Circulador

En ingeniería eléctrica , un circulador es un dispositivo pasivo , no recíproco, de tres o cuatro puertos que solo permite que una señal de microondas o radiofrecuencia (RF) salga a través del puerto inmediatamente posterior al que ingresó. Los circuladores ópticos tienen un comportamiento similar. Los puertos son donde una guía de ondas externa o una línea de transmisión , como una línea de microbanda o un cable coaxial , se conecta al dispositivo. Para un circulador de tres puertos, una señal aplicada al puerto 1 solo sale del puerto 2; una señal aplicada al puerto 2 solo sale del puerto 3; una señal aplicada al puerto 3 solo sale del puerto 1. Un circulador ideal de tres puertos tiene, por lo tanto, la siguiente matriz de dispersión :

S={\begin{pmatrix}0&0&1\\1&0&0\\0&1&0\end{pmatrix}}

Teoría del funcionamiento

Los circuladores de microondas se basan en las propiedades anisotrópicas y no recíprocas del material de ferrita de microondas magnetizada. ^[1] Las ondas electromagnéticas de microondas que se propagan en la ferrita magnetizada interactúan con los espines de los electrones en la ferrita y, en consecuencia, se ven influenciadas por la permeabilidad magnética de microondas de la ferrita. Esta permeabilidad se describe matemáticamente mediante un operador vectorial lineal, también conocido como tensor . En el caso de la ferrita magnetizada, el tensor de permeabilidad es el tensor de Polder . La permeabilidad es una función de la dirección de propagación de microondas en relación con la dirección de magnetización estática del material de ferrita. Por lo tanto, las señales de microondas que se propagan en diferentes direcciones en la ferrita experimentan diferentes permeabilidades magnéticas.

Gráfica vectorial del campo electromagnético de una onda elíptica polarizada que se propaga en un cilindro de ferrita magnetizado. El campo magnético estático está orientado en paralelo al eje del cilindro. Esto se conoce como rotación de Faraday .

En el sistema CGS , el tensor de Polder ^[2] es

B={\begin{bmatrix}\mu &j\kappa &0\\-j\kappa &\mu &0\\0&0&1\end{bmatrix}}H

donde (sin tener en cuenta la amortiguación)

\mu =1+{\frac {\omega _ {0}\omega _ {m}}{\omega _ {0}^{2}-\omega ^{2}}}

\kappa ={\frac {\omega \omega _{m}}{{\omega _{0}}^{2}-\omega ^{2}}}

\omega _{0}=\gamma H_{0}\

\omega _{m}=\gamma M\

$\gamma = 1,40\cdot g\,\,$ MHz / Oe es la relación giromagnética efectiva y , el llamado factor g efectivo , es una constante del material de ferrita típicamente en el rango de 1,5 a 2,6, dependiendo del material de ferrita particular. es la frecuencia de la señal de RF/microondas que se propaga a través de la ferrita, es el campo de polarización magnética interna y es la magnetización del material de ferrita. ${\estilo de visualización g}$ ${\estilo de visualización \omega}$ $Estilo de visualización H_{0}$ ${\estilo de visualización M}$

En los circuladores de unión y de cambio de fase diferencial, la propagación de la señal de microondas suele ser ortogonal al campo magnético estático de polarización en la ferrita. Este es el llamado caso de campo transversal . Las constantes de propagación de microondas para este caso, sin tener en cuenta las pérdidas, son ^[3]

\Gamma _{+}=j\omega {\sqrt {\mu _{0}\epsilon }}\,{\sqrt {\frac {\mu ^{2}-\kappa ^{2}} {\mu}}}

\Gamma _{-}=j\omega {\sqrt {\mu _{0}\epsilon }}

donde es la permeabilidad del espacio libre y es la permitividad absoluta del material de ferrita. En un circulador, estas constantes de propagación describen ondas que tienen polarización elíptica que se propagarían en la dirección del campo magnético estático de polarización, que es a través del espesor de la ferrita. Los subíndices más y menos de las constantes de propagación indican polarizaciones de onda opuestas. $\mu_{0}$ $\épsilon$

Tipos

Un circulador de unión de guía de ondas utilizado como aislador colocando una carga adaptada en el puerto 3. La etiqueta en el imán permanente indica la dirección de circulación.

