Фазовращатели

Фазовращателем называется устройство, с помощью которого вводится в электрическую цепь известный и регу­лируемый фазовый сдвиг. Конструкция фазовращателя зависит от диапазона рабочих частот, для которого он пред­назначен.

Низкочастотный RC-фазовращатель пред­ставляет собой неуравновешенный четырехплечий мост. На плечи R₁ и R₂ равных сопротивлений подают входное напряжение U_вх. Плечи R и С являются фазосдвигающими: напряжения U_R и U_C сдвинуты относительно друг друга на 90°. Сумма этих напряжений всегда равна входному напряжению. Сопротивление резистора R можно изменять от 0 до ∞; емкость конденсатора C постоянна. При изме­нении сопротивления R значения U_R и U_C меняются. На век­торной диаграмме показано взаимное расположение векторов напряжений в этой схеме. Выходное напряжение снимается с диагонали моста и его вектор при изменении сопротивления резистора R описывает полуокружность. Из рассмотрения векторной диаграммы следует, что U_вых = U_вх/2, а φ = 2 arctg ωCR.

Таким образом, при изменении сопротивления рези­стора R от 0 до ∞ фазовый сдвиг меняется от 0 до 180° в режиме холостого хода фазовращателя, т. е. при Z_H =∞.

Практически между нагруз­кой и выходными зажимами фазовращателя включают эмиттерный или истоковый повторитель с конечным вход­ным сопротивлением, и пото­му пределы изменения фазо­вого сдвига составляют при­близительно 10^О…160°.

Фазовращатель предназ­начен для работы на одной частоте; при переходе на дру­гую частоту необходимо подключать соответствующий конденсатор С. Шкала неравно­мерная. Погрешность установки фазового сдвига макси­мальна при φ = 90°.

Низкочастотный фазовращатель с пределами изменения фазового сдвига 0…360°. Коэф­фициент передачи по напряжению в режиме холостого хода (Z_H =∞)

(2)

Подставляя в (2) значения Z₂ и Z₃ и полагая С₂=С₃ = С и R₂ = R₃ = R, получим

(3)

Из выражения (3) следует, что выходное напряже­ние U_вых = U_вх/6 и постоянно при условии R₄ = 5 R₁; а фазовый сдвиг

Изменение фазы на выходе фазовращателя при данной частоте ω и постоянной емкости конденсаторов осуществля­ется одновременными оди­наковым изменением со­противлений сдвоенных ре­зисторов R₂ и R₃.

Индуктивный фазовра­щатель гониометрического типа состоит из двух оди­наковых катушек индук­тивности L₁, L₂ (статора), расположенных в прост­ранстве перпендикулярно друг другу, и подвижной катушки L_п (ротора), распо­ложенной внутри статора. Входное напряжение рас­щепляется на два, сдвинутых на 90°, и по катушкам ста­тора протекают синусоидальные токи с тем же фазовым сдвигом: и (рис. 7-4). Внутри статора существует вращающееся магнитное поле, инду­цирующее в роторе ЭДС

где М — взаимные индуктивности катушек статора и ро­тора; α —угол поворота ротора.

Конструкция гониометра выполняется строго симметрич­ной, и потому М₁=М₂=М, I₁ = I₂ = I и выходное напряжение

Отсюда следует, что выходное напряжение постоянно и равно M^.I, а фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями совпадает с механическим углом поворота ротора относительно неподвижного статора в пределах 0…360°. Практически, благодаря неполной симметрии, неко­торой несинусоидальности входного напряжения, неточ­ному расщеплению его со сдвигом на 90°, выходное напря­жение меняется в пределах 0,3—2 %, а фазовый сдвиг не совпадает с углом поворота ротора на 10—60'.

Индуктивные фазовращатели разделяются на низко­частотные, работающие в диапазоне 500—200 кГц, и высоко­частотные, предназначенные для диапазона частот 100 кГц — 2,5 МГц.

