Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о радио- или микроволновых термостатах. Для использования в других целях, см Циркулятор (значения) .
Стандартные условные обозначения ANSI и IEC для циркуляционного насоса (каждый волновод или порт линии передачи изображены как одна линия, а не как пара проводников)

Циркулятор является пассивным , не- взаимного трех- или четырех- порт устройство , которое позволяет только микроволновый или радиочастотный сигнал на выход через порт сразу же после того, он вошел. Оптические циркуляторы имеют аналогичное поведение. Порты - это место, где к устройству подключается внешний волновод или линия передачи , такая как микрополосковая линия или коаксиальный кабель . Для трехпортового циркуляционного насоса сигнал, подаваемый на порт 1, выходит только из порта 2; сигнал, подаваемый на порт 2, выходит только из порта 3; сигнал, подаваемый на порт 3, поступает только из порта 1, поэтому дляс точностью до фазового фактора. Идеальный трехпортовый циркулятор имеет следующую матрицу рассеяния :

Типы [ править ]

Волноводный циркулятор используется в качестве изолятора путем размещения согласованной нагрузки на порт 3. Метка на постоянном магните указует направление циркуляции.

В зависимости от используемых материалов циркуляторы делятся на две основные категории: ферритовые циркуляторы и неферритовые циркуляторы.

Феррит [ править ]

Ферритовые циркуляторы - это радиочастотные циркуляторы, состоящие из намагниченных ферритовых материалов. Они делятся на два основных класса: 4-портовые волноводные циркуляторы, основанные на фарадеевском вращении волн, распространяющихся в намагниченном материале [1] [2], и 3-портовые циркуляторы с «Y-образным переходом», основанные на подавлении волн, распространяющихся по двум разным путям. рядом с намагниченным материалом. Волноводные циркуляторы могут быть любого типа, в то время как более компактные устройства на основе полосковой линии относятся к трехполюсному типу. [3] [4]Два или более Y-образных перехода могут быть объединены в одном компоненте для получения четырех или более портов, но они отличаются по поведению от истинного 4-портового циркуляционного насоса. Постоянный магнит создает магнитный поток через волновод. Ферримагнитный кристалл граната используется в оптических циркуляторах .

Хотя ферритовые циркуляторы могут обеспечивать хорошую "прямую" циркуляцию сигнала, сильно подавляя "обратную" циркуляцию, их основными недостатками, особенно на низких частотах, являются большие размеры и узкая полоса пропускания.

Неферритовый [ править ]

Ранние разработки неферритовых циркуляторов включали активные циркуляторы, использующие невзаимные транзисторы. [5] В отличие от ферритовых циркуляторов, которые являются пассивными устройствами, активные циркуляторы требуют питания. Основными проблемами, связанными с активными циркуляторами на основе транзисторов, являются ограничение мощности и ухудшение отношения сигнал / шум, [6] которые имеют решающее значение, когда он используется в качестве дуплексора для поддержания высокой мощности передачи и чистого приема сигнала от антенны. .

Варакторы предлагают одно решение. В одном исследовании использовалась структура, аналогичная изменяющейся во времени линии передачи с эффективной невзаимностью, запускаемой однонаправленной распространяющейся несущей накачкой. [7] Это похоже на активный циркулятор с питанием от переменного тока. В исследовании утверждается, что можно добиться положительного усиления и низкого уровня шума для приемного тракта и широкополосной невзаимности. В другом исследовании использовался резонанс с невзаимностью, вызванный смещением углового момента, который более точно имитирует способ пассивной циркуляции сигналов в ферритовом циркуляторе. [8]

В 1964 году Мор представил и экспериментально продемонстрировал циркулятор, основанный на линиях передачи и переключателях. [9] В апреле 2016 года исследовательская группа значительно расширила эту концепцию, представив циркулятор на интегральной схеме, основанный на концепции N- канального фильтра. [10] [11] Он предлагает потенциал для полнодуплексной связи (одновременная передача и прием с помощью одной общей антенны на одной частоте). В устройстве используются конденсаторы и часы, и он намного меньше обычных устройств. [12]

Приложения [ править ]

Изолятор [ править ]

Когда один порт трехпортового циркулятора заканчивается согласованной нагрузкой, его можно использовать в качестве изолятора , поскольку сигнал может проходить только в одном направлении между оставшимися портами. [13] Изолятор используется для защиты оборудования на его входной стороне от воздействия условий на его выходной стороне; например, чтобы предотвратить расстройку источника микроволн из-за несоответствующей нагрузки.

Дуплексер [ править ]

В радаре циркуляторы используются как тип дуплексера для маршрутизации сигналов от передатчика к антенне и от антенны к приемнику , не позволяя сигналам проходить напрямую от передатчика к приемнику. Альтернативный тип дуплексера - это переключатель приема-передачи ( переключатель TR ), который попеременно подключает антенну к передатчику и приемнику. Использование чирпированных импульсов и широкого динамического диапазона может привести к временному перекрытию отправленных и полученных импульсов, однако для этой функции потребуется циркулятор.

В сотовой связи будущего поколения говорят о полнодуплексных радиостанциях, в которых сигналы могут одновременно передаваться и приниматься на одной и той же частоте. Учитывая ограниченный в настоящее время ресурс спектра, дуплексный режим может напрямую улучшить беспроводную связь, вдвое превышая скорость передачи данных. В настоящее время беспроводная связь по-прежнему осуществляется в «полудуплексном режиме», когда либо сигналы передаются, либо принимаются в разных временных кадрах, если на одной и той же частоте (обычно в радаре), либо сигналы одновременно передаются и принимаются на разных частотах. (реализуется набором фильтров, называемым диплексером).

