Классификация фазовращателей

Особенно большую роль играют фазовращатели в фазированных антенных решетках, где применяется большое число антенных элементов, соотношение фаз между которыми должно либо сохраняться неизменным, либо в процессе работы изменяться по определенному закону.

Имеются фазовращатели различных типов: механические, полупроводниковые, ферритовые.

В механических фазовращателях для изменения фазы колебаний между двумя неподвижными сечениями линии передачи последовательно включается секция, например, «тромбонного» типа (подковообразной формы), длина которой механически изменяется с помощью скользящих контактов.

В другом варианте механического фазовращателя для волновода изменение фазы достигается, например, механическим погружением диэлектрической пластины параллельно силовым линиям электрического поля Е в прямоугольный волновод через неизлучающую щель в середине широкой стенки. Это приводит к замедлению электромагнитной волны и увеличению запаздывания на выходе фазовращателя. Недостатком механических фазовращателей является невозможность изменения фазы с большой скоростью.

В фазовращателях на полупроводниковых диодах этот недостаток отсутствует. К их достоинствам относятся малые габаритные размеры и масса, большая скорость и простота управления. Полупроводниковые фазовращатели изготавливают в волноводном, полосковом и микрополосковом исполнении.

В полупроводниковых фазовращателях СВЧ используются главным образом коммутационные p-i-n диоды. Кроме них в управляющих устройствах CBЧ применяются также коммутационные р-п диоды, в том числе и варикапы Однако p-i-n диоды по сравнению с р-п диодами позволяют пропускать значительно большие мощности СВЧ, вплоть до сотен киловатт в импульсе (или среднюю мощность в сотни ватт).

Рисунок 1 - Диод типа p-i-n и его эквивалентные схемы.

Диоды p-i-n (в отличие от диодов р-п) кроме слоев p и n содержат высокоомную область i, расположенную между слоями р и п (рисунок 1). Область i называют базой диода. Торцевые поверхности диода (диаметром около 1 мм) прилегающие к слоям р и п, металлизируют и используют в качестве выводов При отрицательном напряжении на диоде он оказывается запертым и его эквивалентная схема (рисунок 1) имеет вид большого активного сопротивления R_ (несколько килоом), шунтированного малой емкостью С диода (десятые доли пикофарады). При подаче на диод положительного управляющего напряжения (порядка 1... 2 В) его сопротивление резко уменьшается (в сотни раз) и может быть эквивалентно представлено малым активным сопротивлением R+ (рисунок 1). Возможная схема изменения фазы высокочастотного колебания на выхода линии передачи показана на рисунок 2. Здесь в основную линию передачи с волновым сопротивлением Z_в последовательно включен отрезок линии передачи с электрической длиной bl и волновым сопротивлением Z_т; по концам линии включены шунтирующие проводимости G₁ и G₂. Подбором значений G₁, G₂, bl и Z_т можно обеспечить требуемое изменение фазы высокочастотного колебания на выходе линии и согласование промежуточного отрезка линии с основной линией передачи.

Рисунок 2 - Схема линии передачи с проходными фазовращателями.

В качестве изменяющихся проводимостей G₁ и G₂ можно использовать отражательные фазовращатели. Такой фазовращатель (рисунок 3) представляет собой отрезок линии передачи, шунтированный в ряде сечений коммутационными элементами, например, в виде описанных выше p-i-n диодов. При подаче на один из диодов напряжения питания можно уменьшить его сопротивление до малой величины и замкнуть накоротко линию в данном сечении. Остальные коммутационные элементы имеют (при отсутствии питания) высокие сопротивления и не оказывают заметного влияния на линию. При переключении коммутационных элементов изменяется положение плоскости короткого замыкания в линии передачи и соответственно ее входная G₁ или G₂.

Рисунок 3 - Отражательный фазовращатель в виде отрезка линии передачи, шунтированного в ряде сечений коммутационными элементами.

В технике СВЧ широко применяются ферритовые фазовращатели. Феррит представляет собой химическое соединение окиси железа (Fe₂O₃) с окисью таких металлов, как никель, марганец и др. По своему внешнему виду ферритовые стержни напоминают керамику, а по электрическим свойствам являются полупроводниками, приближающимися к диэлектрикам. Большое удельное сопротивление ферритов (10⁶... 10⁸ Ом·см), в отличие от других ферромагнитных материалов, обусловило возможность применения их в диапазоне СВЧ. Диэлектрическая проницаемость ферритов на СВЧ колеблется в пределах 5...15, а магнитная при отсутствии подмагничивания близка к единице.

Особо интересные свойства приобретает феррит под воздействием постоянного магнитного поля и высокочастотных колебаний. В этих условиях магнитная проницаемость феррита начинает зависеть сложным образом от постоянного магнитного поля, причем эта зависимость для высокочастотных полей круговой поляризации разного направления вращения получается различной.

Эти особые свойства ферритов позволяют конструировать в диапазоне СВЧ ряд технических устройств. К ним относятся волноводные циркуляторы, т. е. устройства в виде ряда каналов, характеризующиеся тем, что электромагнитные волны распространяются из одного канала в другой только в определенной последовательности. В частности, циркулятор может быть превращен в вентиль, служащий, например, для развязки генератора от нагрузки. Ограничимся описанием лишь ферритовых фазовращателей.