Kenntnisse über HF-Zirkulatoren

HF- oder Mikrowellenzirkulatoren oder -isolatoren sind Geräte, die typischerweise über drei und manchmal vier Anschlüsse verfügen. Sie werden in HF-Systemdesigns verwendet, bei denen Strom von einem Anschluss zum anderen übertragen und gleichzeitig der Strom vom anderen Anschluss isoliert werden muss.

HF-Zirkulatoren werden in vielen HF-Anwendungen als Diplexer verwendet, sodass sowohl Sende- als auch Empfangsfunktionen gleichzeitig ausgeführt werden können. Sie werden häufig in HF-Designanwendungen eingesetzt, darunter Radarsysteme und verschiedene professionelle Funkkommunikationssysteme.

HF-Zirkulatoren haben ihren Namen, weil sie Strom von einem Port zum anderen übertragen, beispielsweise von Port 1 (Eingang) zu Port 2 (Ausgang) und von Port 2 (Eingang) zu Port 3.

Funktionsprinzip des HF-Zirkulators

Anschlüsse an HF-Zirkulatoren werden oft als Ports bezeichnet, ansonsten sind sie üblicherweise mit 1, 2, 3 usw. nummeriert.

Der HF-Zirkulator verdankt seinen Namen der Tatsache, dass er die von einem Port eingehende Leistung nur zyklisch zum nächsten weiterleitet. Das an Port 1 angelegte Signal wird an Port 2 weitergeleitet: Das an Port 2 eingehende Signal wird an Port 3 weitergeleitet, aber nicht an Port 1 zurückgegeben. Das Eingangssignal von Port 3 wird an Port 1 weitergeleitet, aber nicht an Port 2 zurück.

Ein idealer Zirkulator würde die gesamte Leistung von einem Port zum gewünschten Port und nicht zu einem anderen Port übertragen. In der Realität kommt es jedoch immer zu einer gewissen Dämpfung im Übertragungspfad, und ein Signalverlust tritt immer an den Port aus, der isoliert werden sollte. Die größte Herausforderung beim Design von HF-Schaltungen für diese Geräte besteht darin, eine optimale Übertragung und Isolierung sicherzustellen.

Zirkulatoren können auf Streifenleiterplattentechnologie basieren (üblicherweise jedoch auf dielektrischen Materialien mit sehr geringem Verlust oder PCB-Materialien) und sind in Metallgehäusen mit Anschlüssen oder anderen Verbindungen zur Außenwelt untergebracht – manche nutzen sogar die Oberflächenmontagetechnik. Andere Zirkulatoren basieren auf Wellenleitern und können in HF-Systemdesignanwendungen mit Wellenleitertechnologie eingesetzt werden. Die Art der Schnittstelle und die erforderliche Technologie hängen vom verwendeten HF-Schaltungsdesign ab. Die Funktionsweise der meisten HF-Zirkulatoren basiert auf ferromagnetischen Materialien. Es gibt zwei Haupttypen:

Dreitor-Zirkulatoren: Dreitor-Zirkulatoren in Y-Form eliminieren Wellen, die sich in der Nähe magnetisierter Materialien auf zwei unterschiedlichen Wegen bewegen. Zirkulatoren können von beiden Typen sein, während kompaktere Geräte auf Streifenleitungsbasis vom Typ 3-Port sind.

Viertorzirkulatoren: Ein Viertorzirkulator, der auf der Faraday-Rotation von Wellen basiert, die sich in magnetisierten Materialien ausbreiten. Mithilfe dieser Technologie konnten sie das HF-Signal an vier Tore weiterleiten.

Symbol für den HF-Zirkulator-Schaltkreis

Neben anderen elektronischen Komponenten verfügt der HF-Zirkulator über ein eigenes Schaltkreissymbol, das zu seiner Darstellung in einem elektronischen Schaltplan oder schematischen Diagramm verwendet wird.

Das Grundsymbol besteht aus einem Kreis und einem Pfeil, der die Richtung des Ein- und Ausschaltvorgangs angibt. Normalerweise werden die Ports im Uhrzeigersinn um einen Kreis herum angezeigt: Port 1, Port 2 und schließlich Port 3.

Es ist erwähnenswert, dass jeder Anschluss, sei es ein Koaxialkabel oder ein Wellenleiter, als einzelner Draht und nicht als Leiterpaar erscheint.

Eine gängige Form eines HF-Zirkulators besteht aus einem Y-förmigen Abschnitt einer Mikrostreifen- oder Streifenleitung auf einer Leiterplatte oder einem anderen Dielektrikum. Die Anschlüsse sind um 120° versetzt und somit kreisförmig gleichmäßig verteilt.

