Диодные фазовращатели аналогового и дискретного типа. Ферритовые вентили

Рассмотренные выше фазовращатели являются механическими. Их достоинством является простота конструкции. Вместе с тем, они не позволяют изменять фазу электромагнитных колебаний с высокой скоростью, т.е. обладают значительной инерционностью. Вследствие этого недостатка они нашли применение в качестве элементов настройки высокочастотных трактов радиотехнических систем.

В случаях, когда необходимы большие скорости изменения фазы ЭМВ, используются электронно-управляемые фазовращатели, в которых применяются полупроводниковые высокочастотные диоды. По виду фазового сдвига такие ФВ мо­гут быть как аналоговыми, так и дискретными. Практическая реализация электронно-управляемых фазовращателей может выполняться на схемах с варикапами либо на схемах с p-i-n-диодами.

Схема ФВ на варикапах представлена на рис. 17.

Рис. 17

Варикап представляет собой полупроводниковый диод с электрически управляемой емкостью. Как правило, он включается в волновод параллельно, как это показано на рис.2.49.

В зависимости от полярности и величины управляющего напряже­ния U_упр в таком фазовращателе могут быть реализованы следующие режимы работы.

1 Режим запирания волновода. Он создается путем подачи на варикап положительного управляющего напряжения. При этом варикап представляет собой на эквивалентной схеме короткое замыкание в месте его включения. Этот режим используется в дискретных фазо­вращателях отражательного типа, в которых применяются несколько таких диодов, обеспечивающих дискретное изменение фазы за счет изменения длины пути, проходимого электромагнитной волной от входа до места отражения и обратно.

2 Режим плавного изменения фазы. Он создается путем подачи на варикап отрицательного управляющего напряжения. В этом случае варикап представляет собой на эквивалентной схеме сосредоточенную реактивность емкостного характера, влияние которой эквивалентно изменению геометрической длины отрезка линии передачи. Такой режим используется в проходных аналоговых фазовращателях. Одним ва­рикапом можно изменить фазу до 45⁰. Для создания большого фазово­го сдвига используют несколько включенных в волновод диодов (6–8 штук).

Достоинство ФВ на варикапах – малая мощность управляющих цепей, которая составляет милливатты при величине управляющего напряжения единицы вольт. Недостатки таких ФВ – невысокая точность изменения фазы ЭМВ и ограничение на величину мощности ЭМВ, которую можно передать по волноводу. Поэтому ФВ на варикапах применяются в основном в приемных схемах.

Дискретные фазовращатели отражательного типа реализуются на схемах с p-i-n-диодами. Они лишены недостатков, присущих фазовращателям на варикапах, и обеспечивают возможность работы на больших высокочастотных мощностях (ватты…киловатты). В таких фазовращателях используется следующее свойство p-i-n-диода.

P-i-n-диод состоит из р- и n-областей, между которыми нахо­дится слой практически чистого полупроводника – i-область (рис. 18а).

Рис. 18

При отрицательном смещении p-i-n-диод представляет собой небольшую емкость и практически не оказывает влияния на распространение ЭМВ. При положительном смещении из р- и n-областей интенсивно инжектируют дырки и электроны в i-область, в результате чего ее сопротивле­ние резко уменьшается и диод явля­ется короткозамыкателем. Такие диоды включают в резо­нансную диафрагму, помещенную внутрь волновода (рис. 18б). При этом, в зависимости от подан­ного на диод смещения, ЭМВ ли­бо проходит, либо отражается от диафрагмы, что позволяет построить дискретный отража­тельный фазовращатель (рис. 19).

Рис. 20

       При отрицательном смещении всех диодов ЭМВ отражается от торцевой короткозамкнутой стенки волновода. Если же на 1-й диод подано положи­тельное смещение, то отражение ЭМВ происходит от этой диафрагмы, и фаза выходящей ЭМВ, по сравнению с предыдущим случаем, изменится на величину Δφ, равную

       .

Очевидно, что при положи­тельном включении любого диода изменение фазы будет определяться выражением

,

где n – номер положительно включенного диода.

Если выбрать расстояние между диафрагмами l = λ/16, то с помощью трех диодов и торцевой стенки можно изменять фазу с дис­кретом, равным 45⁰ [10].