Фазовращатели

Фазовращатели – это устройства, служащие для изменения фазы ЭМВ, поступающей на их вход. Они делятся на проходные и отражательные, плавные (аналоговые) и скачкообразные

(дискретные), с механическим управлением фазовым сдвигом и электрическим.

Исходя из классической формулы для фазы колебаний , где

соответственно эквивалентная диэлектрическая и магнитная проницаемости, на фиксированной частоте фазу можно регулировать путем:

1. изменением геометрической длины ;

2. изменением фазовой скорости ЭМВ, то есть путем изменения волновой (электрической) длины ( ) отрезка линии передачи;

Во втором случае =2 , где - длина волны в волноводе, и отсюда следует, что изменение фазы ЭМВ можно обеспечить:

1. включением в линию передачи сосредоточенной реактивности (в общем случае

регулируемой).;

2) изменением путем варьирования размерами поперечного сечения волновода;

3. изменением значений и благодаря введению в волновод диэлектрической или магнитодиэлектрической пластины.

На практике применяют проходные и отражательные фазовращатели.

Проходной фазовращатель является двухплечным устройством. В идеальном случае ЭМВ должна проходить со входа на выход такого устройства без отражений и затухания, получая лишь фазовый сдвиг В этом случае фазовращатель можно представить в виде эквивалентного четырехполюсника, матрица рассеяния которого имеет вид

.

Отражательный фазовращатель является одноплечным устройством, которое в идеальном случае полностью отражает ЭМВ, поступающую на его вход. При этом фаза отраженной волны изменяется на по отношению к фазе падающей волны. Такой фазовращатель можно представить в виде эквивалентного двухполюсника, описываемого коэффициентом отражения на входе

Фазовый сдвиг, вносимый фазовращателем, может быть или фиксированным или управляемым. В фазовращателях с регулируемым фазовым сдвигом величина может изменяться плавно (плавные или аналоговые фазовращатели) или скачкообразно (дискретные фазовращатели).

Управление вносимым фазовым сдвигом обычно осуществляют механическим или электрическим путем. В механических фазовращателях изменение вносимого фазового сдвига происходит вследствие перемещения отдельных элементов конструкции, а в электрических -под в Изменение фазовой скорости волны оздействием подаваемых электрических сигналов.

Ниже рассматриваются наиболее распространенные конструкции механических фазовращателей (электрически управляемые фазовращатели изучаются во втором разделе мод.2 дисциплины).

В частности, на рис. 2.24, 2.25 изображены схемы фазовращателей тромбонного типа, то есть конструкции, у которых изменяется длина . Это по классификации проходные механические плавные фазовращатели. В первом случае фазовращатель выполнен на основе коаксиальной линии, у которой благодаря перемещению подвижной части изменяется длина линии между входом и выходом устройства. Для устранения отражения

Рис. 2.24 проходящей волны скользящие контакты во внешнем и внутреннем проводниках разнесены, что позволяет обеспечить одинак овое во всех сечениях линии независимо от положения подвижной части. Компенсация отражений в местах скачкообразного изменения диаметров внешнего и внутреннего проводников коаксиальной линии обеспечивается последовательным включением коротких отрезков коаксиальной линии с большей величиной волнового сопротивления, чем . Эквивалентной схемой таких отрезков является последовательно включенная индуктивность, величина которой подбирается так, чтобы компенсировать влияние емкости в эквивалентной схеме стыка коаксиальных линий с разными размерами металлических проводников.

Вторая схема (рис.2.25) выполнена на основе волноводного щелевого моста, в выходных плечах которого установлены подвижные Рис. 2.25

короткозамыкающие поршни. По свойствам щелевого моста волна, поступающая на его одно входное плечо, делится поровну между выходными плечами, отражается от короткозамыкателей и вновь складывается синфазно во втором входном плече моста. Поэтому вносимый фазовый сдвиг в данном фазовращателе определяется удвоенным расстоянием, на которое синхронно перемещаются поршни, поскольку ЭМВ сначала распространяясь в сторону короткозамыкателей проходит расстояние , а затем отражаясь от них проходит его еще раз.

