Zirkulator

Bauelement der Hoch- und Höchstfrequenztechnik bzw. elektronische Schaltung.

Ein Zirkulator ist eine Schaltung 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

Der Ausgang des vorausgehenden Operationsverstärkers ist über zwei gleiche Widerstände R an dem invertierenden und nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers angeschlossen. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist über einen Widerstand mit dem selben Wert mit dem invertierenden Eingang verbunden. Am nichtinvertierenden Eingang (Port) liegt das Signal an. Der Wert der Widerstände ist gleich der Impedanz des Ports.

2.) Zirkulator als Bauteil der Hochfrequenztechnik

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.

Aufbau: Im 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, meist in HF-dichte Gehäuse mit Koaxbuchsen eingebaut. Weitere Bauformen: Miniatur-Zirkulator zum Einbau in gedruckte Schaltungen oder als Hohlleiter-Bauelemente für sehr hohe Frequenzen und Leustungen.

Elektrische Eigenschaften: Die Durchgangsdämpfung von HF-Zirkulatoren ist meist deutlich unter 1 dB, während die Dämpfung in Rückwärtsrichtung über 20 dB liegt (Korrekte Anpassung vorausgesetzt). 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 von 1 bis 100 oder mehr Watt HF-Leistung übertragen werden.

Funktionsprinzip: 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 nicht von der Feldrichtung unabhängig 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.

Sonderform: Ist an einem der drei Ports ein Abschlusswiderstand 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.

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