Cyrkulatory i izolatory ferrytowe w praktyce ultrakrótkofalowca.
Cyrkulator ferrytowy jest trzyportowym nieodwracalnym urządzeniem (trójwrotnikiem), które pozwala ma transmisję mocy wielkiej częstotliwości w jednym kierunku pomiędzy dwoma kolejnymi wrotami. W przypadku cyrkulatora na poniższym rysunku moc w.cz. może być przesyłana ze złącza 1 do 2, z 2 do 3, z 3 do 1, ale nie możliwe jest jej przesłanie w przeciwnym kierunku – z 1 do 3, z 3 do 2 i z 2 do 1.
Sercem każdego cyrkulatora o stałych rozłożonych (ang. distributed-parameter circulator) jest zespół złożony z trzech linii paskowych, ułożonych promieniście pod kątem 120 (połączonych w punkcie centralnym, na kształt litery Y), naniesionych na dielektryczne podłoże, obłożonych obustronnie tarczami z materiału ferrytowego, niemagnetycznymi płaszczyznami masy (np. z blachy miedzianej) i umieszonych w polu magnesów trwałych. W rzeczywistych rozwiązaniach stosuje się dodatkowo elementy powodujące uniformizację natężenia pola magnetycznego na całej powierzchni ferrytowych dysków (rozpraszacze) oraz ekrany i obudowy mające za zadanie odseparować układ cyrkulatora od zewnętrznych pól magnetycznych, mogących zakłócić jego pracę.
Kiedy moc w.cz. zostaje dostarczona do jednego z wrót cyrkulatora, dwa równoważne pola elektromagnetyczne zaczynają wirować wewnątrz ferrytowych dysków w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. Dzięki umieszczenia układu w osiowym polu magnetycznym o odpowiednim natężeniu możliwe jest, aby wirujące pole „ominęło” jedną linię paskową i zaindukowało się w kolejnej. Dzięki temu zjawisku (zjawisku rotacji Faradaya) możliwe jest przeniesienie mocy z niewielkim tłumieniem do sąsiednich wrót (tłumienie mocy do wrót kolejnych najczęściej jest większe co najmniej stukrotnie).
W praktyce często stosuje się cyrkulatory oraz izolatory (czyli cyrkulatory ze zintegrowanym obciążeniem) o stałych skupionych (ang. Lumped-Constant Circulators). Od cyrkulatorów o stałych rozłożonych, z liniami paskowymi w kształcie litery Y odróżnia je fakt przedłużenia linii paskowych poza punkt przecięcia i zwarcie utworzonych w ten sposób trzech wolnych końców do płaszczyzn masy po obu stronach ferrytowych dysków. Rozwiązanie takie zapewnia większe sprzężenie pomiędzy liniami paskowymi a dyskami co ma wpływ na sprawność (zmniejsza tłumienie w paśmie przepustowym).
Cyrkulatory i izolatory wykonuje się typowo na pasma powyżej 400MHz aż do wysokich pasm mikrofalowych. W tych zakresach najlepiej uwidaczniają się ich zalety. Bez problemu udaje się uzyskiwać 0,2dB tłumienia przepustowego i ponad 40dB tłumienia zaporowego. Niektórzy producenci oferują również cyrkulatory na pasma od 66 do 400MHz. Niestety, ze względu na większe wymiary, ilość użytych materiałów a także trudności z utrzymaniem parametrów jest to produkcja mniej opłacalna. Cyrkulatory takie charakteryzują się dużymi wymiarami i znacznie gorszym tłumieniem zaporowym. Najlepsze konstrukcje osiągają 30dB tłumienia, nieco częściej są to wartości gwarantowane w zakresie 25dB.
Cyrkulatory mogą być wykonane jako szerokopasmowe (szerokość pasma do ok 20% częstotliwości) oraz wąskopasmowe, strojone kondensatorami. Te ostatnie mogą być strojone przez użytkownika (ang. field-tunable) z wieloobrotowymi trymerami dostępnymi z zewnątrz, bądź dostrajane fabrycznie za pomocą kondensatorów (na wyższych pasmach dostrajane laserowo - przez docinanie kondensatorów naniesionych na ceramice).
Przykładowy sposób użycia cyrkulatora dostrajanego, użytego w aplikacji zabezpieczenia wyjścia nadajnika można przeanalizować na poniższym rysunku. Indukcyjności zaznaczone na schemacie są indukcyjnościami doprowadzeń, zaś pojemności są sumą kondensatorów stałych i trymerów dostępnych przez ekranującą obudowę. Moc emitowana przez nadajnik dostarczana jest do portu 1. Do portu 2 podłączona jest antena, zaś do portu 3 rezystor absorbujący moc niedopasowania anteny, o mocy takiej, jakiej jest w stanie dostarczyć nadajnik. W czasie normalnej pracy, przy sprawnej i dobrze dopasowanej antenie praktycznie cała moc nadajnika dostarczana jest do anteny i tam wypromieniowywana (strata w pojedynczym, dobrze dopasowanym cyrkulatorze nie powinna przekraczać 0,3dB) pozostała szczątkowa moc niedopasowania dotrze do rezystora obciążającego. (typowo ok 35-40dB mniej niż poziom mocy nadajnika, w zależności od częstotliwości i jakości wykonania). W przypadku pogorszenia dopasowania anteny moc odbita, wracająca z anteny do cyrkulatora kierowana jest do rezystora. W skrajnym przypadku odłączenia bądź zwarcia anteny cała moc nadajnika kierowana jest do portu 3 gdzie jest pochłaniana przez rezystor obciążający (W praktyce tłumienie wprowadzane przez cyrkulator z portu 1 na port 3 nie powinno przekraczać 0,6dB). Dzięki takiemu działaniu nadajnik cały czas jest prawidłowo obciążony i nie grozi mu uszkodzenie stopnia mocy. Cyrkulator wyposażony przez producenta w rezystor obciążający podłączony do portu 3 nazywany jest zwyczajowo izolatorem, ponieważ transmituje moc z portu 1 na 2 z małą stratą (do 0,3dB) i nie pozwala na jej powrotny przepływ (tłumienie mocy w zakresie 25-40dB czyli 500-10000 razy !).
