Cirkulátorok alkalmazási kérdései DR. MARKÓ SZILÁRD Távközlési K u t a t ó Intézet
ÖSSZEFOGLALÁS A cirkulátorok a leggyakrabban és legsokoldalúbban használt passzív nonreciprok eszközök. Az alkalmazók azonban gyakran nincsenek teljes egészében birtokában a cirkulátorok tulajdonságainak haté kony felhasználásához szükséges ismereteknek. Ezért a cikk röviden áttekinti a cirkulátorok megvalósítási, kiviteli formáit, majd részlete sebben tárgyalja hálózatelméleti tulajdonságaikat, paramétereik közötti kapcsolatokat, lezárási, összekapcsolási kérdéseiket. Végül ezek jelentőségét egy áramköri példa: a cirkulátoros fázistoló (fázis modulátor) elemzésével illusztrálja.
I . Bevezetés
DR. MARKÓ SZILÁRD A BME Villamosmérnö ki Karán szerzett villa mosmérnöki oklevelet 1957-ben. 1978-ban nyer te el a műszaki tudomá nyok kandidátusa fokoza tot. 1980-ban Állami Díj jal tüntették ki. 1957 óta a Távközlési Kutató In tézetben dolgozik, jelenleg
tudományos főmérnöki beosztásban. Fő szakmai tevékenységét a giromágneses nonreciprok eszkö zök kutatás-fejlesztése te rületén fejtette ki. Tagja a HTE-nek, az Eötvös Lo ránd Fizikai Társulat nak, valamint a Nemzet közi Mikrohullámú Fer rit Konferencia Nemzet közi Rendezőbizottságá nak.
A cirkulátorok ma m á r széles k ö r ű e n ismert és alkal mazott passzív nonreciprok eszközök. A felhasználók azonban nem mindig vannak teljes egészében birto k á b a n azoknak az ismereteknek, amelyek a cirku látorok tulajdonságainak leghatékonyabb kihaszná lását teszik lehetővé. E z é r t nem t ű n i k haszonta lannak ezeknek a felhasználás szempontjából legfon tosabb tulajdonságoknak a rövid áttekintése, amely re a cikk vállalkozott. Á cirkulátorok sokoldalú felhasználási lehetőségeit illusztrálják az 1., 2., 3. és 4. ábrán bemutatott kap csolások. . .
H984 -2 2. ábra. Cirkulátoros adó-vevő váltó
H 984-1 1. ábra. Izolátor kialakítása cirkulátorral Az 1. ábrán a 3. k a p u j á n illesztetten lezárt cirku látor izolátorként m ű k ö d i k , a 2. kapun belépő ref l e k t á l t teljesítményt a 3. kapuban levő lezáró nye l i el. A 2. ábrán a cirkulátor az adó-vevő váltó szerepét betöltve biztosítja az egy a n t e n n á n t ö r t é n ő adás és vétel lehetőségét.
Beérkezett: 1984. V I . 14. ( A )
426
H984 -3 3. ábra. Reflexiós erősítő k i - és bemenetének szét választása Híradástechnika
XXXV.
évfolyam 1984. 9. szám
T
t H984-4
4. ábra. Cirkulátoros szűrőváltó
—
&
ÍH984-6!
6. ábra. Szalagtápvonalas cirkulátorok
A 3. ábrán az egykapus reflexiós (parametrikus, alagútdiódás stb.) erősítő k i - ós bemenő jeleit választ ja szét a cirkulátor. A 4. ábrán pedig egy cirkulátoros szűrőváltó el rendezés l á t h a t ó , amely a frekvencia multiplex rendszerek csatornáinak a szétválasztására szolgál. 2. A cirkulátorok megvalósítása, kiviteli íormái Az ideális cirkulátor egy olyan h á r o m - vagy t ö b b kapus veszteségmentes, passzív, lineáris, nonreciprok elem, amelynek valamelyik k a p u j á n belépő elektromágneses teljesítmény (jel) csak egy adott sorrend szerint r á k ö v e t k e z ő kapuban jelenik meg, i l l . halad k i csillapításmentesen. (A többi k a p u b á n a jel nem jelenik meg — a jel csillapítás végtelen — és a kapuk saját reflexiós tényezője zérus.) A definíció alapján az ideális cirkulátor szórás m á t r i x a : ( l - * 2 , 2->-3 stb. cirkulációs i r á n n y a l ) :
id. cirk.
