Zirkulator

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Ein Zirkulator ist ein Bauelement bzw. eine Schaltung der Hoch- und Höchstfrequenztechnik mit drei oder mehr Anschlüssen (Ports).

Ein Signal, das in einen der Ports eingespeist wird, wird zum jeweils nächsten Port weitergegeben. An einem offenen Port wird es unverändert weitergeleitet, an einem kurzgeschlossenen Port wird das Vorzeichen der Signalspannung umgekehrt. Ist der Anschluss impedanzrichtig abgeschlossen, so wird das Signal nicht an den nächsten Port weitergeleitet. Die Signale werden quasi 'im Kreis' weitergeleitet, daher der Name Zirkulator.

Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten, Zirkulatoren zu realisieren:

1. Zirkulator als aktive elektronische Schaltung
2. Zirkulator als Bauteil der Hochfrequenztechnik

Inhaltsverzeichnis 1 Aktiver Zirkulator 1.1 Funktionsweise 1.2 Aufbau mit Stromquellen 1.3 Anwendung 2 Passiver Zirkulator 2.1 Elektrische Eigenschaften 2.2 Funktionsprinzip 2.3 Sonderformen 2.4 Anwendung

[Bearbeiten] Aktiver Zirkulator

In der Elektronik besteht ein Zirkulator aus mehreren gleich aufgebauten Stufen mit einem Operationsverstärker mit je einem Port. An einem Port der nicht beschalten ist, wird das Eingangs-Signal einer Stufe unverändert and den Ausgang weitergeleitet. Bei einem auf Masse gelegten Port wird die Spannung des Signals invertiert. Wird am Port ein Widerstand R mit dem Betrag R = R_g gegen Masse angeschlossen, liegt die Spannung des Signals an R an und das Signal wird nicht an den nächsten Anschluss weitergeleitet.

[Bearbeiten] Funktionsweise

Im Weiteren wird die Funktion der in der Abbildung gezeigte 3-Port Zirkulator näher beschrieben. Da die Ausgänge der einzelnen Stufen an die Eingänge der nachfolgenden Stufen angeschlossen ist gilt dadurch:

U_a1 = U_e2

U_a2 = U_e3

U_a3 = U_e1

Wenn man am Anschluss 1 die Spannung U₁ gegen Masse anlegt, am Anschluss 2 den Widerstand R = R_g gegen Masse anschließt und am Anschluss 3 offen lässt, kann die Funktionsweise gezeigt werden. Die Ausgangsspannung U_a2 des Operationsverstärkers N₂ wird dabei Null. Die Stufe des Operationsverstärkers N₃ weist eine Verstärkung von 1 auf, da der Anschluss nicht beschalten ist, wodurch U_a3 = U_e3 = U_a2 ist. Die Verstärkerstufe N₁ arbeitet als Elektrometerverstärker mit der Verstärkung 2, was bedeutet, dass die Ausgangsspannung U_a1 einen Betrag von 2·U₁ aufweist. Am Anschluss 2 fällt auf dem Widerstand R die Hälfte der Ausgangsspannung U_a1 ab, was dem Betrag von U₁ entspricht.

Für die Berechnung von Zwischenwerten dieser Extreme wird die Knotenregel auf die N- und P-Eingänge der Operationsverstärker angewendet. Daraus ergeben sich die folgenden Gleichungen:

Stufe	P-Eingänge	N-Eingänge
N1
N2
N3

[Bearbeiten] Aufbau mit Stromquellen

Aus den oben gezeigten Gleichungen erhält man durch Elimination der Ein- und Ausgangsspannungen die folgenden Gleichungen:

Aus diesen Gleichungen wird ersichtlich, dass die Ströme von den Spannungen abhängig sind. Ein Zirkulator kann folglich auch aus spannungsgesteuerten Stromquellen mit Differenzeingang aufgebaut werden. Diese baut man vor allem aus CC-Operationsverstärkern, die für diesen Zweck besonders geeignet sind. In der Abbildung wird der Aufbau einer spannungsgesteuerten Stromquelle dargestellt. Der Strom I_a am Ausgang ist durch die Gleichung

gegeben. Die Eingangsspannung U_e kann hierbei mit Hilfe eines analogen Subtrahierers erzeugt werden.

[Bearbeiten] Anwendung

Ein Beispiel für aktive Zirkulatoren ist eine Telefon-Gabelschaltung. Diese besteht aus einem Zirkulator mit drei Ports, die mit dem Zirkulatorwiderstand R_g (welcher abhängig vom verwendeten Leitertyp gewählt wird) abgeschlossen wird. Das vom Mikrofon stammende Signal wird dabei zur Vermittlungsstelle geleitet, gelangt jedoch nicht in den Lautsprecher (Höhrer). Umgekehrt wird das von der Vermittlungsstelle kommende Signal auf den Lautsprecher übertragen, gelangt jedoch nicht in das Mikrofon. Die Übersprechdämpfung wird hierbei hauptsächlich von der Paarungstoleranz der Abschlusswiderstände bestimmt.

