射頻環(huán)行器的工作原理及射頻環(huán)行器應(yīng)用

射頻或微波環(huán)行器或隔離器是通常具有三個(gè)，有時(shí)是四個(gè)端口的設(shè)備，它們用于射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要將電源從一個(gè)端口傳輸?shù)搅硪粋€(gè)端口，同時(shí)將電源與另一個(gè)端口隔離。

射頻環(huán)行器在許多射頻應(yīng)用中用作雙工器，允許同時(shí)進(jìn)行發(fā)射和接收功能，它們廣泛用于射頻設(shè)計(jì)應(yīng)用，包括雷達(dá)系統(tǒng)和各種專業(yè)無線電通信系統(tǒng)。

射頻循環(huán)器之所以得名，是因?yàn)樗鼈儗⒐β蕪囊粋€(gè)端口傳輸?shù)搅硪粋€(gè)端口，例如，從端口 1 進(jìn)入到端口 2 輸出，從端口 2 進(jìn)入到端口 3 進(jìn)行循環(huán)。

射頻環(huán)行器的工作原理

與射頻環(huán)行器的連接通常稱為端口，除此之外，它們通常編號為 1、2、3 等。

RF 循環(huán)器之所以得名，是因?yàn)樗粚⑦M(jìn)入一個(gè)端口的功率循環(huán)到下一個(gè)端口。施加到端口 1 的信號將傳遞到端口 2，輸入到端口 2 的信號將傳遞到端口 3，但不會返回到端口 1。端口 3 的輸入將傳遞到端口 1，但不會反向傳遞到端口 2。

理想的循環(huán)器會將所有功率從一個(gè)端口傳輸?shù)剿瓒丝?，而不會傳輸?shù)饺魏纹渌丝?。但?shí)際上，傳輸路徑中總是會有一些衰減，并且一些信號總是會泄漏到應(yīng)該隔離的端口上。這些設(shè)備的關(guān)鍵射頻電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是確保最佳傳輸和隔離發(fā)生。

環(huán)行器可能使用帶狀線印刷電路板技術(shù)（但通常使用損耗非常低的電介質(zhì)或 PCB 材料）并包含在帶有連接器或其他與外界連接的金屬盒內(nèi)——有些甚至使用表面貼裝技術(shù)。其他環(huán)行器可能基于波導(dǎo)，這些環(huán)行器可用于結(jié)合了波導(dǎo)技術(shù)的 RF 系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用。任何給定實(shí)例所需的接口類型和技術(shù)將取決于應(yīng)用的射頻電路設(shè)計(jì)。就其操作而言，大多數(shù)射頻環(huán)行器都基于鐵磁材料的使用。有兩種主要類型：

三端口環(huán)行器： 三端口“Y 型結(jié)”環(huán)行器基于消除在磁化材料附近通過兩條不同路徑傳播的波。波導(dǎo)環(huán)行器可以是任何一種類型，而基于帶狀線的更緊湊的設(shè)備是 3 端口類型。

四端口環(huán)行器： 基于在磁化材料中傳播的波的法拉第旋轉(zhuǎn)的四端口波導(dǎo)環(huán)行器。使用這項(xiàng)技術(shù)，他們能夠?qū)⑸漕l信號路由到四個(gè)端口。

射頻環(huán)行器電路符號

除了其他電子元件之外，RF 環(huán)行器有自己的電路符號，用于在電子電路圖或原理圖上表示它。

基本符號由圓圈和一個(gè)箭頭組成，表示功率循環(huán)的方向。通常端口按順時(shí)針順序圍繞圓圈顯示：端口 1，端口 2，最后是端口 3。

值得注意的是，每個(gè)端口，無論是同軸饋線還是波導(dǎo)，都顯示為單線而不是一對導(dǎo)體。

常用的射頻環(huán)行器形式之一是由位于印刷電路板或其他電介質(zhì)上的微帶或帶狀線傳輸線的 Y 形部分形成。端口相隔 120° 放置，因此它們圍繞一個(gè)圓等距分布。

