Zirkulator

Ein Zirkulator ist ein passives Mikrowellen-Bauelement mit drei oder vier Toren, die so angeordnet sind, dass ein Signal, das in ein Tor eindringt, nur aus dem nächsten Tor in der Reihenfolge austritt und niemals zurückfließt. Wenn Tor 1 Tor 2 speist, dann speist Tor 2 Tor 3 und Tor 3 speist Tor 1, wodurch der Kreis geschlossen wird. Dies bricht die normale Regel passiver Bauelemente: In einem Zirkulator ist der Pfad von A nach B nicht derselbe wie der Pfad von B nach A. Die innere Struktur nutzt typischerweise magnetisiertes Ferrit-Material, um dieses Richtungsverhalten zu erzeugen, obwohl einige Ausführungen auf unterschiedliche Phasenverzögerungen durch gekoppelte Übertragungsleitungen setzen.

Drei-Tor-Zirkulatoren dominieren die praktische Anwendung. Ein Tor verbindet sich mit einem Sender, ein anderes mit einer Antenne und das dritte mit einem Empfänger oder einer Last. Die Sendeleistung fließt zur Antenne; reflektierte Leistung oder empfangene Signale gelangen zum Empfänger-Tor, ohne zurück zum Sender zu koppeln. Vier-Tor-Ausführungen existieren, sind aber in der Feldpraxis weniger verbreitet. Die Isolation zwischen den Toren liegt typischerweise bei 20 bis 30 Dezibel; die Einfügungsdämpfung durch den Hauptpfad beträgt üblicherweise 0,5 bis 1,5 Dezibel. Die Betriebsfrequenzbereiche reichen von niedrigen Mikrowellen (etwa 1 Gigahertz) bis zu Millimeterwellen-Bändern (über 30 Gigahertz), wobei jedes Bauelement auf ein enges Band abgestimmt ist.

Wo Zirkulatoren im System ihren Platz haben

Zirkulatoren kommen in Radarsystemen, Satellitenverbindungen im Uplinkbereich, Mobilfunk-Basisstationen und auf Testbänken zum Einsatz, überall dort, wo Sender und Empfänger eine Antenne oder ein Wellenleiter gemeinsam nutzen müssen, ohne dass das eine das andere überlagert. Sie schützen empfindliche Empfängereingänge vor Sender-Übersprechung. In praktischen Schaltungen wird das isolierte Tor oft mit einer angepassten Last abgeschlossen, um reflektierte Energie sauber zu absorbieren. Ferrit-Zirkulatoren benötigen einen Dauermagnet, was Gewicht und Kosten erhöht; sie funktionieren auch außerhalb ihres Auslegungsbands schlecht. Planare Zirkulatoren mit gedruckten Übertragungsleitungen vermeiden den Magnet, erfordern aber sorgfältiges Layout und engere Toleranzen.

Ausfallmechanismen konzentrieren sich auf Tor-Fehlanpassung, Temperaturdrift und Magnetabbau. Eine Last, die nicht zur charakteristischen Impedanz passt, erzeugt Reflexionen, die in falsche Tore einkoppeln und die Isolation aufheben. Temperaturschwankungen verschieben sowohl die magnetische Permeabilität als auch die Phasenverzögerungen, wodurch die Bandbreite sinkt und die Dämpfung steigt. Im Laufe der Zeit schwächen sich Permanentmagnete ab, was zu schlechteren Isolationswerten führt. Ferrit-Materialien können auch unter mechanischen Stößen oder thermischen Wechseln reißen.

Der Name fasst das wesentliche Verhalten zusammen: Signale zirkulieren nur in eine Richtung, wie Verkehr auf einer Einbahnstraße. Frühe Ausführungen wurden als Isolatoren bezeichnet, wenn nur ein Hauptpfad von Interesse war; Zirkulator ist der allgemeine Begriff für das Drei-Tor-Urmodell dieser Bauelemente. Militär- und Luft- und Raumfahrttechnik bleibt der größte Nutzer, aber kommerzielle Funktechnik und Testgeräte verbrauchen heute die meisten neu verkauften Einheiten.