Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

го сечения [Л. 14]; намагничивающее поле создается со

леноидом, намотанным непосредственно на волновод

Этот фазовращатель позволяет получить большие фа-

зовые сдвиги при малых

управляющих полях; сдвиги

являются взаимными, т. е.

их величина не зависит от

направления распростране-

ния. Получаемый фазовый

сдвиг на единицу длины за-

висит от сечения феррита,

от его качества и от величи-

ны намагничивающего поля.

На рис. 8-24 [ЛО.

16]

при-

ведены экспериментальные

зависимости фазового сдви-

га от ширины феррита: по-

следний имеет прямоуголь-

ное сечение. Эти зависимо-

сти говорят о том, что для

получения заметного сдвига

фаз в 3-сантиметровом диа-

пазоне надо использовать

феррит с площадью попе-

речного сечения не меньше

0,5 см

. Однако сильно увеличивать сечение ферритово-

го стержня нельзя, так как начинает проявляться эф-

фект поворота плоскости поляризации, в результате че-

2 Ч

Pen"

in ТЧ1

Рис 8-24 Зависимость фазо-

вого сдвига от ширины феррита

для фазовращателя типа, пока-

занного на рис. 23.

град

500

ЩО

800

200

100

Но

1000

а)

Феррит ЗСЧ6

грцо

800.

600

too

200

2000

а/м

й£

\ps

А^

Рис 8-25.

-2

2 7»

а —рабочая характеристика фачовращателя типа, показанного

на рис 23, 2г, =

5 мм, !-в,Ч см, скосы по 2 см, б —частотные

характеристики того же фазовращателя.

381

го резко возрастают потери в феррите. На рис.

8-25,а

приведена характеристика фазовращателя с более

активным ферритом; она показывает, что при магнит-

ном поле порядка

200 а/м сдвиг фаз на единицу дли-

ны достигает 40—50° па 1 см. При увеличении подмаг-

ничивающего поля до 2 400 -2 800 а/м сдвиг фаз на

единицу длины имеет порядок 100° на 1 см. Потери

в фазовращателе, дающем сдвиг фазы до 360—400°,

составляют около 0,35 дб без магнитного поля и при-

мерно 0,7 дб при #о~2 400 а/м.

Частотные характеристики ферритовых фазовраща-

телей не очень равномерны (рис. 8-25,6).

Фазовращатели на круглых волноводах, управляе-

мые продольным полем. Известно [ЛО. 16], что сдвиги

фаз в круглом волноводе с продольным ферритовым

стержнем для волны Я

с круговой поляризацией

имеют заметные величины при небольших значениях

продольного намагничивающего поля, Для случая, ког-

да г <а приращение набега фазы на единицу длины

определяется выражением [ЛО. 16]:

где \х и k

—

составляющие тензора магнитной прони-

цаемости феррита;

С —постоянный коэффициент;

г—радиус ферритового стержня;

—

радиус волновода.

Верхний знак соответствует волне правого, а ниж-

ний— левого вращения.

При слабых намагничивающих полях

Дф

ир

=,=

+ С ^ J [град/см]. (8-40)

лев

Следовательно, фазовый сдвиг обеих воли НЦ круго-

вого вращения примерно линейно связан с напряжен-

ностью намагничивающего поля. На рис. 8-26 приведена

характеристика подобного фазовращателя в 3-санти-

метровом диапазоне. При положительных значениях Я

она относится к волне правого вращения, а при отрица-

тельных-— к волне левого вращения.

Обычно волноводный тракт состоит из прямоуголь-

ных волноводов; поэтому для получения волн с круго-

382

-2000

WOO PUOOa/м

вой поляризацией необходимо осуществить переход

к круглому волноводу с волной Я

и преобразовать

поляризацию из линейной в круговую. В результате фа-

зовращатель (рис. 8-27,а) состоит из двух переходов

/ от прямоугольного волно-

вода к круглому, двух пре-

образователей поляризации

фазосдвигающей секции-?

(отрезок круглого волново-

да с продольным ферриго-

вым стержнем) и управляю-

щего соленоида 4, создаю-

щего намагничивающее по-

ле.

