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Un aislador es un dispositivo de dos puertos que transmite energía de microondas o radiofrecuencia en una sola dirección. La no reciprocidad que se observa en estos dispositivos suele provenir de 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 sea desafinada por una carga no coincidente.
Un aislador es un dispositivo no recíproco , con una matriz de dispersión no simétrica . Un aislador ideal transmite toda la energía que ingresa al puerto 1 al puerto 2, mientras absorbe toda la energía que ingresa al puerto 2, de modo que dentro de un factor de fase su matriz S es
Para lograr la no reciprocidad, un aislador debe necesariamente incorporar un material no recíproco. En frecuencias de microondas, este material suele ser una ferrita 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 presenta un campo magnético giratorio, con el eje de rotación alineado con la dirección del campo de polarización estática. El comportamiento de la ferrita depende del sentido de rotación con respecto al campo de polarización y, por tanto, es diferente para señales de microondas que viajan en direcciones opuestas. Dependiendo de las condiciones exactas de funcionamiento, la señal que viaja en una dirección puede estar desfasada, desplazada de la ferrita o absorbida.
Los tipos más comunes de aisladores a base de ferrita se clasifican en cuatro categorías: circuladores terminados, aisladores de rotación de Faraday, aisladores de desplazamiento de campo y aisladores de resonancia. En todos estos tipos de dispositivos, la no 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 guía de ondas rectangular . El campo giratorio existe lejos de la línea central de la pared ancha, en toda la altura de la guía. Sin embargo, para permitir que el calor de la potencia absorbida se conduzca, la ferrita normalmente no se extiende 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 ocurre 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 en la frecuencia de operación, pero en cambio está diseñado para darle a la ferrita una permeabilidad cercana a cero para un sentido de rotación del campo de señal de microondas. La polaridad de polarización es tal que surge esta condición especial para la señal directa; la señal invertida 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 excluirse de la ferrita. Esto da como resultado una nulidad 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 invertida, 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 de 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 energía que ingresa a cualquier puerto se transmite al siguiente puerto en rotación (solamente). Entonces, 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 provoca 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 ferrita que tiene una magnetización alineada con la dirección de propagación de la onda, el plano de polarización girará a lo largo del eje de propagación. Esta rotación se puede utilizar para crear dispositivos de microondas como aisladores, circuladores, giratorios, etc. En la topología de guía de ondas rectangular, también requiere la implementación de secciones de guía de ondas circulares que salen del plano del dispositivo.
Fox, AG; Miller, SE; Weiss, MT (enero de 1955). "Comportamiento y aplicaciones de ferritas en la región de las microondas" (PDF) . Revista técnica del sistema Bell . 34 (1). Laboratorios Bell: 5–103. doi :10.1002/j.1538-7305.1955.tb03763.x.
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