Los circuladores de microondas se dividen en dos clases principales: circuladores de cambio de fase diferencial y circuladores de unión, ambos basados en la cancelación de ondas que se propagan por dos caminos diferentes en o cerca de material de ferrita magnetizado. Los circuladores de guía de ondas pueden ser de cualquiera de los dos tipos, mientras que los dispositivos más compactos basados en líneas de banda suelen ser del tipo de unión. ^[4]^[5] Se pueden combinar dos o más circuladores de unión en un solo componente para obtener cuatro o más puertos. Normalmente, los imanes permanentes producen una polarización magnética estática en el material de ferrita de microondas. El cristal de granate ferrimagnético se utiliza en circuladores ópticos .

Circuladores de unión

Circuladores de unión de línea de banda

Un circulador de unión de línea de banda contiene un resonador, que se encuentra en la unión central de las líneas de banda . Este resonador puede tener cualquier forma que tenga simetría rotacional triple , como un disco, un hexágono o un triángulo. Una señal de RF/microondas que ingresa a un puerto de circulador se conecta a través de una línea de banda al resonador, donde la energía se acopla en dos modos circulares contrarrotativos formados por las ondas polarizadas elípticamente . Estos modos circulares tienen diferentes velocidades de fase que pueden hacer que se combinen de manera constructiva o destructiva en un puerto determinado. Esto produce un antinodo en un puerto (puerto 2 si la señal incide en el puerto 1) y un nodo o nulo en otro puerto (puerto 3 si la energía de microondas se acopla del puerto 1 al puerto 2 y no se refleja de regreso al puerto 2).

Si se descuidan las pérdidas para simplificar, los modos contrarrotativos deben diferir en fase en un múltiplo entero de para la propagación de la señal del puerto 1 al puerto 2 (o del puerto 2 al puerto 3, o del puerto 3 al puerto 1): ^[6] ${\estilo de visualización 2\pi}$

2\Gamma _{-}l-\Gamma _{+}l=2m\pi

y de manera similar, para que el puerto restante (puerto 3 si la propagación de la señal es del puerto 1 al puerto 2) se anule,

-\Gamma _{-}l+2\Gamma _{+}l=(2n-1)\pi

donde es la longitud del camino entre puertos adyacentes y y son números enteros. Resolviendo las dos ecuaciones anteriores simultáneamente, para una circulación adecuada las condiciones necesarias son ${\estilo de visualización l}$ ${\estilo de visualización m}$ ${\estilo de visualización n}$

\Gamma _{-}l={\frac {4m+2n-1}{3}}\pi

\Gamma _{+}l={\frac {2m+4n-2}{3}}\pi

Cada uno de los dos modos de contrarrotación tiene su propia frecuencia de resonancia. ^[5] Las dos frecuencias de resonancia se conocen como frecuencias divididas. La frecuencia de funcionamiento del circulador se establece entre las dos frecuencias divididas.

Estos tipos de circuladores funcionan según la rotación de Faraday . La cancelación de ondas se produce cuando las ondas se propagan a favor y en contra de la dirección de circulación del circulador. Una onda incidente que llega a cualquier puerto se divide en dos ondas por igual. Se propagan en cada dirección alrededor del circulador con diferentes velocidades de fase. Cuando llegan al puerto de salida, tienen diferentes relaciones de fase y, por lo tanto, se combinan en consecuencia. Esta combinación de ondas que se propagan a diferentes velocidades de fase es la forma en que funcionan fundamentalmente los circuladores de unión.