然后將印刷電路板組件夾在兩塊鐵氧體之間，然后在其外面，將兩個(gè)強(qiáng)力磁鐵固定到位。

該組件在軸向上通過鐵氧體盤建立了一個(gè)強(qiáng)磁場，這將磁場集中在 Y 結(jié)周圍，稱為偏置。

當(dāng)信號施加到其中一個(gè)端口時(shí)，帶狀線中會產(chǎn)生電磁場，該電磁場與來自磁鐵的磁場相互作用，并且它們之間存在復(fù)雜的相互作用。這導(dǎo)致信號只能圍繞環(huán)行器傳輸?shù)较乱粋€(gè)端口。由 Y 結(jié)和鐵氧體盤組成的環(huán)行器組件具有明顯的諧振頻率 - 該組件實(shí)際上形成了一個(gè)諧振器。出于顯而易見的原因，環(huán)行器不是在這個(gè)頻率下工作，而是高于或低于該頻率，因?yàn)椴迦霌p耗，即衰減要低得多。

射頻環(huán)行器應(yīng)用

在各種射頻電路設(shè)計(jì)應(yīng)用中，射頻環(huán)行器有多種應(yīng)用。通常它們傾向于在微波頻率下使用，因此它們通常被稱為微波循環(huán)器。

雙工器： 射頻環(huán)行器最明顯和最常見的應(yīng)用之一是在雷達(dá)系統(tǒng)或無線電通信系統(tǒng)中，其中發(fā)射器和接收器使用公共天線。

例如，發(fā)射器輸出連接到端口 1，天線連接到端口 2，接收器連接到端口 3。因此，發(fā)射器功率將循環(huán)到天線，而不是接收器，并且天線接收到的信號將循環(huán)到接收器。 通過這種方式，接收器與發(fā)射器隔離，但天線有來自發(fā)射器的電源，并將接收到的信號傳遞到接收器，而無需任何機(jī)械切換。

射頻隔離器：射頻環(huán)行器可用作射頻隔離器。這些對于保護(hù)必須以高 VSWR 水平運(yùn)行的發(fā)射器輸出放大器非常有用。如果在這些情況下直接連接到天線，功率放大器可能會承受高電壓或電流電平，因此放大器可能會被它們損壞。通常發(fā)射器需要在很寬的帶寬上工作，在這些情況下，不可能在整個(gè)帶寬上保持良好的阻抗匹配，并且可能會看到 VSWR 的破壞性水平。為了克服這個(gè)問題，可以使用循環(huán)器來保護(hù) PA 免受反射功率的影響。

為此，發(fā)射器連接到端口 1，天線連接到端口 2。端口 3 通常連接到 50Ω 負(fù)載 - 這是必需的，因?yàn)楦綦x級別取決于在不同端口上呈現(xiàn)的良好阻抗匹配。如果出現(xiàn)匹配不良或開路，則隔離性能將受到損害。

傳輸?shù)墓β蕪亩丝?1 傳遞到端口 2 并傳輸?shù)教炀€。任何反射功率將沿饋線返回并從端口 2 傳遞到端口 3，在那里它可以在負(fù)載中消散。通過這種方式，RF 功率放大器將能夠以高饋線 VSWR 運(yùn)行，但受到充當(dāng) RF 隔離器的環(huán)行器的保護(hù)。

端口 3 上的負(fù)載需要提供匹配阻抗：隔離器需要在端口上匹配阻抗以保持與該端口的隔離水平。

隔離器的常見用途如圖 5 所示。隔離器連接在信號發(fā)生器和某個(gè)被測設(shè)備 （DUT） 之間。如果所有阻抗都匹配，則信號可以自由傳遞到 DUT。如果 DUT 不匹配或 DUT 斷開連接，則會產(chǎn)生高壓駐波比 （VSWR），從而導(dǎo)致較大的反射信號。循環(huán)器吸收該信號，保護(hù)通常昂貴的信號發(fā)生器。

