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Ferritzirkulatoren

Antenne
Sender
Antenne
Empfänger

Bild 1: Arbeitsprinzip eines Ferritzirkulators

Antenne
Sender
Antenne
Empfänger

Bild 1: Arbeitsprinzip eines Ferritzirkulators

Ferritzirkulatoren

Ein Ferritzirkulator ist ein passives, nicht reziprokes Bauelement mit drei Anschlüssen, welches magnetisierte Ferritmaterialien verwendet, so dass ein hochfrequentes Signal nur durch den Anschluss austreten kann, der direkt auf den Eingang folgt.

Mit einem Permanentmagnet wird eine statische magnetische Vorspannung im Ferritmaterial erzeugt. Dadurch erhält das elektrische Signal je nach Ausbreitungsrichtung eine unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit. Wird am Anschluss 1 ein hochfrequentes Signal eingespeist, teilt sich dessen Energie zunächst in zwei gleiche Teile auf, die sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten. Durch die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit liegen am Anschluss 3 beide Signalhälften gegenphasig an, sie löschen sich also gegenseitig aus. Am Anschluss 2 sind beide Signalhälften gleichphasig, sie addieren sich also wieder zum vollständigen Signal.

Ein idealer Ferritzirkulator (verlustlos und mit unendlich großer Isolation) hat die Streumatrix:

(1)

Durch den symmetrischen Aufbau des Ferritzirkulators ist es möglich, durch die Wahl des Anschlusses immer eine definierte Wegrichtung zu bestimmen. Wenn an einem Anschluss sich eine Antenne befindet, wird immer die Sendeenergie zur Antenne geleitet, während die Echosignale immer den Weg zum Empfänger nehmen.

Bild 2: Streuparameter an einem dreitorigen Ferritzirkulator

Bild 2: Streuparameter an einem dreitorigen Ferritzirkulator

Die Isolierung eines Zirkulators ist die Eingangsdämpfung vom Ausgangstor zum Eingangstor, das heißt in umgekehrter Richtung. Bei dem Ferritzirkulator in Bild 1 gibt es bei Anschluss 1 als Eingangsanschluss zwei Ausgangsanschlüsse und somit zwei Isolationswerte, die der Rückflussdämpfung von Anschluss 3 zu Anschluss 2 und der Durchgangsdämpfung von Anschluss 2 zu Anschluss 1 entsprechen. Wenn es sich um einen idealen Zirkulator handeln würde und Anschluss 2 perfekt angepasst wäre, dann wäre die Isolierung unendlich. Wenn Anschluss 2 nicht perfekt angepasst ist, ist die Isolation von Anschluss 3 zu Anschluss 1 endlich. Die häufigste Ursache für eine begrenzte Isolation ist jedoch, dass der Zirkulator nicht perfekt angepasst ist, um eine breitbandigere Anwendung zu ermöglichen. In der Praxis werden Werte für die Isolation zwischen -20 und -30 dB erreicht. Ferritzirkulatoren werden in Radargeräten oft als Duplexer eingesetzt.

Ferritzirkulatoren können auch als Schutz vor Reflexionen eingesetzt werden und werden dann Isolatoren genannt. In diesem Fall wird an Anschluss 3 ein genügend dimensionierter Abschlusswiderstand angebracht, der die reflektierte Energie vom Anschluss 2 in Wärme umsetzt, während die gewünschte Signalflussrichtung vom Anschluss 1 nach Anschluss 2 einen ungehinderten Durchgang erhält.

Bild 4 zeigt einen zerlegten Ferritzirkulator für kleine Leistungen. Den größten Teil des Gesamtvolumens nehmen zwei massive Metallblöcke ein, die nur tragende Funktion haben. Die Leiterbahn in der Mitte ist aus Kupfer. Die Abmessungen sind so gewählt, dass zusammen mit der Oberfläche von den Metallblöcken eine Impedanz von 50 Ω bilden. Die beiden Ferritplättchen sind wie eine kleine Tablette geformt und in einer Keramikscheibe eingefasst. Mechanisch hält die ganze Konstruktion nur durch die HF-Buchsen (hier in N-Norm). Zusätzlich wird alles zusammen noch verklebt, damit eventuelle mechanische Vibrationen sich nicht auf die Funktion auswirken.

Bild 5 zeigt einen Ferritzirkulator des Funkhöhenmessers PRW-13. Das permanente Magnetfeld wird hier mit einem Elektromagneten erzeugt.

Bildergalerie Ferritzirkulator

Bild 3: Ferritzirkulator für 1030 MHz mit SMA-Anschlüssen

Bild 4: Explosiv-Diagramm eines Ferritzirkulators

Bild 5: Ferritzirkulator im Funkhöhenmesser PRW-13