Кіріспе

Кез келген портқа кіретін сигнал келесі порттан шығатын электрондық схема. Радиожиілік (RF) немесе микротолқындық жиіліктегі пассивті циркуляторлар.

Электр техникасында циркулятор – бұл кіргеннен кейін тікелей келесі порт арқылы сигналдың шығуына ғана мүмкіндік беретін, пассивті, өзара байланыссыз үш немесе төрт портты құрылғы. Оптикалық циркуляторлардың қасиеттері ұқсас. Порттар – бұл микрожолақты желі немесе коаксиалдық кабель сияқты сыртқы толқын жетектерінің немесе беру желісінің құрылғыға қосылатын жерлері. Үш портты циркуляторда 1-портқа түсетін сигнал тек 2-порттан шығады; 2-портқа түсетін сигнал тек 3-порттан шығады; 3-портқа түсетін сигнал тек 1-порттан шығады. Сондықтан, үш портты циркулятордың идеалды шашырау матрицасы келесідей:

Түрлері

Микротолқынды циркуляторлар екі негізгі түрге бөлінеді: дифференциалды фазалық ығысу циркуляторлары және түйіспе циркуляторлары. Екеуі де магниттелген феррит материалдың ішінде немесе жанындағы екі әртүрлі жолмен таралатын толқындарды өшіру принципіне негізделген. Толқын жетекті циркуляторлар екі түрдің де болуы мүмкін, ал жолақты сызық негізінде жасалған ықшам құрылғылар көбінесе түйіспе түрінде болады. Екі немесе одан көп түйіспе циркуляторларын бір компонентте біріктіре отырып, төрт немесе одан көп порттарға қол жеткізуге болады. Әдетте, тұрақты магниттер микротолқынды феррит материалда статикалық магниттік қисайтуды тудырады. Ферримагниттік гранат кристаллы оптикалық циркуляторларда қолданылады.

Микрожапсырмалы тұйықталған циркуляторлар

Микрополосалық тұйықталған циркулятор – микрополосалық тарату желісі топологиясын пайдаланатын, кеңінен қолданылатын циркулятордың тағы бір түрі. Микрополосалық циркулятор негізінен феррит субстратындағы схемалық үлгіден тұрады. Сұлба әдетте қалың пленкалық немесе жұқа пленкалық металдану процестерін қолдана отырып, көбінесе фотолитографияны қоса қалыптастырылады. Феррит субстраты кейде магниттік схеманың тиімділігін арттыру, циркулятордың механикалық беріктігін жоғарылату және феррит пен циркулятор орнатылған бет арасындағы жылулық кеңеюдің үйлесімсіздігінен қорғау үшін темір металл тасымалдағышқа біріктіріледі. Феррит субстратының схемалық бетіне бекітілген тұрақты магнит ферритке статикалық магниттік қисайтуды қамтамасыз етеді. Микрополосалық циркуляторлар жолақты тұйықталған циркуляторлар сияқты жұмыс істейді және олардың негізгі жұмыс істеу принципі бірдей. Жолақты циркуляторлармен салыстырғанда микрополосалық циркуляторлардың электрлік көрсеткіштері сәулелену және дисперсия әсерлеріне байланысты біршама төмендеуі мүмкін. Микрополосалық циркуляторлардың көрсеткіштеріндегі кемшіліктер оларды басқа жазық схемалармен салыстырмалы түрде оңай интеграциялау мүмкіндігімен толықтырылады. Бұл циркуляторлардың электрлік қосылыстары әдетте сымдық немесе ленталық байланыстар арқылы жасалады. Микрополосалық циркуляторлардың тағы бір артықшылығы – олардың жолақты циркуляторларға қарағанда кішірек көлемі және оған сәйкес төмен салмағы. Осы артықшылыққа қарамастан, микрополосалық циркуляторлар көбінесе микротолқынды модульдердегі ең үлкен компоненттер болып табылады.