La geometría de un circulador de unión de línea de banda comprende dos discos o triángulos de ferrita separados por un conductor central de línea de banda y colocados entre dos planos de tierra paralelos. ^[7] Un circulador de línea de banda es esencialmente un conductor central de línea de banda colocado sobre ferrita, entre planos de tierra. Es decir, hay un disco de ferrita sobre el circuito de línea de banda y un disco de ferrita debajo del circuito de línea de banda. Los circuladores de línea de banda no tienen que construirse con ferritas en forma de disco o triángulo; las ferritas pueden tener casi cualquier forma que tenga simetría de tres vías. Esto también es cierto para el resonador (la porción de unión central del conductor central): puede tener cualquier forma que tenga simetría de tres vías, aunque existen consideraciones eléctricas. ^[3]

Las ferritas están magnetizadas a través de sus espesores, es decir, el campo magnético estático de polarización es perpendicular al plano del dispositivo y la dirección de propagación de la señal es transversal a la dirección del campo magnético estático. Ambas ferritas están en los mismos campos magnéticos estáticos y de RF. Las dos ferritas pueden considerarse como una ferrita continua con un conductor central de línea de banda incrustado. Por razones prácticas de fabricación, el conductor central no suele estar incrustado en la ferrita, por lo que se utilizan dos ferritas discretas. El campo magnético estático de polarización normalmente lo proporcionan los imanes permanentes que se encuentran fuera de los planos de tierra del circulador. El blindaje magnético incorporado en el diseño del circulador evita la desintonización o la desmagnetización parcial del circulador en presencia de campos magnéticos externos o materiales ferrosos, y protege a los dispositivos cercanos de los efectos del campo magnético estático del circulador.

Construcción interna de circuladores de unión de líneas de banda
Construcción interna de un circulador de unión de línea de banda que tiene ferritas triangulares y un resonador en forma de triángulo irregular.
Construcción interna de un circulador de unión de línea de banda que tiene ferritas de disco y un resonador en forma de disco.
Construcción interna de un circulador de unión de línea de banda que tiene ferritas de disco y un resonador en forma de triángulo.

Circuladores de unión de guía de ondas

Circulador de unión de guía de ondas refrigerado por líquido de alta potencia. Imagen cortesía de Microwave Techniques

Un circulador de unión de guía de ondas contiene un resonador de ferrita magnetizado, que se encuentra en la unión de tres guías de ondas . ^[8] A diferencia de un circulador de unión de línea de banda, la ferrita en sí es el resonador, en lugar de la porción central de metal de un conductor central de línea de banda. El resonador de ferrita puede tener cualquier forma que tenga simetría rotacional triple , como un cilindro o un prisma triangular . El resonador a menudo es solo una ferrita, pero a veces está compuesto de dos o más ferritas, que pueden estar acopladas entre sí, en varias configuraciones geométricas. La geometría del resonador está influenciada por consideraciones de rendimiento eléctrico y térmico. Los circuladores de unión de guía de ondas funcionan de la misma manera que los circuladores de unión de línea de banda, y su teoría básica de funcionamiento es la misma.

La geometría interna de un circulador de unión de guía de ondas comprende una unión de tres guías de ondas, el resonador de ferrita y estructuras de adaptación de impedancia. Muchos de estos circuladores contienen pedestales ubicados en la unión central, sobre la que se ubica el resonador de ferrita. Estos pedestales reducen de manera efectiva la altura de la guía de ondas, lo que reduce su impedancia característica en la región del resonador para optimizar el rendimiento eléctrico. Las secciones de guía de ondas de altura reducida que conducen desde el resonador a las guías de ondas de altura completa sirven como transformadores de impedancia.

El resonador de ferrita está magnetizado a través de su altura, es decir, el campo magnético estático de polarización es perpendicular al plano del dispositivo y la dirección de propagación de la señal es transversal a la dirección del campo magnético estático. El campo magnético estático de polarización normalmente lo proporcionan imanes permanentes que se encuentran fuera de la unión de la guía de ondas.

Diagramas de campos eléctricos que muestran la propagación de ondas electromagnéticas en circuladores de unión con guías de ondas

Circuladores de unión de microbanda

Módulo de transmisión-recepción (TR) utilizado en el radar aerotransportado de matriz activa escaneada electrónicamente (AESA) CAPTOR-E . El circulador de unión de microbanda es visible en el extremo izquierdo del módulo. El puerto izquierdo del circulador se conecta al puerto de antena del módulo y, en última instancia, a un elemento de la matriz en fase . El puerto del circulador superior derecho se conecta al circuito de procesamiento de señales y al receptor, y el puerto del circulador inferior derecho se conecta al amplificador de potencia del transmisor cerca del centro del módulo. En este caso, el circulador realiza una función de duplexación .

