Циркулятор фазового типу

Одна з можливих схем фазового циркулятора зображена на рис. 4.30.

Фазовий циркулятор складається із двох послідовно розміщених тридецибельних хвилеводно-щілинних мостів І та ІІ, двох феритових невзаємних фазообертачів Ф₁ і Ф₂, та діелектричної пластини.

При підключенні генератора до плеча 1 першого щілинного моста енергія ділиться порівну між верхнім та нижнім хвилеводами і не потрапляє у плече 3 через спрямованість моста. При діленні на першому мості фаза хвилі у верхньому хвилеводі відстає на кут у 90º, і проходячи далі через невзаємний фазообертач набуває додаткове відставання за фазою на кут у 90º, і додатково на 90º, коли проходить через діелектричну пластину, у той же час, у нижньому хвилеводі хвиля таких фазових зсувів не отримує.

Після ділення, у першому щілинному мості, обидві хвилі набувають додаткового фазового зсуву на 90º. Отже, в плечі 4 другого моста обидві хвилі мають зсуви фаз на 90º і відповідно 270º, тобто протифазні, а в плечі 2 зсуви фаз складають 0º та 360º, тобто синфазні. Таким чином, енергія із плеча 1 потрапляє тільки у плече 2. Аналогічно можна показати, що енергія із плеча 2 потрапляє у плече 3 і т.д. Таким чином, логіка роботи циркулятора буде такою

.

До переваг фазових циркуляторів перед циркуляторами на ефекті Фарадея відносять: кращу широкосмуговість та здатність роботи при більш великих потужностях.

Використання циркуляторів

Розглянемо деякі практичні приклади використання циркуляторів. На основі Y-циркуляторів утворюють вентилі, які розраховані на великі рівні потужності. Для цього, до одного із плечей приєднують узгоджене навантаження (рис. 4.31, а).

Отже, у напрямку 1 2 сигнал передається з малими втратами, а у напрямку 2 1 − з великими, оскільки енергія поглинається в узгодженому навантаженні, яке можна розрахувати на великий рівень відбивної потужності.

У техніці НВЧ використовуються відбивні підсилювачі (ВП) − це квантові, параметричні підсилювачі, підсилювачі на тунельному діоді. Для розділення вхідного сигналу та підсиленого, відбитого, зручно використовувати Y-циркулятор (рис. 4.31, б).

Чотириплечові циркулятори використовуються як основний вузол перемикача − «прийом-пере-дача», який забезпечує використання однієї антени для передачі та прийому електромагнітних хвиль (рис. 4.32).

У режимі передачі, енергія від передавача, приєднаного до плеча, потрапляє в антену, яка приєднана до плеча 2. У режимі прийому сигналів, відбитих від цілей, електромагнітна енергія, що приймається антеною, потрапляє до приймача, що приєднаний до плеча 3 і не потрапляє до передавача.

До плеча 4 приєднується узгоджене навантаження (УН), в якому поглинається енергія, яка проходить в дане плече через неповну роз-в’язку між плечами циркулятора.

Таким чином, розглянуті типи фазообертачів та циркуляторів широко використовуються у техніці НВЧ.

4.3.7. Напівпровідникові фазообертачі

Відбивні фазообертачі

Відбивні фазообертачі будують на відрізках прямокутних, коаксіальних або смужкових хвилеводів. Узагальнена схема фазообертача наведена на рис. 4.33.

Зміна фази досягається шляхом увімкнення або вимкнення короткозамкненого відрізка хвилеводу ℓ. Фаза змінюється на шляху до короткозамкненого відрізка та зворотно. Величина зміни фази залежить від хвильової довжини короткозамкненого відрізка. Якщо діод відкритий, то малий його опір шунтує лінію і хвиля відбивається від перетину діоду з деякою фазою φ₁. Якщо діод закритий, то опір діода великий, електромагнітна хвиля відбивається не від діода, а від перетину короткого замикання, і тоді різниця фаз дорівнюватиме

. (1.1)

Істотним недоліком розглянутої схеми є наявність лише одного входу. Для розділення падаючої та відбитої хвиль можна використовувати щілинний міст або інший восьмиполюсник, який має аналогічні властивості. Увімкнення відбивних фазообертачів за допомогою вказаних багатополюсників утворює у цілому схему прохідного фазообертача.

Прохідні фазообертачі

Одним із найпростіших є прохідний діодний фазообертач на відрізках лінії передачі, що перемикаються. Принципова схема такого фазообертача наведена на рис. 4.34.

