Записки программиста

Иногда нужно получить определенный фазовый сдвиг ВЧ сигнала. Например, такая задача возникает, когда вы делаете фазированные антенные решетки (ФАР). На УКВ задача решается просто. Берем кабель длиной N×λ с поправкой на коэффициент укорочения кабеля, и получаем фазовый сдвиг N×360°. Но на КВ такой способ не всегда практичен, поскольку λ измеряется десятками метров. Вот о некоторых альтернативных схемах, решающих ту же задачу, далее и пойдет речь.

Важно! У меня возникли небольшие сложности с поиском устоявшихся вариантов перевода для использованных далее терминов. Вся английская терминология верна, однако русская терминология остается под вопросом. Если вы знаете более удачные варианты перевода, прошу поделиться ими в комментариях.

Фазореверсирующий трансформатор

Сдвинуть фазу на 180° можно очень просто. Разрезаем кусок коаксиального кабеля. Жилу левого отрезка припаиваем к экрану правого, а жилу правого отрезка — к экрану левого. Этим мы перевернули сигнал, то есть, сдвинули его на 180°. Но есть нюанс. Мы не можем гарантировать, что экран левого отрезка не имеет контакта с экраном правого. Это зависит от того, кто и в какой задаче использует наше устройство для сдвига фазы. Если контакт есть, то вместо сдвига фазы мы получаем КЗ.

Решение заключается в том, чтобы отрезать путь ВЧ сигналу через внешнюю сторону экрана:

Семь витков RG58 намотано на кольце FT114-43. На входе жила и экран припаяны к BNC-разъему как положено, а на выходе — задом наперед. Такое устройство называется фазореверсирующим трансформатором (phase reversal transformer). Вопреки названию, трансформатора в привычном смысле здесь нет. Принцип действия больше похож на то, как работает балун по току 1:1. Использование отрезка кабеля не нулевой длины приводит к дополнительному фазовому сдвигу. На КВ этот сдвиг будет небольшим.

Берем генератор сигналов и осциллограф. Убеждаемся, что все работает:

Выход генератора подается на делитель мощности. С первого выхода делителя сигнал идет на первый канал осциллографа, а со второго выхода — на второй канал через DUT. Важно, чтобы кабели по обоим путям были одинаковыми и равной длины. Для согласования импеданса подключение к осциллографу осуществляется через T-образные BNC-коннекторы с нагрузкой 50 Ом. На скриншоте видим фазовый сдвиг 177.5°. Вообще, осциллограф не является самым точным прибором для измерения таких вещей. Его показания скачут где-то на ±3°.

Анализатор спектра показывает вносимые потери порядка 0.25 дБ:

Это довольно много и объясняется использованием недорогого кабеля, который был сильно изогнут. Для минимизации потерь нужно использовать более толстый кабель и ферритовое кольца большего диаметра.

Описание подхода из этого раздела впервые встретилось мне в книге ON4UN’s Low Band DXing, 5th Edition. В этой же книге я нашел отсылку к статье, описывающей гибридный ответвитель. О нем речь пойдет в следующем разделе.

Квадратурный гибридный ответвитель

В качестве следующего устройства рассмотрим гибридный ответвитель со сдвигом фазы 90°, также называемый квадратурным гибридным ответвителем. Часто говорят просто «гибридный ответвитель» (hybrid coupler), так как по контексту понятно, о чем речь.

Описание устройства и формулы для его расчета можно найти в статье «Twisted-Wire Quadrature Hybrid Directional Coupler», написанной Reed Fisher, W2CQH и опубликованной в журнале QST за январь 1978 года. Здесь я не стану пересказывать статью и лишь расскажу о своем опыте изготовления конкретного гибридного ответвителя.

