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5-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Mikrowellen-Komponenten

Mikrowellen-Komponenten der Temperatur zu kompensieren. Jedoch kann der magnetische Kreis durch eine zusätzliche magnetische Abschirmung für kritische Anwendungen optimiert werden, wenn sich mehrere Zirkulatoren in großer Nähe befinden. Ein Stahlgehäuse bildet dann den Rückkehrpfad für das magnetische Feld (Bild 8). Impedanztransfomation Mehrere Viertelwellenlängenabschnitte der Übertragungsleitung werden meist verwendet, um die niedrigere Impedanz der Ferritscheibe an die 50 Ohm der Anschlüsse und der angeschlossenen Leitungen anzupassen. Die Rückflussdämpfung und die Bandbreitenspezifikationen bestimmen die Anzahl der erforderlichen Transformationsabschnitte. Eine typische VSWR-Spezifikation für einen Zirkulator ist 1.25:1. Für schmale Bandbreiten (weniger als 5%) kann die Ferritimpedanz für 50 Ohm dimensioniert werden. Anpasstransformatoren werden für diese Art des Designs nicht benötigt, was eine kleine Gehäusegröße ermöglicht. Die Impedanzcharakteristik eines derartigen Zirkulators zeigt Bild 9 A. Bild 9 A: Impedanzcharakteristiken des Zirkulators Mittlere Bandbreiten von weniger als 40% kann man erhalten, wenn man nur ein einzelnes Transformator-Leitungsstück verwendet. Die Transformatorenlänge kann durch das Verwenden von Materialien mit hohen dielektrischen Eigenschaften und das Mäandern der Leitung verkürzt werden. Bild 9 B: Impedanz-Charakteristik eines Zirkulators mit nur einem Leitungstransformator Bandbreiten größer als eine Oktave sind durch die Verwendung von zwei oder drei externen Transformations-Leitungsstücken möglich. Die Verwendung von mehr als drei Transformatoren liefert allerdings nur eine geringe Leistungsverbesserung. Die typische Impedanz bei zwei Transformationsgliedern zeigt Bild 9 C. Bild 9 C: Zirkulator-Impedanzcharakteristik bei zwei Leitungstransformatoren Zirkulatoren mit diskreten Elementen ersetzen Viertelwellen-Transformationsleitungen durch Kapazitäten und Induktivitäten, um kleinere Gehäuseabmessungen im Frequenzbereich von 50 MHz bis 1.0 GHz zu erreichen. Diese Zirkulatoren sind jedoch temperaturempfindlich und arbeiten nur über schmale Bereiche bei niedrigen Leistungspegeln. Symmetrische Stripline ist die am meisten verwendete Leitungsgeometrie. Sie wird sowohl bei Koaxial- als auch Durchsteckausführungen von Zirkulatoren eingesetzt. Verbindungselemente Zirkulatoren können mit den unterschiedlichsten Anschlüssen versehen werden. SMA m oder f sind die Beliebtesten und im Allgemeinen am leichtesten zu installieren. Steckverbinder vom Typ N, TNC und rechtwinklige Anschlüsse können ebenfalls verwendet werden. Einige Anschlusstypen verursachen jedoch Einschränkungen der elektrischen Leistung bei Hf- und Breitband-Zirkulatoren. In vielen Fällen reicht die Gehäusehöhe des Zirkulators nicht. Bei einer Höhe von zum Beispiel 0,50-Zoll ist kein N-Typ-Anschluss ohne eine Gehäusevergrößerug möglich (0,63 Zoll). Zirkulatoren, die Anschlüsse für hohe Spannungen erfordern, verwenden meist einen Zwischenadapter. Eine andere Anschlusskonfiguration erhält man bei Montage des Zirkulators auf einen Hohlleiteradapter (Isoadapter). Diese Adapter sind besonders nützlich, wenn sowohl Hohlleiter als auch koaxiale Anschlüsse erforderlich sind. Zum Beispiel kann der Hohlleiteranschluss ein Signal direkt von einer Hohlleiterantenne aufnehmen, während das Ausgangssignal über einen SMA- Anschluss in einen Halbleiterverstärker eingespeist wird. Für viele Anwendungen gibt es auch Zirkulatoren ohne Buchsen, so dass die Pads der Anschlüsse direkt auf eine Leiterplatte gelötet werden können. Sorgfältige Überlegung erfordern sowohl die Erdung des Zirkulatorgehäuses als auch die Geometrie des zugehörigen Substrats. Bild 10: Durch Hinzufügen eines Abschlusses an Port 3 erhält man eine Richtungsleitung Beschreibung der Betriebsparameter VSWR: Dieser Parameter gibt an, wieviel Prozent des Eingangssignals in Richtung der Quelle reflektiert werden. Für kritische Anwendungen können Größe und Phase des reflektierten Signals als Impedanzverlauf in einem Smith-Diagramm aufgezeichnet werden. Einfügungsdämpfung: Wenn ein Signal in Richtung niedriger Verluste in den Zirkulator eingespeist wird, ist die Einfügungsdämpfung das Verhältnis des Ausgangssignals zum Eingangssignal, ausgedrückt in dB. Isolation: Eine Richtungsleitung ist eine Vierpoleinheit, die durch den internen Abschluss eines Zirkulator-Anschlusses (siehe Bild 10 gezeigt) entsteht. Wenn ein Signal in der Richtung hoher Verluste in die Richtungsleitung eingespeist wird, ist die Isolation (Entkopplung) das Verhältnis des in den Ausgangs-Port 2 eingespeisten Signals zu dem am Eingabeport (1) gemessenen Signal, ausgedrückt in dB. Für einen Zirkulator gibt es diesen Parameter nicht. Die Parameter Isolation, VSWR und Einfügungsdämpfung werden benötigt, um einen Isolator zu spezifizieren, während ein Zirkulator durch sein VSWR an allen Ports und durch seine Einfügungsdämpfung definiert ist. Prozentuale Bandbreite: Sie ergibt sich aus der Differenz zwischen der untersten und obersten Betriebsfrequenz, dividiert 30 hf-praxis 5/2015

K N O W - H O W V E R B I N D E T durch die Mittenfrequenz und multipliziert mit 100. Betriebstemperaturbereich: Der Temperaturbereich, in dem ein Zirkulator alle Spezifikationen erfüllen muss. Lagerungstemperaturbereich: Der Temperaturbereich, in dem ein Zirkulator ohne dauerhafte Verschlechterungen aufbewahrt werden kann. Lagerungstemperaturen von -60 bis +125 °C sind meist zulässig. Phasenlinearität: Dieser Parameter ist als Abweichung der Einfügungsphase von einer am besten passenden geraden Linie über der Frequenz definiert. Für A/R- und B/R-Zirkulatoren mit weniger als 20% Bandbreite, liegt die Phasenlinearität meist innerhalb von zwei Grad. Impedanzcharakteristik: Dieser Parameter beschreibt sowohl die Größe auch als die Phase des reflektierten Signals, aufgezeichnet in einem Smith-Diagramm. Die prinzipielle Eingangsimpedanz eines Zirkulators ist eine der drei Verläufe, die Bild 9 zeigt. Mikrowellen-Komponenten Durchschnittliche Leistung: Die im Zirkulator verbrauchte Leistung ist proportional zur Einfügungsdämpfung. Wenn die durchschnittliche Leistung signifikant ist, verursacht die verbrauchte Leistung eine Erwärmung der Ferrite und Verschlechterung der Leistungsdaten. Wärmeleitung, Konvektion oder Kühlung können die