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5-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Mikrowellen-Komponenten

Mikrowellen-Komponenten Zirkulatoren und Isolatoren einer Fehlanpassung am abgeschlossenen Port verursacht wird. Diesen Zusammenhang verdeutlicht Bild 2. Bild 1: Aufbau eines Zirkulators Ein passiver HF-Ferrit-Zirkulator ist eine Mikrowellenkomponente mit drei Anschlüssen, die den Fluss der Mikrowellenenergie nur in einer Richtung erlaubt, z.B. von Port 1 zu Port 2, 2 zu 3 und 3 zu 1. Jeder Anschluss ist an einem Arm einer symmetrischen Y-Verbindung angeschlossen, die mit vormagnetisiertem Ferritmaterial gekoppelt ist. Wenn einer der Anschlüsse abgeschlossen wird (angepasster Zustand), sind die anderen beiden Ports isoliert in der entgegengesetzten Richtung. Daher ist ein Isolator im wesentlichen ein Zirkulator mit einem abgeschlossenen, angepassten Port, üblicherweise wird Anschluss 3 dafür verwendet. Bild 1 zeigt den schematischen Aufbau eines typischen Zirkulators. Nur einer der drei Stripline-Ports ist zu sehen. In der Praxis gibt es keine Luftspalte im Gehäuse. Die Richtung des Feldes, das für die magnetische Vormagnetisierung sorgt, ist axial (im Diagramm senkrecht) aufgrund der Ferritscheiben. Der Pfad schließt sich über das Stahlgehäuse. Es ist auch möglich ein Aluminiumgehäuse für Kern und Stahlummantelung zu verwenden, um den magnetischen Rückkehrpfad abzuschließen. Auswahl eines Zirkulators Zirkulatoren bewirken keine Isolation, solange nicht einer der Ports angepasst abgeschlossen ist. Dann ist die Isolation zwischen den beiden anderen Anschlüssen (in der Richtung, die zur Richtung der Zirkulation entgegengesetzt ist) ungefähr gleich der Rückflussdämpfung, die von Unter Verwendung des Applikationsberichts: “Basic Facts about Circulators & Isolators” Tony Edridge M2 Global Technology, Ltd. www.m2global.com Bild 2: Isolation in dB in Abhängigkeit von der Fehlanpassung an Port 3 Ein Isolator, der auch als Richtungsleitung bezeichnet wird, kann zum Reduzieren des VSWR verwendet werden, wie die Grafik in Bild 3 zeigt. Hier wird das Eingangs- VSWR in Abhängigkeit vom Last-VSWR dargestellt. Kurvenparameter ist der Fehlanpassungswinkel. Bild 3: Eingangs-VSWR in Abhängigkeit vom Last-VSWR. Unter der Annahme, dass Port 3 perfekt mit 50 Ohm abgeschlossen ist, ist die Isolation einfach eine Funktion des Zirkulator- VSWR´s. Um eine Isolation in geforderter Höhe zu erreichen, ist es notwendig, einen Zirkulator auszuwählen, der ausreichend gut angepasst ist. Praktische Einschränkungen wie der Bandbreiten- und der Temperaturbereich begrenzen die Isolation eines einzelnen Knotenpunkts auf zwischen 20 und 25 dB ein. Höhere Isolationswerte werden durch Kaskadenschaltung mehrerer Knotenpunkte erreicht. Zum Beispiel würde eine Richtungsleitung mit zwei Knotenpunkten normalerweise 50 dB Isolation erreichen. Eine derartige Komponente wird als 4-Port- Isolator bezeichnet, bei dem zwei der sechs Ports intern verbunden sind. Wenn ein Isolator eingesetzt wird, muss die Belastbarkeit der internen Abschlüsse berücksichtigt werden. Bild 4: Eingangsnennleistung (als Multiplikator der Abschlussbelastbarkeit) in Abhängigkeit vom Last-SWR. Typische Isolatorabschlüsse haben Belastbarkeiten von 5, 10, 30, 50, 70 und 100 Watt, je nach Hersteller