Die Leiterplattenbaugruppe ist zwischen zwei Ferritstücken eingebettet und wird außen von zwei starken Magneten an ihrem Platz gehalten.

Die Baugruppe baut durch die Ferritscheibe in axialer Richtung ein starkes Magnetfeld auf, das das Magnetfeld um die Y-Verbindung herum konzentriert, was als Vorspannung bezeichnet wird.

Wird ein Signal an einen der Anschlüsse angelegt, entsteht in der Streifenleitung ein elektromagnetisches Feld, das mit dem Magnetfeld des Magneten interagiert. Zwischen beiden entsteht eine komplexe Wechselwirkung. Dadurch wird das Signal nur um den Zirkulator herum zum nächsten Anschluss übertragen. Die Zirkulatorbaugruppe, bestehend aus einem Y-Verteiler und einer Ferritscheibe, hat eine ausgeprägte Resonanzfrequenz – die Baugruppe bildet quasi einen Resonator. Zirkulatoren arbeiten aus naheliegenden Gründen nicht bei dieser Frequenz, sondern darüber oder darunter, da die Einfügungsdämpfung, also die Dämpfung, deutlich geringer ist.

RF-Zirkulator-Anwendung

HF-Zirkulatoren finden in zahlreichen Anwendungen der HF-Schaltungsentwicklung Anwendung. Da sie üblicherweise bei Mikrowellenfrequenzen eingesetzt werden, werden sie oft als Mikrowellenzirkulatoren bezeichnet.

Eine der offensichtlichsten und häufigsten Anwendungen von HF-Zirkulatoren sind Radarsysteme oder Funkkommunikationssysteme, bei denen Sender und Empfänger eine gemeinsame Antenne verwenden.

Beispielsweise ist der Senderausgang mit Port 1 verbunden, die Antenne mit Port 2 und der Empfänger mit Port 3. Daher wird die Senderleistung an die Antenne und nicht an den Empfänger weitergeleitet, und das von der Antenne empfangene Signal wird an den Empfänger weitergeleitet. Auf diese Weise ist der Empfänger vom Sender isoliert, die Antenne wird jedoch vom Sender mit Strom versorgt und leitet das empfangene Signal ohne mechanische Umschaltung an den Empfänger weiter.

HF-Isolatoren: HF-Zirkulatoren können als HF-Isolatoren eingesetzt werden. Sie sind nützlich zum Schutz von Senderausgangsverstärkern, die mit hohem VSWR arbeiten müssen. Bei direktem Anschluss an eine Antenne kann der Leistungsverstärker in diesen Fällen hohen Spannungs- oder Stromstärken ausgesetzt sein und dadurch beschädigt werden. Sender müssen oft über sehr große Bandbreiten arbeiten. In diesen Fällen ist es nicht möglich, eine gute Impedanzanpassung über die gesamte Bandbreite aufrechtzuerhalten, und es können destruktive VSWR-Werte auftreten. Um dieses Problem zu lösen, können Zirkulatoren eingesetzt werden, um PA vor reflektierter Leistung zu schützen.

Dazu wird der Sender an Port 1 und die Antenne an Port 2 angeschlossen. Port 3 wird üblicherweise mit einer 50-Ω-Last verbunden. Dies ist erforderlich, da der Isolationsgrad von einer guten Impedanzanpassung an den verschiedenen Ports abhängt. Bei einer schlechten Anpassung oder einem offenen Stromkreis wird die Isolationsleistung beeinträchtigt.

Die übertragene Leistung wird von Port 1 zu Port 2 übertragen und an die Antenne weitergeleitet. Die reflektierte Leistung wird über die Zuleitung zurückgeführt und von Port 2 zu Port 3 weitergeleitet, wo sie in der Last abgeführt werden kann. Auf diese Weise kann der HF-Leistungsverstärker mit einem hohen VSWR der Zuleitung betrieben werden, ist jedoch durch einen Zirkulator geschützt, der als HF-Isolator fungiert.

Die Last an Port 3 muss eine angepasste Impedanz bereitstellen: Der Isolator muss eine Impedanz am Port anpassen, um ein gewisses Maß an Isolation von diesem Port aufrechtzuerhalten.

HF-Zirkulatoren und -Isolatoren werden häufig in vielen Mikrowellen- und anderen HF-Schaltungsdesignanwendungen eingesetzt, von Funkkommunikationsgeräten bis hin zu Radargeräten und vielen weiteren Anwendungen. Da sie Strom nur von einem Port zu einem anderen Port übertragen, können sie als Duplexer eingesetzt werden. Dadurch können Sender und Empfänger gleichzeitig auf nahegelegenen Frequenzen arbeiten und HF-Leistungsverstärker unter Last mit schlecht angepasster Impedanz betrieben werden.