Өзін-өзі бұрмалайтын тұйықталған циркуляторлар

Өзін-өзі бейтараптандыратын тұйықталған циркуляторлардың ерекшелігі – олар микротолқынды ферриттен бөлек тұрақты магниттерді пайдаланбайды. Сыртқы магниттерді жою, ұқсас қолданыстарға арналған электрлік эквивалентті микрожолақты тұйықталған циркуляторлармен салыстырғанда циркулятордың мөлшері мен салмағын айтарлықтай азайтады. Өзін-өзі бейтараптандыратын циркуляторларда қолданылатын монолитті ферриттер – М типіндегі бір осьті (бір магниттік осьті) алтыбұрышты ферриттер, олар микротолқындық жоғалтуларды азайту үшін оңтайландырылған. Басқа циркуляторларда қолданылатын магниттік жұмсақ (төмен коэрцитивті) ферриттерден өзгеше, өзін-өзі бейтараптандыратын циркуляторларда қолданылатын алтыбұрышты ферриттер – магниттік қатты (жоғары коэрцитивті) материалдар. Бұл ферриттер, негізінен, керамикалық тұрақты магниттер болып табылады. Жоғары магниттік қалдық магниттелуіне қоса, бұл ферриттерде өте үлкен магниттік анизотропиялық өрістер бар, бұл циркулятордың жоғары микротолқындық жиіліктерде жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Жұқа, жазық пішініне ие болғандықтан, өзін-өзі бейтараптандыратын циркуляторларды басқа жазық тізбектермен оңай біріктіруге болады. Өзін-өзі бейтараптандыратын циркуляторларды жартылай өткізгіш пластиналармен интеграциялау KA және V жиілік диапазондарында көрсетілген.

Бөлшекті циркуляторлар

Көлденең элементтік циркуляторлар – бұл әдетте ЖЖ (HF) және ӨЖЖ (UHF) жиіліктерінде қолданылатын кішкентай құрылғылар. Көшпелі циркуляторда ферриттің мөлшері сигнал толқын ұзындығына пропорционалды, бірақ көлденең элементтік циркуляторда феррит кішірек болуы мүмкін, себебі мұндай толқын ұзындығы пропорционалдығы болмайды. Көлденең элементтік циркуляторда өткізгіштер ферриттің айналасына оралған, көбінесе тоқылған тор түзеді. Өткізгіш жолақтар жұқа диэлектрлік қабаттармен бір-бірінен оқшауланған. Кейбір циркуляторларда тор баспалы платада іздер түрінде болады, ал қабаттар арасындағы қосылыстарды жасау үшін металданған арналар қолданылады. Өткізгіш жолақтарды өзара байланыспаған индукторлар ретінде қарастыруға болады. Көлденең элементтік циркуляторлардағы кедергілерді сәйкестендіру және кең жолақты жасау тізбектері көбінесе дискретті керамикалық конденсаторлар мен ауа орталық индукторларын пайдалану арқылы құрастырылады. Бұл циркулятор класы көшпелі циркуляторларға қарағанда айтарлықтай кішірек мөлшерге ие. Алайда, көлденең элементтік циркуляторлардың радиожиілік қуатын қабылдау мүмкіндігі эквивалентті көшпелі құрылғыларға қарағанда төмендеу болады және олар механикалық жағынан күрделірек. Дискретті көлденең элементтік индукторлар мен конденсаторлар дірілге немесе механикалық соққыға ұшырағанда, жолақтық көшпелі циркулятордағы қарапайым үлестірілген кедергі трансформаторларына қарағанда аз тұрақты болуы мүмкін.

