Un circulador es un dispositivo pasivo , no recíproco de tres o cuatro puertos que solo permite que una señal de microondas o de radiofrecuencia salga a través del puerto directamente después del que ingresó. Los circuladores ópticos tienen un comportamiento similar. Los puertos son donde una guía de ondas externa o una línea de transmisión , como una línea de microbanda o un cable coaxial, se conecta al dispositivo. Para un circulador de tres puertos, una señal aplicada al puerto 1 solo sale del puerto 2; una señal aplicada al puerto 2 solo sale del puerto 3; una señal aplicada al puerto 3 solo sale del puerto 1, y así sucesivamente. Un circulador ideal de tres puertos tiene la siguiente matriz de dispersión :
Tipos
Dependiendo de los materiales involucrados, los circuladores se dividen en dos categorías principales: circuladores de ferrita y circuladores sin ferrita.
Ferrito
Los circuladores de ferrita son circuladores de radiofrecuencia que emplean materiales de ferrita de microondas magnetizados. Se dividen en dos clases principales: circuladores de desplazamiento de fase diferencial y circuladores de unión, los cuales se basan en la cancelación de ondas que se propagan por dos caminos diferentes en o cerca de material de ferrita magnetizado. Los circuladores de guía de ondas pueden ser de cualquier tipo, mientras que los dispositivos más compactos basados en líneas de banda suelen ser del tipo de unión. [1] [2] Se pueden combinar dos o más circuladores de unión en un solo componente para obtener cuatro o más puertos. Normalmente, los imanes permanentes producen una polarización magnética estática en el material de ferrita de microondas. El cristal granate ferrimagnético se utiliza en circuladores ópticos .
Aunque los circuladores de ferrita pueden proporcionar una buena circulación de señal "directa" al tiempo que suprimen en gran medida la circulación "inversa", sus principales defectos, especialmente a bajas frecuencias, son los tamaños voluminosos y los anchos de banda estrechos.
No ferrita
Los primeros trabajos sobre circuladores sin ferrita incluyen circuladores activos que utilizan transistores que son de naturaleza no recíproca. [3] A diferencia de los circuladores de ferrita que son dispositivos pasivos, los circuladores activos requieren energía. Los principales problemas asociados con los circuladores activos basados en transistores son la limitación de potencia y la degradación de la señal a ruido, [4] que son fundamentales cuando se utiliza como duplexor para mantener la potencia de transmisión fuerte y la recepción limpia de la señal de la antena. .
Los varactores ofrecen una solución. Un estudio empleó una estructura similar a una línea de transmisión variable en el tiempo con la no reciprocidad efectiva activada por una bomba portadora de propagación unidireccional. [5] Esto es como un circulador activo alimentado por CA. La investigación afirmó ser capaz de lograr una ganancia positiva y bajo nivel de ruido para la ruta de recepción y la no reciprocidad de banda ancha. Otro estudio utilizó resonancia con no reciprocidad desencadenada por la polarización del momento angular, que imita más de cerca la forma en que las señales circulan pasivamente en un circulador de ferrita. [6]
En 1964, Mohr presentó y demostró experimentalmente un circulador basado en líneas de transmisión e interruptores. [7] En abril de 2016, un equipo de investigación amplió significativamente este concepto, presentando un circulador de circuito integrado basado en conceptos de filtro de N-path. [8] [9] Ofrece el potencial para la comunicación full-duplex (transmitiendo y recibiendo al mismo tiempo con una sola antena compartida sobre una sola frecuencia). El dispositivo usa condensadores y un reloj y es mucho más pequeño que los dispositivos convencionales. [10]
Aplicaciones
Aislador
Cuando un puerto de un circulador de tres puertos se termina en una carga combinada, se puede usar como aislador , ya que una señal puede viajar en una sola dirección entre los puertos restantes. [11] Un aislador se utiliza para proteger el equipo en su lado de entrada de los efectos de las condiciones en su lado de salida; por ejemplo, para evitar que una fuente de microondas sea desafinada por una carga no coincidente.
Duplexor
En el radar , los circuladores se utilizan como un tipo de duplexor , para enrutar señales del transmisor a la antena y de la antena al receptor , sin permitir que las señales pasen directamente del transmisor al receptor. El tipo alternativo de duplexor es un conmutador de transmisión-recepción ( conmutador TR ) que alterna entre conectar la antena al transmisor y al receptor. El uso de pulsos chirridos y un rango dinámico alto puede llevar a una superposición temporal de los pulsos enviados y recibidos, sin embargo, se requiere un circulador para esta función.
En la comunicación celular de la generación futura , la gente habla de radios full-duplex, donde las señales pueden transmitirse y recibirse simultáneamente en la misma frecuencia. Dado el recurso de espectro saturado y limitado actualmente, el dúplex completo puede beneficiar directamente la comunicación inalámbrica al duplicar la velocidad de rendimiento de los datos. Actualmente, la comunicación inalámbrica todavía se realiza con "semidúplex", donde las señales se transmiten o reciben en diferentes marcos de tiempo, si son en la misma frecuencia (típicamente en el radar), o las señales se transmiten y reciben simultáneamente en diferentes frecuencias. (realizado por un conjunto de filtros llamado diplexor).
