Fundamentos del RF / Circulador de microondas / Aislador

146
0
Compartir

Los circuladores de RF o microondas son típicamente dispositivos de tres puertos basados en materiales ferromagnéticos y que dirigen la energía de RF en un puerto a otro, aislándose de los demás.

 

Los circuladores o aisladores de RF o microondas son dispositivos que normalmente tienen tres y a veces cuatro puertos y se utilizan en dise√Īos de sistemas de RF que requieren que la energ√≠a de un puerto se transfiera a otro mientras a√≠slan la energ√≠a del otro.

Los circuladores de RF se utilizan en muchas aplicaciones de RF que act√ļan como d√ļplex, lo que permite que las funciones de transmisi√≥n y recepci√≥n ocurran simult√°neamente, se utilizan ampliamente en aplicaciones de dise√Īo de RF, incluidos sistemas de radar y una variedad de sistemas profesionales de comunicaciones por radio.

Los circuladores de RF reciben su nombre porque transfieren energía de un puerto a otro, circulándola de, digamos, entrando en el puerto uno a la salida en el puerto dos, y entrando en el puerto dos para salir en el puerto tres.

Circulador de microondas típico este es de Atlantic Microwave
Circulador de RF típico

Cómo funciona un circulador de RF

Las conexiones a los circuladores de RF normalmente se llaman puertos, y adem√°s de esto normalmente se numeran como 1, 2, 3, etc.

El circulador de RF gana su nombre porque hace circular la potencia entrando en un puerto solo al siguiente. Una se√Īal aplicada al puerto 1 se pasar√° al puerto 2: una entrada de se√Īal al puerto 2 pasar√° al puerto 3, pero no de vuelta al puerto 1. Una entrada al puerto 3 pasar√° al puerto 1, pero no a la inversa al puerto 2.

Concepto de un circulador de RF b√°sico utilizado para el dise√Īo de circuitos de RF de microondas
Concepto de circulador de RF

El circulador ideal transferir√° toda la potencia de un puerto al puerto requerido, y ninguno a ning√ļn otro. Sin embargo, en realidad, siempre hay cierta atenuaci√≥n en la ruta de transferencia, y alguna se√Īal siempre se filtra en los puertos que deben aislarse. El desaf√≠o clave del dise√Īo de circuitos de RF para estos dispositivos es garantizar que se produzca una transferencia y aislamiento √≥ptimos.

Los circuladores pueden utilizar tecnolog√≠a de placas de circuito impresos de l√≠nea de banda (pero normalmente utilizan materiales diel√©ctricos o PCB de muy baja p√©rdida) y estar contenidos en cajas met√°licas con conectores u otras conexiones con el mundo exterior – algunos incluso utilizan tecnolog√≠a de montaje en superficie. Otros circuladores pueden basarse dentro de gu√≠as de onda y estos se pueden utilizar en aplicaciones de dise√Īo de sistemas de RF que incorporan tecnolog√≠a de gu√≠a de onda. El tipo de interfaz y tecnolog√≠a que se necesitan para cualquier instancia dada depender√° del dise√Īo del circuito de RF para la aplicaci√≥n. En t√©rminos de su funcionamiento, la mayor√≠a de los circuladores de RF se basan en el uso de material ferromagn√©tico. Hay dos tipos principales:

  • Circuladores de tres puertos: circuladores de ¬ęuni√≥n en Y¬Ľ de 3 puertos basados en la cancelaci√≥n de ondas que se propagan sobre dos caminos diferentes cerca de un material magnetizado. Los circuladores de gu√≠a de onda pueden ser de cualquier tipo, mientras que los dispositivos m√°s compactos basados en la l√≠nea de tira son del tipo de 3 puertos.
  • Circuladores de cuatro puertos: Circuladores de gu√≠a de onda de 4 puertos basados en la rotaci√≥n de ondas Faraday que se propagan en un material magnetizado. Utilizando esta tecnolog√≠a, son capaces de enrutar las se√Īales de RF a cuatro puertos.

Símbolo del circuito del circulador de RF

Lie otros componentes electrónicos, el circulador de RF tiene su propio símbolo de circuito que se utiliza para representarlo en diagramas de circuitos electrónicos o esquemas.

El símbolo básico consiste en el círculo y una flecha que muestra la dirección en la que circula la energía. Normalmente los puertos se muestran en el sentido de las agujas del reloj alrededor del círculo: Puerto 1, Puerto 2 y finalmente Puerto 3.

Símbolo del circuito del circulador de RF
Símbolo de circuito para un circulador

Vale la pena se√Īalar que cada puerto, ya sea un alimentador coaxial o una gu√≠a de onda, se muestra como una sola l√≠nea en lugar de un par de conductores.

Circuladores de tecnología de franjas de 3 puertos

Una de las formas m√°s utilizadas de circulador de RF se forma a partir de una secci√≥n en forma de Y de l√≠nea de transmisi√≥n de microtira o l√≠nea de tira que est√° en una placa de circuito impreso u otro diel√©ctrico. Los puertos se colocan 120¬į de distancia para que est√©n equiespaciados alrededor de un c√≠rculo.

