Автор данной разработки, Charles Wenzel, является победителем (Grand Prize) в категории разработчиков в RF Design Awards Contest 1991 года. За свои достижения Charles Wenzel был награждён портативным анализатором спектра HP 8591А фирмы Hewlett Packard.

Charles Wenzel

Ферритовый циркулятор/изолятор является привлекательным и важным инструментом для инженера-электронщика, работающего в области микроволновой техники. К сожалению на частотах ниже нескольких сотен мегагерц размеры магнитов и ферритов становят большими, а стоимость устройства высокой. С появлением быстродействующих операционных усилителей, появилась возможность создать слаботочный эквивалент циркулятора на более низкие частоты, который работает вплоть до постоянного тока и показывает превосходные характеристики по обратной изоляции и импедансу вверх до частот превышающих 100 МГц.

Предназначенный к применению на слабых токах, активный циркулятор отлично подходит для согласования и настройки антенн, усилителей и генераторов. На Рис. 1 приведена принципиальная схема устройства. На Рис.2 приведён фотоснимок прототипа устройства. Изолированное 50 - омное активное сопротивление, представленное на каждом порте устройства, даёт возможность проводить эксперименты с нелинейными или реактивными узлами аппаратуры, такими как, детекторы, смесители, умножители частоты и фильтры, так как источник сигнала и анализатор изолированы от исследуемого устройства, нагрузки. Инженеры, занимающиеся с (относительно) низкочастотной аппаратурой, найдут в описываемом устройстве полезное дополнение к своей измерительной лаборатории. Назначение циркулятора - получить энергию, подаваемую на один его порт и передать её на другой. Высокая обратная изоляция даёт уверенность в том, что энергия передаётся по циркулятору только в одном направлении и, что на импеданс одного порта не влияют импедансы других. Микроволновый циркулятор использует нелинейные свойства феррита, помещённого в магнитное поле, тогда как, предлагаемое устройство использует свойства высокоскоростных операционных усилителей.

Чтобы циркулятор работал правильно, каждый порт должен иметь характеристику эквивалента Thevenin ( что это такое - не знаю - UA9LAQ), состоящего из 50-омного резистора и источника напряжения с величиной в два раза превосходящей напряжение на предыдущем порте. Заметьте, что этому источнику напряжения безразличны сигналы (напряжения), покидающие предыдущий порт, как и сигналы с любого другого порта. Коэффициент два сложения применим к падению напряжения на сопротивлении (Thevenin), если подключена 50-омная нагрузка.

Во-первых, 50-омная резистивная нагрузка складывается из двух 100-омных резисторов, ведущих к виртуальным заземлениям - это точки, на которых имеется постоянная величина напряжения, независимо от тока. Источник напряжения (Thevenin) менее очевиден, поскольку два 100-омных резистора присоединены к различным напряжениям, которые усредняют его, деля, как требуется, - на 2. Каждый ОУ усиливает входной сигнал в 3.236 раз, который приложен к одному из резисторов. Делитель напряжения понижает это напряжение до 0.764 и оно подаётся на неинвертирующий вход последующего ОУ. Поскольку другой резистор соединён с выводом обратной связи этого ОУ, то ОУ “ощущает” тот же сигнал “размера” 0.764. Усреднение 3.236 и 0.764 даёт желаемый коэффициент 2. На Рис 3 показана зависимость прямого усиления от частоты для различных питающих напряжений. Дифференциальное усиление установлено так, что сигналы, покидающие порт, нагруженный 50 Ом, не будут генерировать выходного напряжения на последующем порте. ОУ осуществляют постоянную обратную изоляцию, как показано на Рис. 5 и способность к распределению (управлению) мощности (мощностью). Показано на Рис. 4.

Пытливый человек отметит, что смена полярности от одного порта к другому происходит из-за смены конфигурации ОУ. Количество портов можно легко увеличить повторяя данный образец.

Поскольку циркулятор работает вплоть до постоянного тока, его поведение можно проследить с помощью мультиметра. Сопротивление порта может быть измерено омметром, во время измерения напряжение омметра появится на следующем порте (инвертированное). Если на порт 1 подать напряжение постоянного тока -1 В, то на порте 2 на 50 – омной нагрузке появится +1 В, а на порте 3 будет 0 В. Но, если на порте 2 удалить нагрузку, то напряжение 1 В “отразится в фазе” и добавится: на порте 2 будет 2 В и “отражённое” напряжение 1 В появится на порте 3 (- 1 В, согласно инвертированию ОУ). Если теперь порт 2 замкнуть накоротко, то напряжение 1 В “отразится в противофазе”, чтобы дать 0 В на порте 2 (необычное описание того, почему короткое замыкание даёт 0 В (Hi!)). Этот инвертированный вольт циркулирует к порту 3, где на нагрузке появляется +1 В!

