Невзаимное устройство
Большинство пассивных СВЧ-устройств взаимны: кабель, фильтр, делитель пропускают волну одинаково в обе стороны. Циркулятор и вентиль — исключение. Внутри них намагниченный феррит, в котором волна, идущая в одну сторону, ведёт себя иначе, чем волна, идущая в обратную. Из-за этого циркулятор направляет сигнал по кругу: из порта 1 в порт 2, из 2 в 3, из 3 обратно в 1.
Вентиль — это циркулятор, у которого третий порт закрыт согласованной нагрузкой. Сигнал проходит из порта 1 в порт 2, а всё, что возвращается в порт 2, уходит не назад, а в нагрузку и превращается в тепло. Получается «диод» для СВЧ: прямо проходит, обратно — нет.
Направление циркуляции задаёт полярность магнита: по часовой стрелке или против — в каталоге есть оба исполнения.
Что внутри
Классический коаксиальный циркулятор — Y-образное соединение трёх полосковых линий под углом 120°, зажатое между двумя ферритовыми дисками, над которыми стоит постоянный магнит. Без магнита такое соединение делило бы мощность поровну между двумя другими портами. Магнит закручивает поле в феррите, и волна, пришедшая из порта 1, складывается в фазе только на порту 2, а на порту 3 гасится.
Волноводные циркуляторы устроены так же, но вместо полосков — три волновода, сходящихся к ферритовому цилиндру или призме. Есть и фазовые циркуляторы высокой мощности: два волноводных моста и ферритовые фазовращатели между ними. Они выдерживают киловатты, потому что тепло распределяется по длинным ферритовым пластинам.
Зачем защищать усилитель
Выходной каскад передатчика не любит отражений. Если антенна рассогласована, часть мощности возвращается в усилитель, нагревает транзисторы и искажает сигнал. При обрыве кабеля отражается почти всё. Вентиль на выходе усилителя забирает отражённую волну в свою нагрузку. Для усилителя на 100 Вт:
| КСВН антенны | Отражённая мощность без вентиля, Вт | С развязкой 20 дБ, Вт | С развязкой 30 дБ, Вт |
|---|---|---|---|
| 1,5 | 4,0 | 0,04 | 0,004 |
| 2,0 | 11,1 | 0,11 | 0,011 |
| 3,0 | 25,0 | 0,25 | 0,025 |
Развязка 20 дБ уменьшает мощность, возвращающуюся в усилитель, в сто раз. Но вентиль должен сам выдержать отражённую мощность в своей нагрузке — в каталоге это отдельный параметр «обратная мощность». При обрыве антенны в нагрузку уходит почти вся мощность передатчика.
Вентиль не лечит антенну. Он защищает усилитель, но отражённая мощность всё равно теряется. Плохое согласование антенны нужно исправлять, а не прятать за вентилем.
Где ставят циркулятор
- Выход передатчика — вентиль или циркулятор с нагрузкой для защиты от отражений.
- Одна антенна на приём и передачу — циркулятор разводит их: передатчик на порт 1, антенна на 2, приёмник на 3.
- Отражательные усилители и измерения — циркулятор отделяет падающую волну от отражённой.
- Развязка генератора от нагрузки — чтобы изменение нагрузки не тянуло частоту.
- Сложение и развязка каскадов в мощных трактах радаров и базовых станций.
В схеме с общей антенной развязка циркулятора между передатчиком и приёмником — 18–25 дБ. Для мощного передатчика этого мало, поэтому в радарах за циркулятором всё равно ставят защитный ограничитель перед приёмником, а в связи — фильтры.
Циркулятор в радаре
Импульсный радар передаёт и принимает через одну антенну. Передатчик подключён к порту 1, антенна — к порту 2, приёмник — к порту 3. Во время импульса мощность уходит в антенну, а в приёмник просачивается только то, что пропускает развязка. Для передатчика в киловатт даже 25 дБ развязки означают около трёх ватт на входе приёмника — поэтому за циркулятором стоит ограничитель, который закрывается на время импульса. Между импульсами эхо-сигнал из антенны идёт через циркулятор в приёмник почти без потерь.
Циркулятор в измерениях
На стенде циркулятор отделяет отражённую волну от падающей: генератор на порт 1, испытуемое устройство на порт 2, детектор или анализатор спектра на порт 3. Так измеряют отражение мощных нагрузок и антенн, проверяют ограничители и испытывают устройства на стойкость к отражённой мощности. Точность ограничена развязкой: утечка 1 → 3 складывается с полезным отражением, как у направленного ответвителя.
Полоса и развязка
Главный компромисс ферритовых устройств — полоса против развязки и потерь. Узкополосные циркуляторы дают развязку 20–23 дБ и потери 0,3 дБ при мощности 200 Вт в полосе в несколько процентов. Широкополосные перекрывают октаву и больше, но развязка падает до 15–18 дБ. По моделям каталога:
Узкополосные и волноводные устройства сидят слева с высокой развязкой, широкополосные коаксиальные — справа.