El formato de una placa de circuito impreso del circulador de RF en forma de Y
El formato de una placa de circuito impreso del circulador de RF en forma de Y

El conjunto de la placa de circuito impreso se intercala entre dos posteriores de ferrita y luego fuera de esto, se fijan dos imanes fuertes en su lugar.

El ensamblaje establece un fuerte campo magnético axialmente a través de los discos de ferrita y esto enfoca el campo magnético, llamado sesgo, alrededor de la unión Y.

Construcción general de un circulador de RF que muestra la sección transversal con los discos de ferrita e imanes
Sección transversal de la construcción general del circulador de RF

Cuando se aplica una se√Īal a uno de los puertos, se crea un campo electromagn√©tico en la l√≠nea de banda, que interact√ļa con el campo magn√©tico de los imanes y hay una interacci√≥n compleja entre ellos. Esto resulta en que la se√Īal solo pueda viajar al siguiente puerto alrededor del circulador. El conjunto del circulador que consiste en la uni√≥n Y y los discos de ferrita tiene una frecuencia resonante distinta – el conjunto en realidad forma un resonador. Por razones obvias, el circulador no se opera a esta frecuencia, sino por encima o por debajo de ella porque la p√©rdida de inserci√≥n, es decir, la atenuaci√≥n, es mucho menor.

Aplicaciones de circuladores de RF

Hay varias aplicaciones para circuladores de RF en una variedad de aplicaciones de dise√Īo de circuitos de RF. Normalmente tienden a usarse a frecuencias de microondas y, como resultado, a menudo se les conoce como circuladores de microondas.

  • Duplexor: Una de las aplicaciones m√°s obvias y comunes para un circulador de RF es dentro de los sistemas de radar o sistemas de radiocomunicaciones donde el transmisor y el receptor utilizan una antena com√ļn.
    Circulador de RF utilizado como d√ļplex para permitir transmitir y recibir en una sola antena
    Circulador de RF utilizado como d√ļplex

    Aqu√≠ la salida del transmisor est√° conectada, por ejemplo, al puerto 1, la antena al puerto 2 y el receptor al puerto 3. En consecuencia, la potencia del transmisor circular√° a la antena, pero no al receptor, y las se√Īales recibidas de la antena circular√°n al receptor. De esta manera, el receptor se a√≠sla del transmisor, pero la antena tiene energ√≠a del transmisor y pasa la se√Īal recibida al receptor sin ninguna conmutaci√≥n mec√°nica.

  • Aislador de RF: El circulador de RF se puede utilizar como aislador de RF. Estos son √ļtiles para proteger un amplificador de salida del transmisor que tiene que funcionar con un alto nivel de VSWR. Como el amplificador de potencia puede experimentar altos voltajes o niveles de corriente si se conecta directamente a la antena en estas circunstancias, es posible que el amplificador se da√Īe por ellos. A menudo los transmisores necesitan operar a trav√©s de un ancho de banda amplio y en estas circunstancias, es poco probable que se mantenga una buena coincidencia de impedancia en todo el ancho de banda y se pueden ver niveles da√Īinos de VSWR. Para superar este problema, se puede utilizar un circulador para proteger la AP de los efectos de la potencia reflejada.Para ello, el transmisor est√° conectado al puerto 1 y la antena al puerto 2. El puerto 3 normalmente est√° conectado a una carga de 50ő© – esto es necesario porque los niveles de aislamiento dependen de tener una buena coincidencia de impedancia presentada en los diferentes puertos. Si se presenta una coincidencia deficiente o un circuito abierto, el rendimiento del aislamiento se ver√° afectado.
    Circulador de RF utilizado como aislador - tenga en cuenta la resistencia en el puerto 3 para proporcionar una carga emparejada para que el puerto mantenga el nivel de aislamiento y disipe la potencia reflejada no deseada.
    Circulador de RF utilizado como aislador

    La energ√≠a transmitida se pasa del puerto 1 al puerto 2 y viaja a la antena. Cualquier potencia reflejada regresar√° a lo largo del alimentador y pasar√° del puerto 2 al puerto 3, donde se puede disipar en la carga. De esta manera, el amplificador de potencia de RF podr√° funcionar con un VSWR de alto alimentador, pero estando protegido por el circulador que act√ļa como aislador de RF.

    La carga en el puerto 3 es necesaria para proporcionar una impedancia coincidente: los aisladores necesitan impedancias coincidentes en los puertos e para mantener el nivel de aislamiento de ese puerto.

El uso com√ļn de un aislador se muestra en la Fig. 5. El aislador est√° conectado entre un generador de se√Īales y alg√ļn dispositivo bajo prueba (DUT). Si todas las impedancias coinciden, la se√Īal pasa libremente al DUT. Si hay un desajuste en el DUT o si el DUT est√° desconectado, crea una relaci√≥n de onda estacionaria de alto voltaje (VSWR), causando una gran se√Īal reflejada. El circulador absorbe esta se√Īal, protegiendo el generador de se√Īales generalmente caro.

