Fundamentos del RF / Circulador de microondas / Aislador

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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 diseños de sistemas de RF que requieren que la energía de un puerto se transfiera a otro mientras aíslan la energía del otro.

Los circuladores de RF se utilizan en muchas aplicaciones de RF que actúan como dúplex, lo que permite que las funciones de transmisión y recepción ocurran simultáneamente, se utilizan ampliamente en aplicaciones de diseño 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 además 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 señal aplicada al puerto 1 se pasará al puerto 2: una entrada de señal al puerto 2 pasará al puerto 3, pero no de vuelta al puerto 1. Una entrada al puerto 3 pasará al puerto 1, pero no a la inversa al puerto 2.

Concepto de un circulador de RF básico utilizado para el diseño de circuitos de RF de microondas
Concepto de circulador de RF

El circulador ideal transferirá toda la potencia de un puerto al puerto requerido, y ninguno a ningún otro. Sin embargo, en realidad, siempre hay cierta atenuación en la ruta de transferencia, y alguna señal siempre se filtra en los puertos que deben aislarse. El desafío clave del diseño de circuitos de RF para estos dispositivos es garantizar que se produzca una transferencia y aislamiento óptimos.

Los circuladores pueden utilizar tecnología de placas de circuito impresos de línea de banda (pero normalmente utilizan materiales dieléctricos o PCB de muy baja pérdida) y estar contenidos en cajas metálicas con conectores u otras conexiones con el mundo exterior – algunos incluso utilizan tecnología de montaje en superficie. Otros circuladores pueden basarse dentro de guías de onda y estos se pueden utilizar en aplicaciones de diseño de sistemas de RF que incorporan tecnología de guía de onda. El tipo de interfaz y tecnología que se necesitan para cualquier instancia dada dependerá del diseño del circuito de RF para la aplicación. En términos de su funcionamiento, la mayoría de los circuladores de RF se basan en el uso de material ferromagnético. Hay dos tipos principales:

  • Circuladores de tres puertos: circuladores de «unión en Y» de 3 puertos basados en la cancelación de ondas que se propagan sobre dos caminos diferentes cerca de un material magnetizado. Los circuladores de guía de onda pueden ser de cualquier tipo, mientras que los dispositivos más compactos basados en la línea de tira son del tipo de 3 puertos.
  • Circuladores de cuatro puertos: Circuladores de guía de onda de 4 puertos basados en la rotación de ondas Faraday que se propagan en un material magnetizado. Utilizando esta tecnología, son capaces de enrutar las señales 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 señalar que cada puerto, ya sea un alimentador coaxial o una guía de onda, se muestra como una sola línea en lugar de un par de conductores.

Circuladores de tecnología de franjas de 3 puertos

Una de las formas más utilizadas de circulador de RF se forma a partir de una sección en forma de Y de línea de transmisión de microtira o línea de tira que está en una placa de circuito impreso u otro dieléctrico. Los puertos se colocan 120° de distancia para que estén equiespaciados alrededor de un círculo.

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 señal a uno de los puertos, se crea un campo electromagnético en la línea de banda, que interactúa con el campo magnético de los imanes y hay una interacción compleja entre ellos. Esto resulta en que la señal solo pueda viajar al siguiente puerto alrededor del circulador. El conjunto del circulador que consiste en la unión 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 pérdida de inserción, es decir, la atenuación, es mucho menor.

Aplicaciones de circuladores de RF

Hay varias aplicaciones para circuladores de RF en una variedad de aplicaciones de diseño 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 más 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 común.
    Circulador de RF utilizado como dúplex para permitir transmitir y recibir en una sola antena
    Circulador de RF utilizado como dúplex

    Aquí la salida del transmisor está conectada, por ejemplo, al puerto 1, la antena al puerto 2 y el receptor al puerto 3. En consecuencia, la potencia del transmisor circulará a la antena, pero no al receptor, y las señales recibidas de la antena circularán al receptor. De esta manera, el receptor se aísla del transmisor, pero la antena tiene energía del transmisor y pasa la señal recibida al receptor sin ninguna conmutación mecánica.

