Несколько способов сдвинуть фазу ВЧ сигнала

17 августа 2020

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:

Фазореверсирующий трансформатор (phase reversal transformer)

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:

Тест фазореверсирующего трансформатора при помощи генератора сигналов и осциллографа

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:

Вносимые потери фазореверсирующего трансформатора

Это довольно много и объясняется использованием недорогого кабеля, который был сильно изогнут. Для минимизации потерь нужно использовать более толстый кабель и/или 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:

$ ./hybrid-coupler.py 6300000

             L1
IN   ---+---CCCC---+--- OUT1
        |          |
    C1 ---     C2 ---
       ---        ---
        |          |
OUT2 ---+---CCCC---+--- DUMP
             L2

L1 = L2 = L
C1 = C2 = C

C = 252.6269 pF
L = 1.2631 uH

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:

>>> (79*pow(4,2))/1000
1.264

… 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:

Квадратурный гибридный ответвитель, вид снизу

А это вид сверху:

Квадратурный гибридный ответвитель, вид сверху

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

АЧХ гибридного ответвителя на 90 градусов

Наконец, проверим фазовый сдвиг при помощи осциллографа:

Фазовый сдвиг гибридного ответвителя

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:

$ ./phase-shifter.py 7100000 42
...

Low pass tee:

    L1         L2
---CCCC---+---CCCC---
          |
        -----
        ----- C1
          |
          V

L1 = L2 = 0.4302 uH
C1 = 299.9872 pF

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

LC-схема для сдвига фазы на 42 градуса

При размещении катушек я старался минимизировать эффект взаимоиндукции.

Фактически, перед нами фильтр нижних частот:

АЧХ LC-схемы для сдвига фазы

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

Проверка фазового сдвига при помощи LC-схемы

… 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.

А сталкивались ли вы с задачей, где нужно обеспечить фазовый сдвиг сигнала? Если да, то что это была за задача, и как вы ее решали?

Метки: , , .