Емкостный фазовращатель состоит из конден­сатора переменной емкости особой конструкции и устрой­ства для расщепления напряжения. Верхняя пластина 1 конденсатора разрезана на четыре сегмента, а нижняя 2 — сплошная круглая. Между ними помещен ротор 3 в форме диска, выполненного из диэлектрика с большой диэлектри­ческой постоянной. Для того чтобы емкость в каждом секторе конденсатора изменялась по синусоидальному закону, ротор должен иметь форму кардиоиды, но для простоты изготовления ему придают форму диска и уста­навливают эксцентрично: ось вращения смещена относи­тельно центра конденсатора на 0,53 радиуса диска. Вход­ное напряжение расщепляется на четыре напряжения с одинаковыми амплитудами и последовательно увеличи­вающимися на 90° фазовыми сдвигами:

Для такого расщепления напряжения на низких часто­тах применяют трансформаторы, а на высоких — электронные схемы. Эти напряжения подаются на сегменты; выходное напряжение снимается с нижней пластины. При повороте ротора изменяется емкость между нижней пластиной и соответствующим сегментом и в выходном напряжении появляется фазовый сдвиг, угол которого совпадает с углом поворота ротора в пределах 0—360°. Амплитуда выходного напряжения постоянна при условии, что четыре напряжения равны по амплитудам и сдвинуты точно на 90°; что их форма чисто синусоидальна; что сопро­тивление нагрузки стремится к бесконечности.

Емкостные фазовращатели применяются на частотах до десятков мегагерц. Погреш­ность установки фазы 0,5—2°.

В диапазоне сверхвысоких частот фазовый сдвиг полу­чают с помощью фазовраща­телей-удлинителей, диэлект­рических и поляризационных фазовращателей.

Фазовращатель-удлинитель тромбонного типа создает фазовый сдвиг за счет изме­нения длины электрического тракта. Коаксиальный и волноводный фазовращатели вносят фазовый сдвиг, пропорциональный удвоенно­му перемещению U-образной подвижной части: где λ_в—длина волны в волноводе. Отрезки коаксиалов длиною λ/4 представляют собой «металлические изоляторы», так как их вход­ное сопротивление равно бес­конечности.

На этом же прин­ципе работает фазовращатель с циркуляром. Фа­зовый сдвиг получается изме­нением поло­жения коротко-замыкателя в плече 2.

Диэлектрический фазовра­щатель состоит из отрезка прямоугольного вол­новода, внутри которого па­раллельно вектору Е электро­магнитного поля помещена тонкая пластина из высококачественного диэлектрика. При ее перемещении от узкой стенки к центру волновода происхо­дит концентрация поля в месте расположения пластины, что эквивалентно увеличению фазового сдвига. Микромет­рический механизм перемещения градуируют в градусах фазового сдвига.

Поляризационный фазовращатель состоит из трех секций круглого волновода: две крайние секции неподвижны, и в них в одной плоскости помещены диэлек­трические пластины длиною λ/4; центральная секция с пластиной длиною λ/2 может поворачиваться вокруг продольной оси на угол 180°. На вход фазовращателя через переход от прямоугольного волновода к круглому поступает линейно-поляризованная волна. Проходя через первую секцию, она преобразуется в волну с круговой поляризацией. При прохождении волны вдоль полуволновой пластины направление вращения плоскости поляризации меняется на обратное. В выходной секции волна вновь преобразуется в линейно-поляризованную. Поворот полуволновой пластины на угол φ вызывает изменение фазового сдвига выходной волны на 2φ. Фазовращатель является взаимным устройством, поэтому если его закоротить, то волна, отраженная от короткозамыкателя, будет иметь удвоенный фазовый сдвиг по сравнению с волной, прошед­шей через фазовращатель только в прямом направлении.

Шкала фазовращателя линейна. При точном микромет­рическом механизме обеспечивается плавная установка фазового сдвига в пределах 0—360° с погрешностью 1—2°.

Ступенчатые фазовращатели для частот больше 1 МГц выполняются из отрезков коаксиального кабеля; для частот ниже 1 МГц — из звеньев искусственной линии задержки. Фазовращатели должны работать в режиме бегущей волны, т. е. на согласованную нагрузку. Фазовый сдвиг выходного напряжения опреде­ляется по формуле

где L и С — индуктивность и емкость одного звена искус­ственной линии или параметры кабеля на метр его длины; n — число звеньев или длина кабеля в метрах; ω=2πf, f — частота сигнала, распространяющегося вдоль линии или кабеля.

Градуировка действительна для одной частоты, но ею можно пользоваться и на других частотах, так как фазовый сдвиг и частота пропорциональны друг другу. В фазовра­щателе, выполненном на искусственной линии, возможны погрешности фазового сдвига за счет собственной емкости катушек индуктивности и выходного напряжения за счет потерь. Большим достоинством таких фазовращателей яв­ляется возможность плавного изменения фазового сдвига путем изменения тока подмагничивания катушек с ферро­магнитными сердечниками.