11.13: Феритові компоненти - Циркулятори та ізолятори

Циркулятори та ізолятори - це незворотні пристрої, які переважно направляють мікрохвильові сигнали. Важливим елементом є диск (шайба) фериту, який при намагнічуванні підтримує бажаний напрямок поширення завдяки гіромагнітному ефекту.

11.8.1 Гіромагнітний ефект

Електрон має квантову механічну властивість, звану спіном (немає спінінгового електрона), створюючи магнітний момент\(m\), див. Рисунок\(\PageIndex{1}\) (а). У більшості матеріалів спін електронів відбувається в парі з магнітним моментом одного електрона, скасованим протилежно спрямованим магнітним моментом іншого електрона. Однак у деяких матеріалах спин не відбувається парами і є чистий магнітний момент.

Найбільш цікава мікрохвильова властивість виникає, коли магнітний матеріал зміщується магнітним полем постійного струму, що призводить до гіромагнітного ефекту. Це впливає на спосіб поширення радіочастотного поля, і це описується проникністю дев'яти елементів, що називається тензором. Проникність магнітно зміщеного магнітного матеріалу становить:

\[\label{eq:1}\left[\mu\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mu_{xx}}&{\mu_{xy}}&{\mu_{xz}}\\{\mu_{yx}}&{\mu_{yy}}&{\mu_{yz}}\\{\mu_{zx}}&{\mu_{zy}}&{\mu_{zz}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mu_{0}}&{0}&{0}\\{0}&{\mu}&{\jmath\kappa}\\{0}&{-\jmath\kappa}&{\mu}\end{array}\right] \]

Тобто,

\[\label{eq:2}\left[\begin{array}{c}{B_{x}}\\{B_{y}}\\{B_{z}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mu_{0}}&{0}&{0}\\{0}&{\mu}&{\jmath\kappa}\\{0}&{-\jmath\kappa}&{\mu}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{H_{x}}\\{H_{y}}\\{H_{z}}\end{array}\right] \]

Таким чином,\(z\) -спрямоване\(H\) поле виробляє\(y\) -спрямоване\(B\) поле. Вплив на поширення ЕМ-поля показано на малюнку\(\PageIndex{1}\) (b). Хвиля ЕМ не рухається по прямій лінії, а замість цього криві, в даному випадку, вправо. Таким чином, хвилі, що рухаються вперед і назад, розходяться один від одного і поширення не є взаємним. Це відокремлює хвилі, що рухаються вперед і назад.

11.8.2 Циркулятор

Циркулятор використовує гіромагнітний ефект. Посилаючись на схему циркулятора, показану на малюнку\(\PageIndex{2}\) (а), де стрілки вказують на те, що сигнал, який надходить у порт\(1\) циркулятора, залишає циркулятор в порту,\(2\) а не в порту\(3\). Аналогічно потужність, яка надходить у порт,\(2\) направляється в порт\(3\), і

Рисунок\(\PageIndex{1}\): Магнітні моменти: (а) спін електронів; і (б) вплив гіромагнітного ефекту на поширення ЕМ-хвиль у магнітному матеріалі з зовнішньо застосованим магнітним полем зміщення.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Феритові компоненти з намагніченою феритовою шайбою в центрі в (b) і (c).

харчування, що надходить на порт\(3\), направляється в порт\(1\). За\(S\) параметрами ідеальний циркулятор має матрицю розсіювання

\[\label{eq:3}\mathbf{S}=\left[\begin{array}{ccc}{0}&{0}&{S_{13}}\\{S_{21}}&{0}&{0}\\{0}&{S_{32}}&{0}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{0}&{0}&{1}\\{1}&{0}&{0}\\{0}&{1}&{0}\end{array}\right] \]

Мікросмужковий циркулятор показаний на малюнку\(\PageIndex{2}\) (b), де диск з намагніченого фериту може бути розміщений поверх мікросмужкового Y переходу для реалізації переважного напрямку поширення ЕМ-полів. При відсутності зміщення магнітного поля циркуляційна функція не відбувається.

11.8.3 Ізоляція циркулятора

Ізоляція циркулятора - це втрата вставки від того, що є вихідним портом до вхідного порту, тобто у зворотному напрямку. Посилаючись на циркулятор на малюнку\(\PageIndex{2}\) (а), якщо порт\(1\) є вхідним портом, є два вихідні порти, і тому є дві ізоляції, рівні втрати повернення від порту\(3\) до порту\(2\), і від порту\(2\) до порту\(1\). Менша з них - цитується ізоляція. Якщо це ідеальний циркулятор і порт\(2\) ідеально підібраний, то ізоляція буде нескінченною. Тоді\(S\) параметри циркулятора

\[\label{eq:4}\mathbf{S}=\left[\begin{array}{ccc}{\Gamma}&{\alpha}&{T}\\{T}&{\Gamma}&{\alpha}\\{\alpha}&{T}&{\Gamma}\end{array}\right]\approx\left[\begin{array}{ccc}{0}&{0}&{1}\\{1}&{0}&{0}\\{0}&{1}&{0}\end{array}\right] \]

де\(T\) коефіцієнт передачі,\(\Gamma\) - коефіцієнт відбиття на портах, а також\(\alpha\) витік.

11.8.4 Ізолятор

Ізолятори - це пристрої, що дозволяють потік потужності тільки в одному напрямку. На малюнках\(\PageIndex{2}\) (в) і\(\PageIndex{3}\) показані мікросмужкові ізолятори на основі трипортових циркуляторів. Потужність, що надходить в порт\(1\) як біжить хвиля, передається фериту і з'являється в порту\(2\). Практично жодна влада не з'являється в порту\(3\). Сигнал біжучої хвилі, застосований у порту\(3\),\(2\) з'являється в порту, де він поглинається в припиненні, створеному резистивним матеріалом, розміщеним поверх мікросмужки. Резистивний матеріал утворює лінію передачі з втратами і ніяка потужність не відбивається. Таким чином, потужність може рухатися від порту\(1\) до порту\(2\), але не в зворотному напрямку.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Мікросмужковий ізолятор, що працює від\(29\) до\(31.5\text{ GHz}\). Ізолятор в (б) має розміри\(5\text{ mm}\times 6\text{ mm}\) і\(6\text{ mm}\) високий. Ізолятор підтримує\(2\text{ W}\) пряму та зворотну потужність з ізоляцією\(18\text{ dB}\) та втратою вставки\(1\text{ dB}\). Серія Ренесанс 2W9, авторське право Ренесанс Електроніка Корпорація, використовується з дозволу.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Перетворення частоти за допомогою мікшера.