Amplificador de reflexión
Un amplificador de reflexión es un tipo de circuito amplificador de microondas que utiliza diodos de resistencia diferencial negativos como los diodos de túnel y los diodos de Gunn . Los diodos de resistencia diferencial negativa pueden amplificar señales y, a menudo, funcionan mejor en frecuencias de microondas que los dispositivos de dos puertos. Sin embargo, dado que el diodo es un dispositivo de un puerto (dos terminales), se necesita un componente no recíproco para separar la señal amplificada saliente de la señal de entrada entrante. Al usar un circulador de 3 puertos con la entrada de señal conectada a un puerto, el diodo polarizado conectado a un segundo y la carga de salida conectada al tercero, la salida y la entrada se pueden desacoplar.
Referencias
- ↑ Bosma, H. (1 de enero de 1964). "On Stripline Y-Circulation en UHF". Transacciones IEEE sobre teoría y técnicas de microondas . 12 (1): 61–72. Código bibliográfico : 1964ITMTT..12 ... 61B . doi : 10.1109 / TMTT.1964.1125753 . ISSN 0018-9480 .
- ^ Fay, CE; Comstock, RL (1 de enero de 1965). "Funcionamiento del circulador de unión de ferrita". Transacciones IEEE sobre teoría y técnicas de microondas . 13 (1): 15-27. Código Bibliográfico : 1965ITMTT..13 ... 15F . doi : 10.1109 / TMTT.1965.1125923 . ISSN 0018-9480 . S2CID 111367080 .
- ^ Tanaka, S .; Shimomura, N .; Ohtake, K. (1 de marzo de 1965). "Circuladores activos - La realización de circuladores mediante transistores". Actas del IEEE . 53 (3): 260–267. doi : 10.1109 / PROC.1965.3683 . ISSN 0018-9219 .
- ^ Carchon, G .; Nanwelaers, B. (1 de febrero de 2000). "Limitaciones de potencia y ruido de circuladores activos". Transacciones IEEE sobre teoría y técnicas de microondas . 48 (2): 316–319. Código Bibliográfico : 2000ITMTT..48..316C . doi : 10.1109 / 22.821785 . ISSN 0018-9480 .
- ^ Qin, Shihan; Xu, Qiang; Wang, YE (1 de octubre de 2014). "Componentes no recíprocos con condensadores modulados distribuidos". Transacciones IEEE sobre teoría y técnicas de microondas . 62 (10): 2260–2272. Código bibliográfico : 2014ITMTT..62.2260Q . doi : 10.1109 / TMTT.2014.2347935 . ISSN 0018-9480 .
- ^ Estep, NA; Sounas, DL; Alù, A. (1 de febrero de 2016). "Circuladores de microondas sin imanes basados en anillos de resonadores acoplados modulados espacio-temporal". Transacciones IEEE sobre teoría y técnicas de microondas . 64 (2): 502–518. doi : 10.1109 / TMTT.2015.2511737 . ISSN 0018-9480 .
- ^ Mohr, Richard (1964). "Un nuevo dispositivo de línea de transmisión no recíproca". Actas del IEEE . 52 (5): 612. doi : 10.1109 / PROC.1964.3007 .
- ^ "Nuevo chip de radio dúplex completo transmite y recibe señales inalámbricas a la vez" . IEEE Spectrum: Noticias de tecnología, ingeniería y ciencia . 2016-04-15 . Consultado el 22 de julio de 2016 .
- ^ Reiskarimian, Negar; Krishnaswamy, Harish (15 de abril de 2016). "No reciprocidad libre magnética basada en conmutación escalonada" . Comunicaciones de la naturaleza . 7 : 11217. Código Bibliográfico : 2016NatCo ... 711217R . doi : 10.1038 / ncomms11217 . PMC 4835534 . PMID 27079524 .
- ^ "Próximo gran futuro: el novedoso circulador miniaturizado abre el camino para duplicar la capacidad inalámbrica" . nextbigfuture.com . 18 de abril de 2016 . Consultado el 19 de abril de 2016 .
- ^ Para una descripción de un circulador, vea Jachowski (1976)
Otras lecturas
- Chait, HN; Curry, TR (1959), "Y-Circulator", Journal of Applied Physics , 30 (4): S152-S153, Bibcode : 1959JAP .... 30S.152C , doi : 10.1063 / 1.2185863
- US 3935549 , Jachowski, Ronald E., "Ferrite Circulator", expedido el 27 de enero de 1976
- Linkhart, D. (2014), Microondas Circulator Design (Segunda ed.), Artech House, ISBN 978-1608075836
- Ohm, EA (1956), "Un circulador de microondas de banda ancha", Transacciones IRE sobre teoría y técnicas de microondas , 4 (4): 210–217, Código bibliográfico : 1956ITMTT ... 4..210O , doi : 10.1109 / TMTT. 1956.1125064
- Wenzel, C. (julio de 1991), "El circulador / aislador de baja frecuencia no utiliza ferrita ni imán" (PDF) , Diseño de RF
enlaces externos
- Circuladores y aisladores
- Circuladores de RF que son, diferentes tipos, como funcionan, etc.