Детали

Для этой разработки был выбран ОУ СLС406 - не самый быстрый и мощный, выпускаемый Comlinear Corporation, но зато обладающий экономичностью и имеющий цену менее 10 долларов. Как показано на графиках, этот недорогой ОУ имеет прекрасные характеристики при напряжении питания 5 В, практически идеальные при 6,8 В и привлекательные при 12 В. Работа с превышением максимально допустимых напряжений не рекомендуется. При проблемах, лучше применить более скоростной, более мощный ОУ (или установить панельку и подобрать экземпляр ОУ).

Для получения оптимальных результатов следует применять высокостабильные безиндуктивные прецизионные резисторы. Сопротивление 323,6 Ом может быть получено параллельным соединением 330 Ом и 16,8 кОм. Указанные на схеме величины сопротивлений резисторов могут изменяться при постройке циркуляторов с различными характеристическими импедансами. Например, для 75-омного циркулятора следует все резисторы взять в 1,5 раза большего сопротивления. Интересно отметить, что циркулятор может быть выполнен с различными характеристическими импедансами на каждом порте. Проходные развязывающие конденсаторы должны быть установлены в цепи обоих питающих напряжений и отдельно на каждый ОУ. В прототипе устройства использовались чипы- керамические конденсаторы ёмкостью 0,1 мкФ, впаянные прямо между выводами ОУ и корпусом.

Применение

Циркулятор - естественный выбор при согласовании и настройке низкоуровневых (маломощных) усилителей. С источником сигнала, подключенным к порту 1, входом усилителя (или его выходом) - к порту 2 и анализатором - к порту 3, усилитель настраивается на максимум отражённых (возвратных, обратных) потерь, установкой минимального сигнала на порте 3. Высокие отражённые потери - синоним хорошего КСВ, поскольку хорошо согласованный усилитель "возвращает“ очень небольшую часть входного сигнала. Низкоуровневые источники сигнала могут быть согласованы под выходной импеданс 50 Ом таким же образом. Просто подстраивайте частоту необходимого испытательного сигнала с точностью до несущей, затем настройте источник сигнала на минимум КСВ. Снова отражённый сигнал появится в следующем порте. Если амплитуда источника сигнала слишком большая, чем это необходимо для ОУ циркулятора, добавьте точный градуированный аттенюатор. Циркулятор точнее “видит” отражённые потери источника на малых уровнях. Помните, что испытательный сигнал проходит через устройство дважды и ослабляется каждый раз, так что отражённые потери могут быть лучше, чем они в действительности есть на удвоенное значение, обеспечиваемое аттенюатором. В действительности устройство, имеющее разомкнутый или замкнутый выход покажет отражённые потери точно в два коэффициента ослабления аттенюатора, поскольку отражённые потери разомкнутой и замкнутой цепи равны нулю. Таким же образом, на малых уровнях сигнала можно настраивать и антенны, не мешая окружающим. Маломощный генератор присоединён к порту 1, антенна - к порту 2 и какоё-либо индикатор мощности или уровня сигнала - к порту 3. Уровень сигнала на порте 3 пропорционален потерям передачи и может быть минимизирован настройкой согласующего устройства антенны.

Рефлектометр можно просто реализовать, подав прямоугольные импульсы с большой частотой следования на порт 1 и присоединив тестируемую коаксиальную линию передачи или устройство к порту 2. Разрывы в кабеле или другие высокоомные аномалии будут отражать импульсы с той же полярностью как и входные, в то время как замыкания или низкие сопротивления будут отражать инвертированные импульсы (изменение фазы можно наблюдать на двухканальном осциллографе, подав на один канал входной сигнал, а на второй - с выходного порта, поскольку 0 будет при 50 Омной нагрузке измерительного порта, то фаза будет меняться знаком от этой “нулевой точки”, т. е., при сопротивлениях на измерительном порте менее 50 Ом фаза сигнала будет инвертироваться, но напряжение сигнала будет изменяться от 0 до максимума при изменении сопротивления на измерительном порте, соответственно от 50 Ом до 0. Наоборот, при изменении сопротивления на измерительном порте от 50 Ом до бесконечности, напряжение будет изменяться от нуля до максимума, но теперь фаза входного сигнала не инвертируется, не изменяется). Помните об инвертировании при прохождении сигнала от одного порта к другому. Для получения хороших результатов требуется чистый испытательный сигнал.

Активный циркулятор носит многие черты своего “большого брата” - микроволнового ферритового циркулятора, но на более низких частотах. Несмотря на то, что активный циркулятор проигрывает ферритовому по мощностным характеристикам, на малых мощностях его успешно замещает.

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru

г. Тюмень ноябрь, 2002 г