Феррит емес циркуляторлар

Феррит циркуляторлары "алға" бағыттағы сигнал айналымын жақсы қамтамасыз ете алады, сонымен бірге "кері" айналымды күшті түрде басады, бірақ олардың негізгі кемшіліктері, әсіресе төмен жиіліктерде, үлкен өлшемдері және тар жолақтылығы болып табылады. Феррит емес циркуляторларға қатысты алғашқы жұмыстарда табиғаты бойынша өзара байланыссыз транзисторларды пайдаланатын белсенді циркуляторлар қарастырылған. Феррит циркуляторлары пассивті құрылғылар болса, белсенді циркуляторларға қуат қажет. Транзисторлық белсенді циркуляторлармен байланысты негізгі мәселелер – қуат шектеуі және сигнал-шу деградациясы, бұл олардың күшті тарату қуатын сақтап және антеннадан сигналды таза қабылдауды қамтамасыз ету үшін дуплексер ретінде қолданылған кезде маңызды болып табылады. Варакторлар осы мәселенің бір шешімін ұсынады. Бір зерттеуде бір бағытта таралатын тасымалдаушы сорғы арқылы іске қосылған тиімді өзара байланыссыз уақыт бойынша өзгеретін беріліс желісіне ұқсас құрылым қолданылды. Бұл AC қуатымен жұмыс істейтін белсенді циркуляторға ұқсайды. Зерттеу нәтижелері, қабылдау жолы үшін оң күшейтуге және төмен шу деңгейіне, сондай-ақ кең жолақты өзара байланыссыздыққа қол жеткізуге болатынын көрсетті. Тағы бір зерттеуде феррит циркуляторындағы сигналдардың пассивті айналымын жақын түрде имитациялайтын бұрыштық импульспен туындаған өзара байланыссыз резонанс пайдаланылды. 1964 жылы Мор беріліс желілері мен коммутаторларға негізделген циркуляторды ұсынды және оны тәжірибелік түрде көрсетті. 2016 жылдың сәуір айында зерттеу тобы бұл тұжырымдаманы айтарлықтай кеңейтіп, N жолды сүзгі тұжырымдамаларына негізделген интегралды схемалық циркуляторды ұсынды. Ол толық дуплекс байланыс мүмкіндігін ұсынады (бір жиіліктегі ортақ антенна арқылы бір уақытта хабар тарату және қабылдау). Бұл құрылғы конденсаторлар мен сағатты пайдаланады және дәстүрлі құрылғыларға қарағанда әлдеқайда кішкентай.

Оқшаулағыш

Үш портты циркулятордың бір порты сәйкес келетін жүктемеге қосылса, оны изолятор ретінде қолдануға болады, себебі сигнал қалған екі порттың арасында тек бір бағытта ғана тарай алады. Изолятор кіріс жағындағы жабдықты шығыс жағындағы жағдайлардың әсерінен қорғау үшін қолданылады; мысалы, микротолқынды генератордың сәйкес келмейтін жүктеме салдарынан жиілігін өзгертуіне жол бермеу үшін.

Дюплексші

Радарда циркуляторлар сигналдарды таратушыдан тікелей қабылдағышқа өткізбей, таратушыдан антеннаға және антеннадан қабылдағышқа бағыттау үшін дуплексер ретінде қолданылады. Дуплекстердің тағы бір түрі – тарату-қабылдау коммутаторы (TR коммутаторы), ол антеннаны таратушыға және қабылдағышқа кезекпен қосып-ажыратады. Шығырлы импульстарды және жоғары динамикалық диапазонды пайдалану жіберілген және қабылданған импульстардың уақыт бойынша үстіне түсуіне мүмкіндік береді, сондықтан мұндай жағдайда циркулятор қажет болады.

Қайта шағылысу күшейткіші

Кернеу күшейткіші – туннельді диодтар мен Ганн диодтары сияқты теріс дифференциалдық кедергіге ие диодтарды қолданатын микротолқынды күшейткіш схемасының бір түрі. Теріс дифференциалдық кедергіге ие диодтар сигналдарды күшейте алады және көбінесе екі портты құрылғыларға қарағанда микротолқынды жиіліктерде жақсы жұмыс істейді. Дегенмен, диод бір портты (екі қосқышты) құрылғы болғандықтан, күшейтілген шығыс сигналын кіріс сигналдан бөлу үшін өзара байланыссыз компонент қажет. 3 портты циркуляторды қолдану арқылы, сигнал кірісі бір портқа, диодтың қоректенуі екінші портқа, ал шығыс жүктемесі үшінші портқа қосылса, шығыс пен кіріс ажыратылады.