11.13: Componentes de ferrita - Circuladores y Aisladores

Los circuladores y aisladores son dispositivos no recíprocos que enrutan preferentemente las señales de microondas. El elemento esencial es un disco (disco) de ferrita que cuando se magnetiza soporta una dirección preferida de propagación debido al efecto giromagnético.

11.8.1 Efecto giromagnético

Un electrón tiene una propiedad mecánica cuántica llamada espín (no hay un electrón giratorio) creando un momento magnético\(m\), ver Figura\(\PageIndex{1}\) (a). En la mayoría de los materiales el espín electrónico ocurre en pares con el momento magnético de un electrón cancelado por el momento magnético dirigido opositivamente de otro electrón. Sin embargo, en algunos materiales el giro no ocurre en pares y hay un momento magnético neto.

Una propiedad de microondas muy interesante ocurre cuando un material magnético es polarizado por un campo magnético de CC que resulta en el efecto giromagnético. Esto afecta la forma en que se propaga un campo de RF y esto es descrito por una permeabilidad de nueve elementos llamada tensor. La permeabilidad de un material magnético polarizado magnéticamente es:

\[\label{eq:1}\left[\mu\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mu_{xx}}&{\mu_{xy}}&{\mu_{xz}}\\{\mu_{yx}}&{\mu_{yy}}&{\mu_{yz}}\\{\mu_{zx}}&{\mu_{zy}}&{\mu_{zz}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mu_{0}}&{0}&{0}\\{0}&{\mu}&{\jmath\kappa}\\{0}&{-\jmath\kappa}&{\mu}\end{array}\right] \]

Es decir,

\[\label{eq:2}\left[\begin{array}{c}{B_{x}}\\{B_{y}}\\{B_{z}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mu_{0}}&{0}&{0}\\{0}&{\mu}&{\jmath\kappa}\\{0}&{-\jmath\kappa}&{\mu}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{H_{x}}\\{H_{y}}\\{H_{z}}\end{array}\right] \]

Así, un\(H\) campo\(z\) -dirigido produce un\(B\) campo\(y\) -dirigido. El efecto sobre la propagación de un campo EM se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (b). La onda EM no viaja en línea recta y en cambio se curva, en este caso, hacia la derecha. Así, las ondas que viajan hacia adelante y hacia atrás divergen entre sí y la propagación no es recíproca. Esto separa las olas que viajan hacia adelante y hacia atrás.

11.8.2 Circulador

Un circulador explota el efecto giromagnético. Haciendo referencia al esquema de un circulador mostrado en la Figura\(\PageIndex{2}\) (a), donde las flechas indican que la señal que ingresa a Puerto\(1\) del circulador sale del circulador en Puerto\(2\) y no en Puerto\(3\). Del mismo modo, la energía que ingresa en\(2\) el Puerto se encamina a Puerto\(3\), y

Figura\(\PageIndex{1}\): Momentos magnéticos: (a) espín electrónico; y (b) impacto del efecto giromagnético sobre la propagación de ondas EM en un material magnético con un campo de polarización magnético aplicado externamente.

Figura\(\PageIndex{2}\): Componentes de ferrita con un disco de ferrita magnetizado en el centro en (b) y (c).

el poder que ingresa en\(3\) el Puerto se encamina a Puerto\(1\). En términos de\(S\) parámetros, un circulador ideal tiene la matriz de dispersión

\[\label{eq:3}\mathbf{S}=\left[\begin{array}{ccc}{0}&{0}&{S_{13}}\\{S_{21}}&{0}&{0}\\{0}&{S_{32}}&{0}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{0}&{0}&{1}\\{1}&{0}&{0}\\{0}&{1}&{0}\end{array}\right] \]

En la Figura\(\PageIndex{2}\) (b) se muestra un circulador de microcinta, donde se puede colocar un disco de ferrita magnetizada en la parte superior de una unión Y de microcinta para realizar una dirección preferencial de propagación de los campos EM. En ausencia del campo magnético de polarización, no se produce la función de circulación.

11.8.3 Aislamiento del circulador

El aislamiento de un circulador es la pérdida de inserción de lo que es el puerto de salida al puerto de entrada, es decir, en la dirección inversa. Haciendo referencia al circulador en la Figura\(\PageIndex{2}\) (a), si puerto\(1\) es el puerto de entrada hay dos puertos de salida y así hay dos aislamientos iguales a la pérdida de retorno de puerto\(3\) a puerto\(2\), y de puerto\(2\) a puerto\(1\). El menor de estos es el aislamiento citado. Si este es un circulador ideal y el puerto\(2\) está perfectamente emparejado, entonces el aislamiento sería infinito. Entonces los\(S\) parámetros del circulador son

\[\label{eq:4}\mathbf{S}=\left[\begin{array}{ccc}{\Gamma}&{\alpha}&{T}\\{T}&{\Gamma}&{\alpha}\\{\alpha}&{T}&{\Gamma}\end{array}\right]\approx\left[\begin{array}{ccc}{0}&{0}&{1}\\{1}&{0}&{0}\\{0}&{1}&{0}\end{array}\right] \]

donde\(T\) está el factor de transmisión,\(\Gamma\) es el coeficiente de reflexión en los puertos, y\(\alpha\) es la fuga.

11.8.4 Aislador

Los aisladores son dispositivos que permiten el flujo de energía en una sola dirección. Las figuras\(\PageIndex{2}\) (c) y\(\PageIndex{3}\) muestran aisladores de microcinta basados en circuladores de tres puertos. El puerto de entrada de energía\(1\) como una onda viajera se transfiere a la ferrita y emerge en el puerto\(2\). Prácticamente nada de la energía emerge en Puerto\(3\). Una señal de onda viajera aplicada en Port\(2\) aparece en Port\(3\), donde es absorbida en una terminación creada por material resistivo colocado en la parte superior de la microcinta. El material resistivo forma una línea de transmisión con pérdidas y no se refleja ninguna potencia. Así, la potencia puede viajar de Puerto\(1\) a Puerto\(2\), pero no en sentido inverso.

Figura\(\PageIndex{3}\): Un aislador de microcinta que opera desde\(29\) hasta\(31.5\text{ GHz}\). Aislador en (b) tiene las dimensiones\(5\text{ mm}\times 6\text{ mm}\) y es\(6\text{ mm}\) alto. El aislador soporta\(2\text{ W}\) de potencia directa e inversa con un aislamiento\(18\text{ dB}\) y pérdida de inserción de\(1\text{ dB}\). Serie Renaissance 2W9, copyright Renaissance Electronics Corporation, utilizada con permiso.

Figura\(\PageIndex{4}\): Conversión de frecuencia usando un mezclador.