Контрольні запитання

1. Яка конструкція турнікетного з’єднання?

2. В який спосіб нумерують плечі турнікетного з’єднання?

3. Яким чином досягається узгодження в плечах турнікетного з’єднання?

4. Як виглядає канонічна форма матриці розсіювання турнікетного з’єднання і її фізичний зміст?

5. В який спосіб нумерують плечі турнікетного з’єднання при короткозамкнених плечах 2, 4?

6. Як виглядає канонічна форма матриці розсіювання турнікетного з’єднання при короткозамкнених плечах 2, 4 і її фізичний зміст?

7. Яке призначення турнікетного з’єднання та основні схеми його застосування?

Зміст звіту

1. Блок-схеми вимірювальних установок з найменуванням блоків.

2. Результати вимірювань характеристик турнікетного з’єднання у вигляді таблиць.

Л а б о р а т о р н а р о б о т а 6 хвилевідні фазообертачі діапазону нвч

Мета роботи: вивчення принципу роботи, конструкцій і методів градуювання фазообертачів діапазону НВЧ.

Загальні відомості

Фазообертачами називаються пристрої, що змінюють електричну довжину НВЧ тракту. Під електричною довжиною розуміють довжину лінії передачі, виражену в довжинах хвиль в лінії передачі – . Внаслідок того, що фаза хвилі змінюється на величинупри проходженні нею відстані в одну довжину хвилі, на відстаніїї фаза зміниться на величину

, (6.1)

де – довжина відрізка лінії передачі;

–довжина хвилі в лінії передачі.

Фазообертачі широко використовуються в різних пристроях техніки НВЧ: радіоприймачах, вимірювальних установках, антенних системах, перш за все антенних решітках для формування бажаної діаграми спрямованості, спрямованих відгалужувачах зі зв’язком, який може бути регульованим, узгоджуючих пристроях та ін.

Ідеальним взаємним фазообертачем прохідного типу є узгоджений чотириполюсник НВЧ з одиничною функцією передачі за потужністю (реактивний чотириполюсник) і фазою функції передачі, що може бути керованою. Таким чином, матриця розсіювання ідеального взаємного фазообертача має вигляд

. (6.2)

З формули (6.1) бачимо, що фазовий зсув Δφ можна регулювати двома способами: шляхом зміни геометричної довжини l або довжини хвилі в лінії передачі Λ. У техніці НВЧ застосовують обидва способи.

Механічні фазообертачі

Перший спосіб реалізований у фазообертачах прохідного та відбивного типів. Фазообертач тромбонного типу (його рухома частина схожа на кулісу музичного інструмента – тромбона) є фазообертачем прохідного типу. Конструкція такого фазообертача показана на рис.6.1.

Він являє собою відрізок лінії передачі, довжину якого можна змінювати шляхом пересування рухомої секції. Фазообертачі такого типу забезпечують зміну фази в широких межах. До недоліків слід віднести нестабільність роботи, пов’язану з наявністю тертя в контактах.

Фазообертач відбивного типу – це двополюсник фазу коефіцієнта відбиття якого можна регулювати, а модуль коефіцієнта відбиття близький до одиниці. Ідеальний відбивний фазообертач – змінний реактивний опір, який може бути реалізований у вигляді короткозамкненого або розімкненого шлейфа змінної довжини. Необхідність включення в коло НВЧ викликає включення додаткових НВЧ елементів, які дозволяють включати в схеми фазообертач як чотириполюсник.

Рис.6.1. Фазообертач тромбонного типу

Найбільш простим за конструкцією фазообертачем відбивного типу є фазообертач на базі щілинного моста і одного короткозамикача (рис.6.2,а).

Рис.6.2. Фазообертач відбивального типу:

а – на базі щілинного моста і одного короткозамикача;

б – на базі щілинного моста і двох короткозамикачів;

в – на базі феритового циркуля тора

При зміні положення короткозамикача на l фаза хвилі, що виходить з плеча 4, набуває фазового зсуву, який дорівнює

. (6.3)

Головним недоліком такого фазообертача є значні втрати потужності, корисна потужність в ідеальному випадку становить -6 дБ, крім того відбитий сигнал розповсюджується в бік плеча 1, з якого здійснюється живлення пристрою.

Ці недоліки усунуті в конструкції фазообертача відбивного типу, функціональна схема якого зображена на рис.6.2, б. Його робота базується на відбитті електромагнітної хвилі від рухомих короткозамикачів, розміщених у двох плечах щілинного моста. Короткозамикачі переміщуються разом і розміщені на однаковій відстані від отвору зв’язку. Хвиля, яка подається в плече 1, ділиться мостом порівну між плечима 2, 3, але з фазовим зсувом 90^о. Хвилі, які були відбиті короткозамикачами, знову діляться порівну. Ураховуючи фазові співвідношення і вважаючи амплітуди однаковими, можна стверджувати, що в плечі 1 відбиті хвилі компенсують одна одну, а вся потужність надходить у плече 4. При зміні положення короткозамикачів на l фаза хвилі, що виходить з плеча 4, набуває фазового зсуву, який дорівнює (6.3). Фазообертач такої конструкції може витримати великий рівень потужності, має абсолютний відлік фази і є простим за конструкцією. Втрати, що вносить фазообертач, становлять 0,1 дБ.

Дещо більші втрати (1 дБ) вносить фазообертач відбивного типу на базі феритового циркулятора (рис.6.2, в).

Рис.6.3. Фазообертач на базі хвилеводу зі змінною широкою стінкою

Широке застосування знайшли фазообертачі, що змінюють довжину хвилі в лінії передачі. Вони виготовляються найчастіше на хвилеводах, що працюють на хвилях, які мають критичну частоту, відмінну від нуля (хвилі типу ). Довжина хвилі, що поширюється в такій лінії,Λ, пов’язана з довжиною хвилі у вільному просторі λ₀ таким співвідношенням:

, (6.4)

де μ, ε – відповідно відносна магнітна і діелектрична проникності середовища, що цілком заповнює лінію передачі; – критична довжина хвилі.

Для прямокутного хвилеводу критична довжина хвилі може бути знайдена з формули

, (6.5)

де m, n – індекси хвилі або хвилі;a, b – відповідно розмір широкої і вузької стінки хвилеводу.

З (6.5) бачимо, що для основної хвилі прямокутного хвилеводу критична довжина хвилі. З формули (6.4) випливає, що довжину хвилі у хвилеводі, і отже, фазу на його виході можна змінювати шляхом зміниμ, ε чи . На практиці використовують усі три способи.

На рис.6.3 показаний фазообертач у вигляді стисненої лінії, виконаний на прямокутному хвилеводі, що працює на хвилі типу . Він являє собою відрізок прямокутного хвилеводу з щілинами, прорізаними вздовж обох широких стінок. Унаслідок того, що щілини розташовані посередині широких стінок і їх ширина мала, випромінювання НВЧ енергії практично відсутнє. Стискання хвилеводу за допомогою спеціального механізму приводить до зменшення його шириниa (отже, до зменшення критичної довжини хвилі ), що викликає змінуΛ і фази хвилі на виході лінії передачі. Довжину щілин вибирають таким чином, щоб при повному стисканні електрична довжина відрізка змінювалася не менше ніж на , що відповідає зміні фази.