Знание радиочастотных циркуляторов

ВЧ- или СВЧ-циркуляторы или изоляторы — это устройства, которые обычно имеют три, а иногда и четыре порта. Они используются в конструкциях ВЧ-систем, которым необходимо передавать мощность с одного порта на другой, изолируя мощность от другого порта.

ВЧ-циркуляторы используются в качестве диплексеров во многих ВЧ-приложениях, позволяя одновременно выполнять функции передачи и приема, и широко используются в приложениях ВЧ-проектирования, включая радиолокационные системы и различные профессиональные системы радиосвязи.

Радиочастотные циркуляторы получили свое название потому, что они передают мощность с одного порта на другой, например, циклически от входа порта 1 к выходу порта 2 и от входа порта 2 к порту 3.

Принцип работы радиочастотного циркулятора

Подключения к ВЧ-циркуляторам часто называют портами, в противном случае они обычно нумеруются 1, 2, 3 и т. д.

Радиочастотный циркулятор получил своё название потому, что он передаёт только мощность, поступающую с одного порта на другой. Сигнал, подаваемый на порт 1, передаётся на порт 2. Сигнал, подаваемый на порт 2, передаётся на порт 3, но не возвращается на порт 1. Входной сигнал с порта 3 передаётся на порт 1, но не возвращается на порт 2.

Идеальный циркулятор передавал бы всю мощность с одного порта на нужный, а не на какой-либо другой. Но в реальности в тракте передачи всегда будет присутствовать некоторое затухание, и часть сигнала всегда будет просачиваться в порт, который должен быть изолирован. Ключевой задачей при проектировании радиочастотных схем для таких устройств является обеспечение оптимальной передачи и изоляции.

Циркуляторы могут использовать полосковую печатную плату (но обычно используют диэлектрики или печатные платы с очень низкими потерями) и размещаются в металлических корпусах с разъемами или другими соединениями с внешним миром, некоторые даже используют технологию поверхностного монтажа. Другие циркуляторы могут быть основаны на волноводах, и эти циркуляторы могут использоваться в приложениях проектирования ВЧ-систем, включающих волноводную технологию. Тип интерфейса и технологии, требуемые в каждом конкретном случае, зависят от применяемой конструкции ВЧ-схемы. С точки зрения принципа действия, большинство ВЧ-циркуляторов основаны на использовании ферромагнитных материалов. Существует два основных типа:

Трёхпортовые циркуляторы: Трёхпортовые циркуляторы типа «Y-образный переход» основаны на подавлении волн, распространяющихся по двум разным путям вблизи намагниченных материалов. Циркуляторы могут быть любого типа, а более компактные устройства на основе полосковых линий — трёхпортовые.

Четырехпортовые циркуляторы: Четырехпортовый циркулятор, основанный на эффекте Фарадея при вращении волн, распространяющихся в намагниченных материалах. Используя эту технологию, удалось направить радиочастотный сигнал на четыре порта.

Символ цепи ВЧ-циркулятора

Помимо других электронных компонентов, ВЧ-циркулятор имеет свой собственный символ цепи, который используется для его представления на электронной схеме или принципиальной схеме.

Базовый символ состоит из круга и стрелки, указывающей направление цикла питания. Обычно порты отображаются по часовой стрелке по кругу: порт 1, порт 2 и, наконец, порт 3.

Стоит отметить, что каждый порт, будь то коаксиальный фидер или волновод, выглядит как один провод, а не как пара проводников.

Один из распространённых типов ВЧ-циркуляторов представляет собой Y-образный участок микрополосковой или полосковой линии передачи, расположенный на печатной плате или другом диэлектрике. Порты расположены под углом 120° друг к другу, то есть они равноудалены друг от друга по окружности.

Печатная плата зажата между двумя ферритовыми пластинами, а снаружи ее удерживают два сильных магнита.

Сборка создает сильное магнитное поле через ферритовый диск в осевом направлении, которое концентрирует магнитное поле вокруг Y-соединения, что называется смещением.

При подаче сигнала на один из портов в полосковой линии возникает электромагнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем магнита, и между ними возникает сложное взаимодействие. В результате сигнал передаётся только по циркулятору к следующему порту. Сборка циркулятора, состоящая из Y-образного соединения и ферритового диска, имеет чёткую резонансную частоту – фактически, эта сборка образует резонатор. По понятным причинам циркуляторы работают не на этой частоте, а выше или ниже её, поскольку вносимые потери, то есть затухание, значительно меньше.

Применение радиочастотного циркулятора

ВЧ-циркуляторы находят широкое применение в различных СВЧ-схемах. Обычно они используются на сверхвысоких частотах, поэтому их часто называют микроволновыми циркуляторами.

Одной из наиболее очевидных и распространенных областей применения радиочастотных циркуляторов являются радиолокационные системы или системы радиосвязи, где передатчик и приемник используют общую антенну.

Например, выход передатчика подключен к порту 1, антенна — к порту 2, а приемник — к порту 3. Таким образом, мощность передатчика будет циклически подаваться на антенну, а не на приемник, а сигнал, принимаемый антенной, будет циклически подаваться на приемник. Таким образом, приемник изолирован от передатчика, но антенна получает питание от передатчика и передает принятый сигнал на приемник без каких-либо механических переключений.

ВЧ-изоляторы: ВЧ-циркуляторы могут использоваться в качестве ВЧ-изоляторов. Они полезны для защиты выходных усилителей передатчиков, которые должны работать с высокими уровнями КСВ. При прямом подключении к антенне усилитель мощности может подвергаться воздействию высоких уровней напряжения или тока, что может привести к его повреждению. Часто передатчики должны работать в очень широкой полосе пропускания, в таких случаях невозможно поддерживать хорошее согласование импеданса во всей полосе пропускания, и КСВ может достигать разрушительных значений. Для решения этой проблемы циркуляторы могут использоваться для защиты усилителей мощности от отраженной мощности.

Для этого передатчик подключается к порту 1, а антенна — к порту 2. Порт 3 обычно подключается к нагрузке 50 Ом — это необходимо, поскольку уровень изоляции зависит от хорошего согласования импеданса на разных портах. При плохом согласовании или обрыве цепи качество изоляции ухудшается.

Излученная мощность передаётся из порта 1 в порт 2 и далее на антенну. Любая отражённая мощность возвращается по фидеру и передаётся из порта 2 в порт 3, где она рассеивается в нагрузке. Таким образом, усилитель мощности ВЧ сможет работать с высоким КСВ фидера, но будет защищён циркулятором, действующим как изолятор ВЧ.

Нагрузка на порту 3 должна обеспечивать согласованное сопротивление: Изолятор должен согласовывать сопротивление на порту, чтобы поддерживать уровень изоляции от этого порта.

Циркуляторы и вентили широко используются во многих микроволновых и других СВЧ-схемах, от радиокоммуникационного оборудования до радаров и многих других приложений. Тот факт, что они передают мощность только с одного порта на другой, позволяет использовать их в качестве дуплексеров, позволяя передатчику и приемнику одновременно работать на соседних частотах, а усилителям мощности ВЧ работать под нагрузкой с плохо согласованным импедансом.