Фазовращатель в прин-

ципе является невзаимным,

однако при малых управ-

тяющих полях невзаим-

ность проявляется слабо

(рис.

8-26).

Примерно вдвое боль-

ший сдвиг фазы с тем же

ферритом можно получить

в фазовращателе, схема ко-

торого показана па

рис.

8-27,6

[Л. 15]. Он пред-

ставляет собой половину

предыдущего фазовращателя с добавлением волновод-

ного тройника 5, служащего для отвода отражен-

ной волны, которая после прохождения поляризатора

имеет линейную поляризацию, направленную перпен-

дикулярно первоначальной. Так как в этой схеме волна

дважды проходит ферритовый стержень, то даваемый

им набег фазы удваивается. При использовании в этой

схеме феррита ЗСЧ6 длиной ~10 см фазовый сдвиг

порядка 800° получается при подмагничивающем поле

порядка

200 а/м; вносимые потери имеют величину

порядка 1 дб.

В том случае, когда желательно избежать усложне-

ния волнового тракта, может применяться фазовра-

щатель, схема которого показана на рис. 8-28 [Л. 15].

Он состоит из двух плавных переходов / от прямо-

угольного волновода к круглому, отрезка круглого вол-

новода 2 с соосным ферритовым стержнем и двух соле-

ноидов 3 и 4, намотанных в противоположные стороны.

Линейно поляризованная волна Я

при прохождении

383

Фьррат JC4B

Рис.

8-26. Рабочая характери-

стика фазовращателя в круг-

лом волноводе, управляемого

продольным полем.

левой половины стержня повернется на некоторый

угол и получит некоторое дополнительное запаздывание

по фазе

Д<1>,

у. При прихождении этой же волны через

правую половину ферритового стержня, намагниченную

Поршень

Рис.

8-27. Фазовращатель в круглом вол-

новоде, управляемый продольным полем

в противоположную сторону, плоскость поляризации вер-

нется в прежнее положение, а фаза волны изменится

в сторону запаздывания еще на Д^-я-. Суммарное до-

полнительное изменение фазы определится выражением

Дф=

АФЛ-АФПР ^

(841)

где /

—

общая длина ферритового стержня;

А'фл

—

дополнительный сдвиг фазы на единицу длины

для волны Ни, имеющей круговую поляриза-

цию левого вращения;

Дл|з

р —

то же самое для волны Яц правого вращения.

384

Величины IAI|)J, и

А\\)щ>

зависят от Я

(см. график на

рис.

8-26). Следовательно, меняя намагничивающее

поле, мы будем регулировать фазу волны на выходе,

не меняя плоскости ее поляризации. Величина получае-

мого фазового сдвига меньше, чем в предыдущих схе-

мах с продольно намагниченным ферритом.

Рис 8-28. Фазовращатель с компенсацией

плоскости поляризации.

поворота

Фазовращатель с непрерывным набегом фазы [Л. 16]

(рис.

8-29) построен по схеме механического фазовра-

щателя Фокса (см. рис. 8-21), в котором средняя вра-

щающаяся секция заменена волноводом с поперечно

Рис. 8 29. Ферритовый фазовращатель с непрерывным набегом

фазы.

намагниченным соосным ферритовым стержнем. Не-

обходимый сдвиг^фаз в 180° между взаимно перпенди-

кулярными линейно поляризованными составляющими

волнами НЦ создается за счет анизотропии поперечно

намагниченного феррита. Изменяя направление намаг-

ничивающего подя, например, с помощью нескольких

обмоток, питаемых различными токами, мы тем самым

будем менять фазовый сдвиг, вносимый фазовращате-

лем. Этот фазовращатель обладает весьма стабильной

по частоте и температуре характеристикой, и, кроме то-

25-2541 385

io,

его Система управления обладает большой гиб-

костью. В схеме линейной излучающей системы с ис-

пользованием подобных фазовращателей [Л. 17] осу-

ществлялось весьма быстрое качание ДН (частота ка-

чания 10 кгц). Вращающееся магнитное поле фазо-

вращателя имело напряженность в 16-Ю

а/м; мощ-

ность, потребляемая от источника питания, составляла

40 вт. Вносимые фазовращателем потери имели вели-

чину 1—2 дб.

