Циркулятор - Википедия - Circulator

Эта статья о радио- или микроволновых термостатах. Для использования в других целях см. Циркулятор (значения).
ANSI и IEC стандарт схематический символ для циркулятора (каждый волновод или порт линии передачи нарисован как одна линия, а не как пара проводников)

А циркулятор это пассивный, не-взаимный трех- или четырех-порт устройство, в котором микроволновая печь или же радиочастота сигнал, поступающий в любой порт, передается на следующий порт по очереди (только). А порт в этом контексте - это момент, когда внешний волновод или же линия передачи (например, микрополоска линия или коаксиальный кабель ), подключается к устройству. Для трехпортового циркулятора 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, выходит только из порта 1, поэтому для вплоть до фазовый фактор, матрица рассеяния для идеального трехходового циркуляционного насоса

Оптические циркуляторы имеют аналогичное поведение.

Типы

А волновод циркуляционный насос используется в качестве изолятора путем размещения согласованная нагрузка на порт 3. Этикетка на постоянном магните указывает направление циркуляции.

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

Феррит

Ферритовые циркуляторы представляют собой радиочастотные циркуляторы, состоящие из намагниченных феррит материалы. Они делятся на два основных класса: 4-портовые волноводные циркуляторы на основе Вращение Фарадея волн, распространяющихся в намагниченном материале,[1][2] и 3-портовые циркуляторы с Y-образным соединением, основанные на подавлении волн, распространяющихся по двум разным путям вблизи намагниченного материала. Волноводные циркуляторы могут быть любого типа, а более компактные устройства на основе полоса имеют 3-х портовый тип.[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 настоящего 4-портового циркуляционного насоса. Постоянный магнит создает магнитный поток через волновод. Ферримагнитный гранат кристалл используется в оптические циркуляторы.

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

Ранняя работа над неферритовыми циркуляторами включает 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 снижение отношения сигнал-шум,[6] которые имеют решающее значение, когда он используется в качестве дуплексера для поддержания высокой мощности передачи и чистого приема сигнала от антенны.

Варакторы предложить 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, которым сигналы пассивно циркулируют в ферритовом циркуляторе.[8]

В 1964 году Мор представил и экспериментально продемонстрировал циркулятор на основе линий передачи и переключателей.[9] В апреле 2016 года исследовательская группа значительно расширила эту концепцию, представив Интегральная схема циркуляционный насос на основе 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 оно намного меньше обычных устройств.[12]

Приложения

Изолятор

Когда один порт трехпортового циркулятора заканчивается согласованной нагрузкой, его можно использовать в качестве изолятор, 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

В радар, циркуляторы используются как дуплексер, для маршрутизации сигналов от передатчик к антенна и от антенны к приемник, не позволяя сигналам проходить напрямую от передатчика к приемнику. Альтернативный тип дуплексера - 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 будущем поколении сотовая связь, 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, полнодуплексный 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

СВЧ-диодный усилитель отражения с циркулятором

А усилитель отражения представляет собой схему усилителя СВЧ, использующую отрицательное дифференциальное сопротивление диоды, такие как туннельные диоды и Диоды Ганна. Диоды с отрицательным дифференциальным сопротивлением могут усиливать сигналы и часто лучше работают на микроволновых частотах, чем двухпортовые устройства. Однако, поскольку диод является однопортовым (двухполюсным) устройством, необходим невзаимный компонент, чтобы отделить исходящий усиленный сигнал от входящего входного сигнала. При использовании 3-портового циркулятора с входом сигнала, подключенным к одному порту, смещенным диодом, подключенным ко второму, и выходной нагрузкой, подключенной к третьему, выход и вход могут быть разъединены.

Рекомендации

  1. ^ Хоган, К. Лестер (Январь 1952 г.). "Ферромагнитный эффект Фарадея на микроволновых частотах и ​​его приложения - микроволновый гиратор". Технический журнал Bell System. 31 (1): 1–31. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1952.tb01374.x. в котором предлагается четырехпортовый циркулятор с вращением Фарадея.
  2. ^ Хоган, К. Лестер (1953), "Ферромагнитный эффект Фарадея на микроволновых частотах и ​​его приложения", Обзоры современной физики, 25 (1): 253–262, Bibcode:1953РвМП ... 25..253Ч, Дои:10.1103 / RevModPhys.25.253
  3. ^ Босма, Х. (1964-01-01). «О полосковой Y-циркуляции на УВЧ». Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения. 12 (1): 61–72. Bibcode:1964ITMTT..12 ... 61B. Дои:10.1109 / TMTT.1964.1125753. ISSN  0018-9480.
  4. ^ Fay, C.E .; 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. Дои:10.1109 / TMTT.1965.1125923. ISSN  0018-9480. S2CID  111367080.
  5. ^ Tanaka, S .; Shimomura, N .; Отаке, К. (1965-03-01). «Активные циркуляторы - реализация циркуляторов на транзисторах». Труды IEEE. 53 (3): 260–267. Дои: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. Дои:10.1109/22.821785. ISSN  0018-9480.
  7. ^ Цинь, Шихан; Сюй, Цян; Ван, Ю. (2014-10-01). «Невзаимные компоненты с конденсаторами с распределенной модуляцией». Протоколы IEEE по теории и методам микроволнового излучения. 62 (10): 2260–2272. Bibcode:2014ITMTT..62.2260Q. Дои:10.1109 / TMTT.2014.2347935. ISSN  0018-9480.
  8. ^ Estep, N.A .; Sounas, D. L .; 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. Дои:10.1109 / TMTT.2015.2511737. ISSN  0018-9480.
  9. ^ Мор, Ричард (1964). «Новое устройство невзаимной линии передачи». Труды IEEE. 52 (5): 612. Дои: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. Получено 2016-07-22.
  11. ^ Рейскаримиан, Негар; Кришнасвами, Хариш (2016-04-15). «Безмагнитная невзаимность, основанная на шахматной коммутации». Nature Communications. 7: 11217. Bibcode:2016НатКо ... 711217R. Дои:10.1038 / ncomms11217. ЧВК  4835534. PMID  27079524.
  12. ^ «Следующее большое будущее: новый миниатюрный циркуляционный насос открывает путь к удвоению беспроводной емкости». nextbigfuture.com. 18 апреля 2016 г.. Получено 2016-04-19.
  13. ^ Описание циркуляционного насоса см. Яковски (1976)

дальнейшее чтение

внешняя ссылка