Изменение фазовой скорости волны, распространяющейся по отрезку линии, можно обеспечить с помощью изменения параметров среды, заполняющей этот отрезок. При этом можно получить вносимый фазовый сдвиг, не изменяя длину отрезка линии. В частности, конструктивно в прямоугольный волновод с основной волной Н₁₀ вводится тонкая диэлектри-ческая пластина длиной параллельно его узким стенкам (см. рис. 2.15, то есть как в аттенюаторе, но без поглощающего слоя). В последнем случае фазовращатель называют диэлектрическим и пластину перемещают от края (узкая стенка волновода) к центру прямоугольного волновода с помощью держателя, пропущенного через отверстие в боковой стенке волновода и связанного с механизмом перемещения со шкалой, отградуированной в относительных единицах или непосредственно в градусах. Для уменьшения отражений концы пластины заостряют.

При продвижении пластины в область большей концентрации поля Е (к центру поперечного сечения прямоугольного волновода (см. рис. 2.18. а.)) увеличивается замедление волны в волноводе и растёт запаздывание, вносимое пластиной, а значит и изменение фазы, вносимое устройством. Математически это оценивается путем замены в формуле для на эффек-тивную диэлектрическую проницаемость _эф= V_ф0 /V_ф , которая изменяется примерно от единицы (пластина около узкой стенки) до некоторой максимальной величины (пластина расположена в середине широкой стенки). Это связало с тем, что вблизи узкой стенки, где амплитуда вектора Е близка к нулю, мощность, переносимая ЭМВ равна нулю, а в середине широкой стенки, где амплитуда вектора Е максимальна, максимальна и энергия, переносимая волной внутри пластины.

Достоинством таких фазовращателей является конструктивная простота и небольшие габариты. Недостаток – потери в диэлектрике.

Фазовращатели, у которых изменение фазовой скорости волны осуществляется путем изменения применяются сравнительно редко. В качестве примера на рис.2.26 (3.36) приведена конструкция такого фазовращателя на отрезке прямоугольного волновода с основной волной, у которого на участке по средней линии обоих широких стенок прорезаны продольные неизлучающие щели.

Рис. 2.26.

При сжатии волноводов в поперечной плоскости изменяется размер „а” и, следовательно, критическая длина волны. Вносимый фазовый сдвиг при этом можно определить как , где и - соответственно коэффициенты фаз до сжатия и после сжатия волновода.

Общие достоинства механических фазовращателей:

- большая точность установки фазы;

- малая зависимость от внешних условий.

Недостаток- малая скорость изменения фазы. Этот недостаток устраняется электрически управляемыми фазовращателями.

Преобразователи поляризации (поляризаторы)

В ряде волноводных трактов ТКС возникает необходимость преобразования одного вида поляризации ЭМВ в другой, например, линейной поляризации в круговую и наоборот. Кроме того, для увеличения объема передаваемой информации в системах космической связи и спутникового вещания обычно используют ЭМВ с круговой поляризацией вектора Е, причем одновременно применяют сигналы как с левой поляризацией, так и правой.

Рассмотрим несколько классических конструкций взаимных преобразователей линейной поляризации в круговую.

Преобразователь поляризации на основе перехода от

стандартного прямоугольного волновода к квадратному

В этих преобразователях поляризации за счет специальных скосов осуществляется разложение структуры поля основной волны Н₁₀ прямоугольного волновода на две ортогональные и с равными амплитудами структуры поля Н₁₀ и Н₀₁ квадратного (рис.2.27 (3.59)).

Рис. 2.27.

Эти волны имеют разные фазовые скорости и подбором длины квадратного волновода (фазирующей секции) обеспечивают сдвиг по фазе между ними 90^о , тем самым выполняя все три условия для создания круговой (эллиптической) поляризации. Рассмотренное устройство взаимное, то есть, если на выход фазирующей секции подать ЭМВ с круговой поляризацией, то

она на входе устройства преобразуется в линейную.

