Circulator 環行器

大印藍海科技|印寧華|Indining China|

2023-03-30 09:55:43 955

在現有的無線通信系統中，發射機是有一個重要的組成部分，由功率放大器(PA)、耦合器、環形器、連接器、雙工器及天線等部分組成，其中耦合器用于鏈路的相關監測功能，環形器用于保護功放管，連接器將輸出信號傳輸到雙工器。在無線領域都是類似的設計，但是隨著無線通信發展，對小型化的要求越來越高。環形器作為一種各向異性元件，在微波和射頻通信領域有非常重要的作用，通過其單向傳輸的特性，可以保護電路中元件免受無用信號的損害，也可以使同一電路實現發送和接收信號的雙工功能。

環行器是將進入其任一端口的入射波，按照由靜偏磁場確定的方向順序傳入下一個端口的多端口器件。環行器又叫隔離器是有數個端的非可逆器件。其顯著特點為能夠單向傳輸高頻信號能量，分為微光學光纖、電子環行器，在隔離器、雙工器、反射放大器中有*的應用。

環行器定義

將進入其任一端口的入射波，按照由靜偏磁場確定的方向順序傳入下一個端口的多端口器件。環行器是有數個端的非可逆器件。比如：從1端口輸入信號，信號只能從2端口輸出，同樣，從2端口輸入的信號只能從3端口輸出，以此類推，故稱作環行器。

特點及應用

環行器又叫隔離器的突出特點是單向傳輸高頻信號能量。它控制電磁波沿某一環行方向傳輸。這種單向傳輸高頻信號能量的特性，多用于高頻功率放大器的輸出端與負載之間,起到各自獨立,互相“隔離”的作用。負載阻抗在變化甚至開路或短路的情況下都不影響功放的工作狀態,從而保護了功率放大器。

環行器單向傳輸的原理

是由于采用了鐵氧體旋磁材料。這種材料在外加高頻波場與恒定直流磁場共同作用下，產生旋磁特性（又稱張量磁導率特性）。正是這種旋磁特性，使在鐵氧體中傳播的電磁波發生極化的旋轉（法拉第效應），以及電磁波能量強烈吸收（鐵磁共振），正是利用這個旋磁現象，制做出結型隔離器、環行器。它具有體積小、頻帶寬、插損小等特點，因而應用十分廣泛。

環行器是一種具有非互易特性的分支傳輸系統, 常用的鐵氧體環行器是 Y 形結環行器, 如圖 3(a)所示, 它是由三個互成 120°的角對稱分布的分支線構成.當外加磁場為零時, 鐵氧體沒有被磁化, 因此各個方向上的磁性是相同的.當信號從分支線"①"輸入時, 就會在鐵氧體結上激發如圖 3(b)所示的磁場, 由于分支"②, ③"條件相同, 信號是等分輸出的. 當外加合適的磁場時, 鐵氧體磁化, 由于各向異性的作用, 在鐵氧體結上激發如圖 3(c)所示的電磁場, 當外加合適的磁場時, 鐵氧體磁化, 由于各向異性的作用,分支"②"處有信號輸出, 而分支"③"處電場為零, 沒有信號輸出. 同樣由分支"②"輸入時, 分支"③"有輸出, 而分支"①"無輸出; 由分支"③"輸入時, 分支"①"有輸出而分支"②"無輸出. 可見, 它構成了"①"→"②"→"③"→"①"的單向環行流通, 而反向是不通的, 故稱為環行器。

環形器結構
采用結型帶線結構，雙Y形中心導體置于兩片旋磁鐵氧體樣品之間，組成樣品結，在樣品結周圍各置三片磁石，使整個樣品結產生一均勻恒定的磁場。隔離器、環行器端口由帶線轉為同軸線，通過正確的設計它，可使樣品結和同軸線有*的匹配，滿足隔離器、環行器各種性能的要求，當在負載失配的情況下，反射能量將沿著藍線所標的方向流到外接的吸收電阻上，能量被電阻所吸收。

