今天我們一起來學習一下環形器/隔離器的知識。

射頻或微波環行器或隔離器是通常具有三個，有時是四個端口的設備，它們用于射頻系統設計，需要將電源從一個端口傳輸到另一個端口，同時將電源與另一個端口隔離。

射頻環行器在許多射頻應用中用作雙工器，允許同時進行發射和接收功能，它們廣泛用于射頻設計應用，包括雷達系統和各種專業無線電通信系統。

射頻循環器之所以得名，是因為它們將功率從一個端口傳輸到另一個端口，例如，從端口 1 進入到端口 2 輸出，從端口 2 進入到端口 3 進行循環。

射頻環行器的工作原理

與射頻環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 循環器之所以得名，是因為它只將進入一個端口的功率循環到下一個端口。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 .

理想的循環器會將所有功率從一個端口傳輸到所需端口，而不會傳輸到任何其他端口。但實際上，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該隔離的端口上。這些設備的關鍵射頻電路設計挑戰是確保最佳傳輸和隔離發生。

環行器可能使用帶狀線印刷電路板技術（但通常使用損耗非常低的電介質或 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——有些甚至使用表面貼裝技術。其他環行器可能基于波導，這些環行器可用于結合了波導技術的 RF 系統設計應用。任何給定實例所需的接口類型和技術將取決于應用的射頻電路設計。就其操作而言，大多數射頻環行器都基于鐵磁材料的使用。有兩種主要類型：

三端口環行器： 三端口“Y 型結”環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。波導環行器可以是任何一種類型，而基于帶狀線的更緊湊的設備是 3 端口類型。

四端口環行器： 基于在磁化材料中傳播的波的法拉第旋轉的四端口波導環行器。使用這項技術，他們能夠將射頻信號路由到四個端口。

射頻環行器電路符號

除了其他電子元件之外，RF 環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箭頭組成，表示功率循環的方向。通常端口按順時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，每個端口，無論是同軸饋線還是波導，都顯示為單線而不是一對導體。

常用的射頻環行器形式之一是由位于印刷電路板或其他電介質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，將兩個強力磁鐵固定到位。

該組件在軸向上通過鐵氧體盤建立了一個強磁場，這將磁場集中在 Y 結周圍，稱為偏置。

當信號施加到其中一個端口時，帶狀線中會產生電磁場，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雜的相互作用。這導致信號只能圍繞環行器傳輸到下一個端口。由 Y 結和鐵氧體盤組成的環行器組件具有明顯的諧振頻率 - 該組件實際上形成了一個諧振器。出于顯而易見的原因，環行器不是在這個頻率下工作，而是高于或低于該頻率，因為插入損耗，即衰減要低得多。

射頻環行器應用

在各種射頻電路設計應用中，射頻環行器有多種應用。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器。

雙工器： 射頻環行器最明顯和最常見的應用之一是在雷達系統或無線電通信系統中，其中發射器和接收器使用公共天線。

例如，發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，發射器功率將循環到天線，而不是接收器，并且天線接收到的信號將循環到接收器. 通過這種方式，接收器與發射器隔離，但天線有來自發射器的電源，并將接收到的信號傳遞到接收器，而無需任何機械切換。

射頻隔離器： 射頻環行器可用作射頻隔離器。這些對于保護必須以高 VSWR 水平運行的發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。為了克服這個問題，可以使用循環器來保護 PA 免受反射功率的影響。

為此，發射器連接到端口 1，天線連接到端口 2。端口 3 通常連接到 50Ω 負載 - 這是必需的，因為隔離級別取決于在不同端口上呈現的良好阻抗匹配。如果出現匹配不良或開路，則隔離性能將受到損害。

傳輸的功率從端口 1 傳遞到端口 2 并傳輸到天線。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 運行，但受到充當 RF 隔離器的環行器的保護。

端口 3 上的負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生器和某個被測設備 (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，則會產生高壓駐波比 (VSWR)，從而導致較大的反射信號。循環器吸收該信號，保護通常昂貴的信號發生器。

射頻環行器和隔離器規格

了解射頻環行器的不同規格可以為特定的射頻電路設計或系統做出正確的決定。下面給出了適用于射頻環行器的一些關鍵規范的解釋：

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

通常，RF 循環器可以在大約 750MHz 到 20GHz 左右的頻率之間運行，盡管可以進行專門（且昂貴）的設計以在 100MHz 和 100GHz 之間的頻段上工作。

每個射頻環行器將能夠在一個小頻段上運行。現在市場上的一個例子可以在 3 - 6 GHz 上運行，另一個 7.9 GHz 到 8.4 GHz，等等。自然還有許多其他示例，通常是為衛星、雷達等的特定 RF 電路設計應用而設計的。.

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。射頻環行器最流行的阻抗水平是 50Ω。

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

通常，循環器的插入損耗/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，選擇損耗最低的環行器尤為重要——在較高功率下，環行器中的損耗會更大，因此，能夠處理所需功率的環行器至關重要。

隔離度： 該數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，則可以串聯放置兩個 RF 環行器。

功率處理： RF 循環器的功率處理規范在使用高功率電平時尤為重要。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的損壞。功率電平通常以 dBm、dBw 或瓦特為單位進行測量。

包裝類型： 循環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準封裝，但也提供其他格式，包括：插入式、表面安裝技術等。

連接器： 對于那些連接器的射頻環行器，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。通常可實現介于 1:1.2 和 1:1.5 之間的 VSWR 水平。

射頻環行器和隔離器廣泛用于許多微波和其他射頻電路設計應用。從無線電通信設備到雷達，以及許多其他應用。它們將功率從一個端口傳輸到另一個特定端口這一事實僅使它們能夠用作雙工器，從而允許發射器和接收器同時在附近頻率上運行，并使射頻功率放大器能夠在負載中運行阻抗匹配不良。

審核編輯：劉清