Поляризатор на основе отрезка круглого волновода

с диэлектрической пластиной

Волноводные тракты систем космической связи, в которых распространяются волны с обоими направлениями вращения вектора Е, строятся, как правило, на круглом волноводе с волной Н₁₁ и содержат ряд устройств для управления поляризацией этой волны. Одним из базовых элементов поляризационных устройств является поляризатор – устройство для поворота плоскости поляризации линейно поляризованного вектора Е волны Н₁₁ в круглом волноводе или для преобразования в круглом волноводе волны Н₁₁ с линейной поляризацией вектора Е в волну Н₁₁, у которой на оси волновода вектор Е имеет круговую поляризацию, и обратно. Конструкция поляризатора состоит из отрезка круглого волновода, в котором находится тонкая диэлектрическая пластина с согласующими скосами (рис.2.28). Пусть по волноводу распространяется волна Н₁₁ с линейной поляризацией вектора Е, ориентированного в центре

п оперечного сечения круглого волновода под некоторым углом к пластине (рис. 2.28). При этом ее вектор Е как и в предыдущем преобразователе раскладывается на две ортогональные составляющие Е₁ и Е₂ , но в общем случае с разными амплитудами, одна из которых перпендикулярна плоскости пластины (рис.2.28), а другая параллельна. Как и в диэлектриче-

Рис. 2.28 ских фазовращателях отличия в распространении этих ортогональных составляющих можно пояснить с помощью понятия эффективной диэлектрической проницаемости _эф. Для волны Н₁₁ с вектором Е в центре волновода, совпадающим с Е₁ , значение т.е. ее фазовая скорость равна скорости волны Н₁₁ в волноводе с воздушным заполнением. Для волны Н₁₁ с вектором Е в центре волновода, совпадающим с Е₂ , значение т.е. ее фазовая скорость будет меньше скорости волны Н₁₁ в волноводе с воздушным заполнением. Следовательно, на выходе поляризатора фазы векторов Е₁ и Е₂ будут отличаться на При этом в общем случае вектор Е суммарной волны Н₁₁ будет иметь эллиптическую поляризацию. Величина зависит от диэлектрика и от толщины и длины пластины.

Рассматриваемое устройство широко применяется в качестве:

1. преобразователя поляризации (линейной в круговую и наоборот);

2. взаимного вращателя плоскости поляризации.

В первом случае преобразование линейной поляризации в круговую происходит благодаря размещению диэлектрической пластины под углом 45^о (равенство амплитуд) по отношению к структуре поля его основной волны Н₁₁ и выполнению условия , где и - соответственно коэффициенты фаз двух ортогональных составляющих Е₁ и Е₂. Такое устройство называют еще - поляризатором. То есть, при выполнении этих двух условий в случае поступления на вход пластины волны Н₁₁ с линейной поляризацией на ее выходе будет волна Н₁₁, вектор Е которой на оси волновода имеет соответственно левую или правую круговую поляризацию. Аналогично, если на вход преобразователя поступает волна Н₁₁, вектор Е которой на оси волновода имеет левую или правую круговую поляризацию, то на выходе будет волна Н₁₁, вектор Е которой на оси волновода ориентирован под углом 45^о к пластине в той или иной ортогональных плоскостях.

В случае применения устройства в качестве взаимного вращателя плоскости поляризации (рис. 2.29) необходимо подобрать параметры диэлектрической пластины таким образом, чтобы выполнялось условие а)

Его еще называют - поляризатором. Если на его вход поступает волна Н₁₁, вектор Е которой на оси волновода линейно поляризован (рис. 2.29.а), то на выходе поляризатора будет волна Н₁₁, вектор Е которой на оси волновода повернется относительно входного на угол 2 по часовой стрелке, если смотреть вдоль направления распространения волны (рис. 2.29.б). Поворачивая диэлектрическую пластину вокруг оси волновода, т.е. изменяя угол от 0 до можно поворачивать плоскость поляризации волны Н₁₁ на выходе на угол от 0 до по отношению к плоскости поляризации волны на входе. б)

Рис. 2.29

.

Додаток 2.2