Введение

Электронная схема, в которой сигнал, входящий в любой порт, выходит из следующего порта на радиочастотах (РЧ) или микроволновых частотах. Пассивные циркуляторы.

В электротехнике циркулятор – это пассивное, несимметричное устройство с тремя или четырьмя портами, которое пропускает микроволновый или радиочастотный (РЧ) сигнал только через порт, следующий за тем, в который он поступил. Оптические циркуляторы демонстрируют аналогичное поведение. Порты – это точки подключения внешнего волновода или линии передачи, например, микрополосковой линии или коаксиального кабеля, к устройству. Для трехпортового циркулятора сигнал, поданный на порт 1, выходит только из порта 2; сигнал, поданный на порт 2, выходит только из порта 3; сигнал, поданный на порт 3, выходит только из порта 1. Таким образом, идеальный трехпортовый циркулятор характеризуется следующей матрицей рассеяния:

Типы

Микроволновые циркуляторы делятся на два основных класса: циркуляторы с дифференциальным сдвигом фазы и циркуляторы с переходом, оба из которых основаны на взаимном гашении волн, распространяющихся по двум различным путям в или вблизи намагниченного ферритового материала. Волноводные циркуляторы могут быть как одного, так и другого типа, в то время как более компактные устройства на полосковых линиях обычно представляют собой циркуляторы с переходом. Два или более циркулятора с переходом могут быть объединены в один компонент для получения четырех или более портов. Как правило, постоянные магниты создают постоянное магнитное смещение в микроволновом ферритовом материале. Ферримагнитный гранатовый кристалл используется в оптических циркуляторах.

Микрополосочные циркуляторы

Микрополосковый циркулятор – еще одна широко используемая форма циркулятора, использующая топологию микрополосковой линии передачи. Микрополосковый циркулятор состоит главным образом из схемы, сформированной на ферритовой подложке. Схема обычно создается с использованием толстопленочных или тонкопленочных процессов металлизации, часто включающих фотолитографию. Ферритовая подложка иногда соединяется с носителем из черного металла, который служит для повышения эффективности магнитной цепи, увеличения механической прочности циркулятора и защиты феррита от различий в тепловом расширении между ним и поверхностью, к которой крепится циркулятор. Постоянный магнит, прикрепленный к лицевой стороне схемы ферритовой подложки, обеспечивает статическое магнитное смещение феррита. Микрополосковые циркуляторы функционируют аналогично полосковым циркуляторам, и их базовая теория работы одинакова. По сравнению с полосковыми циркуляторами, электрические характеристики микрополосковых циркуляторов несколько снижены из-за эффектов излучения и дисперсии. Недостатки микрополосковых циркуляторов компенсируются их относительной простотой интеграции с другими планарными схемами. Электрические соединения этих циркуляторов с соседними схемами обычно выполняются с помощью проволочных или ленточных выводов. Другим преимуществом микрополосковых циркуляторов является их меньший размер и, соответственно, меньшая масса по сравнению с полосковыми циркуляторами. Несмотря на это преимущество, микрополосковые циркуляторы часто являются самыми крупными компонентами в микроволновых модулях.

Циркуляторы с самонаправленными стыками

Самостоятельно-смещенные циркуляторы с разветвлениями уникальны тем, что не используют постоянные магниты, отделенные от микроволнового феррита. Исключение внешних магнитов значительно уменьшает размер и вес циркулятора по сравнению с электрически эквивалентными микрополосковыми циркуляторами для аналогичных применений. Монолитные ферриты, используемые в самостоятельно-смещенных циркуляторах, представляют собой гексагональные ферриты типа M с одноосной (одна магнитная ось) анизотропией, оптимизированные для низких микроволновых потерь. В отличие от магнитно-мягких (с низкой коэрцитивной силой) ферритов, применяемых в других циркуляторах, гексагональные ферриты, используемые в самостоятельно-смещенных циркуляторах, являются магнитно-твердыми (с высокой коэрцитивной силой) материалами. По сути, эти ферриты являются керамическими постоянными магнитами. Помимо высокой магнитной остаточной индукции, эти ферриты обладают очень большими полями магнитной анизотропии, что обеспечивает работу циркулятора на высоких микроволновых частотах. Благодаря своей тонкой плоской форме, самостоятельно-смещенные циркуляторы могут быть удобно интегрированы с другими планарными схемами. Интеграция самостоятельно-смещенных циркуляторов с полупроводниковыми пластинами была продемонстрирована в диапазонах KA и V.

