Фазовращатель как элемент спутниковых систем связи

Фазовращатель (подстроечный фазовращатель, фазовый триммер, фазовый корректор) — базовый элемент тракта СВЧ, который представляет собой линейное устройство с двумя портами, изменяющее фазу проходящего через него излучения под управлением внешнего сигнала.

Фазовращатели условно делятся на цифровые (digital phase shifter) и аналоговые (digitally controlled phase shifter).

Цифровые устройства включают секции, которые обеспечивают фазовые сдвиги. Количество секций может изменяться от трех до восьми, что зависит от области применения прибора. Производятся в интегральном, а также модульном исполнении.

Приборы аналогового типа управляются напряжением, обеспечивают непрерывный сдвиг фаз при меньших потерях, чем цифровые. Для работы используются схемы на сегментах линии передачи или же отражательные схемы.

Фазовращатель работает с фазовым сдвигом — разницей, имеющейся между начальными фазами двух сменяемых величин (сигналов), периодически изменяющихся по времени с одинаковой частотой — и решает следующие задачи:

● Предварительная настройка или подстройка фазового сдвига в каналах;
● Выравнивание его в измерительных цепях;
● Квазистатическая установка ФС в цепях, предназначенных для управления положением в пространстве и формой диаграммы направленности антенн.

Классификация фазовращателей осуществляется по нескольким параметрам.

По способу управления различают устройства:

● Ручные (механические);
● Электромеханические, управляемые посредством реле или электродвигателей;
● Электронные.

По назначению фазовращатели подразделяются на:

● Подстроечные — обладают небольшим диапазоном изменения фазы, не имеют шкалы, отличаются малыми габаритами, требуют однократной или редкой настройки;
● Измерительные— имеют большой диапазон изменения фазы (иногда более 360º на рабочей частоте), используются многократно, снабжены шкалой.

По типу волны приборы бывают:

● Отражательные — с управляемой фазой отраженной волны;
● Проходные — способны менять электрическую длину линии независимо от ее механической длины. Вносят дополнительный фазовый сдвиг от 0 до 360º в зависимости от фазы проходящего сигнала. Управление электрической длиной осуществляется за счет вводимой в волновод электрической пластины.

Способ включения в тракт делит фазовращатели на:

1. Коаксиальные
Механизм действия построен на перемене размера коаксиальной воздушной линии. Такие линии дают меньшие потери и значение КСВН близкое к единице. Используются для линий связи, где необходима высокая точность по фазе. Характеризуются широкой полосой пропускания.

Коаксиальные фазовращатели бывают:

● Телескопические — центральный проводник и наружная коаксиальная линия раздвигаются, увеличивая расстояние между входным и выходным соединителями. Для этого типа устройств характерно точное сопряжение проводников стационарной и подвижной коаксиальных линий.

Телескопические приборы в свою очередь делятся на:

● Соединители с фазовым корректором — предназначены для устранения небольших фазовых рассогласований. Точная настройка фазовых соотношений сигнала между компонентами системы достигается с помощью подстраиваемого соединителя при длине кабеля, примерно соответствующей необходимому стандарту;
● Кабельные сборки с фазовой коррекцией — законченные изделия, готовые к установке в тракт;
● Адаптеры с фазовым корректором — используют скользящий телескопический механизм, который управляется вращением резьбового кольца с фиксацией настройки. Адаптер не монтируется на кабель, выполнен двумя соединителями, коммутирующими его с кабельной линией. Соединители при этом имеют разные стандарты.

● Тромбонные
Представляют собой две телескопические коаксиальные линии, соединенные между собой одноименной подвижной U-образной конструкцией, которая может располагаться как внутри корпуса, так и снаружи. Большие размеры устройств данного класса позволяют получать значительное изменение фазы сигнала. Применяются как для воздушных, так и для полосковых линий.

● Релейные
Коммутация линий осуществляется посредством высокочастотных реле. Данный вариант фазовращателей используется для цифрового управления фазой в пределах, которые определяются разрядностью кода.

2. Волноводные

Применяются для волноводных трактов, где изменяют фазу проходящего сигнала. Как и коаксиальные, бывают проходными, отражательными.

В зависимости от характера изменения фазы устройства могут иметь:

● Плавную перестройку (фаза изменяется плавно от минимальных значений к максимальным);
● Дискретную перестройку (фаза имеет несколько фиксированных значений, отличающихся на одну ступень, называемую фазовым дискретом).

Фазовращатели имеют следующие основные характеристики:

КСВН — отношение наибольшего показателя амплитуды напряженности электрического поля стоячей волны к наименьшему внутри линии передачи. Чем больший фазовый сдвиг обеспечивает фазовращатель, тем выше значение КСВН. Чем ближе показатель приближается к 1, тем эффективнее работа прибора.

Показывает зависимость разности фаз между сигналами у входа и выхода от частоты сигнала. Пропорциональна диапазону изменения задержки.

Идеальный фазовращатель всегда будет показывать одно и то же фактическое значение фазы. Реальное устройство из-за изменчивых внешних условий, а также имеющихся несовершенств конструкции будет устанавливать фазу, где имеется некоторый диапазон — он характеризует воспроизводимость. Расстояние от середины диапазона до истинного значения — это погрешность устанавливаемой фазы. Разрешающая способность — минимальная разность двух значений измеряемых фаз.

В зависимости от значений частоты сигналы относят к тому или иному диапазону частот, а для каждого из них изготавливаются разные модели фазовращателей: простые и недорогие — для низкого диапазона, более сложные требуют соответствующих стандартам качества механических узлов. Полный рабочий частотный диапазон фазовращателя варьируется от 0.5 до 18 ГГц.

Максимальная разность между значениями текущей фазы колебаний электронного узла у входа и выхода. Теоретически возможный фазовый сдвиг равен 180º, но в реальных схемах он имеет меньшие значения.

Допустимый уровень мощности фазовращателя составляет 10−25 дБм.

Время переключения фазовращателя колеблется от десятков до сотен наносекунд.

Основан на векторных сложениях отдельных составляющих сигнала. Имеющийся сигнал при помощи квадратурного моста разделяется на две одинаковые составные части, обладающие фазовым сдвигом в 90º. Угол наклона в диапазоне 0−90º определяется ослаблением, которое вносят аттенюаторы. Сектор определяется расположением балансных фазовых модуляторов на данный момент времени. Модуляторы осуществляют фазовый сдвиг разделенных сигналов внутри каждого из каналов на 0 или 180º.

При выборе фазовращателя для мощных цепей учитывайте допустимую мощность сигнала для определенного устройства, а также помните, что рост рабочей температуры и снижение атмосферного давления уменьшают допустимую мощность сигнала.