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射频微波环形器隔离器基础

  射频或微波环行器或隔离器是通常具有三个,有时是四个端口的设备,它们用于射频系统设计,需要将电源从一个端口传输到另一个端口,同时将电源与另一个端口隔离。

  射频环行器在许多射频应用中用作双工器,允许同时进行发射和接收功能,它们广泛用于射频设计应用,包括雷达系统和各种专业无线电通信系统。

  射频循环器之所以得名,是因为它们将功率从一个端口传输到另一个端口,例如,从端口 1 进入到端口 2 输出,从端口 2 进入到端口 3 进行循环。

  与射频环行器的连接通常称为端口,除此之外,它们通常编号为 1、2、3 等。

  RF 循环器之所以得名,是因为它只将进入一个端口的功率循环到下一个端口。施加到端口 1 的信号将传递到端口 2:输入到端口 2 的信号将传递到端口 3,但不会返回到端口 1。端口 3 的输入将传递到端口 1,但不会反向传递到端口 2 .

  理想的循环器会将所有功率从一个端口传输到所需端口,而不会传输到任何其他端口。但实际上,传输路径中总是会有一些衰减,并且一些信号总是会泄漏到应该隔离的端口上。这些设备的关键射频电路设计挑战是确保最佳传输和隔离发生。

  环行器可能使用带状线印刷电路板技术(但通常使用损耗非常低的电介质或 PCB 材料)并包含在带有连接器或其他与外界连接的金属盒内——有些甚至使用表面贴装技术。其他环行器可能基于波导,这些环行器可用于结合了波导技术的 RF 系统设计应用。任何给定实例所需的接口类型和技术将取决于应用的射频电路设计。就其操作而言,大多数射频环行器都基于铁磁材料的使用。有两种主要类型:

  三端口环行器: 三端口“Y 型结”环行器基于消除在磁化材料附近通过两条不同路径传播的波。波导环行器可以是任何一种类型,而基于带状线 端口类型。

  四端口环行器: 基于在磁化材料中传播的波的法拉第旋转的四端口波导环行器。使用这项技术,他们能够将射频信号路由到四个端口。

  除了其他电子元件之外,RF 环行器有自己的电路符号,用于在电子电路图或原理图上表示它。

  基本符号由圆圈和一个箭头组成,表示功率循环的方向。通常端口按顺时针顺序围绕圆圈显示:端口 1,端口 2,最后是端口 3。

  值得注意的是,每个端口,无论是同轴馈线还是波导,都显示为单线而不是一对导体。

  常用的射频环行器形式之一是由位于印刷电路板或其他电介质上的微带或带状线传输线的 Y 形部分形成。端口相隔 120° 放置,因此它们围绕一个圆等距分布。

  然后将印刷电路板组件夹在两块铁氧体之间,然后在其外面,将两个强力磁铁固定到位。

  该组件在轴向上通过铁氧体盘建立了一个强磁场,这将磁场集中在 Y 结周围,称为偏置。

  当信号施加到其中一个端口时,带状线中会产生电磁场,该电磁场与来自磁铁的磁场相互作用,并且它们之间存在复杂的相互作用。这导致信号只能围绕环行器传输到下一个端口。由 Y 结和铁氧体盘组成的环行器组件具有明显的谐振频率 - 该组件实际上形成了一个谐振器。出于显而易见的原因,环行器不是在这个频率下工作,而是高于或低于该频率,因为插入损耗,即衰减要低得多。

  在各种射频电路设计应用中,射频环行器有多种应用。通常它们倾向于在微波频率下使用,因此它们通常被称为微波循环器。

  双工器: 射频环行器最明显和最常见的应用之一是在雷达系统或无线电通信系统中,其中发射器和接收器使用公共天线。

  例如,发射器输出连接到端口 1,天线。因此,发射器功率将循环到天线,而不是接收器,并且天线接收到的信号将循环到接收器. 通过这种方式,接收器与发射器隔离,但天线有来自发射器的电源,并将接收到的信号传递到接收器,而无需任何机械切换。

  射频隔离器: 射频环行器可用作射频隔离器。这些对于保护必须以高 VSWR 水平运行的发射器输出放大器非常有用。如果在这些情况下直接连接到天线,功率放大器可能会承受高电压或电流电平,因此放大器可能会被它们损坏。通常发射器需要在很宽的带宽上工作,在这些情况下,不可能在整个带宽上保持良好的阻抗匹配,并且可能会看到 VSWR 的破坏性水平。为了克服这个问题,可以使用循环器来保护 PA 免受反射功率的影响。