Что указано в паспорте
| Параметр | Что значит | Типичные значения в каталоге |
|---|---|---|
| Вносимые потери | сколько теряется на пути 1 → 2 | 0,3–0,7 дБ |
| Развязка | насколько ослаблена волна 2 → 1 | 15–25 дБ |
| КСВН | согласование каждого порта | 1,2–1,45 |
| Прямая мощность | сколько проходит в рабочем направлении | от 50 Вт до 8 кВт |
| Обратная мощность | сколько выдержит нагрузка вентиля | от 10 Вт до сотен ватт |
| Направление | по часовой стрелке или против | оба исполнения |
| Рабочие температуры | где сохраняются характеристики | −30…+70 °C, у SMD −40…+85 °C |
Два вентиля подряд
Если развязки одного вентиля мало, ставят два последовательно: развязка складывается, 18 + 18 дБ дают около 36 дБ, а потери растут всего на несколько десятых. Такие сдвоенные вентили применяют перед чувствительными генераторами и в измерительных схемах, где отражение от нагрузки должно почти полностью исчезнуть.
Интермодуляция
Феррит — не совсем линейный материал. При больших мощностях в циркуляторе возникают продукты интермодуляции, как в плохом разъёме. В базовых станциях, где передатчик и приёмник работают через общий тракт, это важно: продукты третьего порядка могут попасть в полосу приёма. Для таких применений выбирают циркуляторы с нормированной интермодуляцией и проверяют тракт двумя тонами.
Исполнения
Коаксиальные
С разъёмами SMA, N или 7/16 — для подключения кабелями в стойке и на стенде. Мощность — от единиц ватт до киловатта у моделей с разъёмом 7/16 в диапазоне до 1 ГГц.
Встраиваемые (drop-in)
Корпус с выводами-полосками, которые припаивают прямо к плате усилителя. Меньше размер, нет разъёмов и лишних потерь на переходах. Это стандарт для модулей усилителей мощности. Корпус прижимают винтами к теплоотводу — через него уходит и тепло нагрузки, и земля. Выводы паяют без перегрева: высокая температура может размагнитить магнит и сдвинуть характеристики.
Для поверхностного монтажа
Миниатюрные циркуляторы и вентили диаметром около 12 мм ставят на плату автоматом вместе с остальными компонентами. Мощность — десятки ватт, полоса — сотни мегагерц.
Волноводные
Для сантиметрового и миллиметрового диапазонов, до 112 ГГц. Волноводные исполнения высокой мощности работают с киловаттами непрерывной мощности — до 8 кВт на сечении WR187 — и применяются в радарах и промышленных СВЧ-установках.
Для узкополосных задач на 200 Вт в каталоге есть отдельные циркуляторы и вентили под конкретные диапазоны связи — например, 1,805–1,88 ГГц и 1,8–2,2 ГГц — с потерями 0,3–0,4 дБ и развязкой 20–23 дБ. Их ставят на выходе усилителей базовых станций и ретрансляторов, где полоса известна заранее.
Температура и магнит
Свойства феррита зависят от температуры: при нагреве смещается рабочая полоса и падает развязка. Поэтому в паспорте указан диапазон рабочих температур, а для мощных устройств — условия охлаждения. Сильное внешнее магнитное поле или крепёж из магнитной стали рядом с циркулятором могут изменить его характеристики: такие устройства ставят на расстоянии от магнитов, трансформаторов и друг от друга.
Типичные ошибки
- Выбирают вентиль по прямой мощности и забывают про обратную — нагрузка сгорает при обрыве антенны.
- Ставят широкополосный циркулятор в разделение приёма и передачи и удивляются утечке передатчика.
- Крепят циркулятор стальными винтами к стальной плите — магнитное поле смещается, падает развязка.
- Путают направление циркуляции при разводке платы — сигнал уходит в нагрузку.
- Не отводят тепло от мощного вентиля: нагрузка греется так же, как передатчик на обрыве.
- Ставят два циркулятора вплотную друг к другу — их магнитные поля мешают друг другу.
Как выбрать циркулятор или вентиль
- Задача: защита усилителя — вентиль; разделение приёма и передачи — циркулятор.
- Полоса: узкая — выше развязка и меньше потери; широкая — октава, но развязка 15–18 дБ.
- Развязка и потери в рабочей полосе.
- Прямая мощность и отдельно обратная — сколько выдержит нагрузка вентиля при обрыве антенны.
- Исполнение: коаксиальное, встраиваемое, SMD или волноводное.
- Направление циркуляции: по часовой стрелке или против — под трассировку платы.
- Рабочие температуры и охлаждение.
- Для базовых станций — нормированная интермодуляция.
Модели KADAMM
Все циркуляторы и вентили — в разделе ферритовых устройств KADAMM.
| Частоты | 20 МГц – 40 ГГц |
| Моделей | 29 |
| Частоты | 20 МГц – 40 ГГц |
| Моделей | 37 |
| Частоты | 20 МГц – 18 ГГц |
| Моделей | 24 |
| Частоты | 1,13 – 112 ГГц |
| Моделей | 22 |