0 1 0
0 0 1
0... 0... 0...
1 0 0
Ó Ó Ó...1 Ó
5. ábra. Csőtápvonalas cirkulátorok Híradástechnika
XXX V. évfolyam 1984. 9. szám
H95A-7: 7. ábra. Mikroszalag-tápvonalas cirkulátorok A megvalósítható, valóságos cirkulátorok eseté ben az ideális cirkulátor eltűnő elemei sem nullák, de sokkal kisebbek egynél, az l-es elemek pedig kiseb bek, de közel egyenlők eggyel. (A reflexiós- és zárócsillapítások nagyobbak 20...30 dB-nél, az áteresztő-csillapítások kisebbek 0,1...0,5 dB-nél.) K i m u t a t h a t ó [1], hogy passzív nonreciprok eszköz létrehozásához aszimmetrikus tenzorú közegjellem zővel (permittivitás, permeabilitás vagy vezetés) rendelkező anyag szükséges. Ahhoz, hogy az eszköz veszteségmentes legyen a komplex közegjellemző tenzornak hermitikusnak is kell lennie. (A tenzornak meg kell egyeznie a t r a n s z p o n á l t konjugáltjával). Ilyen közegjellemzőt — aszimmerikus permeabilitás tenzort — szolgáltat a ferritmágnes oxid a n y a g o k n á l (ferríteknél) polarizáló állandó mágneses t é r jelen létében fellépő giromágneses jelenség. A giromágneses közegek permeabilitás teuzora antimetrikus ós — a g i romágneses r e z o n a n c i á t ó l távol — közel hermitikus. í g y , közel v e s z t e s é g m e n t e s nonreciprok giromágne ses eszközöket — így c i r k u l á t o r o k a t is — lehet épí teni különféle működési elvek alapján és különböző (csőtápvonalas, szalag- és mikroszalagvonalas, k o n centrált paraméteres) kivitelben. A cirkulátorok közül a legelterjedtebbek a h á r o m , vagy t ö b b tápvonal-elágazásból k i a l a k í t o t t csomó-
427
(1) m á t r i x egyenlet utolsó h á r o m komponens-egyen lete ( a másodrendű kicsi tagokat elhanyagolva): $22$21 +
$32$31
;
(4)
$13$íl + $ 2 3 $ 2 l ' ÍO. $ 1 3 $ 1 2 + $33$32
;
A (3) egyenletek az abszolút értékekre a következő közel egyenlőséget adják.
(5)
22\
J
J
8. ábra. Konccntráltparamélcres cirkulátorok ponti cirkulátorok, mert a legegyszerűbb felépítéssel á l t a l á b a n a legjobb p a r a m é t e r e k e t tanúsítják. Az 5., 6., 7. és 8. ábrán sorra a csőtápvonalas., szalagtápvonalas, mikroszalagtápvonalas és koncent rált paraméteres csomóponti cirkulátorok fényképeit l á t h a t j u k . M a m á r az egyéb elvek (nonreciprok fázis tolás, Faraday forgatásos, mezőtorzításos) alapján m ű k ö d ő cirkulátorokat csak igen r i t k á n használják (pl. igen nagy teljesítmények esetében).
