Cyrkulator - Circulator

Standardowy symbol schematu ANSI i IEC dla pompy cyrkulacyjnej (z każdym falowodem lub portem linii transmisyjnej narysowanym jako pojedyncza linia, a nie jako para przewodów)

Pompa jest bierny , nie- wzajemne trzy- lub cztero portu urządzenia, które umożliwia tylko mikrofalowej lub radiowej częstotliwości sygnału na wyjście przez port bezpośrednio po jednej jego wejścia. Cyrkulatory optyczne mają podobne zachowanie. Porty to miejsca, w których zewnętrzny falowód lub linia transmisyjna , taka jak linia mikropaskowa lub kabel koncentryczny , łączy się z urządzeniem. W przypadku pompy cyrkulacyjnej z trzema portami sygnał doprowadzony do portu 1 wychodzi tylko z portu 2; sygnał zastosowany do portu 2 wychodzi tylko z portu 3; sygnał zastosowany do portu 3 wychodzi tylko z portu 1 i tak dalej. Idealna cyrkulator z trzema portami ma następującą matrycę rozpraszania :

${\ displaystyle S = {\ początek {pmatrix} 0 i 0 i 1 \\ 1 i 0 i 0 \\ 0 i 1 i 0 \ koniec {pmatrix}}}$

Rodzaje

Falowodu pompa stosowany jako izolator poprzez umieszczenie dopasowanego obciążenia na porcie 3. Etykieta na magnesem trwałym wskazuje kierunek obrotu.

W zależności od zastosowanych materiałów, cyrkulatory dzielą się na dwie główne kategorie: cyrkulatory ferrytowe i cyrkulatory nieferrytowe.

Ferryt

Cyrkulatory ferrytowe to cyrkulatory o częstotliwości radiowej, które wykorzystują namagnesowane materiały ferrytowe mikrofalowe. Dzielą się na dwie główne klasy: cyrkulatory z różnicowym przesunięciem fazowym i cyrkulatory ze złączem, z których obie bazują na eliminacji fal rozchodzących się dwiema różnymi ścieżkami w namagnesowanym materiale ferrytowym lub w jego pobliżu. Cyrkulatory falowodowe mogą być dowolnego typu, podczas gdy bardziej kompaktowe urządzenia oparte na linii paskowej są zwykle typu złączowego. Dwie lub więcej pomp cyrkulacyjnych połączeniowych można połączyć w jeden element, aby uzyskać cztery lub więcej portów. Zwykle magnesy trwałe wytwarzają statyczne napięcie magnetyczne w materiale ferrytowym w mikrofali. Kryształ ferrimagnetyczny granatu jest używany w cyrkulatorach optycznych .

Chociaż cyrkulatory ferrytowe mogą zapewnić dobrą cyrkulację sygnału „do przodu”, jednocześnie znacznie tłumiąc cyrkulację „odwrotną”, ich głównymi wadami, szczególnie przy niskich częstotliwościach, są duże rozmiary i wąskie pasmo przenoszenia.

Nonferrite

Wczesne prace nad cyrkulatorami nieferrytowymi obejmują aktywne cyrkulatory wykorzystujące tranzystory, które są z natury nieodwrotne. W przeciwieństwie do cyrkulatorów ferrytowych, które są urządzeniami pasywnymi, cyrkulatory aktywne wymagają zasilania. Główne problemy związane z aktywnymi cyrkulatorami opartymi na tranzystorach to ograniczenie mocy i degradacja sygnału do szumu, które są krytyczne, gdy jest używany jako duplekser do utrzymywania dużej mocy nadawania i czystego odbioru sygnału z anteny.

Varactors oferuje jedno rozwiązanie. W jednym badaniu wykorzystano strukturę podobną do zmiennej w czasie linii przesyłowej ze skuteczną niewzajemnością wyzwalaną przez jednokierunkową propagującą pompę nośną. To jest jak aktywna pompa cyrkulacyjna zasilana prądem zmiennym. Badacze twierdzili, że są w stanie osiągnąć dodatnie wzmocnienie i niski poziom szumów dla ścieżki odbiorczej i niewzajemności łączy szerokopasmowych. W innym badaniu wykorzystano rezonans z brakiem wzajemności wyzwalany przez odchylenie od momentu pędu, które dokładniej naśladuje sposób, w jaki sygnały krążą biernie w cyrkulatorze ferrytowym.

