2. СХЕМЫ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ И АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ФАЗОВРАЩАТЕЛЯ С НАПРАВЛЕННЫМ ОТВЕТВИТЕЛЕМ

Широкое распространение получили два вида фазовращателей: проходные и отражательные. В первых фазовращателях сигнал, фазу которого меняют, проходит все цепи только один раз, а во вторых фазовращателях часть цепей сигнал проходит два раза — туда и обратно. Схемы проходных фазовращателей можно разделить на три основных типа [57]: с переключаемыми каналами (рис. 7.2, а), проходной резонаторной (рис. 7.2, б), с фильтрами нижних и верхних частот (рис. 7.2, в). Схема отражательного фазовращателя (рис. 7.2, г) обязательно имеет устройство, которое развязывает вход и выход,

Рис. 7.2. Эквивалентная схема фазовращателей: а — с переключаемыми каналами — проходной резонаторный в — с фильтрами иижиих и верхних частот — отражательный с направленным ответвителем

например, циркулятор или направленный ответвитель. Расчет таких схем дан в работе [15]. Выбор схемы фазовращателя определяется обычно требованиями к допустимой мощности (например, в устройствах отражательных с направленными ответвителями на каждый диод попадает в два раза меньшая мощность, чем проходит); собственным затуханием, быстродействием и т. д.

Наибольшее применение получил фазовращатель, показанный на рис. 7.2, г. Для разделения падающей и отраженной волн в нем используется трехдецибельный направленный ответвитель. Сигнал поступает на вход 1 направленного ответвителя и снимается с выхода 2. Выходы 3 и 4 нагружены на отражающие фазовращатели, состоящие из управляемых и закорачивающих штырей. Сигнал, поступающий на вход 1, делится трехдецибельным направленным ответвителем поровну между его выходами 3 и 4. Проходя через отражающие фазовращатели, отраженные сигналы складываются на выходе 2. Таким образом, все устройство образует в целом схему проходного фазовращателя, в котором фазовый сдвиг определяется в основном фазовыми сдвигами двух отражательных фазовращателей на Основными характеристиками фазовращателя в функции от частоты сигнала и управляющего напряжения являются: фазовый угол коэффициента передачи модуль коэффициента передачи модуль коэффициента отражения Определим коэффициенты отражения и передачи одного звена (дискрета) фазовращателя, выраженные через коэффициенты рассеяния ответвителя и отражающих фазовращателей,

где — комплексные коэффициенты матрицы рассеяния направленного ответвителя; — комплексные коэффициенты отражения управляющих диодов в сечении 4 (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Эквивалентная схема одного звена фазовращателя с трехдецибельным направленным ответвителем: 1 — ответвитель; 2 — согласующая линия; 3— дноды; 4 — сеченне отсчета фазы; 5 — сеченне подключения диодов

В предположении идеальности направленного ответвителя расчетные соотношения (7.1) и (7.2) можно существенно упростить.

Запишем матрицу рассеяния идеального трехдецибельного направленного ответвителя

где

В этом случае выражения (7.1) и (7.2) имеют вид

Предполагая равенство комплексных коэффициентов отражения диодов и учитывая выражение (7.3), получаем Таким образом, при идеальном трехдецибельном направленном ответвителе коэффициент отражения эквивалентного проходного четырехполюсника равен нулю, а модуль и фаза коэффициента передачи определяются соответственно модулем и фазой комплексного коэффициента отражения диодов. Требуемый фазовый сдвиг получается путем изменения фазы коэффициентов отражения и открытого и закрытого диодов: . При включении последовательно нескольких звеньев целесообразно использовать матрицы или Эти матрицы для каждого звена легко получить с помощью известных формул перехода из -матрицы одного звена как четырехполюсника, которая имеет вид [68].

где — комплексные элементы матрицы рассеяния направленного ответвителя.

Элементы -матрицы определяются следующим образом [68]:

Результирующая -матрица примет вид

Затухание, вносимое всем фазовращателем [15], дБ,

Фазовый сдвиг

Запишем входную проводимость в сечении 4 (рис. 7.3), нормированную по волновому сопротивлению выходов направленного ответвителя и выраженную через сопротивление диода в сечении 5 (рис. 7.3), трансформируемое линией длиной и волновым сопротивлением

С учетом выражения (7.6) коэффициент отражения в сечении 5

Учитывая влияние на фазу только изменения реактивной части входного сопротивления диода, заменим в выражении на и получим выражение для проводимости диодов. Если представить входную комплексную проводимость диода в сечении 4 в виде

где

Тогда коэффициенты отражения диодов в сечении 4

Подставив выражение (7.8) в формулы определим фазовый сдвиг в сечении 4:

Для получения выражения, связывающего искомые величины определим тангенс угла выражения (7.9):

где

Подставив выражение (7.7) в формулу (7.10), получим:

Потери мощности в фазовращателе определяются коэффициентом отражения между направленным ответвителем 1 и согласующей линией 2, т. е. отражением в сечении 4:

Если не принять специальных мер, то при открытом и закрытом диоде потери различные, а при равенстве потерь в двух состояниях соблюдается соотношение

Так как модуль коэффициента отражения имеет вид

то на основании выражений (7.12) получаем равенство

Используя свойства производных пропорций, запишем

где

Для расчета волнового сопротивления согласующей линии в уравнении (7.13) подставляем выражение для которое получается из соотношения (7.11):

где

По формуле (7.14) определяют После этого проверяют равенство потерь, используя выражения (7.12) и, если требуется, потери выравниваются изменением После этого проверяют фазовый сдвиг на крайних частотах диапазона, для чего используют равенство (7.9), в которое подставляют значения Ь0т. для соответствующей частоты. Если ошибка фазового сдвига больше требуемой, следует провести коррекцию параметров Для коррекции фазовых ошибок в полосе частот приравнивают нулю производную от по

где

так как

Подставив выражения (7.16) — (7.19) в соотношение (7.15), получим уравнение (7.20).

При коррекции ошибок на ЭВМ решают систему уравнений из

где

причем определяется на крайней частоте диапазона.

Пример 18. Рассчитать топологическую схему двухдискретного фазовращателя (рис. 7.4) в полосе частот Требуемые параметры: параметры диода: волновое сопротивление направленного ответвителя .

Для упрощения примем, что для обоих дискретов. Тогда по формуле (7.13) определяем По формуле (7.9) определяем на крайней частоте При коррекции по формуле (7.20) можно уменьшить ошибку: . При этом

Минимальные потери (0,08 дБ на диод) для дискрета 90° получаются при Ом [156]. При потери возрастают до 0,14 дБ на диод [15].

Фазовращатель выполнен на поликоре с толщиной 1 мм. Ширина согласующих линий: . Длина . Управляющее напряжение подается через закороченный четвертьволновой отрезок.

Рис. 7.4. Топологическая схема двухдискретного фазовращателя: 1 — трехдецибельный направленный ответвитель; 2-отрезки согласующих линий; 3 - -диоды; 4 — закорачивающие штыри; — разделительный конденсатор