• Nie Znaleziono Wyników

Przesuwniki fazowe – układy fazowo-różnicowe

Układy antenowe o kołowej symetrii

3.3. Przesuwniki fazowe – układy fazowo-różnicowe

Rozpatrzmy syntezę i opracowanie szerokopasmowych przesuwników fazy stosowanych w niektórych komutatorach fazowych (np. w tabl. 3.2, rozdz. 3.2).

Szerokopasmowy przesuwnik fazy wykonuje się w postaci dwóch specjalnych obwodów fazowych i tworzy tzw. układ fazowo-różnicowy (rys. 3.13). Synteza przesuwników fazy i obwodów fazowych jest szczegółowo przedstawiona w mo-nografii [41].

Obwód fazowy – jest to idealnie dopasowany czwórnik, zapewniający transmi-tancję amplitudy równą jedności na całej osi częstotliwości oraz pewną charaktery-stykę fazową [41]:

) ω ( φ φ

ej

T  . (3.14)

Przykład charakterystyk amplitudowej i fazowej obwodu fazowego jest poka-zany na rysunku 3.14a.

b)

2

a)

R

R Obwód

fazowy

Obwód fazowy 1

2 1

E 2

1

R/2

Rys. 3.13. Struktura (a) i oznaczenie obwodu fazowo-różnicowego

b)

f



21

0

a)

f

1

2 1

- 100

- 200

- 300 0

T,

Rys. 3.14. Charakterystyki amplitudowe i fazowe (a) oraz różnica faz na wyjściach układu fazowo-różnicowego (b)

Syntezę tych obwodów trzeba wykonać w taki sposób, żeby przy synfazowym wzbudzeniu wejść układu różnica faz na wyjściach trójwrotnika była stała w da-nym zakresie częstotliwości i miała dowolną zadaną wartość  0 = 2 – 1. Poka-zano [41], że przy zastosowaniu układów ze skończoną ilością elementów ta

różni-ca faz nie może być dokładnie stała, a zrealizowana tylko z pewnym przybliżeniem (rys. 3.14b).

Oznaczenie przesuwnika fazowego odpowiada obwodowi fazowemu z więk-szym opóźnieniem fazowym w stosunku do drugiego obwodu (rys. 3.13b).

W książce [41] przedstawiono metodykę syntezy obwodów fazowych i odpo-wiednich układów fazowo-różnicowych dowolnego rzędu. Rozpatrzmy obwody fazowe 2 rzędu, stosowane w niniejszej pracy.

Podstawowe ekwiwalentne struktury obwodu fazowego 2 rzędu są pokazane na rysunkach 3.15a, b: kanoniczny układ zrównoważony (a) oraz układ niesyme-tryczny (b). Obwód zrównoważony ma dość ograniczone zastosowanie w technice, ponieważ zawiera zasadniczą wadę  nie posiada wspólnego uziemienia wejścia i wyjścia układu.

L - M

L+M L - M

C1

2 C2

0.5 L M+

C1

2 C2

0.5

C1

M L

L

C2

a) b) c) C1

C2 L = L - M1 L = L - M1

M < 0

Rys. 3.15. Struktury obwodu fazowego 2-go rzędu:

układ zrównoważony (a), układ niesymetryczny (b), model komputerowy (c)

Tablica 3.3. Wartości elementów obwodów fazowych

Elementy Obwód z mniejszym opóźnieniem  1

Obwód z większym opóźnieniem  2

L 0.358 H 1.293 H

M – 0.299 H – 1.079 H

L1 0.657 H 2.373 H

C1 3.0 pF 10.7 pF

C2 131.4 pF 474.5 pF

k sprz 0.834

Obwód niesymetryczny zawiera wspólne „uziemienie”, ale jest realizowany za pomocą transformatora  dwóch cewek o skończonej wartości indukcyjności, związanych ze sobą w sposób magnetyczny z ujemnym współczynnikiem

induk-78

cyjności wzajemnej k sprz = M/L, co oznaczono kropkami przy indukcyjnościach, które pokazują początek nawijania zwojów cewek (rys. 3.15b). To jest prosty mo-del transformatora (nr 2, tablica 3.1, rozdz. 3.1), dla którego współczynnik induk-cyjności wzajemnej k sprz jest mniejszy od jedności, a jego ujemna wartość może być realizowana przez odpowiednie połączenie zwojów [43].

Dla tego transformatora (tabl. 3.1) istnieje model komputerowy  ekwiwalent obwodowy, co prawda, zawierający ujemną indukcyjność M (rys. 3.15c). Na ry-sunku 3.15 pokazano też zależności pomiędzy wartościami elementów wszystkich trzech obwodów fazowych.