Циркуляторы с элементами в кубиках

Циркуляторы с сосредоточенными элементами – это устройства небольшого размера, которые обычно используются на частотах в диапазоне от HF до UHF. В циркуляторе с переходом (junction circulator) размер феррита (ов) пропорционален длине волны сигнала, но в циркуляторе с сосредоточенными элементами феррит может быть меньше, поскольку такой зависимости от длины волны нет. В циркуляторе с сосредоточенными элементами проводники обмотаны вокруг феррита, формируя, как правило, тканую сетку. Проводящие полосы изолированы друг от друга тонкими диэлектрическими слоями. В некоторых циркуляторах сетка выполнена в виде дорожек на печатной плате с металлизированными переходными отверстиями для соединения слоев. Проводящие полосы можно рассматривать как нереципрокно связанные индуктивности. Схемы согласования импеданса и широкополосные схемы в циркуляторах с сосредоточенными элементами часто изготавливаются с использованием дискретных керамических конденсаторов и индуктивностей с воздушным сердечником. Этот класс циркуляторов обеспечивает значительное уменьшение размеров по сравнению с циркуляторами с переходом. С другой стороны, циркуляторы с сосредоточенными элементами, как правило, имеют меньшую мощность, которую они могут обрабатывать в радиочастотном диапазоне, чем эквивалентные устройства с переходом, и более сложны с точки зрения конструкции. Дискретные индуктивности и конденсаторы с сосредоточенными элементами могут быть менее стабильными при воздействии вибрации или механических ударов, чем простые распределенные согласующие трансформаторы в циркуляторе с переходом.

Циркуляторы из неферритов

Хотя ферритные циркуляторы могут обеспечивать хорошую циркуляцию сигнала "в прямом направлении", значительно подавляя циркуляцию "в обратном направлении", их основными недостатками, особенно на низких частотах, являются большие габариты и узкая полоса пропускания. Ранние работы по неферритовым циркуляторам включают активные циркуляторы, использующие транзисторы, обладающие нереципрокностью. В отличие от ферритных циркуляторов, являющихся пассивными устройствами, активные циркуляторы требуют питания. Основные проблемы, связанные с активными циркуляторами на основе транзисторов, – это ограничение мощности и ухудшение отношения сигнал/шум, что критически важно при использовании в качестве дуплексера для обеспечения высокой мощности передачи и чистого приема сигнала от антенны. Варакторы предлагают одно из решений. В одном исследовании использовалась структура, подобная линии передачи с изменяющимися во времени характеристиками, с эффективной нереципрокностью, вызванной однонаправленным распространяющимся несущим сигналом накачки. Это аналогично активному циркулятору, работающему от переменного тока. В исследовании утверждалось, что можно достичь положительного усиления и низкого уровня шума для приемного тракта и широкополосной нереципрокности. В другом исследовании использовался резонанс с нереципрокностью, вызванной смещением углового момента, что более точно имитирует пассивную циркуляцию сигналов в ферритовом циркуляторе. В 1964 году Мор представил и экспериментально продемонстрировал циркулятор, основанный на линиях передачи и переключателях. В апреле 2016 года исследовательская группа значительно расширила эту концепцию, представив интегральную схему циркулятора, основанную на концепциях N-путевого фильтра. Она обеспечивает возможность полнодуплексной связи (одновременной передачи и приема с использованием одной общей антенны на одной частоте). Устройство использует конденсаторы и тактовый генератор и значительно меньше, чем традиционные устройства.

Изолятор

Когда один порт трехпортового циркулятора завершается согласованной нагрузкой, его можно использовать в качестве изолятора, поскольку сигнал может распространяться только в одном направлении между оставшимися портами. Изолятор используется для защиты оборудования на своей входной стороне от влияния условий на выходной стороне; например, для предотвращения расстройки микроволнового источника из-за несогласованной нагрузки.

Дуплексировщик

В радиолокации циркуляторы используются в качестве одного из типов дуплексеров для направления сигналов от передатчика к антенне и от антенны к приемнику, предотвращая их прохождение непосредственно от передатчика к приемнику. Альтернативным типом дуплексера является переключатель передача-прием (TR-переключатель), который поочередно соединяет антенну с передатчиком и приемником. Использование импульсов с частотной модуляцией и широкого динамического диапазона может приводить к временному перекрытию отправленных и принятых импульсов, что требует применения циркулятора для выполнения этой функции.

Усилитель отражения

Усилитель отражения — это тип микроволновой усилительной схемы, использующий диоды с отрицательным дифференциальным сопротивлением, такие как туннельные диоды и диоды Ганна. Диоды с отрицательным дифференциальным сопротивлением способны усиливать сигналы и часто демонстрируют лучшие характеристики на микроволновых частотах, чем двухполюсные устройства. Однако, поскольку диод является однополюсным (двухвыводным) устройством, для разделения усиленного выходного сигнала и входящего входного сигнала требуется несимметричный компонент. Используя 3-портовый циркулятор, с входным сигналом, подключенным к одному порту, смещенным диодом, подключенным ко второму, и выходной нагрузкой, подключенной к третьему, можно обеспечить разделение выходного и входного сигналов.