[Bearbeiten] Passiver Zirkulator

Im passiven Zirkulator befindet sich eine ringförmige Leiterschleife, umgeben von einem ferromagnetischen Material. Darum angeordnet befindet sich ein Dauermagnet, der das Ferrit vormagnetisiert. Mechanisch sind Zirkulatoren als flache, ca. 3-5 cm große runde oder rechteckige Bauteile, ausgeführt, welche meist in HF-dichte Gehäuse mit Koaxbuchsen eingebaut werden. Weitere Bauformen stellen Miniatur-Zirkulatoren zum Einbau in gedruckte Schaltungen oder Hohlleiter-Bauelemente für sehr hohe Frequenzen und Leistungen dar.

[Bearbeiten] Elektrische Eigenschaften

Die Durchgangsdämpfung von passiven HF-Zirkulatoren ist meist deutlich unter 1 dB, während die Dämpfung in Rückwärtsrichtung – eine korrekte Anpassung vorausgesetzt – über 20 dB liegt. Die gewünschte Funktion ist frequenzabhängig, d.h. ein Zirkulator kann nur innerhalb des angegebenen Frequenzbereichs verwendet werden. Die Bandbreite ist jedoch relativ hoch (z.B. 10%). Je nach Ausführung können 1 bis 100 Watt – oder noch mehr – Leistung im HF-Bereich übertragen werden.

[Bearbeiten] Funktionsprinzip

Ferritzirkulatoren werden in Radargeräten oft als Duplexer eingesetzt. Ihre Funktion besteht darin, dass sich die Energie am Eingang (Port 1) zunächst in zwei gleiche Teile trennt, die aber durch das Ferrit eine unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit erhalten. Am Port 3 liegen beide Signalhälften gegenphasig an, sie löschen sich also gegenseitig aus. Am Port 2 sind beide Signalhälften gleichphasig, sie addieren sich also wieder zum vollständigen Signal. Durch den symetrischen Aufbau des Ferritzirkulators ist es möglich, durch die Wahl des Anschlusses immer eine definierte Wegrichtung zu bestimmen. Wenn an dem Port 3 sich eine Antenne befindet, wird immer die Sendeenergie vom Port 2 zur Antenne geleitet, während die Echosignale immer den Weg zum Empfänger am Port 1 finden!

Das Verhalten eines Zirkulators ist nichtreziprok, d.h. die Übertragung von Port 1 nach Port 2 entspricht nicht der Übertragung in umgekehrter Richtung. Dies wird durch Einsatz von Materialien erreicht (Ferrit im magnetischen Gleichfeld), deren Permeabilität von der Feldrichtung abhängig ist. Das Verhalten des Ferrits ist anisotrop und kann als schiefsymmetrischer Tensor (Polder–Tensor) beschrieben werden. Eine Rolle spielt der Elektronenspin und die Präzession der Atome innerhalb des Ferrits bei angelegtem magnetischen Feld.

[Bearbeiten] Sonderformen

Ist an einem der drei Ports ein Abschlusswiderstand (Dummy) fest angeschlossen, so können Signale an den verbleibenden zwei Ports nur in einer Richtung weitergegeben werden. In der anderen Richtung werden die Signale stark gedämpft. Auf Grund dieser Eigenschaft wird diese Ausführung Isolator genannt. Anwendung: Zur Unterdrückung von reflektierten Wellen in der Antennenleitung von Funksendern oder Mikrowellen. Bei diesen würde eine fehlende oder falsch angeschlossene Antenne zu einer ungünstigen Fehlanpassung des Senders führen.

Weiters gibt es auch optische Zirkulatoren, welche Lichtsignale in Fasern im Kreis leiten. Die Gegenrichtung wird im gleichen "Drehsinn" weitergeleitet. Optische Zirkulatoren werden in WDM-Systemen, Faserverstärkern oder in der OTDR-Messtechnik eingesetzt, um etwa das Übersprechen zu minimieren.

[Bearbeiten] Anwendung

In der Funktechnik und Radartechnik, z.B. um ein von der Antenne kommendes Signal von Port 1 an einen Empfänger an Port 2 weiterzugeben. Gleichzeitig kann das Signal eines Senders am Port 3 zur Antenne (Port 1) gelangen. Das Sendesignal (Port3) kann jedoch nicht rückwärts zum Empfänger kommen (Port 2 ). Voraussetzung für einwandfreie Funktion ist ein korrekter Abschluss aller drei Ports.