W 1964 roku Mohr zaprezentował i eksperymentalnie zademonstrował cyrkulator oparty na liniach transmisyjnych i przełącznikach. W kwietniu 2016 r. Zespół badawczy znacznie rozszerzył tę koncepcję, przedstawiając cyrkulator z układem scalonym oparty na koncepcjach filtrów ze ścieżką N. Oferuje możliwość komunikacji w trybie pełnego dupleksu (nadawanie i odbieranie w tym samym czasie za pomocą jednej wspólnej anteny na jednej częstotliwości). Urządzenie wykorzystuje kondensatory i zegar i jest znacznie mniejsze niż konwencjonalne urządzenia.

Aplikacje

Izolator

Gdy jeden port pompy cyrkulacyjnej z trzema portami jest zakończony dopasowanym obciążeniem, może być używany jako izolator , ponieważ sygnał może przepływać tylko w jednym kierunku między pozostałymi portami. Izolator służy do ochrony sprzętu po jego stronie wejściowej przed wpływem warunków po stronie wyjściowej; na przykład, aby zapobiec rozstrojeniu źródła mikrofal przez niedopasowane obciążenie.

Duplekser

W radarach cyrkulatory są używane jako rodzaj dupleksera , do kierowania sygnałów z nadajnika do anteny iz anteny do odbiornika , bez umożliwienia przesyłania sygnałów bezpośrednio z nadajnika do odbiornika. Alternatywnym typem dupleksera jest przełącznik nadawczo-odbiorczy ( przełącznik TR ), który przełącza się między podłączeniem anteny do nadajnika i odbiornika. Użycie ćwierkających impulsów i dużego zakresu dynamiki może prowadzić do czasowego nakładania się wysyłanych i odbieranych impulsów, jednak do tej funkcji wymagana jest pompa cyrkulacyjna.

W komunikacji komórkowej przyszłej generacji ludzie mówią o radiotelefonach pełnodupleksowych, w których sygnały mogą być jednocześnie przesyłane i odbierane na tej samej częstotliwości. Biorąc pod uwagę obecnie ograniczone, zatłoczone zasoby widma, pełny dupleks może bezpośrednio przynieść korzyści komunikacji bezprzewodowej dzięki dwukrotnie większej przepustowości danych. Obecnie komunikacja bezprzewodowa jest nadal wykonywana w trybie „półdupleksu”, w którym sygnały są przesyłane lub odbierane w różnych ramach czasowych, jeśli na tej samej częstotliwości (zwykle w radarach), lub sygnały są jednocześnie przesyłane i odbierane na różnych częstotliwościach (realizowany przez zestaw filtrów zwanych diplexerem).

Wzmacniacz refleksyjny

Mikrofalowy wzmacniacz odbiciowy diody za pomocą cyrkulatora

Wzmacniacz odbicie jest typ układu wzmacniacza mikrofalowej wykorzystującej negatywne oporu różnica diody takie jak diody tunelowych i diody Gunna . Diody o ujemnej rezystancji różnicowej mogą wzmacniać sygnały i często działają lepiej przy częstotliwościach mikrofalowych niż urządzenia dwuportowe. Ponieważ jednak dioda jest urządzeniem jednoportowym (dwuportowym), do oddzielenia wychodzącego wzmocnionego sygnału od przychodzącego sygnału wejściowego potrzebny jest element nie odwrotny. Używając pompy cyrkulacyjnej z 3 portami, z wejściem sygnału podłączonym do jednego portu, diodą polaryzowaną podłączoną do drugiego i obciążeniem wyjściowym podłączonym do trzeciego, wyjście i wejście mogą zostać odłączone.

Bibliografia

Dalsza lektura

• Chait, HN; Curry, TR (1959), „Y-Circulator”, Journal of Applied Physics , 30 (4): S152 – S153, Bibcode : 1959JAP .... 30S.152C , doi : 10.1063 / 1.2185863
• US 3935549 , Jachowski, Ronald E., „Ferrite Circulator”, wydany 27 stycznia 1976 r.  
• Linkhart, D. (2014), Microwave Circulator Design (drugie wydanie), Artech House, ISBN   978-1608075836
• Ohm, EA (1956), „A Broad-Band Microwave Circulator”, IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques , 4 (4): 210–217, Bibcode : 1956ITMTT ... 4..210O , doi : 10.1109 / TMTT. 1956.1125064
• Wenzel, C. (lipiec 1991), „Low Frequency Circulator / Isolator Uses No Ferite or Magnet” (PDF) , RF Design

Linki zewnętrzne

• Cyrkulatory i izolatory
• Cyrkulatory RF, czym są, różne typy, jak działają itp.