Фазовращатель СВЧ: ручной, цифровой, волноводный — как выбрать

Зачем сдвигать фазу

Фазовращатель меняет фазу сигнала, почти не меняя его амплитуду. Это нужно везде, где несколько сигналов должны сложиться в определённом соотношении: в фазированных антенных решётках, где сдвиг фазы между излучателями поворачивает луч; в схемах подавления и компенсации помех; в измерительных стендах для выравнивания фазы каналов; в балансных усилителях и сумматорах мощности.

Фазовращатели бывают механическими — ручными, где фаза меняется винтом или ползунком, и электронными — с цифровым управлением или управляемыми напряжением. По типу линии — коаксиальные и волноводные. Выбор определяется тем, нужно ли менять фазу на ходу и как быстро.

Ручной фазовращатель: тромбон

Самый простой фазовращатель — раздвижной отрезок коаксиальной линии, «тромбон». Вращая винт, его удлиняют, и сигнал проходит больший путь. Важная тонкость: тромбон вносит не фазу, а задержку. Сдвиг фазы от удлинения растёт пропорционально частоте. Для модели каталога с диапазоном 10,2°/ГГц удлинение равно 8,5 мм, и сдвиг составляет:

Это удобно, когда нужно выровнять задержку двух кабелей: тромбон компенсирует разницу длин сразу на всех частотах. Если же нужна одинаковая фаза во всей полосе, нужен другой тип фазовращателя.

Синяя линия — сдвиг фазы тромбона от частоты; оранжевая полоса — фаза цифрового фазовращателя с неравномерностью из таблицы серии.

Кроме тромбонов, в каталоге есть регулируемые коаксиальные фазовращатели до 8 ГГц с диапазоном 45°, 60°, 90° и 180° и мощностью до 100 Вт — для настройки фазы в мощных трактах и антенных системах.

Цифровой фазовращатель

Цифровой фазовращатель собран из секций, каждая из которых сдвигает фазу на фиксированное значение: 180°, 90°, 45° и так далее. Секции включаются pin-диодами или транзисторными ключами по коду управления. Шесть разрядов дают 64 положения с шагом 5,625°, четыре — 16 положений с шагом 22,5°.

Каждый разряд — своя секция; их сумма даёт нужную фазу.

Переключение занимает от долей до единиц микросекунд — это позволяет поворачивать луч фазированной решётки от импульса к импульсу. Плата — потери: у коаксиальных цифровых фазовращателей каталога 5–6 дБ, у волноводных — до 10 дБ, и неравномерность фазы по полосе, которую калибруют таблицей поправок.

Что указано в паспорте

Для фазированных решёток особенно важен разбаланс амплитуды: если потери меняются с фазой, каждый канал решётки получает разную мощность, и боковые лепестки растут. Хорошие модули держат разбаланс в пределах одного децибела по всем 64 состояниям или сопровождаются таблицей калибровки.

Калибровка

Цифровой фазовращатель выставляет фазу с ошибкой: каждая секция немного отличается от номинала, и ошибки зависят от частоты. Для точных систем его калибруют анализатором цепей: измеряют фазу и потери всех состояний на рабочих частотах и составляют таблицу, по которой контроллер выбирает код, ближайший к нужной фазе. С калибровкой реальная точность часто лучше номинального шага.

Управляемый напряжением

Аналоговый фазовращатель на варакторах меняет фазу плавно при изменении управляющего напряжения. Он непрерывен — нет шага, — но нелинеен: зависимость фазы от напряжения калибруют. Такие фазовращатели ставят в петли автоподстройки фазы и в системы компенсации, где фаза подстраивается обратной связью. В каталоге — модель на 250–500 МГц с полным диапазоном 360° и потерями не более 5 дБ.

Волноводные фазовращатели

В волноводе фазу меняют диэлектрической или ферритовой пластиной. Чем глубже пластина входит в волновод, тем медленнее идёт волна и больше сдвиг. Ручные волноводные фазовращатели дают сдвиг до 360° и работают в полосе 10–20 % от средней частоты; фиксированные — с заранее установленным сдвигом — выравнивают фазу каналов в многоканальных трактах. Исполнения высокой мощности рассчитаны на передатчики. Цифровые волноводные фазовращатели на ферритах работают в сантиметровом диапазоне в фазированных решётках радаров.