Фазообертач будується на мікросмужкових хвилеводах. Діоди Д₁, Д₂, Д₃ та Д₄ увімкнені безпосередньо до лінії передачі на відстані λ/4 від трійників Тр.1 та Тр.2. Стрибки фази визначаються різницею геометричних довжин відрізків ліній ℓ₁ та ℓ₂ залежно від стану діодів, які попарно перебувають або у відкритому, або у закритому стані. Якщо діоди Д₁ та Д₂ перебувають у відкритому стані, то малий опір діодів шунтує лінії у даному перетині. За рахунок λ/4 відрізка цей опір трансформується у трійникових з’єднаннях у великий вхідний опір, внаслідок цього плече ℓ₁ відключається.

Друга пара діодів Д₃ та Д₄ перебуває у закритому стані не шунтує лінію, а тому потужність із входу проходить на вихід через плече ℓ₂. Фаза хвилі визначається довжиною відрізка ℓ₂(φ₂=−β∙ℓ₂). Якщо змінити стан діодів на протилежний та фаза хвилі буде визначатися довжиною відрізка ℓ₁(φ₁=−β∙ℓ₁). Тоді стрибок фази дорівнюватиме − Δφ=φ₁−φ₂=β(ℓ₂−ℓ₁). Послідовне поєднання n-чарунок дає 2ⁿ дискретних фаз. У розглянутому фазообертачі має місце значне послаблення при невеликих фазових зсувах.

Найбільш поширеними є фазообертачі на 3-децибельному спрямованому відгалужувачі та на основі Y-циркулятора.

Схема прохідного фазообертача на 3-децибельному спрямованому відгалужувачі наведена на рис. 4.35.

Основними елементами фазообертача є 3-децибельний спрямований відгалужувач (двошлейфний міст) та фазообертачі відбивного типу.

Згідно з властивостями моста електромагнітна хвиля, яка потрапляє на вхідне плече 1, поділяється на дві хвилі з однаковою амплітудою, але зсунутих за фазою на 90^о. У плечах 3 та 4 хвилі відбиваються від фазообертачів і потрапляють на плечі 1 та 2. У плечі 1 хвилі додаються у протифазі, а в плечі 2 − у фазі.

Залежно від стану діодів, електромагнітна хвиля у плечі 2 набуває одного з можливих фазових зсувів, тобто:

якщо діоди перебувають у закритому стані, то Δφ=0;

якщо діоди відкриті, то Δφ=2βℓ.

Схема прохідного фазообертача на циркуляторі наведена на рис. 4.36.

Хвиля, яка потрапляє у плече 1, проходить до відбивного фазообертача, який приєднаний до плеча 2 Y-циркулятора. Якщо діод відкритий, то відбита хвиля від діода потрапляє у плече 3, що має фазу φ₁.

Якщо діод закритий, то хвиля відбивається від короткозамикача і потрапляє у плече 3 з іншою фазою. Різницевий фазовий зсув дорівнює

Δφ=2βℓ.

Деякі, типові, значення параметрів фазообертачів на напівпровідникових приладах з робочим діапазоном зміни фази у межах 0º…360º та у частотних діапазонах у межах 2000…8000 МГц, наведені у табл. 4.2.

Таблиця 4.2

Параметри фазообертачів на напівпровідникових приладах

Розглянуті фазообертачі забезпечують дискретну зміну фази. Для плавної зміни фази, замість комутаційних р-і-n діодів, використовують р-n діоди (варактори). Фазообертачі на р-n діодах дозволяють плавно регулювати величину фазового зсуву шляхом зміни ємності
р-n переходу під дією напруги керування.

Основними недоліками напівпровідникових фазообертачів є порівняно невелика пропускна потужність та помітні втрати.

Контрольні питання

1. Пояснити роботу газорозрядного обмежувача потужності.

2. За схемою балансного антенного комутатора вказати проходження сигналів у режимах передачі та прийому.

3. Конструкція, принцип дії, параметри позаграничних та поглинальних атенюаторів.

4. На чому заснований принцип дії тромбонних, діелектричних та поляризаційних фазообертачів?

5. Явища, які використовуються у феритових пристроях НВЧ?

6. Пояснити принцип дії резонансного феритового вентиля та вентиля зі зміщенням поля.

7. Конструкція, принцип дії та параметри феритових взаємних та невзаємних фазообертачів, їх застосування.

8. Пояснити логіку роботи Y-циркулятора при зміні напрямку поля, яке підмагнічує ферит.

9. Пояснити логіку роботи циркулятора поляризаційного типу при зміні напрямку поля, яке підмагнічує магнітне осердя.

10. Практичне використання Y-циркуляторів та циркуляторів поляризаційного та фазового типів.

11. Порівняти, за технічними параметрами, відбивні та прохідні напівпровідникові фазообертачі.