  为此,发射器连接到端口 1,天线Ω 负载 - 这是必需的,因为隔离级别取决于在不同端口上呈现的良好阻抗匹配。如果出现匹配不良或开路,则隔离性能将受到损害。

  传输的功率从端口 1 传递到端口 2 并传输到天线。任何反射功率将沿馈线,在那里它可以在负载中消散。通过这种方式,RF 功率放大器将能够以高馈线 VSWR 运行,但受到充当 RF 隔离器的环行器的保护。

  端口 3 上的负载需要提供匹配阻抗:隔离器需要在端口上匹配阻抗以保持与该端口的隔离水平。

  隔离器的常见用途如图 5 所示。隔离器连接在信号发生器和某个被测设备 (DUT) 之间。如果所有阻抗都匹配,则信号可以自由传递到 DUT。如果 DUT 不匹配或 DUT 断开连接,则会产生高压驻波比 (VSWR),从而导致较大的反射信号。循环器吸收该信号,保护通常昂贵的信号发生器。

  了解射频环行器的不同规格可以为特定的射频电路设计或系统做出正确的决定。下面给出了适用于射频环行器的一些关键规范的解释:

  频率: RF 循环器的频率范围有限,在此范围内它们可以令人满意地工作。频率范围受不应耦合的端口和方向之间提供的隔离以及可以实现的插入损耗的限制。

  通常,RF 循环器可以在大约 750MHz 到 20GHz 左右的频率之间运行,尽管可以进行专门(且昂贵)的设计以在 100MHz 和 100GHz 之间的频段上工作。

  每个射频环行器将能够在一个小频段上运行。现在市场上的一个例子可以在 3 - 6 GHz 上运行,另一个 7.9 GHz 到 8.4 GHz,等等。自然还有许多其他示例,通常是为卫星、雷达等的特定 RF 电路设计应用而设计的。.

  阻抗: 与射频功率传输中包含的所有馈线和其他电子元件一样,需要指定特征阻抗。射频环行器最流行的阻抗水平是 50Ω。

  插入损耗: 这是从一个端口到另一个端口(即正向)的入射信号的衰减(以 dB 为单位)。典型数字可能在 0.1 到 0.75 dB 的范围内。该数字将取决于实际环行器、其频带和其他因素。

  通常,循环器的插入损耗/隔离器损耗随频率增加。在涉及高功率以保持传输功率的情况下,选择损耗最低的环行器尤为重要——在较高功率下,环行器中的损耗会更大,因此,能够处理所需功率的环行器至关重要。

  隔离度: 该数字是在反向流动方向上测得的衰减 n dB。它通常在大约 17 到 35 dB 之间。如果需要更高级别的隔离,则可以串联放置两个 RF 环行器。

  功率处理: RF 循环器的功率处理规范在使用高功率电平时尤为重要。由于布线和铁磁材料只能处理一定的功率水平,因此不能超过这些水平很重要,否则性能可能会受到影响,或者组件可能会受到无法修复的损坏。功率电平通常以 dBm、dBw 或瓦特为单位进行测量。

  包装类型: 循环器有多种包装可供选择。通常,它们采用带有连接器的制造商标准封装,但也提供其他格式,包括:插入式、表面安装技术等。

  连接器: 对于那些连接器的射频环行器,连接器的类型很重要。两种最流行的连接器类型是 SMA 和 N 型。SMA 非常适用于较低功率水平和空间有限的情况,而 N 型适用于较高功率水平。应该记住,SMA 连接器本身可以处理令人惊讶的高功率水平。

  VSWR: VSWR 或电压驻波比表示与所需阻抗水平的匹配程度。通常可实现介于 1:1.2 和 1:1.5 之间的 VSWR 水平。

  射频环行器和隔离器广泛用于许多微波和其他射频电路设计应用。从无线电通信设备到雷达,以及许多其他应用。它们将功率从一个端口传输到另一个特定端口这一事实仅使它们能够用作双工器,从而允许发射器和接收器同时在附近频率上运行,并使射频功率放大器能够在负载中运行阻抗匹配不良。

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