Волноводные фазовращатели каталога перекрывают сечения от WR284 до WR10 — от 2,6 до 112 ГГц. Потери — от 0,5 дБ на крупных сечениях до 1,5 дБ в миллиметровом диапазоне, КСВН 1,2–1,5. Цифровые волноводные модели на 8–40 ГГц имеют 4 или 6 разрядов и выпускаются для плоскостей E и H — под ориентацию волновода в тракте.

Ферритовые фазовращатели

В волноводных решётках радаров широко используют ферритовые фазовращатели. Феррит внутри волновода намагничивают током управляющего провода, и от намагниченности зависит скорость волны. Фазовращатели с остаточной намагниченностью запоминают состояние без тока — питание нужно только в момент переключения. Они выдерживают большую мощность и имеют малые потери, но переключаются медленнее pin-диодных — за единицы микросекунд.

Фаза и амплитуда вместе

Если нужно управлять и фазой, и амплитудой сигнала, фазовращатель ставят последовательно с аттенюатором или используют векторный модулятор — схему, которая складывает синфазную и квадратурную составляющие с регулируемыми весами. Так строят каналы цифровых решёток и системы компенсации помех, где нужно сформировать сигнал, равный помехе по амплитуде и противоположный по фазе.

Фазовращатели на стенде

На измерительном стенде ручной фазовращатель выравнивает фазу двух каналов перед сложением, настраивает балансный усилитель или проверяет чувствительность устройства к фазе входных сигналов. Для этой работы удобны тромбоны с отсчётом по шкале: зная удлинение, легко пересчитать сдвиг на любой частоте.

Мощность

Ручные коаксиальные и волноводные фазовращатели пропускают десятки и сотни ватт: внутри нет полупроводников. Цифровые и аналоговые на диодах и варакторах рассчитаны на малые уровни — обычно до сотен милливатт, — поэтому в передающих решётках фазу выставляют до усилителя мощности, а не после него. Для мощных волноводных трактов есть регулируемые исполнения высокой мощности до 40 ГГц.

Где применяют

• Фазированные антенные решётки радаров и связи — цифровые и ферритовые.
• Выравнивание фазы каналов многоканальных приёмников и пеленгаторов.
• Балансные усилители и сложение мощности нескольких модулей.
• Компенсация помех и подавление утечки передатчика в приёмник.
• Измерительные стенды: настройка и проверка чувствительности к фазе.

Фаза в фазированной решётке

Чтобы отклонить луч решётки на угол θ, соседние излучатели должны отличаться по фазе на Δφ = 360°·d·sin θ/λ, где d — шаг решётки. Для шага в половину длины волны отклонение на 30° требует 90° между соседями, на 10° — около 31°. Шаг фазовращателя 5,625° позволяет ставить луч с точностью около двух градусов — остаток дают ошибки квантования фазы, которые поднимают боковые лепестки решётки.

Типичные ошибки

• Берут тромбон для постоянной фазы в широкой полосе и получают сдвиг, растущий с частотой.
• Не учитывают разбаланс амплитуды цифрового фазовращателя в решётке.
• Пользуются номинальным шагом без калибровки и получают ошибки фазы на краях полосы.
• Ставят маломощный цифровой фазовращатель в тракт передатчика.
• Забывают, что потери цифрового фазовращателя — 5–10 дБ, и не закладывают усиление в канал.

Как выбрать фазовращатель

• Нужно ли менять фазу на ходу: ручной для настройки, цифровой или управляемый напряжением для работы.
• Фаза или задержка: для широкой полосы с выравниванием кабелей — тромбон; для постоянной фазы — цифровой.
• Диапазон и шаг: 360° с шагом 5,625° или 22,5°; для аналоговых — крутизна по напряжению.
• Потери и их изменение между состояниями — важны для решёток.
• Скорость переключения — для качания луча.
• Линия: коаксиальная или волноводная, мощность.
• Для волноводных цифровых — плоскость E или H под ориентацию тракта.
• Нужна ли таблица калибровки фазы и потерь по состояниям.

Модели KADAMM

Все фазовращатели — в разделе фазовращателей и детекторов KADAMM.

KADAMM · ФВЦ

цифровые фазовращатели

Частоты	400 МГц – 27 ГГц
Моделей	10

Перейти к товару →

KADAMM · ФВЦ-В

цифровые волноводные

Частоты	8 – 40 ГГц
Моделей	20

Перейти к товару →

KADAMM · ФВР-К

коаксиальные регулируемые

Частоты	до 8 ГГц
Моделей	21

Перейти к товару →

KADAMM · ФВН-Р

волноводные регулируемые

Частоты	2,6 – 112 ГГц
Моделей	18

Перейти к товару →