und Typ. Koaxiale und Drop-in-Zirkulatoren und Isolatoren Eine kurze Diskussion der folgenden Themen ist notwendig, um den Betrieb von Zirkulatoren zu verstehen: • Ferritbereich • Magnetischer Kreis • Impedanztransformation • Transmission-Line-Geometrie • Steckverbinder Ferritbereich Zirkulation und Isolation werden vom Ferritmaterial verursacht, bei dem es sich um ein Dielektrikum mit magnetischen Merkmalen handelt. Die Ferritregion besteht aus zwei Ferritplatten, die zu beiden Seiten der Stripline-Y-Verbindung angeordnet sind. Diese Platten bilden einen dielektrischen Resonator. Wenn Leistung von einer der drei Übertragungsleitungen zugeführt wird, entsteht ein Stehwellenmuster. Dieses elektromagnetische Feldmuster ist auf ein Paar mathematisch identischer, gegenläufig sich drehender Wellen zurückzuführen. Am Eingangsport liegt ein Maximum, Nullstellen finden sich in 90° Distanz vom Eingang. Das Stehwellenmuster ist symmetrisch in Bezug auf den Eingangsport, wenn kein magnetisches Feld angelegt ist. Die Energie wird in gleicher Weise zu den anderen beiden Ports übertragen, wie Bild 5A zeigt. Der Grad der Kopplung oder Isolation zum Resonator wird durch die relative Position eines Ports und das Stehwellenmuster bestimmt. Liegt zum Beispiel ein Port in einem Nullpunkt der stehenden 28 hf-praxis 5/2015

Mikrowellen-Komponenten schwachen Feldern ergibt sich, wenn das angelegte magnetische Feld nicht ausreicht, um die indivduellen magnetischen Bereiche des Ferritmaterials vollständig zu sättigen oder auszurichten. Trotzdem ist Betrieb mit niedrigen Verlusten in den Regionen über oder unter dem Resonanzbereich möglich (siehe Bild 6). Bild 5: links die Intensität des elektrischen Feldes, rechts das magnetische Feld nach Richtung dargestellt Welle, erfolgt kein Leistungstransfer zu diesem Port. Die Präsenz eines axialen magnetischen Feldes über dem Ferritmaterial ändert die von den rotierenden Wellen gesehene effektive Permeabilität in einer Richtung, die von der Drehrichtung abhängt. Das hat zur Folge, dass die beiden Wellen nicht mehr identisch sind und in zwei mathematische Lösungen mit unterschiedlichen radialen Geschwindigkeiten aufgeteilt werden. Dies bewirkt, dass das Stehwellenmuster aus seiner ursprünglichen, symmetrischen Position gedreht wird. Die gewünschte Leistungsübertragung und die Isolatormerkmale erhält man durch das Design des Zirkulators in der Weise, dass das Stehwellenmuster um 30° rotiert wird. Wird Leistung an Port 1 angelegt, ist der nächste Anschluss in Richtung der Rotation (Port 3) vom Resonator isoliert, Port 2 dagegen ist mit dem Resonator vollständig gekoppelt ist, (wie Bild 5 B zeigt). In der Praxis kann Schaltungsabstimmung verwendet werden, um kleinere Justierungsfehler des Stehwellenmusters zu korrigieren. Wenn ein Ferritmaterial magnetisiert wird, präzessieren die magnetischen Momente der Elektronen mit einer Frequenz, die proportional zum magnetisierenden Feld ist. Ferromagnetische Resonanz erfolgt, wenn ein rotierendes magnetisches HF-Feld die gleiche Richtung und Frequenz hat, wie die präzessierenden Elektronen im Ferritmaterial. Maximale Kopplung der Energie des RF-Signals zum Ferritmaterial tritt bei einer bestimmten Frequenz auf, die als ferrimagnetische Resonanz bezeichnet wird. Wenn die Drehrichtung oder