Circulador

ANSI y IEC símbolo esquemático estándar para un circulador (con cada guía de onda o puerto de línea de transmisión dibujado como una sola línea, en lugar de como un par de conductores)

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 por el puerto directamente después del que entró. Los circuladores ópticos tienen un comportamiento similar. Los puertos son donde una guía de onda externa o una línea de transmisión, como una línea microstrip 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:

${displaystyle S={begin{pmatrix}0 tarde011 golpe0�}}$

Tipos

Un circulador de guía de onda utilizado como aislador colocando una carga igualada en el puerto 3. La etiqueta del imán permanente indica la dirección de la circulación.

Dependiendo de los materiales involucrados, los circuladores se dividen en dos categorías principales: circuladores de ferrita y circuladores sin ferrita.

Ferrita

Los circuladores de ferrita son circuladores de radiofrecuencia que emplean materiales de ferrita de microondas magnetizados. Se dividen en dos clases principales: circuladores de cambio de fase diferencial y circuladores de unión, los cuales se basan en la cancelación de ondas que se propagan en dos caminos diferentes en o cerca del material de ferrita magnetizado. Los circuladores de guía de ondas pueden ser de cualquier tipo, mientras que los dispositivos más compactos basados en la línea de banda suelen ser del tipo de unión. Se pueden combinar dos o más circuladores de unión en un solo componente para dar cuatro o más puertos. Normalmente, los imanes permanentes producen una polarización magnética estática en el material de ferrita de microondas. El cristal de granate ferrimagnético se utiliza en circuladores ópticos.

Los circuladores de línea de banda de tipo unión utilizan dos discos de ferrita por encima y por debajo de la línea de banda. Estas ferritas están magnetizadas circularmente en direcciones opuestas. Forman dos resonadores separados con el disco stripline entre ellos. La polarización magnética estática altera las permeabilidades efectivas en las ferritas superior e inferior. La ferrita cuya magnetización circular está en la misma dirección que la precesión de espín electrónico resultante, verá un aumento de permeabilidad. La ferrita que se magnetiza frente a la precesión de espín electrónico verá una disminución de la permeabilidad. Estas permeabilidades cambiantes dan como resultado cambios de frecuencia de resonancia de los dos resonadores mencionados anteriormente. La frecuencia de operación se establece entre las dos resonancias de modo que el ángulo de impedancia de ambos resonadores se establece en 30 grados (para una implementación de tres puertos). La ferrita con mayor permeabilidad tendrá una mayor frecuencia de resonancia y un componente de reactancia inductiva. La ferrita de menor permeabilidad tiene una menor resonancia y un componente de reactancia capacitiva. Estos tipos de circuladores funcionan en base a la rotación de Faraday. La cancelación de olas ocurre cuando las olas se propagan con y contra la dirección de circulación. Una ola incidente que llega a cualquier puerto se divide por igual en dos olas. Se propagan en cada dirección alrededor del circulador con diferentes velocidades de fase. Cuando llegan al puerto de salida, tienen diferentes relaciones de fase y, por lo tanto, se combinan en consecuencia. Esta combinación de ondas que se propagan a diferentes velocidades de fase es la forma en que funcionan fundamentalmente los circuladores de unión.

Aunque los circuladores de ferrita pueden proporcionar un buen "avance" circulación de la señal mientras se suprime en gran medida la "reversa" circulación, sus principales defectos, especialmente en bajas frecuencias, son los tamaños voluminosos y los anchos de banda estrechos.

Sin ferrita

Los primeros trabajos sobre circuladores sin ferrita incluyen circuladores activos que utilizan transistores que no son recíprocos por naturaleza. 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 señal a ruido, que son críticos cuando se utiliza como duplexor para mantener la fuerte potencia de transmisión 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. Esto es como un circulador activo alimentado por CA. La investigación afirmó ser capaz de lograr una ganancia positiva y un bajo ruido para la no reciprocidad de la ruta de recepción y la banda ancha. Otro estudio usó resonancia con no reciprocidad provocada por la polarización del momento angular, que imita más de cerca la forma en que las señales circulan pasivamente en un circulador de ferrita.

En 1964, Mohr presentó y demostró experimentalmente un circulador basado en líneas de transmisión e interruptores. En abril de 2016, un equipo de investigación amplió significativamente este concepto, presentando un circulador de circuito integrado basado en conceptos de filtro N-path. Ofrece el potencial de comunicación full-duplex (transmisión y recepción al mismo tiempo con una sola antena compartida en una sola frecuencia). El dispositivo utiliza condensadores y un reloj y es mucho más pequeño que los dispositivos convencionales.

Aplicaciones

Aislante

Cuando un puerto de un circulador de tres puertos termina en una carga combinada, se puede usar como un aislador, ya que una señal puede viajar en una sola dirección entre los puertos restantes. Se utiliza un aislador 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 las 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 (interruptor TR) que alterna entre conectar la antena al transmisor y al receptor. Sin embargo, el uso de pulsos chirp y un alto rango dinámico puede conducir a la superposición temporal de los pulsos enviados y recibidos, lo que requiere un circulador para esta función.

Se ha investigado intensamente la posibilidad de una red celular de generación futura que use dúplex completo, donde las señales se transmiten y reciben simultáneamente en la misma frecuencia. Debido al recurso de espectro limitado, el dúplex completo puede beneficiar directamente a la comunicación inalámbrica al proporcionar el doble de velocidad de transmisión de datos. A partir de 2020, la comunicación inalámbrica todavía se realiza con semidúplex, donde las señales se transmiten o reciben en diferentes marcos de tiempo a la misma frecuencia (típico del radar), o las señales se transmiten y reciben simultáneamente en diferentes frecuencias separadas por un diplexor Si bien la tecnología de RF dúplex completo ahora se ha investigado a fondo y podría implementarse, no se ha adoptado en ningún sistema celular importante debido a problemas de procesamiento de datos no relacionados con el propio sistema de RF.

Amplificador de reflexión

Amplificador de reflexión de diodo de microondas mediante un circulador

Un amplificador de reflexión es un tipo de circuito amplificador de microondas que utiliza diodos de resistencia diferencial negativa, como diodos de túnel y diodos Gunn. Los diodos de resistencia diferencial negativa pueden amplificar las 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.