El circulador de unión de microbanda es otra forma ampliamente utilizada de circulador ^[9] que utiliza la topología de línea de transmisión de microbanda . Un circulador de microbanda consiste principalmente en un patrón de circuito sobre un sustrato de ferrita. El circuito se forma típicamente utilizando procesos de metalización de película gruesa o película delgada , que a menudo incluyen fotolitografía . El sustrato de ferrita a veces está unido a un portador de metal ferroso, que sirve para mejorar la eficiencia del circuito magnético, aumentar la resistencia mecánica del circulador y proteger la ferrita de desajustes de expansión térmica entre este y la superficie a la que está montado el circulador. Un imán permanente que está unido a la cara del circuito del sustrato de ferrita proporciona la polarización magnética estática a la ferrita. Los circuladores de microbanda funcionan de la misma manera que los circuladores de unión de línea de banda, y su teoría básica de operación es la misma. En comparación con los circuladores de línea de banda, el rendimiento eléctrico de los circuladores de microbanda se reduce un poco debido a los efectos de radiación y dispersión .

Las desventajas de rendimiento de los circuladores de microbanda se compensan con su relativa facilidad de integración con otros circuitos planos. Las conexiones eléctricas de estos circuladores a los circuitos adyacentes se realizan normalmente mediante uniones por cable o por cinta. Otra ventaja de los circuladores de microbanda es su menor tamaño y, en consecuencia, menor masa que los circuladores de línea de banda. A pesar de esta ventaja, los circuladores de microbanda suelen ser los componentes más grandes de los módulos de microondas. ^[10]

Circuladores de unión autopolarizados

Los circuladores de unión con polarización automática son únicos porque no utilizan imanes permanentes que estén separados de la ferrita de microondas. La eliminación de imanes externos reduce significativamente el tamaño y el peso del circulador en comparación con circuladores de unión de microbanda eléctricamente equivalentes para aplicaciones similares.

Las ferritas monolíticas que se utilizan para circuladores autopolarizados son ferritas hexagonales uniaxiales (eje magnético único) de tipo M ^[11] que se han optimizado para tener bajas pérdidas de microondas. En contraste con las ferritas magnéticamente blandas (baja coercitividad ) utilizadas en otros circuladores, las ferritas hexagonales utilizadas para circuladores autopolarizados son materiales magnéticamente duros (alta coercitividad ). Estas ferritas son esencialmente imanes permanentes cerámicos. Además de su alta remanencia magnética , estas ferritas tienen campos de anisotropía magnética muy grandes , lo que permite el funcionamiento del circulador hasta altas frecuencias de microondas. ^[12]

Debido a su forma delgada y plana, los circuladores autopolarizados se pueden integrar fácilmente con otros circuitos planos. La integración de circuladores autopolarizados con obleas semiconductoras se ha demostrado en frecuencias de banda K A y banda V. ^[13]

Circuladores de elementos concentrados

Conductor de malla tejida envuelto alrededor de la ferrita de un circulador de elementos concentrados.

Los circuladores de elementos concentrados ^[14] son dispositivos de tamaño pequeño que se utilizan normalmente en frecuencias en las bandas de HF a UHF . En un circulador de unión, el tamaño de la ferrita o ferritas es proporcional a la longitud de onda de la señal, pero en un circulador de elementos concentrados, la ferrita puede ser más pequeña porque no existe tal proporcionalidad con la longitud de onda. ^[15]

En un circulador de elementos concentrados, los conductores se envuelven alrededor de la ferrita, formando lo que normalmente es una malla tejida. Las tiras conductoras están aisladas entre sí por capas dieléctricas delgadas. En algunos circuladores, la malla tiene forma de trazos en una placa de circuito impreso con vías metalizadas para hacer conexiones entre capas. Las tiras conductoras pueden considerarse como inductores no acoplados recíprocamente . Los circuitos de adaptación de impedancia y los circuitos de banda ancha en circuladores de elementos concentrados suelen construirse utilizando condensadores cerámicos discretos e inductores con núcleo de aire.