A (4) egyenletek m u t a t j á k , hogy a cirkulátor bár melyik k a p u j á n a k reflexiós tényezőjének abszolút értéke közel egyenlő a k é t másik kapu záró irányú szórásmátrix elemének abszolút értékével. T e h á t a h á r o m k a p u s cirkulátorok kapuinak állóhullámará nya és a záró irányú csillapítások nem függetlenek egymástól, hanem egymást kölcsönösen m e g h a t á rozzák. A kis veszteségű h á r o m k a p u s cirkulátorok álló h u l l á m a r á n y a és záró irányú csillapítása közti össze függést szemlélteti a 9. ábra. A (3) egyenletek a fázisokra is tartalmaznak k ö téseket. (S =)S |e ' i jelöléssel): _i
ij
3. A cirkulátorok hálózatelmélet i tulajdonságai
X
(1)
ahol a hullámos felülvonás a t r a n s z p o n á l t a t , a csillag a konjugáltat jelenti, az E pedig az egységmátrix 1 0 E = 0
0 1 0
0...0 0...0 1...0
Ó 0
0...1
Az (1) egyenlet a veszteségmentes hálózat szórás m á t r i x a elemeire kötéseket jelent, azaz az elemek nem függetlenek, egymástól. A t o v á b b i a k b a n csak a leggyakrabban h a s z n á l t h á r o m k a p u s cirkulátorok esetére szorítkozunk. (1)ből k ö n n y e n k i m u t a t h a t ó [1], hogy minden veszte ségmentes és illesztett (a reflexiós tényezők, a diagonálisban levő elemek eltűnnek) h á r o m k a p u szük ségképp egy ideális cirkulátor. A nem ideális h á r o m k a p u s cirkulátor ~$n
s= $31
szórásinátrixa amikor
$12
$13
$22
$23
$32
$33
=
7 1
(6)
-
(
n
A háromkapus cirkulátor egyik kapujának lezárása A cirkulátorok egyik legtipikusabb és leggyakoribb felhasználása, amikor valamelyik k a p u j á t (az 1. á b rán a 3. kaput) kis reflexiójú nyelővel zárják le, h'ogy fokozatok szétválasztása vagy illesztve lezá rása céljából izolátort hozzanak létre. Az így nyert eredő k é t k a p u s z ó r á s m á t r i x a :
FAHA
1,2 1,151 1,1 ' 1,05
( > 10 2
elemeire „ j ó " cirkulátor
20
25
30
35
•40
a dB Z(
esetében,
H984-9
$ul> IS 1» | S M | , | S | , | S | , |S |<S:1 A2
$ 2 l l > l$32l> l $ :
428
>1
ij
21 = 9532 - 9>31 ±
A veszteségmentes Af-kapuk szórásmátrixa unitér, azaz a m á t r i x t r a n s z p o n á l t j á n a k és konjugáltjának szorzata az egységmátrixot adja: S-S =E,
12l
3 1
•1,
2 S
12
(3)
9. ábra. A háromkapus cirkulátor záró irányú csilla pítása és állóhullámaránya közti összefüggés Híradástechnika
XXXV.
évfolyam 1984. 9. szám
*
c
c
, 13 J
l
D
re
°31
c re c
c , Sno_Z ^23* 'Sq °31 21^
,
D
-i
°32
(7)
_
a
c . °23 ^22 +
20
°32
x
D
D
ahol: Sjj elemek a cirkulátor szórásmátrix elemei, r a lezáró reflexiós tényezője,
D=i-rs
3 3
.