射頻環(huán)行器和隔離器規(guī)格

了解射頻環(huán)行器的不同規(guī)格可以為特定的射頻電路設(shè)計(jì)或系統(tǒng)做出正確的決定。下面給出了適用于射頻環(huán)行器的一些關(guān)鍵規(guī)范的解釋：

頻率：RF 循環(huán)器的頻率范圍有限，在此范圍內(nèi)它們可以令人滿意地工作。頻率范圍受不應(yīng)耦合的端口和方向之間提供的隔離以及可以實(shí)現(xiàn)的插入損耗的限制。

通常，RF 循環(huán)器可以在大約 750MHz 到 20GHz 左右的頻率之間運(yùn)行，盡管可以進(jìn)行專門（且昂貴）的設(shè)計(jì)以在 100MHz 和 100GHz 之間的頻段上工作。

每個(gè)射頻環(huán)行器將能夠在一個(gè)小頻段上運(yùn)行?，F(xiàn)在市場上的一個(gè)例子可以在 3 - 6 GHz 上運(yùn)行，另一個(gè) 7.9 GHz 到 8.4 GHz，等等。自然還有許多其他示例，通常是為衛(wèi)星、雷達(dá)等的特定 RF 電路設(shè)計(jì)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。。

阻抗：與射頻功率傳輸中包含的所有饋線和其他電子元件一樣，需要指定特征阻抗。射頻環(huán)行器最流行的阻抗水平是 50Ω。

插入損耗：這是從一個(gè)端口到另一個(gè)端口（即正向）的入射信號的衰減（以 dB 為單位）。典型數(shù)字可能在 0.1 到 0.75 dB 的范圍內(nèi)。該數(shù)字將取決于實(shí)際環(huán)行器、其頻帶和其他因素。

通常，循環(huán)器的插入損耗/隔離器損耗隨頻率增加。在涉及高功率以保持傳輸功率的情況下，選擇損耗最低的環(huán)行器尤為重要——在較高功率下，環(huán)行器中的損耗會更大，因此，能夠處理所需功率的環(huán)行器至關(guān)重要。

隔離度：該數(shù)字是在反向流動方向上測得的衰減 n dB。它通常在大約 17 到 35 dB 之間。如果需要更高級別的隔離，則可以串聯(lián)放置兩個(gè) RF 環(huán)行器。

功率處理：RF 循環(huán)器的功率處理規(guī)范在使用高功率電平時(shí)尤為重要。由于布線和鐵磁材料只能處理一定的功率水平，因此不能超過這些水平很重要，否則性能可能會受到影響，或者組件可能會受到無法修復(fù)的損壞。功率電平通常以 dBm、dBw 或瓦特為單位進(jìn)行測量。

包裝類型：循環(huán)器有多種包裝可供選擇。通常，它們采用帶有連接器的制造商標(biāo)準(zhǔn)封裝，但也提供其他格式，包括：插入式、表面安裝技術(shù)等。

連接器：對于那些連接器的射頻環(huán)行器，連接器的類型很重要。兩種最流行的連接器類型是 SMA 和 N 型。SMA 非常適用于較低功率水平和空間有限的情況，而 N 型適用于較高功率水平。應(yīng)該記住，SMA 連接器本身可以處理令人驚訝的高功率水平。

VSWR：VSWR 或電壓駐波比表示與所需阻抗水平的匹配程度。通?？蓪?shí)現(xiàn)介于 1:1.2 和 1:1.5 之間的 VSWR 水平。

射頻環(huán)行器和隔離器廣泛用于許多微波和其他射頻電路設(shè)計(jì)應(yīng)用。從無線電通信設(shè)備到雷達(dá)，以及許多其他應(yīng)用。它們將功率從一個(gè)端口傳輸?shù)搅硪粋€(gè)特定端口這一事實(shí)僅使它們能夠用作雙工器，從而允許發(fā)射器和接收器同時(shí)在附近頻率上運(yùn)行，并使射頻功率放大器能夠在負(fù)載中運(yùn)行阻抗匹配不良。