Esta clase de circulador ofrece una reducción considerable de tamaño en comparación con los circuladores de unión. Por otro lado, los circuladores de elementos concentrados generalmente tienen una capacidad de manejo de potencia de RF menor que los dispositivos de unión equivalentes y son más complejos desde una perspectiva mecánica. Los inductores y capacitores de elementos concentrados discretos pueden ser menos estables cuando se exponen a vibraciones o choques mecánicos que los transformadores de impedancia distribuida simples en un circulador de unión de línea de banda.

Circuladores de conmutación

Los circuladores de conmutación son similares a otros circuladores de unión, y su teoría de funcionamiento de microondas es la misma, excepto que su dirección de circulación se puede controlar electrónicamente. ^[3]

Los circuladores de unión utilizan imanes permanentes para proporcionar la polarización magnética estática para la(s) ferrita(s). Sin embargo, los circuladores de conmutación normalmente dependen de la magnetización remanente de la propia ferrita. Las ferritas que se utilizan en circuladores de conmutación tienen bucles de histéresis magnética cuadrados y, a menudo, coercividades de Oersted inferiores . Un material de ferrita de este tipo requiere un campo magnético relativamente pequeño y un nivel de energía bajo para invertir su polaridad magnética. Esto es claramente ventajoso para un circulador de conmutación, pero la ausencia de imanes permanentes sería una desventaja para un circulador de unión sin conmutación que debe conservar su polarización magnética a pesar de las exposiciones a los efectos potencialmente desmagnetizantes de los campos magnéticos dispersos, los materiales ferrosos cercanos y las variaciones de temperatura.

La polaridad de magnetización de la ferrita y, por lo tanto, la dirección de circulación de un circulador de conmutación, se controla mediante una bobina magnetizadora que pasa por la ferrita. La bobina está conectada a un circuito controlador electrónico ^[8] que envía pulsos de corriente de la polaridad correcta a través de la bobina magnetizadora para magnetizar la ferrita en la polaridad y proporcionar la dirección de circulación deseada.

Circuladores de cambio de fase diferencial

Los circuladores de cambio de fase diferencial se utilizan principalmente en aplicaciones de microondas de alta potencia. Por lo general, se construyen a partir de componentes de guía de ondas rectangulares . Estos circuladores son dispositivos de 4 puertos que tienen circulación en la secuencia 1 - 2 - 3 - 4 - 1, con puertos numerados como se muestra en el esquema. Existen varias arquitecturas de circuladores factibles, la más común de las cuales utiliza un acoplador híbrido de te mágica , un acoplador híbrido de cuadratura y dos desplazadores de fase diferenciales magnetizados de manera opuesta. ^[16]

Un desfasador diferencial proporciona un cambio de fase de transmisión no recíproco . Es decir, el cambio de fase hacia adelante es diferente del cambio de fase en la dirección de transmisión inversa. Es esta diferencia en los cambios de fase lo que permite el comportamiento no recíproco del circulador. Un desfasador diferencial consta de una o más placas de ferrita, generalmente ubicadas en la(s) pared(es) ancha(s) de la guía de ondas. Los imanes permanentes ubicados fuera de la guía de ondas proporcionan un campo de polarización magnética estática a la(s) ferrita(s). La guía de ondas cargada con ferrita es otro ejemplo de un dispositivo de campo transversal como se describe en Circulador § Teoría de funcionamiento. Diferentes constantes de propagación de microondas correspondientes a diferentes direcciones de propagación de la señal dan lugar a diferentes velocidades de fase y, por lo tanto, diferentes cambios de fase de transmisión.