Усилитель отражения [ править ]

Усилитель отражения на СВЧ диоде с циркулятором

Усилитель отражения представляет собой тип СВЧ - схему усилителя с использованием отрицательных дифференциального сопротивления диодов , такие как туннельные диоды и диоды Ганна . Диоды с отрицательным дифференциальным сопротивлением могут усиливать сигналы и часто лучше работают на сверхвысоких частотах, чем двухпортовые устройства. Однако, поскольку диод является однопортовым (двухполюсным) устройством, необходим невзаимный компонент, чтобы отделить исходящий усиленный сигнал от входящего входного сигнала. Используя 3-портовый циркулятор с входом сигнала, подключенным к одному порту, смещенным диодом, подключенным ко второму, и выходной нагрузкой, подключенной к третьему, выход и вход могут быть разъединены.

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Хоган, К. Лестер (январь 1952 г.). «Ферромагнитный эффект Фарадея на сверхвысоких частотах и ​​его приложения - микроволновый гиратор» . Технический журнал Bell System . 31 (1): 1–31. DOI : 10.1002 / j.1538-7305.1952.tb01374.x . в котором предлагается четырехпортовый ротационный циркуляционный насос Фарадея.
  2. ^ Хоган, К. Лестер (1953), "Ферромагнитный эффект Фарадея на микроволновых частотах и ​​его приложения", Обзоры современной физики , 25 (1): 253–262, Bibcode : 1953RvMP ... 25..253H , doi : 10.1103 / RevModPhys.25.253
  3. ^ Босма, Х. (1964-01-01). «О полосовой Y-циркуляции на УВЧ». Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения . 12 (1): 61–72. Bibcode : 1964ITMTT..12 ... 61B . DOI : 10.1109 / TMTT.1964.1125753 . ISSN 0018-9480 . 
  4. ^ Фэй, CE; Комсток, Р.Л. (1965-01-01). «Эксплуатация циркулятора ферритового перехода». Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения . 13 (1): 15–27. Bibcode : 1965ITMTT..13 ... 15F . DOI : 10.1109 / TMTT.1965.1125923 . ISSN 0018-9480 . S2CID 111367080 .  
  5. ^ Танака, S .; Shimomura, N .; Отаке, К. (1965-03-01). «Активные циркуляторы - реализация циркуляторов на транзисторах». Труды IEEE . 53 (3): 260–267. DOI : 10.1109 / PROC.1965.3683 . ISSN 0018-9219 . 
  6. ^ Carchon, G .; Нануэлаерс, Б. (1 февраля 2000 г.). «Ограничения мощности и шума активных циркуляторов». Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения . 48 (2): 316–319. Bibcode : 2000ITMTT..48..316C . DOI : 10.1109 / 22.821785 . ISSN 0018-9480 . 
  7. ^ Цинь, Шихан; Сюй, Цян; Ван, Й.Е. (01.10.2014). «Невзаимные компоненты с конденсаторами с распределенной модуляцией». Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения . 62 (10): 2260–2272. Bibcode : 2014ITMTT..62.2260Q . DOI : 10.1109 / TMTT.2014.2347935 . ISSN 0018-9480 . 
  8. ^ Эстеп, штат Северная Каролина; Sounas, DL; Алё, А. (01.02.2016). «Безмагнитные СВЧ-циркуляторы на основе пространственно-временнoÂй модуляции колец связанных резонаторов». Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения . 64 (2): 502–518. DOI : 10.1109 / TMTT.2015.2511737 . ISSN 0018-9480 . 
  9. ^ Мор, Ричард (1964). «Новое устройство невзаимной линии передачи». Труды IEEE . 52 (5): 612. DOI : 10.1109 / PROC.1964.3007 .
  10. ^ «Новый полнодуплексный радиочип одновременно передает и принимает беспроводные сигналы» . IEEE Spectrum: Новости технологий, инженерии и науки . 2016-04-15 . Проверено 22 июля 2016 .
  11. ^ Рейскаримиан, Негар; Кришнасвами, Хариш (2016-04-15). «Безмагнитная невзаимность, основанная на шахматной коммутации» . Nature Communications . 7 : 11217. Bibcode : 2016NatCo ... 711217R . DOI : 10.1038 / ncomms11217 . PMC 4835534 . PMID 27079524 .  
  12. ^ «Следующее большое будущее: новый миниатюрный циркуляционный насос открывает путь к удвоению беспроводной емкости» . nextbigfuture.com . 18 апреля 2016 . Проверено 19 апреля 2016 .
  13. ^ Для описания циркулятора см Jachowski (1976)

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Chait, HN; Карри, Т.Р. (1959), «Y-Circulator», Журнал прикладной физики , 30 (4): S152 – S153, Bibcode : 1959JAP .... 30S.152C , doi : 10.1063 / 1.2185863
  • US 3935549 , Jachowski, Ronald E., Ferrite Circulator, выпущенный 27 января 1976 г. 
  • Линкхарт, Д. (2014), Конструкция микроволнового циркулятора (второе издание), Artech House, ISBN 978-1608075836
  • Ом, EA (1956), "широкополосный СВЧ - циркулятор", IRE Сделки по теории СВЧ и техники , 4 (4): 210-217, Bibcode : 1956ITMTT ... 4..210O , DOI : 10.1109 / TMTT. 1956.1125064
  • Венцель, К. (июль 1991 г.), "Низкочастотный циркулятор / изолятор без феррита или магнита" (PDF) , RF Design

Внешние ссылки [ править ]

  • Циркуляторы и изоляторы
  • Радиочастотные циркуляторы, что это такое, разные типы, как они работают и т. Д.