Pokazano [41], że w celu osiągnięcia fazowych opóźnień dużej wartości ob-wody fazowe dowolnego rzędu mogą być opracowane w postaci kaskadowego połączenia obwodów 1 i 2 rzędów.

Na podstawie metodyki opublikowanej w [41] został opracowany program komputerowy do syntezy obwodów fazowych 2 rzędu przy zastosowaniu czeby-szewowskiej aproksymacji z minimalnym błędem danej różnicy faz sygnałów 0

na wyjściach układu fazowego-różnicowego (rys. 3.13, 3.14).

Dla dalszych zastosowań wykonano obliczenia pary obwodów fazowych dla następujących danych:

– zakres częstotliwości: f = 20-90 MHz;

– podstawowa różnica faz: 0 = 900; – wartość obciążenia: R = 100 .

Wartości elementów obliczonych obwodów fazowych przedstawiono w tabli-cy 3.3. Wartości te w pełni mogą być realizowane w danym zakresie częstotliwo-ści; przy czym większe wartości elementów odpowiadają obwodom fazowym z większym opóźnieniem, zaś współczynnik sprzężenia cewek jest taki sam dla obu obwodów fazowych.

Częstotliwościowe charakterystyki fazowe obliczonych obwodów oraz różnica faz na wyjściach układu fazowo-różnicowego przedstawione są na rysunku 3.16.

Można zauważyć, że teoretyczna dokładność fazowania d nawet dla dużego za-kresu częstotliwości jest bardzo wysoka i przy aproksymacji Czebyszewa w na-szym przykładzie stanowi wartość 0.240.

Po pewnych obliczeniach można stwierdzić, że im większe jest względne pa-smo częstotliwości pracy, tym większa jest nierównomierność charakterystyki fazy oraz większy współczynnik sprzężenia cewek. Przykład tych wartości dla różnych pasm częstotliwości pokazano w tablicy 3.4.

Mimo wzrostu niedokładności fazowania ze zwiększeniem pasma częstotliwo-ści te wartoczęstotliwo-ści pozostają dość małe. Przy praktycznej realizacji obwodów fazo-wych błąd fazowania będzie oczywiście nieco większy. Duża wartość współczyn-nika sprzężenia cewek w praktyce może być realizowana nawijaniem podwójnych przewodów na rdzeń ferrytowy o większej wartości przenikalności magnetycznej [43].

-60

-100

-140

-180

-220

-260

20 40 60 80 , MHzf

1, 2

1

2

20 40 60 80 , MHzf

2 1 - 90

- 89 - 88 - 87 - 86 - 85

20 40 60 80 , MHzf

- 90.0 - 0.02

+ 0.02

2 1

0

d

Rys. 3.16. Przykład charakterystyk fazowych przesuwnika fazowego

Tablica 3.4. Parametry układów fazowo-różnicowych przy 0 = 900

Zakres

często-tliwości f Dokładność

fazowania d Współczynnik sprzężenia ksprz

30–80 MHz  0.050 0.822 20–90 MHz  0.240 0.834

10–100 MHz  1.10 0.859

H 1

3

H 2

4 1 H

2 3 H

4

1

2

1

1 b)

H H

H

H 1

3 2 4 1

2 3

4

-90o

a)

Rys. 3.17. Schemat ideowy (a) oraz model komputerowy (b) komutatora fazowego

Przy analizie komputerowej rozpatrzone struktury obwodów fazowych muszą być włączone osobno, zgodnie z oznaczeniem na rysunku 3.13. W gałęzi, gdzie jest przedstawiony ideowy przesuwnik fazowy, musi być wstawiony obwód fazowy z większym opóźnieniem, na przykład (–900), zaś we wszystkich równoległych gałę-ziach (przewodach) należy wstawić odpowiedni obwód fazowy z mniejszym opóź-nieniem. Przykład takiego włączenia obwodu fazowego dla komutatora m.2 w tabl. 3.2 (rozdz. 3.2) jest przedstawiony na rysunku 3.17. W tym przypadku

za-80

miast znaku (–900) w układzie ideowym wstawiamy obwód fazowy z parametrem

2 , a w pozostałych 3 przewodach (zamiast 00) – obwód fazowy 1 (rys. 3.13).

Zastosowanie szerokopasmowych przesuwników fazowych – układów fazo-wo-różnicowych oraz wyniki analizy komputerowej wzmacniaczy i kompleksów radionadawczych z ich wykorzystaniem zostały przedstawione w rozdziałach 6, 7 monografii.