Circulator 环行器

2023-03-30 15:34:35 825

在现有的无线通信系统中，发射机是有一个重要的组成部分，由功率放大器(PA)、耦合器、环形器、连接器、双工器及天线等部分组成，其中耦合器用于链路的相关监测功能，环形器用于保护功放管，连接器将输出信号传输到双工器。在无线领域都是类似的设计，但是随着无线通信发展，对小型化的要求越来越高。环形器作为一种各向异性元件，在微波和射频通信领域有非常重要的作用，通过其单向传输的特性，可以保护电路中元件免受无用信号的损害，也可以使同一电路实现发送和接收信号的双工功能。

环行器是将进入其任一端口的入射波，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口的多端口器件。环行器又叫隔离器是有数个端的非可逆器件。其显著特点为能够单向传输高频信号能量，分为微光学光纤、电子环行器，在隔离器、双工器、反射放大器中有良好的应用。

环行器定义

将进入其任一端口的入射波，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口的多端口器件。环行器是有数个端的非可逆器件。比如：从1端口输入信号，信号只能从2端口输出，同样，从2端口输入的信号只能从3端口输出，以此类推，故称作环行器。

特点及应用

环行器又叫隔离器的突出特点是单向传输高频信号能量。它控制电磁波沿某一环行方向传输。这种单向传输高频信号能量的特性，多用于高频功率放大器的输出端与负载之间,起到各自独立,互相“隔离”的作用。负载阻抗在变化甚至开路或短路的情况下都不影响功放的工作状态,从而保护了功率放大器。

环行器单向传输的原理

是由于采用了铁氧体旋磁材料。这种材料在外加高频波场与恒定直流磁场共同作用下，产生旋磁特性（又称张量磁导率特性）。正是这种旋磁特性，使在铁氧体中传播的电磁波发生极化的旋转（法拉第效应），以及电磁波能量强烈吸收（铁磁共振），正是利用这个旋磁现象，制做出结型隔离器、环行器。它具有体积小、频带宽、插损小等特点，因而应用十分广泛。

环行器是一种具有非互易特性的分支传输系统, 常用的铁氧体环行器是 Y 形结环行器, 如图 3(a)所示, 它是由三个互成 120°的角对称分布的分支线构成.当外加磁场为零时, 铁氧体没有被磁化, 因此各个方向上的磁性是相同的.当信号从分支线"①"输入时, 就会在铁氧体结上激发如图 3(b)所示的磁场, 由于分支"②, ③"条件相同, 信号是等分输出的. 当外加合适的磁场时, 铁氧体磁化, 由于各向异性的作用, 在铁氧体结上激发如图 3(c)所示的电磁场, 当外加合适的磁场时, 铁氧体磁化, 由于各向异性的作用,分支"②"处有信号输出, 而分支"③"处电场为零, 没有信号输出. 同样由分支"②"输入时, 分支"③"有输出, 而分支"①"无输出; 由分支"③"输入时, 分支"①"有输出而分支"②"无输出. 可见, 它构成了"①"→"②"→"③"→"①"的单向环行流通, 而反向是不通的, 故称为环行器。

环形器结构
采用结型带线结构，双Y形中心导体置于两片旋磁铁氧体样品之间，组成样品结，在样品结周围各置三片磁石，使整个样品结产生一均匀恒定的磁场。隔离器、环行器端口由带线转为同轴线，通过正确的设计它，可使样品结和同轴线有良好的匹配，满足隔离器、环行器各种性能的要求，当在负载失配的情况下，反射能量将沿着蓝线所标的方向流到外接的吸收电阻上，能量被电阻所吸收。

端口构件
环行器为三端口器件，当端口1为输入，端口2为输出，则3端口为隔离端口，能量几乎不能穿过，以此类推，一般UHF读写器上用环行器为顺时针方向流通，当端口1为TX输出时，RF信号会从端口2而流过，而端口3即RX端口为隔离端，具体隔离度需参考器件参数和LAYOUT效果，相反，当端口2作为收发复用端接收信号时，信号会按顺时针进入端口3，此时泄露到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响着接收机灵敏度即实际识别效果，因此需根据接收端LNA参数，在RX端加衰减器对TX泄露信号进行有效隔离，但由此产生一个问题，因为RX接收的有用信号本身已经很少，在进行TX端泄露信号衰减的同时，RX端有用信号也被进一步削弱，因此也会影响到LNA的接收，因此，用环行器做收发隔离只能在一定程度上产生效果，对于TX输出功率给定且ERP不超过相关规定的情况下，要提高接收机灵敏度，必须考虑增大收发两路的隔离度，方法有很多，视具体需求而定。

环形器分类

微光学光纤

微光学光纤环行器，它利用了微光学原理制作而成。双折射晶体和45°法拉第旋转器安放在毛细管内的中部，毛细管的一端安放有保偏准直器，保偏准直器的一端与45°法拉第旋转器胶粘连接，保偏准直器的另一端胶粘有保偏光纤，毛细管的另一端安放有并行排放的第一准直器和第二准直器，第一准直器和第二准直器一端与双折射晶体一端胶粘连接，第一准直器的另一端胶粘有第一光纤，第二准直器的另一端胶粘有第二光纤。本实用新型结构简单、紧凑，温度性能稳定，可在-40℃～+85℃温度范围内工作。

电子环行器
电子环行器可实现耦合信号，峰值检波，电压比较。解决了环行器体积大成本高的问题，并且用发光二极管来指示电路是否对运放进行保护。测试结果表明：经过反复的测试和调试发现设计的电路基本成功代替了环行器起到了保护运放的作用。耦合器起到了耦合信号的作用，峰值检波起到了检波信号的作用，电压比较器起到了对输出电压信号的放大作用。

环形器应用
隔离器

当三端口环行器的一个端口在匹配的负载端接时，它可以用作隔离器，因为信号可以在其余端口之间仅在一个方向上行进。 [2] 隔离器用于屏蔽其输入侧的设备免受其输出侧的条件的影响; 例如，以防止微波源由失配的负载失谐。

环行器与隔离器基本理论

环行器与隔离器是一类微波铁氧体器件，通过铁氧体控制微波信号的传输。由于其具有非互易性，正向插损很小，而反向时则能量绝大部分被吸收。环行器和隔离器依靠磁场来完成非互易性的工作，但仅有磁场而没有微波铁氧体，微波信号的传输仍然可以互易。器件中的微波铁氧体决定了它的谐振频率。

双工器

在雷达中，循环器被用作一种类型的双工器，以将信号从发射机路由到天线以及从天线到接收机，而不允许信号直接从发射机到达接收机。双工器的替代类型是在将天线连接到发射器和接收器之间交替的发射 - 接收开关（TR开关）。

在下一代蜂窝通信中，人们倾向于全双工无线电，因为它可以以相同的频率同时发送和接收信号。考虑到当前有限的、拥挤的频谱资源，全双工可以直接地有益于无线通信两倍的数据输入输出速度。仍然使用“半双工”执行无线通信，在不同的时间帧发送或接收信号，如果在相同的频率（通常在雷达中），以不同的频率同时发送和接收信号（由称为双工器的一组滤波器实现）。

反射放大器

反射放大器是一种利用诸如隧道二极管和耿氏二极管的负微分电阻二极管的微波放大器电路。负差分电阻二极管可以放大信号，并且通常在微波频率下比两端口器件表现更好。然而，由于二极管是单端口（两端）器件，需要非互易分量来将输出放大信号与输入-输入信号分离。通过使用具有连接到一个端口的信号输入的3端口环行器，连接到第二个的偏置二极管，连接到第三个的输出负载，输出和输入可以被断开。