На основе формул из статьи был написан скрипт hybrid-coupler.py. Вы найдете его в этом репозитории на GitHub. Перебирая аргументы скрипта, я остановился на такой схеме:

Схема состоит из двух конденсаторов и двух катушек индуктивности. Катушки мотаются бифилярной обмоткой на одном ферритовом кольце. Сигнал подается на порт IN. С портов OUT1 и OUT2 выходит две его копии с уровнем -3 дБ и разностью фаз 90°. Порт DUMP не используется и должен быть нагружен на 50 Ом. Устройство работает на одной частоте, плюс в некоторых ее окрестностях. Номиналы компонентов вычисляются из этой частоты, а также волнового сопротивления портов.

Устройство похоже на делитель/сумматор. В том числе, оно может работать и в обратную сторону, как сумматор. Отличие заключается в фазовом сдвиге между выходами, а также зависимостью от частоты.

Почему выбрана такая странная частота, 6.3 МГц? Дело в том, что большинство имеющихся у меня ферритовых колец имеют высокую магнитную проницаемость. Они обеспечивают индуктивность в 1-2 мкГн, необходимые для работы схемы, буквально в один виток. В качестве исключения в запасах нашлось кольцо FT82-61, имеющее Al = 79 и погрешность ±20%. Четыре витка на таком кольце должны давать примерно:

… 1.264 мкГн, которые позволяют сделать гибридный ответвитель на 6.3 МГц. L1 и L2 я мотал эмалированной проволокой толщиной 0.6 мм простой бифилярной обмоткой, без скручивания. Измеренная индуктивность составила ровно 1.2 мкГн. С парой конденсаторов на 241 пФ мы получим гибридный ответвитель где-то на 6.6 МГц. У меня как раз нашлась пара NP0 конденсаторов по 240 пФ. Это чуть меньше, но я подумал, что разница в 1 пФ не должна все сломать.

Гибридный ответвитель получился таким:

А это вид сверху:

Точка -3 дБ пришлась где-то на 6.76 МГц:

Наконец, проверим фазовый сдвиг при помощи осциллографа:

Как можно видеть, на 7.0-7.2 МГц гибридный ответвитель тоже как-то работает. При этом сигналы на портах OUT1 и OUT2 различаются на 0.3-0.6 дБ.

Устройство было проверено и в режиме сумматора. Все работает. Генерируемые при этом картинки мало отличаются от полученных ранее для самодельного делителя/сумматора. Поэтому здесь я их не привожу.

Сдвиг фазы при помощи LC-цепей

Существует несколько LC-цепей, позволяющих получить произвольный фазовый сдвиг на заданной частоте. Этот вопрос поднимается во многих источниках. Больше всего мне понравилась статья High-Pass Low-Pass Phase Shifters на сайте microwaves101.com. Опять же, пересказывать статью в мои планы не входит. Вместо этого я расскажу об опыте применения ее на практике.

На основе формул из статьи был написан скрипт phase-shifter.py. Как и предыдущий скрипт, вы найдете его на GitHub. При помощи LTspice я убедился, что скрипт генерирует правильные схемы.

Теперь допустим, что я хочу получить фазовый сдвиг 42° на частоте 7.1 МГц. Скрипт предлагает четыре схемы на выбор, из которых мне больше всего приглянулась такая:

Катушки на 0.43 мкГн легко намотать, а 300 пФ — это стандартный номинал:

При размещении катушек я старался минимизировать эффект взаимоиндукции.

Фактически, перед нами фильтр нижних частот:

Действительно, 7.1 МГц попадает в полосу пропускания, и на частоте мы видим:

… фазовый сдвиг примерно в 42°. На частоте 1 МГц имеем сдвиг примерно в 5°, а ближе к точке -3 дБ получаем 120°.

Заключение

Список возможных решений не претендует на полноту. Но он покрывает многие реальные случаи. Особенно если не забывать про возможность сдвинуть фазу банально куском кабеля.

Дополнение: См также заметки Получаем сигналы с фазовым сдвигом 90° при помощи двойного D-триггера 74HC74 и Генерация сигналов с фазовым сдвигом при помощи Si5351.

Метки: Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.