die Frequenz des RF-Signals geändert wird, verringert sich die Kopplung. Es ist jedoch nicht sinnvoll, den Zirkulator magnetisch so auszurichten, dass ferromagnetische Resonanz bei der Betriebsfrequenz auftritt, weil das Bauelement dann äußerst verlustbehaftet wäre. Hohe Einfügungsdämpfung kann auch bei Verwendung sehr schwacher Felder zur Vormagnetisierung erfolgen. Der Verlustbereich bei Vergleich von Zirkulator-Designs über- und unterhalb der Resonanz Der folgende Vergleich bezieht sich vor allem auf Strip-Line-Zirkulatoren und ist nur als Richtschnur gedacht ist. Die Bezeichnung „über“ oder „unter“ der Resonanz gilt nur in Bezug auf das magnetische Feld, nicht auf die Frequenz. Betriebsfrequenz Über der Resonanz (AR = above resonance) arbeitende Zirkulatoren können für den Betrieb von 50 MHz bis zu etwa 2,5 GHz gebaut werden. Obwohl Betrieb über dieser Frequenz erreicht werden kann, sind aufwändige magnetische Kreise erforderlich, um das Ferritmaterial ausreichend vorzumagnetisieren. Bild 7: Die Betriebsfrequenzbereiche variieren mit der Frequenz Zirkulatoren, die unterhalb der Resonanz (BR = below resonance) arbeiten sind generell auf den Betrieb über 500 MHz beschränkt. Betrieb unterhalb dieser Frequenz ist möglich, aber im in Allgemeinen in der Leistungsfähigkeit reduziert. Da die Frequenz verringert ist, nimmt der B/R- Betriebsbereich ab (Bild 7). Das für den Betrieb des B/R-Knotenpunkts benötigte niedrigere magnetische Feld genügt nicht, um das Ferritmaterial vollständig zu sättigen, was in einem Bereich niedriger Feldverluste resultiert. Der Bereich niedriger Feldverluste und der ferrimagnetische Resonanzbereich vermischen sich miteinander, und machen daher Betrieb mit niedrigen Verlusten im B/R- Bereich praktisch unmöglich. Die B/R-Verbindung kann für Frequenzen bis zu etwa 30 GHz eingesetzt werden. Betrieb oberhalb dieser Frequenz wird hauptsächlich von der Bild 6: Die Resonanzkurve zeigt die grundlegenden Bereiche des zirkularen Betriebs Strip-line-Geometrie beschränkt. Hohlleiterzirkulatoren können für den Einsatz bei über 100 GHz entworfen werden. Bandbreite Die B/R-Verbindungseigenschaften ermöglichen Breitbandbetrieb bis zu 100%, A/R- Betrieb ist im allgemeinen auf 40% der Maximalbandbreite beschränkt. Temperatur Der A/R-Zirkulator kann mit Hilfe von speziellen magnetischen Materialien temperaturkompensiert werden. Die magnetischen Merkmale dieser Materialien ändern sich mit der Temperatur. Über 1 GHz ist Betrieb über einem Temperaturbereich von -54 bis +95 ° C möglich. Der B/R-Zirkulator ist unterhalb 1 GHz praktisch auf den Zimmertemperaturbetrieb beschränkt. Die magnetischen Merkmale der verfügbaren Ferritmaterialien sind extrem temperaturempfindlich. Im Allgemeinen haben die für höhere Frequenzen verwendeten Ferritmaterialien eine größere Temperaturstabilität. Betrieb über 4 GHz und von -54 bis +85 °C ist - je nach Bandbreite und gewünschten Leistung - möglich. Bild 8: Das Metallgehäuse um den Zirkulator schließt den magnetischen Pfad Magnetisches Feld im Zirkulator Leistungsfähige Magneten werden verwendet, um die Ferritscheiben vorzumagnetisieren. Wie schon erwähnt, schließt der magnetische Kreis auch Materialien ein, um die reversiblen Änderungen mit hf-praxis 5/2015 29

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