Скорость срабатывания ферритовых фазовращате-

лей определяется инерционностью управляющей элек-

тической цепи. Последняя определяется не только дан-

ными электромагнита, создающего намагничивающее

поле, но и внутренним сопротивлением источника тока

(его мощностью). Минимальное время срабатывания

фазовращателя может быть определено по формуле

[Л.

19]:

где L

—

индуктивность обмоток фазовращателя;

Р — мощность источника тока;

h—

начальное значение тока в обмотке фазовра-

щателя;

/г

—

конечное значение тока.

Излучающие щели, управляемые ферритовыми эле-

ментами. Располагая ферритовые пластины вблизи про-

дольной щели (рис. 8-30), прорезанной в середине ши-

рокой стенки волновода, можно независимо менять фа-

зу и амплитуду возбуждения щели [Л. 18].

Намагничивая пластины с тем или иным распреде-

лением намагничивающего поля, можно менять рас-

пределение поверхностных токов на стенках волновода

в месте, где прорезана щель. Если все пластины на-

магничены одинаково, то симметрия распределения по-

верхностных токов относительно центральной линии

широкой стенки не нарушается. Щель при этом не из-

лучает.

Когда распределение намагничивающего поля ока-

зывается несимметричным относительно центральной

линии и одинаковым для обеих пар пластин 1, 2 я 3, 4,

то токи тоже распределяются несимметрично, нейтраль-

ная линия смещается с центра. Щель возбуждается по-

перечными токами, т. е. такое распределение Я

(чет-

ная асимметрия) 'эквивалентно смещению щели

38Ь

с центральной линии. При этом меняется проводимость

щели, а следовательно, и амплитуда излучаемого поля;

фаза остается примерно постоянной (с точностью 2—

3 ). В 3-сантиметровом диапазоне при изменении тока

подмагничивания от нуля до 1,5 а (при промежутке

; ь i , 1 1 i 1

1—ъл—i

1 LU

го

чо so во юо wo юо

гго граа

Рис.

8-30 Щель с электрически управ-

ляемыми амплитудой и фазой возбуж-

дения.

(Хщ —

коэффициент связи щели с волноводом;

Ф —

фаза излучаемого поля.

между полюсами электромагнита 15,2 мм току 1 а со-

ответствует #о=16-10

а/м) относительная проводи-

мость щели изменяется от 0,0001 до 0,1.

Когда распределение намагничивающего поля не-

симметрично в парах, но асимметрично в одной

паре относительно другой, то это влечет за собой по-

ворот нейтральной линии в распределении поверхност-

ных токов относительно щели. Щель возбуждается

в этом случае продольными токами, т. е. такое распре-

деление Н

(нечетная асимметрия) эквивалентно пово-

роту щели. Амплитуда возбуждения щели возрастает

по мере роста асимметрии поля, а фаза остается при-

мерно постоянной, но по отношению к предыдущему

25*

387

случаю она изменена на ±я/2. Комбинируя смещение и

поворот щели, можно производить одновременную ре-

гулировку амплитуды и фазы излучения. При соответ-

ствующем подборе намагничивающих полей всех четы-

рех ферритов (рис. 8-30) можно в известных пределах

независимо регулировать фазу и амплитуду возбужде-

ния щели. В качестве иллюстрации возможностей, да-

ваемых этой схемой, на рис. 8-30 приведены экспери-

ментальные кривые [Л. 18], полученные в 3-сантимет-

ровом диапазоне. Они сняты для наиболее простого

случая, когда ток намагничивания четвертого феррита

равен нулю. Поле намагничивания третьего феррита

поддерживалось постоянным, а поля в первом и втором

ферритах порознь изменялись ог нуля до максималь-

ных значений. Любое значение амплитуды и фазы при

многократном управлении устанавливалось с точ-

ностью ±0,25 дб и ±2° соответственно; КБВ во всем

диапазоне управления не падал ниже 0,57.

Фазовращатели на полупроводниковых приборах.

