Что такое фазовращатель и для чего он нужен
Фазовращатель — это ключевой элемент в трактах сверхвысоких частот (СВЧ), основное назначение которого — управляемое изменение фазы электромагнитных колебаний. Эти устройства нашли широкое применение в измерительных приборах, преобразовательной технике и системах автоматического управления. Конструктивное исполнение фазовращателя напрямую зависит от целевого частотного диапазона, требуемого диапазона фазовых сдвигов и необходимой точности установки фазы. В области радиочастот и низких частот фазовращатель часто реализуется в виде пассивного четырехполюсника, собранного из комбинации таких элементов, как катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы.
Области применения
Основные сферы использования фазовращателей весьма разнообразны. Они критически важны в сложных системах с множеством потребителей для правильного распределения фазовых характеристик сигналов. В радиосистемах их применяют для выравнивания электрических длин фидерных линий, что обеспечивает согласованную работу оборудования. Кроме того, без фазовращателей невозможно функционирование современных фазированных антенных решеток (ФАР), когерентных радиосистем и множества других устройств СВЧ-техники.
Классификация фазовращателей
Фазовращатели можно классифицировать по нескольким ключевым признакам:
По типу волн: проходные и отражательные.
По физическому принципу действия: механические, электромеханические и электрические (электронные).
По характеру изменения фазы: устройства с дискретным (ступенчатым) или плавным (непрерывным) регулированием.
Принципы построения и основные схемы
Простейший фазовращатель может быть собран на базе цепи, сдвигающей фазу, например, из последовательно соединенных катушки индуктивности и резистора или конденсатора и резистора. Такая схема позволяет получить фазовый сдвиг в диапазоне от 0 до 90°. Более сложной и функциональной является мостовая схема с конденсатором и тремя резисторами, которая при постоянной амплитуде выходного сигнала может регулировать сдвиг фазы от 0 до 180°. Для инверсии фазы на 180° (сдвиг на π) используются ламповые или транзисторные фазоинверторы с разделенной нагрузкой. Важно отметить, что в большинстве пассивных схем величина фазового сдвига зависит от частоты сигнала. Исключением являются следящие фазовращатели, которые автоматически корректируют свои параметры для поддержания заданного фазового сдвига.
Фазовращатели для разных частотных диапазонов
В цепях промышленной частоты переменного тока для регулировки фазы традиционно применяются вращающиеся трансформаторы, сельсины и специально заторможенные трехфазные асинхронные двигатели. В коротковолновом и дециметровом диапазонах распространены конструкции на основе коаксиальных линий и волноводов. Точность установки фазы варьируется в зависимости от типа устройства: электронные фазовращатели обеспечивают высокую точность (погрешность 0,05—0,1°), в то время как для электромеханических систем характерна погрешность порядка 0,5—1°.
Фазовращатели СВЧ диапазона
В технике СВЧ фазовращатель — это устройство, изменяющее фазу электромагнитных колебаний на выходе линии передачи (например, радиоволновода или полосковой линии) относительно фазы на входе. Это достигается за счет управления эффективной электрической длиной тракта. Все СВЧ-фазовращатели делятся на две большие группы: регулируемые и нерегулируемые.
Регулируемые фазовращатели
Регулируемый фазовращатель — это участок фидера, вносящий управляемый сдвиг фазы в заданной полосе частот. По способу управления выделяют:
1. Устройства с механическим/электромеханическим управлением:
* Раздвижная секция коаксиальной линии с переменной длиной.
* Волноводный диэлектрический фазовращатель, где сдвиг фазы регулируется перемещением диэлектрической пластины внутри волновода, что изменяет фазовую скорость волны.
* Сжимная секция прямоугольного волновода с упругими стенками, изменение ширины которого приводит к изменению фазы.
* Мостовой фазовращатель на основе направленных ответвителей с двумя идентичными регулируемыми короткозамкнутыми шлейфами.
2. Устройства с электрическим управлением:
* Ферритовые фазовращатели, работа которых основана на взаимодействии электромагнитной волны с намагниченным ферритом. Они могут быть взаимными (одинаковый сдвиг для обоих направлений) и невзаимными (например, гираторы).
* Полупроводниковые фазовращатели на основе варикапов или pin-диодов. Наиболее перспективны схемы с pin-диодами, которые работают как высокочастотные коммутаторы, подключая к линии различные отрезки (шлейфы) и обеспечивая тем самым дискретное изменение фазы.
Нерегулируемые фазовращатели
Нерегулируемый (фиксированный) фазовращатель представляет собой калиброванный отрезок линии передачи. Необходимый фазовый сдвиг в нем достигается однократным подбором и фиксацией физической длины линии, размеров ее поперечного сечения или свойств используемого диэлектрического материала.