3.7. Узлы управления фазой и задержкой сигнала

Для электронного управления фазой выходного квазигармонического колебания могут использоваться различные технические решения: изменение настройки частотного фильтра, амплитудная модуляция одной из квадратурных компонент выходного напряжения, коммутация длины линии задержки, изменение скорости распространения волн в волноводе и др. Если сигнал широкополосный, то для сохранения формы колебания на выходе узла надо использовать только устройства управления задержкой во времени.

Основными характеристиками таких узлов являются:

а) модуляционная характеристика (МХ) – зависимость фазового сдвига на заданной частоте от управляющего напряжения,

б) характеристика паразитной амплитудной модуляции (ПАМ) в интервале изменения управляющего напряжения,

в) вид переходного процесса при скачке управляющего напряжения,

г) зависимость СПМ дополнительного фазового шума от отстройки по отношению к несущей частоте.

Используются следующие параметры этих характеристик:

1. диапазон изменения фазы или задержки в допустимом интервале управляющих напряжений;

2. уровень нелинейности МХ;

3. уровень допустимой ПАМ;

4. уровень допустимых отклонений МХ от линейного вида или отклонения крутизны МХ от постоянного значения;

5. длительность процесса установления нового значения фазового сдвига или задержки;

6. уровень дополнительного белого фазового шума;

7. отстройка, при которой частотная зависимость дополнительного фазового шума не сказывается;

8. оценка допустимого искажения формы выходного сигнала;

9. уровень дополнительных паразитных дискретных спектральных компонент, возникающих в выходном сигнале;

10. интервалы допустимых изменений дестабилизирующих факторов: температуры, давления и влажности окружающей среды, вибраций и ударов, проникающей радиации, явлений старения и деградации и т.д.

Если необходимо изменять фазовый сдвиг квазигармонического сигнала в пределах нескольких десятков градусов, то можно использовать резонансный усилитель с управляемой средней частотой f_ср. Для управления частотой f_ср вводят в состав резонансного контура управляемую ёмкость в виде варикапа. Пусть, например, частота настройки одиночного LC-контура линейно зависит от управляющего напряжения f_ср = f₀ - SЕ_у, где S [Гц/В] – крутизна управления частотой контура, Е_у – управляющее напряжение. Тогда фазовый сдвиг  сигнала в усилителе с таким контуром и его выходная амплитуда U зависят от управляющего напряжения следующим образом:

(E_у) = arctg(2SE_у/Qf₀);

U(Е_у) = [1+(2SE_у/Qf₀)²]^1/2,

где Q – добротность контура (см. рис. 3.30). Из этих графиков следует, что в пределах вариаций фазового сдвига на 30⁰ амплитуда изменяется менее, чем на 8%, а крутизна МХ фазового модулятора S_ = (180⁰/)d(E_у)/dЕ_у не более, чем на ±12⁰ отличается от своего среднего значения S_{ ср} = (180⁰/)S/Q , град/В. Скорость изменения E_у(t) должна быть настолько малой, чтобы полоса частот спектра управляющего напряжения не превышала половины полосы пропускания контура 2 f₀ /Q

Рис. 3.30. Зависимость фазового сдвига и амплитудного коэффициента передачи от управляющего напряжения для фазовращателя на одиночном резонансном контуре с варикапом

Для увеличения максимальной девиации фазового сдвига включают каскадно несколько модуляторов такого типа. Если фазовый модулятор включён на входе умножителя частоты, то требуемая в модуляторе девиация фазы снижается пропорционально коэффициенту умножения частоты. В низкочастотном диапазоне используют импульсно-фазовые схемы фазовых модуляторов [1]. В диапазоне СВЧ находят применение фазовращательные лампы бегущей волны, которые позволяют изменять фазовый сдвиг с большой скоростью в пределах (4…6)∙2. В главе 6 рассмотрены некоторые практические схемы модуляторов фазы.

Для цифрового управления фазовым сдвигом гармонического сигнала или задержкой во времени сигнала несинусоидальной формы может быть использована дискретно управляемая линия задержки (УЛЗ), структурная схема которой показана на рис. 3.31. Согласованные на концах отрезки широкополосного коаксиального кабеля на схеме рис. 3.31 имеют длину L, L/2, …, L/2ⁿ, где n – разрядность управляющего кода K_. Электронные ключи в зависимости от кода K_ коммутируют суммарную длину УЛЗ и тем самым изменяют время задержки с дискретом где с = 310⁸ м/с – скорость света, ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика в коммутируемых отрезках линии передачи.

Рис. 3.31. Структурная схема линии задержки, управляемой кодом

Если УЛЗ используется как дискретный фазовращатель квазигармонического сигнала, а допустимое значение минимального шага по фазе составляет _доп [рад], то параметры линии задержки по схеме рис. 3.31 должны быть связаны между собой соотношением

где f₀ – несущая частота. УЛЗ вида рис. 3.31 выполняются на отрезках микрополосковых, коаксиальных, световодных или волноводных линий передачи.

Дополнительные фазовые шумы вблизи несущей частоты, создаваемые управляемым фазовращателем или УЛЗ, существенно зависят от его устройства и повышают уровень белого фазового шума при больших отстройках от несущей.