Especificaciones del circulador y aislador de RF

Comprender las diferentes especificaciones de un circulador de RF permite tomar las decisiones correctas para un dise√Īo o sistema de circuito de RF espec√≠fico. A continuaci√≥n se dan explicaciones para algunas de las especificaciones clave apropiadas para los circuladores de RF:

  • Frecuencia: Los circuladores de RF tienen un rango de frecuencia limitado sobre el cual operan satisfactoriamente. El rango de frecuencias est√° limitado por el aislamiento proporcionado entre los puertos y direcciones que no deben acoplarse y la p√©rdida de inserci√≥n que se puede lograr.Por lo general, los circuladores de RF pueden operar entre frecuencias de aproximadamente 750 MHz hasta 20 GHz, aunque se pueden hacer dise√Īos especializados (y costosos) para trabajar en bandas entre 100 MHz y 100 GHz.

    Cada circulador de RF podr√° operar sobre una banda peque√Īa. Un ejemplo en el mercado ahora puede operar a trav√©s de 3 – 6 GHz, otro 7,9 GHz a 8,4 GHz, y as√≠ sucesivamente. Naturalmente, hay muchos otros ejemplos, a menudo dise√Īados para aplicaciones espec√≠ficas de dise√Īo de circuitos de RF para sat√©lites, radares, etc.

  • Impedancia: Como todos los alimentadores y otros componentes electr√≥nicos que se incluyen en la transferencia de potencia de RF, se necesita especificar una impedancia caracter√≠stica. El nivel de impedancia m√°s popular para los circuladores de RF es de 50ő©.
  • P√©rdida de inserci√≥n: Esta es la atenuaci√≥n medida en dB de la se√Īal de incidente de un puerto a otro, es decir, en la direcci√≥n hacia adelante. Las cifras t√≠picas podr√≠an estar en el rango de 0,1 a 0,75 dB. La cifra depender√° del circulador real, su banda de frecuencias y otros factores.Generalmente, la p√©rdida de inserci√≥n de una p√©rdida de circulador / aislador aumenta con la frecuencia. La selecci√≥n de un circulador con la menor p√©rdida ser√° particularmente importante cuando se trata de altas potencias para preservar la potencia transmitida – a potencias m√°s altas, habr√° m√°s p√©rdida en el circulador, y una que pueda manejar la potencia requerida es esencial como resultado.
  • Aislamiento: Esta figura es la atenuaci√≥n en la direcci√≥n de flujo inverso medida n dB. Por lo general, est√° entre 17 y 35 dB. Si se necesitan mayores niveles de aislamiento, entonces es posible colocar dos circuladores de RF en serie.
  • Manejo de potencia: La especificaci√≥n de manejo de potencia para circuladores de RF es particularmente importante cuando se utilizan altos niveles de potencia. Como el cableado y los materiales ferromagn√©ticos solo podr√°n manejar ciertos niveles de potencia, es importante que no se excedan de lo contrario el rendimiento podr√≠a sacrificarse o el componente podr√≠a da√Īarse irreparablemente. Los niveles de potencia se miden t√≠picamente en dBm, dBw o Watts.
  • Tipo de paquete: Los circuladores est√°n disponibles en una amplia variedad de paquetes. Normalmente vienen en paquetes est√°ndar del fabricante con conectores, aunque otros formatos como: Drop-In, tecnolog√≠a de montaje en superficie, etc. est√°n disponibles.
  • Conectores: Para aquellos circuladores de RF que est√°n conectados, el tipo de conector es importante. Dos de los tipos de conector m√°s populares son SMA y N-type. SMA es ideal para niveles de potencia m√°s bajos y donde el espacio es premium, y tipo N para niveles de potencia m√°s altos. Debe recordarse que los conectores SMA en s√≠ mismos pueden manejar niveles de potencia sorprendentemente altos.
  • VSWR: El VSWR o relaci√≥n de onda estacionaria de voltaje indica cu√°n buena es la coincidencia con el nivel de impedancia requerido. Los niveles de VSWR de entre 1:1.2 y 1:1.5 se alcanzan t√≠picamente.

 

Los circuladores y aisladores de RF son ampliamente utilizados en muchas aplicaciones de dise√Īo de circuitos de microondas y otros circuitos de RF. Todo, desde equipos de comunicaciones por radio hasta radar, y muchas otras aplicaciones. El hecho de que transfieran energ√≠a de un puerto a otro puerto espec√≠fico solo les permite ser utilizados como d√ļplex que permiten que un transmisor y un receptor funcionen al mismo tiempo en frecuencias cercanas, as√≠ como permitir que los amplificadores de potencia de RF funcionen en cargas que presentan una mala coincidencia de impedancia.

 

Deja una respuesta