端口構件
環行器為三端口器件，當端口1為輸入，端口2為輸出，則3端口為隔離端口，能量幾乎不能穿過，以此類推，一般UHF讀寫器上用環行器為順時針方向流通，當端口1為TX輸出時，RF信號會從端口2而流過，而端口3即RX端口為隔離端，具體隔離度需參考器件參數和LAYOUT效果，相反，當端口2作為收發復用端接收信號時，信號會按順時針進入端口3，此時泄露到TX端口的能量非常小，可以忽略，而TX泄露到RX端口的能量很大程度上影響著接收機靈敏度即實際識別效果，因此需根據接收端LNA參數，在RX端加衰減器對TX泄露信號進行有效隔離，但由此產生一個問題，因為RX接收的有用信號本身已經很少，在進行TX端泄露信號衰減的同時，RX端有用信號也被進一步削弱，因此也會影響到LNA的接收，因此，用環行器做收發隔離只能在一定程度上產生效果，對于TX輸出功率給定且ERP不超過相關規定的情況下，要提高接收機靈敏度，必須考慮增大收發兩路的隔離度，方法有很多，視具體需求而定。

環形器分類

微光學光纖

微光學光纖環行器，它利用了微光學原理制作而成。雙折射晶體和45°法拉第旋轉器安放在毛細管內的中部，毛細管的一端安放有保偏準直器，保偏準直器的一端與45°法拉第旋轉器膠粘連接，保偏準直器的另一端膠粘有保偏光纖，毛細管的另一端安放有并行排放的*準直器和第二準直器，*準直器和第二準直器一端與雙折射晶體一端膠粘連接，*準直器的另一端膠粘有*光纖，第二準直器的另一端膠粘有第二光纖。本實用新型結構簡單、緊湊，溫度性能穩定，可在-40℃～+85℃溫度范圍內工作。

電子環行器
電子環行器可實現耦合信號，峰值檢波，電壓比較。解決了環行器體積大成本高的問題，并且用發光二極管來指示電路是否對運放進行保護。測試結果表明：經過反復的測試和調試發現設計的電路基本成功代替了環行器起到了保護運放的作用。耦合器起到了耦合信號的作用，峰值檢波起到了檢波信號的作用，電壓比較器起到了對輸出電壓信號的放大作用。

環形器應用
隔離器

當三端口環行器的一個端口在匹配的負載端接時，它可以用作隔離器，因為信號可以在其余端口之間僅在一個方向上行進。 [2] 隔離器用于屏蔽其輸入側的設備免受其輸出側的條件的影響; 例如，以防止微波源由失配的負載失諧。

環行器與隔離器基本理論

環行器與隔離器是一類微波鐵氧體器件，通過鐵氧體控制微波信號的傳輸。由于其具有非互易性，正向插損很小，而反向時則能量絕大部分被吸收。環行器和隔離器依靠磁場來完成非互易性的工作，但僅有磁場而沒有微波鐵氧體，微波信號的傳輸仍然可以互易。器件中的微波鐵氧體決定了它的諧振頻率。

雙工器

在雷達中，循環器被用作一種類型的雙工器，以將信號從發射機路由到天線以及從天線到接收機，而不允許信號直接從發射機到達接收機。雙工器的替代類型是在將天線連接到發射器和接收器之間交替的發射 - 接收開關（TR開關）。

在下一代蜂窩通信中，人們傾向于全雙工無線電，因為它可以以相同的頻率同時發送和接收信號。考慮到當前有限的、擁擠的頻譜資源，全雙工可以直接地有益于無線通信兩倍的數據輸入輸出速度。仍然使用“半雙工”執行無線通信，在不同的時間幀發送或接收信號，如果在相同的頻率（通常在雷達中），以不同的頻率同時發送和接收信號（由稱為雙工器的一組濾波器實現）。

反射放大器

反射放大器是一種利用諸如隧道二極管和耿氏二極管的負微分電阻二極管的微波放大器電路。負差分電阻二極管可以放大信號，并且通常在微波頻率下比兩端口器件表現更好。然而，由于二極管是單端口（兩端）器件，需要非互易分量來將輸出放大信號與輸入-輸入信號分離。通過使用具有連接到一個端口的信號輸入的3端口環行器，連接到第二個的偏置二極管，連接到第三個的輸出負載，輸出和輸入可以被斷開。

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