСВН представляет собой отношение максимальной амплитуды напряженности поля стоячей волны к ее минимальному значению. При выборе той ли иной разновидности фазовращающей схемы этот показатель учитывается обязательно.

С ростом температуры и снижением давления окружающего воздуха предельно допустимая мощность будет уменьшаться. Для аппаратуры, эксплуатируемой на открытом воздухе, величина фазового сдвига не должна выходить за рамки допустимого во всем диапазоне частотных колебаний.

При эксплуатации перестраиваемых или переключаемых фазовращателей особое внимание уделяется такому важному показателю, как износостойкость электромеханических устройств. Обычно фирмой-производителем изделия в документации указывается выдерживаемое им число переключений или настроек. При этом обязательно присутствует требование сохранения этих показателей в пределах допустимой нормы.

Еще одна важная характеристика фазовращателя, построенного на основе линии задержки – крутизна его ФЧХ, которая выражается формулой Sf = dj/df (второй член означает скорость ее изменения во времени). Для устройств, использующих задержку сигнала в воздушной линии, крутизна ФЧХ пропорциональна диапазону изменения этого параметра. В представленной производителем технической документации она имеет размерность проценты/ГГц.

Где применяются и в чем выражаются особенности их характеристик

Фазовращатели – неотъемлемая часть современных измерительных и передающих СВЧ-систем. В зависимости от назначения каждого конкретного решения и диапазона частот обрабатываемого сигнала их параметры могут сильно различаться.

При использовании фазовращателей в линиях задержки определенного типа потребуется учесть следующие моменты:

Из-за линейной зависимости фазы сигнала от его частоты, точная ее установка допустима лишь в случае монохроматического сигнала.
Ошибка при установке фазовых показателей на краях частотного диапазона пропорциональна его ширине.
У коаксиальных устройств с линией задержки отмечается широкая полоса пропускания.

Верхний частотный предел таких устройств ограничен эффектом появления высших гармоник, а также особенностями конструкции соединителей. Волновое сопротивление линий, в которые установлены такие фазовращатели, чаще всего равно 50 Омам.

«Идеальный» фазовращатель на выходе всегда выдает точное значение фазы, предусмотренное в техническом описании. Реальный же из-за непостоянства климатических условий и недостатков конструкции обеспечивает фазовые параметры с небольшим разбросом. Величина этой погрешности определяет возможность тиражирования описываемых устройств, способных выполнять возложенную на них функцию.

Для выбранного диапазона частот производителями предусматриваются отдельные разновидности и модели фазовращателей. Самые недорогие и простые по конструкции предназначены для НЧ диапазона; с увеличением рабочей частоты требования к ним ужесточаются, а стоимость – естественно, возрастает.

Коаксиальные устройства с ручным управлением

Фазовращатели этого типа работают по принципу ручного изменения длины коаксиальной линии. Их геометрические размеры непосредственно связаны с электрическими показателями, что позволяет управлять ими простым механическим способом. Воздушные коаксиальные фазовращающие элементы характеризуются минимальными потерями и значением КСВН, близким к единице.

Существуют и другие разновидности этих устройств (например, конструкции телескопического и тромбонного типа). В первых изделиях центральный проводник и наружная коаксиальная часть связаны между собой по принципу секций антенны типа «телескоп». В отличие от него основа тромбонной модификации – раздвигаемый петлеобразный шлейф с фиксированным положением отдельных соединителей. Особенность этих разновидностей фазовращателей – линейная зависимость сдвига фазы от частоты, что проявляется во всем диапазоне.

Для регулировки фазы в узкой частотной полосе подойдут отражательные системы на основе квадратурных мостовых схем с реактивными элементами в качестве нагрузки. Подобные устройства относятся к категории узкополосных фазовращателей, а при оценке качества их работы полоса частот измеряется в процентах от того же показателя для основной гармоники.

Как работают телескопические фазовращатели

Эта разновидность фазовращателей с сопрягаемыми внутренними и внешними частями применяется в основном в случаях, когда перестройка частоты производится в ограниченных пределах. Подвижная часть такого устройства перемещается посредством вращающегося кольца с резьбой, которое фиксируется по завершении настроечных операций.

К категории фазовращателей данного типа принято относить следующие изделия:

Соединители и адаптеры с автоматической подстройкой фазы.
Кабельные сборки.
Измерительные фазовращатели.

Для последней из перечисленных разновидностей характерна небольшая крутизна ФЧХ, позволяющая регулировать фазу сигнала в более широких пределах.

Соединители с фазовым корректором

Fazovrashchateli 3

Изделия под таким названием относятся к простейшей разновидности фазовращателей, построенных по принципу раздвижной телескопической коаксиальной линии. Фазовые соединители подобно своим измерительным аналогам отличаются малой крутизной ФЧХ и предназначены для компенсации небольших рассогласований по фазе.

При их применении можно отказаться от кабельных сборок со строго фиксированной длиной. Этот показатель линии выбирается с небольшим разбросом от запланированной длины (не слишком точно). Появившиеся в системе отклонения компенсируются за счет дополнительной настройки фазовых соотношений с помощью подстраиваемых соединителей. Эти изделия отличаются простотой конструкции, компактностью, надежностью и сравнительно низкой ценой. Все эти достоинства позволяют успешно применять соединители с фазовым корректором в активных фазированных антеннах.