  • Aislador de RF: El circulador de RF se puede utilizar como aislador de RF. Estos son útiles 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 dañe por ellos. A menudo los transmisores necesitan operar a través 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 dañinos 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 está conectado al puerto 1 y la antena al puerto 2. El puerto 3 normalmente está conectado a una carga de 50Ω – 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 verá 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 energía transmitida se pasa del puerto 1 al puerto 2 y viaja a la antena. Cualquier potencia reflejada regresará a lo largo del alimentador y pasará del puerto 2 al puerto 3, donde se puede disipar en la carga. De esta manera, el amplificador de potencia de RF podrá funcionar con un VSWR de alto alimentador, pero estando protegido por el circulador que actúa 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 común de un aislador se muestra en la Fig. 5. El aislador está conectado entre un generador de señales y algún dispositivo bajo prueba (DUT). Si todas las impedancias coinciden, la señal pasa libremente al DUT. Si hay un desajuste en el DUT o si el DUT está desconectado, crea una relación de onda estacionaria de alto voltaje (VSWR), causando una gran señal reflejada. El circulador absorbe esta señal, protegiendo el generador de señales 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 diseño o sistema de circuito de RF específico. A continuación 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 está limitado por el aislamiento proporcionado entre los puertos y direcciones que no deben acoplarse y la pérdida de inserción 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 diseños especializados (y costosos) para trabajar en bandas entre 100 MHz y 100 GHz.

    Cada circulador de RF podrá operar sobre una banda pequeña. Un ejemplo en el mercado ahora puede operar a través de 3 – 6 GHz, otro 7,9 GHz a 8,4 GHz, y así sucesivamente. Naturalmente, hay muchos otros ejemplos, a menudo diseñados para aplicaciones específicas de diseño de circuitos de RF para satélites, radares, etc.

  • Impedancia: Como todos los alimentadores y otros componentes electrónicos que se incluyen en la transferencia de potencia de RF, se necesita especificar una impedancia característica. El nivel de impedancia más popular para los circuladores de RF es de 50Ω.
  • Pérdida de inserción: Esta es la atenuación medida en dB de la señal de incidente de un puerto a otro, es decir, en la dirección hacia adelante. Las cifras típicas podrían estar en el rango de 0,1 a 0,75 dB. La cifra dependerá del circulador real, su banda de frecuencias y otros factores.Generalmente, la pérdida de inserción de una pérdida de circulador / aislador aumenta con la frecuencia. La selección de un circulador con la menor pérdida será particularmente importante cuando se trata de altas potencias para preservar la potencia transmitida – a potencias más altas, habrá más pérdida en el circulador, y una que pueda manejar la potencia requerida es esencial como resultado.
  • Aislamiento: Esta figura es la atenuación en la dirección de flujo inverso medida n dB. Por lo general, está 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 especificación de manejo de potencia para circuladores de RF es particularmente importante cuando se utilizan altos niveles de potencia. Como el cableado y los materiales ferromagnéticos solo podrán manejar ciertos niveles de potencia, es importante que no se excedan de lo contrario el rendimiento podría sacrificarse o el componente podría dañarse irreparablemente. Los niveles de potencia se miden típicamente en dBm, dBw o Watts.
  • Tipo de paquete: Los circuladores están disponibles en una amplia variedad de paquetes. Normalmente vienen en paquetes estándar del fabricante con conectores, aunque otros formatos como: Drop-In, tecnología de montaje en superficie, etc. están disponibles.
  • Conectores: Para aquellos circuladores de RF que están conectados, el tipo de conector es importante. Dos de los tipos de conector más populares son SMA y N-type. SMA es ideal para niveles de potencia más bajos y donde el espacio es premium, y tipo N para niveles de potencia más altos. Debe recordarse que los conectores SMA en sí mismos pueden manejar niveles de potencia sorprendentemente altos.
  • VSWR: El VSWR o relación de onda estacionaria de voltaje indica cuán 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 típicamente.

 

Los circuladores y aisladores de RF son ampliamente utilizados en muchas aplicaciones de diseño 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 energía de un puerto a otro puerto específico solo les permite ser utilizados como dúplex que permiten que un transmisor y un receptor funcionen al mismo tiempo en frecuencias cercanas, así como permitir que los amplificadores de potencia de RF funcionen en cargas que presentan una mala coincidencia de impedancia.

 

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