7-2. ФАЗОВРАЩАТЕЛИ

Фазовращателем называется устройство, с помощью которого вводится в электрическую цепь известный и регулируемый фазовый сдвиг. Конструкция фазовращателя зависит от диапазона рабочих частот, для которого он предназначен.

Низкочастотный RC-фазовращатель (рис. 7-2, а) представляет собой неуравновешенный четырехплечий мост. На плечи равных сопротивлений подают входное напряжение Плечи являются фазосдвигающими: напряжения и сдвинуты относительно друг друга на Сумма этих напряжений всегда равна входному напряжению. Сопротивление резистора можно изменять от до емкость конденсатора постоянна. При изменении сопротивления значения и меняются. На векторной диаграмме (рис. 7-2, б) показано взаимное

расположение векторов напряжений в этой схеме. Выходное напряжение снимается с диагонали моста и его вектор при изменении сопротивления резистора описывает полуокружность. Из рассмотрения векторной диаграммы следует, что

Рис. 7-2. Низкочастотный мостовой фазовращатель

Таким образом, при изменении сопротивления резистора от до фазовый сдвиг меняется от до 180° в режиме холостого хода фазовращателя, т. е. при

Практически между нагрузкой и выходными зажимами фазовращателя включают эмиттерный или истоковый повторитель с конечным входным сопротивлением, и потому пределы изменения фазового сдвига составляют приблизительно 10 — 160°.

Фазовращатель предназначен для работы на одной частоте; при переходе на другую частоту необходимо подключать соответствующий конденсатор С. Шкала неравномерная. Погрешность установки фазового сдвига максимальна при

Рис. 7-3. Фазовращатель с пределами

Низкочастотный фазовращатель с пределами изменения фазового сдвига представлен на рис. 7-3. Коэффициент передачи по напряжению в режиме холостого хода

Подставляя в значения и полагая получим

Из выражения следует, что выходное напряжение и постоянно при условии а фазовый сдвиг

Изменение фазы на выходе фазовращателя при данной частоте и постоянной емкости конденсаторов осуществляется одновременным и одинаковым изменением сопротивлений сдвоенных резисторов

Рис. 7-4. Индуктивный фазовращатель

Индуктивный фазовращатель гониометрического типа состоит из двух одинаковых катушек индуктивности (статора), расположенных в пространстве перпендикулярно друг другу, и подвижной катушки (ротора), расположенной внутри статора. Входное напряжение расщепляется на два, сдвинутых на 90°, и по катушкам статора протекают синусоидальные токи с тем же фазовым сдвигом: (рис. 7-4). Внутри статора существует вращающееся магнитное поле, индуцирующее в роторе ЭДС

где взаимные индуктивности катушек статора и ротора; -угол поворота ротора.

Конструкция гониометра выполняется строго симметричной, и потому и выходное напряжение

Отсюда следует, что выходное напряжение постоянно и равно а фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями совпадает с механическим углом поворота ротора относительно неподвижного статора в пределах Практически, благодаря неполной симметрии, некоторой несинусоидальности входного напряжения, неточному расщеплению его со сдвигом на 90°, выходное напряжение меняется в пределах а фазовый сдвир не совпадает с углом поворота ротора на 10—60.

Индуктивные фазовращатели разделяются на низкочастотные, работающие в диапазоне 500-200 кГц, и высокочастотные, предназначенные для диапазона частот 100 кГц - 2,5 МГц.

Емкостный фазовращатель (рис. 7-5) состоит из конденсатора переменной емкости особой конструкции и устройства для расщепления напряжения. Верхняя пластина 1 конденсатора разрезана на четыре сегмента, а нижняя 2— сплошная круглая. Между ними помещен ротор 3 в форме диска, выполненного из диэлектрика с большой диэлектрической постоянной.