Ideális cikrulátor és lezáró ( P = 0 ) esetén 0 1
0 0
azaz ideális izolátort n y e r ü n k . J ó cirkulátor és kis \r\ esetén a m á s o d r e n d ű és kisebb tagokat elhanyagolva ^12 +
^13^32]
S
<8)
32
1H 984-101 10. ábra. A h á r o m k a p u s cirkulátor zárócsillapításának abszolút mérési bizonytalansága
E b b ő l l á t h a t j u k , hogy a lezáró reflexiós tényezője az izolátor záró irányú csillapítását (az eredő S -t) ront hatja. Pesszimális esetben a záró irányú csillapítás: 12
= 20 lg
(9)
( | S | é s | S | :1.) 13
3 2
E b b ő l l á t h a t ó , hogy nagyon fontos kis reflexiós t é nyezőjű lezáró alkalmazása, ha nagy záró irányú csil lapítást akarunk, illetve ha a cirkulátor záró irányú csillapítását meg akarjuk közelíteni, és m é g fontosabb a nagyon kis reflexiós tényezőjű lezáró hasz nálata, ha a cirkulátor záró irányú csillapításait (ül. az S _.S v S elemeket) akarjuk m é r n i : Az abszolút mérési bizonytalanságot 12s
23
H984 -11
31
11. ábra. Cirkulátoros fázistoló Z l a = a - a = 2 Ö lg - ^ - - 2 0 lg 2
z C
z i
J
= 2 0 lg
12l
s |+|r| u
|s |+|r| 12
ábrázoltuk példaképpen a reflexiós tényező abszolút értéke (vagy az állóhullámaránya) függvényében, a 10. á b r á n 30 dB-es záró csillapítású (|S | =0,0316) cirkulátor esetén. K é t h á r o m k a p u s cirkulátor egy-egy kapuja össze kapcsolásával négykapus cirkulátort, i l l . n cirkulátor összekapcsolásával n + 2 kapus cirkulátort n y e r ü n k . Az eredő cirkulátor paramétereit az összetevő cirku látorok paramétereiből m e g h a t á r o z h a t j u k [2]. 12
a,dB
H 98^-12 4. Cirkulátoros fázistoló (fázismodulátor) analízise Az eddigiek gyakorlati jelentőségét a cirkulátorral k i a l a k í t o t t fázistolók, i l l . fázismodulátorok elemzésével szeretnénk illusztrálni. A 11. ábrán l á t h a t ó elrende zésben a cirkulátor 2. kapuja egy olyan egykapuval van lezárva, amely r=\r\e~'^ reflexiós tényezőjének abszolút értéke közel egy (közel teljes reflexió), és Híradástechnika
XXXV.
évfolyam 1984. 9. szám
12. ábra. A cirkulátor által okozott amplitúdóváltozás amely fázisa,
° 3 1 — °32
, S -TS r-
32
21
(11)
429
A (13) egyenlet jobb oldali második tagja 95-től füg gő változást okoz a k i m e n ő jelnek mind az amplitúdó j á b a n , mind a fázisában. A kimenő jel maximális amplitúdó változása: z l a ^ 20 lg (1 + 2| S d B
31
| 2 ) ^ 17,41 S 3 1 | 2,
dB
(14)
A max. amplitúdóváltozást ábrázoltuk a 12. ábrán a cirkulátor záró irányú csillapítása függvényében. A kimenő jel fázistolása: 99^=
-arcISá^^^ +
a r c t g ^ I S g . l s i n (
(15)
ahol: (fi=(p-\-
1H984-13I 13. ábra. A cirkulátor által okozott fázisváltozás
(p
22
-)- konstans.
4 . (p +JI—y+(p 31
22
A fázistolásnak az ideális lineáristól való elté rését ábrázoltuk 15, 20 és 30 dB-es záró irányú csilla pítás esetén a
J ó cirkulátor [lásd (2) egyenletnél] és reflektor ( | r | ^ l ) esetén (S^ = |S^Je~i^i jelöléssel): S
—S e i* -
l+^eH(?3i-*)
+
|r||S |e-i<<)'+to) 22
(12) ahol: S —IS 11 ^ [ [ S 0
32
21
!>'
® =
Figyelembe véve a cirkulátor iculátor ppaarraam méétteerreekkeett és (6) első egyenlete szerinti összefüggést: iszefüggést: S ^ S e - i n i - j 2 | S | sin ^ 0
430
3 1
+
9 ? 2 2
)].
(13)
IRODALOM [11 Dr. Csurgay Árpád—Markó Szilárd: Mikrohul lámú passzív hálózatok. Tankönyvkiadó 1965. [2] Mikrohullámú Kézikönyv IV. fejezete. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1973. [3] Dr. Szilárd Markó: Influences of Circulator Parameters on Phase-Modulators. Proceedings of the 6th International Conference on Microwave Ferrites. Várna, 1982.
Híradástechnika
XXXV.
évfolyam 1984. 9. szám