В фазовращателях этого типа для изменения набега

фазы используется свойство полупроводниковых при-

боров изменять свое полное сопротивление при измене-

нии приложенного к ним напряжения. У кремниевых

диодов изменяется главным образом активное сопротив-

ление, а у «варакторов» (диодов с переменной

емкостью) меняется емкость.

Наиболее простым фазовращателем на полупровод-

никах является отрезок той или иной линии передачи

с включенными в нее диодами (рис. 8-31). При изме-

драссет

нении подводимого к дио-

дам напряжения меняются

Блокировочный

JC~ "-L параметры линии и, следо-

конденсатору*

вательно, набег фазы меж-

,гт:т

- ду ее входом и выходом. В

этой схеме пределы измене-

ния емкости диодов ограни-

чены нарушением согласо-

Рис.

8-31. Фазовращатель на вания. По этой причине для

полупроводниковых диодах. получения сдвига фаз в сот-

пи градусов приходится при-

менять шесть

—

восемь диодов. При этом вносимые по-

тери возрастают до нескольких децибел.

Полупроводниковые приборы могут быть примене-

ны в схеме фазовращателя с использованием двойного

волноводного тройника (рис. 8-32). Изменение полного

368

Вход

Диоды

сопротивления диодов под воздействием приложенно-

го к ним напряжения влечет за собой изменение фазы

коэффициента отражения в ответвлениях. Если оба

диода имеют идентичные характеристики, то можно по-

лучить сдвиг фазы, равный изменению фазы коэффи-

циента отражения в

волноводныи

р ц П

трои.ник

ответвлениях. Следо-

вательно, максималь-

ный сдвиг фазы, да-

ваемый таким фазо-

вращателем, равен

±90°.

Однако из-за пе-

идентичности и нели-

нейности характери-

стик диодов удается

получить изменение

сдвига фаз примерно

в пределах ±45°

[Л.

19].

Область примене-

ния фазовращателей

на полупроводниковых приборах с плавным изменением

фазы ограничена фактически приемными схемами, так

как пропускаемая ими мощность не превышает несколь-

ких ватт.

Положительным свойством этих фазовращателей

является очень небольшая мощность управляющих це-

пей. Время перемещения луча из одного положения

в другое определяется соотношением

Рис.

8 32 Фазовращатель на двойном

волноводном тройнике с полупровод-

никовыми диодами

Д*: — (U

•и%

(8-43)

где

—емкость диода;

—

мощность источника питания;

Uи

— напряжения на диоде, соответствующие началь-

ному и конечному положениям ДН.

Требуемое для управления типовыми диодами на-

пряжение имеет порядок единиц вольта, что дает воз-

можность использовать источники питания мощностью

порядка милливатт. Емкости диодов — порядка единиц

пикофарад. В результате полупроводниковые фазовра-

щатели практически безынерционны.

Фазовое управление ДН решетки с преобразованием

частоты. Высокочастотные фазовращатели, рассмотрен-

389

пые выше, не обеспечивают высокой точности и безынер-

ционности управления ДН антенной решетки. Управле-

ние фазой гораздо легче осуществить на более низких

частотах; с другой стороны известно, что при преобразо-

вании частоты фазовые соотношения сохраняются. Эти

Гетеродин

шг >

и,

Рис.

8-33. Антенная решетка с преобразованием

частоты.

соображения привели к использованию схем с преобра-

зованием частоты. Естественно, что такие схемы проще

всего использовать в приемных антеннах, однако они

могут применяться и для работы на передачу, если мож-

но пойти на большие потери, неизбежные при преобра-

зовании.

В схеме антенной решетки с преобразованием часто-

ты (рис. 8-33) фазовращатели образуют линию переда-

чи,

работающую на промежуточной частоте

/з

/г—/i-

На этих частотах (порядка десятков мегагерц) в качест-

ве фазовращателей могут применяться регулируемые

линии задержки. Это может быть более удобным, чем

управление сдвигом фазы на частоте принимаемого сиг-

нала. Здесь с большим успехом могут применяться полу-

проводниковые приборы.

Работа схемы основана на том, что напряжение от

местного гетеродина с частотой выше частоты сигнала

подается на каждый смеситель с одной и той же фазой.

На выходе смесителей фазовые соотношения между

390