Рис. 7-5. Емкостный фазовращатель

Для того чтобы емкость в каждом секторе конденсатора изменялась по синусоидальному закону, ротор должен иметь форму кардиоиды, но для простоты изготовления ему придают форму диска и устанавливают эксцентрично: ось вращения смещена относительно центра конденсатора на 0,53 радиуса диска. Входное напряжение расщепляется на четыре напряжения с одинаковыми амплитудами и последовательно увеличивающимися на 90° фазовыми сдвигами:

Для такого расщепления напряжения на низких частотах применяют трансформаторы (рис. 7-5), а на высоких — электронные схемы. Эти напряжения подаются на сегменты; выходное напряжение снимается с нижней пластины. При повороте ротора изменяется емкость между нижней пластиной и соответствующим сегментом и в выходном напряжении появляется фазовый сдвиг, угол которого совпадает с углом поворота ротора в пределах Амплитуда выходного напряжения постоянна при условии,

что четыре напряжения равны по амплитудам и сдвинуты точно на 90°; что их форма чисто синусоидальна; что сопротивление нагрузки стремится к бесконечности.

Емкостные фазовращатели применяются на частотах до десятков мегагерц. Погрешность установки фазы 0,5-2°.

В диапазоне сверхвысоких частот фазовый сдвиг получают с помощью фазовращателей-удлинителей, диэлектрических и поляризационных фазовращателей.

Рис. 7-6. Фазовращатель-удлинитель: а — коаксиальный; б - волноводный

Фазовращатель-удлинитель тромбонного типа создает фазовый сдвиг за счет изменения длины электрического тракта. Коаксиальный и волноводный фазовращатели (рис. 7-6) вносят фазовый сдвиг, пропорциональный удвоенному перемещению -образной подвижной части: где длина волны в волноводе. Отрезки коаксиалов длиною представляют собой «металлические изоляторы», так как их входное сопротивление равно бесконечности. На этом же принципе работает фазовращатель с циркуляром (рис. 7-7). Фазовый сдвиг получается изменением положения коротко-замыкателя в плече 2.

Рис. 7-7. Фазовращатель с циркулятором

Диэлектрический фазовращатель (рис. 7-8, а) состоит из отрезка прямоугольного волновода, внутри которого параллельно вектору электромагнитного поля помещена тонкая пластина из высококачественного диэлектрика. При ее перемещении от узкой стенки к центру волновода происходит концентрация поля в месте расположения пластины, что эквивалентно увеличению фазового сдвига. Микрометрический механизм перемещения градуируют в градусах фазового сдвига.

Поляризационный фазовращатель состоит из трех секций круглого волновода (рис. 7-8, б): две крайние секции неподвижны, и в них в одной плоскости помещены диэлектрические пластины длиною центральная секция с пластиной длиною может поворачиваться вокруг продольной оси на угол 180°. На вход фазовращателя через переход от прямоугольного волновода к круглому поступает линейно-поляризованная волна. Проходя через первую секцию, она преобразуется в волну с круговой поляризацией. При прохождении волны вдоль полуволновой пластины направление вращения плоскости поляризации меняется на обратное. В выходной секции волна вновь преобразуется в линейно-поляризованную.

Рис. 7-8. Фазовращатели волновсдиые

Поворот полуволновой пластины на угол вызывает изменение фазового сдвига выходной волны на Фазовращатель является взаимным устройством, поэтому если его закоротить, то волна, отраженная от короткозамыкателя, будет иметь удвоенный фазовый сдвиг по сравнению с волной, прошедшей через фазовращатель только в прямом направлении.

Шкала фазовращателя линейна. При точном микрометрическом механизме обеспечивается плавная установка фазового сдвига в пределах с погрешностью 1—2°.

Ступенчатые фазовращатели для частот больше выполняются из отрезков коаксиального кабеля; для частот ниже из звеньев искусственной линии, подобной линии задержки (см. рис. 5-11, а). Фазовращатели должны работать в режиме бегущей волны, т. е. на согласованную нагрузку. Фазовый сдвиг выходного напряжения определяется по формуле

где индуктивность и емкость одного звена искусственной линии или параметры кабеля на метр его длины; число звеньев или длина кабеля в метрах; частота сигнала, распространяющегося вдоль линии или кабеля.

Градуировка действительная для одной частоты, но ею можно пользоваться и на других частотах, так как фазовый сдвиг и частота пропорциональны друг другу. В фазовращателе, выполненном на искусственной линии, возможны погрешности фазового сдвига за счет собственной емкости катушек индуктивности и выходного напряжения за счет потерь. Большим достоинством таких фазовращателей является возможность плавного изменения фазового сдвига путем изменения тока подмагничивания катушек с ферромагнитными сердечниками.