W przypadku nadajników dużych mocy stosuje się podwójne izolatory, z których ten od strony anteny wyposażony jest w rezystor obciążający dużej mocy, zaś drugi w rezystor wielokrotnie mniejszej mocy (dociera do niego w pesymistycnzym wypadku moc mniejsza 25dB niż do pierwszego rezystora). Urządzenia takie sa są sprzedawane pod nazwą Dual-Isolator.
Przykładowe wykresy, ilustrujące przepływ mocy i dopasowanie w cyrkulatorze firmy Sinclair typu I2112T-01, zestrojonym na częstotliwość 145.000 MHz zamieszczam poniżej. Cyrkulator (a właściwie izolator) katalogowo może przenosić 125W mocy do anteny i przekazywać do 30W mocy niedopasowania do obciążenia. Oczywiście, może to robić jedynie w wąskim paśmie częstotliwości (ok 5MHz), na który jest zestrojony (z zakresu 138-158MHz). Strojenie polega na wielokrotnym regulowaniu pojemności trymerów na wejściu podłączonym do wyjścia generatora (przy podłączonych obciążeniach do dwóch pozostałych portów) aby poziom sygnału na kolejnym od niego wyjściu (w prawo) był jak największy, a dopasowanie generatora jak najlepsze. W tym celu niezwykle pomocny jest wektorowy analizator sieci lub wobuloskop i sprzęgacz kierunkowy.
Cyrkulatory są też masowo używane w rozwiązaniach dupleksowych, gdzie jednocześnie na tej samej antenie musi pracować zarówno nadajnik jak i odbiornik. W tym celu do portu 1 podłącza się odbiornik, do portu 2 nadajnik zaś do portu 3 antenę.
W przypadku, gdy pojedynczy cyrkulator nie zapewnia wystarczającej izolacji sygnału nadajnika od wejścia odbiornika (a tak się dzieje już przy kilkuset miliwatach mocy nadawanej) zazwyczaj stosuje się układy dwóch lub trzech cyrkulatorów połączonych ze sobą i jednego bądź dwóch rezystorów pochłaniających moc niedopasowania. W takim przypadku można stosować gotowe zespoły cyrkulatorów podwójnych lub potrójnych lub samodzielnie zestawiać odpowiednie kombinacje. Nie ma przy tym większego znaczenia fakt, że cyrkulatory będą połączone za pomocą złącz i przewodów a nie bezpośrednio. Działać będą równie dobrze a dodatkowe tłumienie nie przekroczy 0,1dB. Należy pamiętać o tym, że cyrkulator ferrytowy działa dzięki polu magnetycznemu magnesów trwałych umieszczonych w jego wnętrzu i przez to jest wrażliwy na zewnętrzne pola magnetyczne. Z tego też powodu nie należy ich mocować bezpośrednio do ferromagnetycznego podłoża (np. stalowej obudowy) - należy zastosować niemagnetyczne dystanse - z aluminium lub mosiądzu. Montując dwa lub więcej cyrkulatorów obok siebie należy zapewnić pomiędzy nimi minimum 1cm odległości, nie można też ich montować płasko jeden nad drugim. W przypadku znacznych mocy, należy pamiętać że 0,7-1dB straty mocy w cyrkulatorze powoduje jego nagrzewanie. Im wyższa temperatura dysków ferromagnetycznych tym ich gorsze parametry co może doprowadzić do utraty ich parametrów skutkujących zwiększeniem niedopasowania i lawinowo narastającymi stratami mocy w samym cyrkulatorze co spowoduje to jego zniszczenie . Należy zatem zadbać o odprowadzenie ciepła z samego cyrkulatora.
Poniżej zamieszczam kilka zdjęć, które z pewnością będą pomocne w zrozumieniu budowy wewnętrznej cyrkulatorów i izolatorów ferrytowych. Na kilku z nich można zobaczyć, jak zbudowany jest podwójny izolator, złożony z dwóch cyrkulatorów TDK typu Hexalator CU-331A, rezystorów absorbujących moc i szeregu trymerów dopasowujących impedancje.
Artykuł powstał na podstawie:
- An elementary introduction to ferrite isolators, circulators and RF loads.
- Cost and Performance Benefits of Cascading Single Junction Circulators for Duplex Applications
- Materiały katalogowe firm Sinclair, Motorola, JQL, Alcatel - Ferrocom.