durchschnittliche Nennleistung eines Zirkulators verbessern. Der Anschlusstyp ist auch wichtig, wenn die durchschnittliche Leistung sehr hoch ist. SMA-Buchsen z.B. sind wegen ihrer internen Verluste nur beschränkt belastbar. Die durchschnittliche Nennleistung eines Zirkulators hängt auch von der resultierenden Fehlanpassung am Ausgangsport ab. Wenn zum Beispiel ein Signal mit 100 W Durchschnittsleistung an den Eingang eines mit einer Fehlanpassung von 6.00:1 abgeschlossenen Zirkulators angelegt wird, würden 51 Watt reflektiert, so dass der Zirkulator 151 Watt insgesamt vertragen muss. Leistungsbemessung des Isolatorabschlusses: Die Belastung des Port- Abschlusses hängt von der Fehlanpassung am Ausgang ab. EMV, WÄRME- ABLEITUNG UND ABSORPTION SETZEN SIE AUF QUALITÄT Maßgeschneiderte Produkte nach indi viduellen Vorgaben für kunden spezifische Anwendungen, hergestellt mittels modernster Technologie, stehen für uns im Vordergrund. Mehr als 25 Jahre Erfahrung, qualifizierte Beratung und applikative Unterstützung unserer Kunden sowie namhafte Kooperationspartner sind die Bausteine für unseren Erfolg. Zeichnungsteile mittels Schneidplotter Stanzteilherstellung mittels Hoch leistungsstanze Bild 11: Spitzenleistungseinflüsse auf die Resonanzkurve Begrenzung: Ein anderer Effekt, der mit der Höchstnennleistung eines Zirkulators verbunden ist, wird als die Nichtlinearitäts- oder Spitzenleistungsgrenze des Zirkulators bezeichnet. Sobald die Leistung über einen kritischen Wert zunimmt, ergeben sich beträchtliche Änderungen in der Resonanzkurve unterhalb der Hauptresonanz (Bild 11). Die Höchstleistungsgrenze ist von der Zirkulatorgeometrie, der Bandbreite und den Eigenschaften des Ferritwerkstoffs abhängig. Verzerrungsprodukte: Bei hohen Leistungspegeln entstehen im Zirkulator Harmonische und Intermodulationsprodukte. Wegen der von anderen Parametern auferlegten Designbeschränkungen ist es sehr schwierig, diesen Effekt zu beseitigen. Literaturangaben Bosma, H., "A general model for junction circulators: Choice of magnetization and bias field“ IEEE Trans Magazin, vol. MAG-4, Sept 1968, pp.587-596. Bosma, H. "Junction circulators“ Advances in Microwaves, vol. 6, Leo Young, Ed. New York: Academic, 1971. Fee, C. E. und R. L. Comstock: "Operation of the ferrite junction circulator“ IEEE Trans. Microwave, Theory Tech. (1964 Symp. Issue), vol. MTT 13, Jan. 1965, pp. 15-27. Helzajn, J., "Frequency response of quarter wave coupled reciprocal strip line junctions“ IEEE Trans. Microwave Theory Tech. Vol. MTT 21, Aug. 1973, pp 533-537 Konishi, Y., "New theoretical concept for wide band gyromagnetic devices“ IEEE Trans. Magazine (1972 Intermag Conf), vol. MAG 8, Sept 1972, pp. 505 508 Zuschnitt „cut to length“ Herstellung von O-Ringen Zuschnitt von Rollenware Stanzteilherstellung mittels Swing-Beam- Presse Zuschnitt mittels Wasserstrahltechnik Fehlanpassung am Ausgang Reflektierte Leistung in % 1,0 (perfekte Anpassung) 0 1,5 4 2,0 11 6,0 51 Kurzschluss oder Leeerlauf 100 hf-praxis 5/2015 31 Hohe Straße 3 61231 Bad Nauheim T +49 (0)6032 9636-0 F +49 (0)6032 9636-49 info@electronic-service.de www.electronic-service.de ELECTRONIC SERVICE GmbH

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