Según el puerto del circulador al que ingrese una señal incidente, las relaciones de cambio de fase en los acopladores híbridos y los cambios de fase diferenciales hacen que las señales se combinen en otro puerto y se cancelen en cada uno de los dos puertos restantes. Los circuladores de cambio de fase diferencial se utilizan a menudo como circuladores de 3 puertos conectando un puerto del circulador a una terminación sin reflexión, o se pueden utilizar como aisladores terminando dos puertos del circulador.

Circuladores sin ferrita

Aunque los circuladores de ferrita pueden proporcionar una buena circulación de señal "directa" y al mismo tiempo suprimir en gran medida la circulación "inversa", sus principales deficiencias, especialmente a bajas frecuencias, son su gran tamaño y sus anchos de banda estrechos.

Los primeros trabajos sobre circuladores sin ferrita incluyen circuladores activos que utilizan transistores que no son recíprocos por naturaleza. ^[17] A diferencia de los circuladores de ferrita, que son dispositivos pasivos, los circuladores activos requieren energía. Los principales problemas asociados con los circuladores activos basados en transistores son la limitación de energía y la degradación de la relación señal-ruido, ^[18] que son críticos cuando se utilizan como duplexores para mantener la fuerte potencia de transmisión y la recepción limpia de la señal de la antena.

Los varactores ofrecen una solución. Un estudio empleó una estructura similar a una línea de transmisión variable en el tiempo con la no reciprocidad efectiva activada por una bomba portadora de propagación unidireccional. ^[19] Esto es como un circulador activo alimentado por CA. La investigación afirmó poder lograr una ganancia positiva y un bajo nivel de ruido para la no reciprocidad de la ruta de recepción y la banda ancha. Otro estudio utilizó resonancia con no reciprocidad activada por polarización de momento angular, que imita más de cerca la forma en que las señales circulan pasivamente en un circulador de ferrita. ^[20]

En 1964, Mohr presentó y demostró experimentalmente un circulador basado en líneas de transmisión e interruptores. ^[21] En abril de 2016, un equipo de investigación amplió significativamente este concepto, presentando un circulador de circuito integrado basado en conceptos de filtro de N-trayectorias. ^[22]^[23] Ofrece el potencial para la comunicación full-duplex (transmisión y recepción al mismo tiempo con una sola antena compartida sobre una sola frecuencia). El dispositivo utiliza condensadores y un reloj y es mucho más pequeño que los dispositivos convencionales. ^[24]

Aplicaciones

Aislador

Cuando un puerto de un circulador de tres puertos termina en una carga adaptada, se puede utilizar como aislador , ya que una señal puede viajar solo en una dirección entre los puertos restantes. ^[25] Un aislador 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 desintonice por una carga no adaptada.

Duplexor

En el radar , los circuladores se utilizan como un tipo de duplexor , para encaminar las señales desde el transmisor a la antena y desde la antena al receptor , sin permitir que las señales pasen directamente del transmisor al receptor. El tipo alternativo de duplexor es un conmutador de transmisión-recepción ( conmutador TR ) que alterna entre conectar la antena al transmisor y al receptor. El uso de pulsos chirpeado y un alto rango dinámico puede provocar una superposición temporal de los pulsos enviados y recibidos, sin embargo, se requiere un circulador para esta función.

Amplificador de reflexión

Un amplificador de reflexión es un tipo de circuito amplificador de microondas que utiliza diodos de resistencia diferencial negativa , como diodos túnel y diodos Gunn . Los diodos de resistencia diferencial negativa pueden amplificar señales y, a menudo, funcionan mejor en frecuencias de microondas que los dispositivos de dos puertos. Sin embargo, dado que el diodo es un dispositivo de un puerto (dos terminales), se necesita un componente no recíproco para separar la señal amplificada saliente de la señal de entrada entrante. Al utilizar un circulador de 3 puertos con la entrada de señal conectada a un puerto, el diodo polarizado conectado a un segundo y la carga de salida conectada al tercero, la salida y la entrada se pueden desacoplar.

Referencias

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Lectura adicional

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Enlaces externos

Circuladores y aisladores
Circuladores de RF qué son, diferentes tipos, cómo funcionan, etc.