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Un aislador es un dispositivo de dos puertos que transmite potencia de microondas o radiofrecuencia en una sola dirección. La falta de reciprocidad observada en estos dispositivos suele deberse a la interacción entre la onda que se propaga y el material, que puede ser diferente con respecto a la dirección de propagación.
Se utiliza para proteger el equipo en su lado de entrada de los efectos de las condiciones en su lado de salida; por ejemplo, para evitar que una fuente de microondas se desajuste debido a una carga no coincidente.
Un aislador es un dispositivo no recíproco , con una matriz de dispersión no simétrica . Un aislador ideal transmite toda la potencia que entra por el puerto 1 al puerto 2, mientras absorbe toda la potencia que entra por el puerto 2, de modo que, dentro de un factor de fase, su matriz S es
Para lograr la no reciprocidad, un aislador debe incorporar necesariamente un material no recíproco. En las frecuencias de microondas, este material suele ser una ferrita que está polarizada por un campo magnético estático [1], pero puede ser un material autopolarizado [2] . La ferrita se coloca dentro del aislador de manera que la señal de microondas le presente un campo magnético giratorio, con el eje de rotación alineado con la dirección del campo de polarización estático. El comportamiento de la ferrita depende del sentido de rotación con respecto al campo de polarización y, por lo tanto, es diferente para las señales de microondas que viajan en direcciones opuestas. Dependiendo de las condiciones de funcionamiento exactas, la señal que viaja en una dirección puede estar desfasada, desplazada de la ferrita o absorbida.
Los tipos más comunes de aisladores basados en ferrita se clasifican en cuatro categorías: aisladores circuladores con terminación, aisladores de rotación de Faraday, aisladores de desplazamiento de campo y aisladores de resonancia. En todos estos tipos de dispositivos, la falta de reciprocidad observada surge de la interacción onda-material que depende de la dirección de propagación.
En este tipo, la ferrita absorbe energía de la señal de microondas que viaja en una dirección. Un campo magnético giratorio adecuado se encuentra en el modo dominante TE 10 de la guía de ondas rectangular . El campo giratorio existe lejos de la línea central de la pared ancha, sobre toda la altura de la guía. Sin embargo, para permitir que el calor de la energía absorbida se conduzca hacia afuera, la ferrita no suele extenderse de una pared ancha a la otra, sino que se limita a una franja poco profunda en cada cara. Para un campo de polarización dado, la absorción de resonancia se produce en una banda de frecuencia bastante estrecha, pero como en la práctica el campo de polarización no es perfectamente uniforme en toda la ferrita, el aislador funciona en una banda algo más amplia.
Este tipo es superficialmente muy similar a un aislador de absorción de resonancia, pero la polarización magnética difiere y la energía de la señal que viaja hacia atrás se absorbe en una película o tarjeta resistiva en una cara del bloque de ferrita en lugar de dentro de la ferrita misma.
El campo de polarización es más débil que el necesario para causar resonancia a la frecuencia de operación, pero en cambio está diseñado para dar a la ferrita una permeabilidad cercana a cero para un sentido de rotación del campo de señal de microondas. La polarización de polarización es tal que esta condición especial surge para la señal directa; la señal inversa ve la ferrita como un material dieléctrico ordinario (con poca permeabilidad, ya que la ferrita ya está saturada por el campo de polarización). En consecuencia, para el campo electromagnético de la señal directa, la ferrita tiene una impedancia de onda característica muy baja , y el campo tiende a ser excluido de la ferrita. Esto da como resultado un nulo del campo eléctrico de la señal directa en la superficie de la ferrita donde se coloca la película resistiva. Por el contrario, para la señal inversa, el campo eléctrico es fuerte sobre esta superficie y, por lo tanto, su energía se disipa al conducir la corriente a través de la película.
En una guía de ondas rectangular, el bloque de ferrita normalmente ocupará toda la altura desde una pared ancha a la otra, con la película resistiva en el lado que mira hacia la línea central de la guía.
Un circulador es un dispositivo no recíproco de tres o cuatro puertos, en el que la potencia que entra en cualquier puerto se transmite al siguiente puerto en rotación (solamente). Por lo tanto, dentro de un factor de fase, la matriz de dispersión para un circulador de tres puertos es
Un aislador de dos puertos se obtiene simplemente terminando uno de los tres puertos con una carga adaptada , que absorbe toda la energía que ingresa. La ferrita polarizada es parte del circulador y causa un cambio de fase diferencial para las señales que viajan en diferentes direcciones. El campo de polarización es menor que el necesario para la absorción de resonancia, por lo que este tipo de aislador no requiere un imán permanente tan pesado. Debido a que la energía se absorbe en una carga externa, el enfriamiento es un problema menor que con un aislador de absorción de resonancia.
Un último principio físico útil para diseñar aisladores es la rotación de Faraday . Cuando una onda polarizada linealmente se propaga a través de una ferrita que tiene una magnetización alineada con la dirección de propagación de la onda, el plano de polarización rotará a lo largo del eje de propagación. Esta rotación se puede utilizar para crear dispositivos de microondas como aisladores, circuladores, giradores, etc. En la topología de guía de onda rectangular, también se requiere la implementación de secciones de guía de onda circulares que salen del plano del dispositivo.
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