サーキュレーター

電気工学において、サーキュレータは、マイクロ波または無線周波数(RF) 信号が、入力されたポートの直後のポートからのみ出力できるようにする、受動的な非可逆性の3 ポートまたは 4ポートデバイスです。光サーキュレータも同様の動作をします。ポートは、マイクロストリップラインや同軸ケーブルなどの外部導波管または伝送線路がデバイスに接続される場所です。3 ポート サーキュレータの場合、ポート 1 に適用された信号はポート 2 からのみ出力され、ポート 2 に適用された信号はポート 3 からのみ出力され、ポート 3 に適用された信号はポート 1 からのみ出力されます。したがって、理想的な 3 ポート サーキュレータの散乱行列は次のようになります。

${\displaystyle S={\begin{pmatrix}0&0&1\\1&0&0\\0&1&0\end{pmatrix}}}$

マイクロ波サーキュレータは、磁化されたマイクロ波フェライト材料の異方性と非相反性^{に依存しています。 [1]} 磁化されたフェライト内を伝播するマイクロ波電磁波は、フェライト内の電子スピンと相互作用し、その結果、フェライトのマイクロ波透磁率の影響を受けます。この透磁率は、テンソルとも呼ばれる線形ベクトル演算子によって数学的に記述されます。磁化されたフェライトの場合、透磁率テンソルはポルダーテンソルです。透磁率は、フェライト材料の静的磁化の方向に対するマイクロ波伝播方向の関数です。したがって、フェライト内を異なる方向に伝播するマイクロ波信号は、異なる透磁率を経験します。

CGSシステムでは、ポルダーテンソル^[2]は

${\displaystyle B={\begin{bmatrix}\mu &j\kappa &0\\-j\kappa &\mu &0\\0&0&1\end{bmatrix}}H}$

ここで（減衰を無視）

${\displaystyle \mu =1+{\frac {\omega _{0}\omega _{m}}{\omega _{0}^{2}-\omega ^{2}}}}$

${\displaystyle \kappa ={\frac {\omega \omega _{m}}{{\omega _{0}}^{2}-\omega ^{2}}}}$

${\displaystyle \omega _{0}=\gamma H_{0}\ }$

${\displaystyle \omega _{m}=\gamma M\ }$

${\displaystyle \gamma =1.40\cdot g\,\,}$ MHz / Oe は有効磁気回転比であり、いわゆる有効g 係数は、特定のフェライト材料に応じて通常 1.5 ～ 2.6 の範囲にあるフェライト材料定数です。はフェライトを伝搬する RF/マイクロ波信号の周波数、は内部磁気バイアス フィールド、 はフェライト材料の 磁化です。${\displaystyle g}$${\displaystyle \omega}$${\displaystyle H_{0}}$${\displaystyle M}$

接合型サーキュレータと差動位相シフトサーキュレータでは、マイクロ波信号の伝搬は通常、フェライト内の静磁場バイアスに対して直交する。これはいわゆる横磁場の場合である。この場合のマイクロ波伝搬定数は、損失を無視すると^{[3]である。}

${\displaystyle \Gamma _{+}=j\omega {\sqrt {\mu _{0}\epsilon }}\,{\sqrt {\frac {\mu ^{2}-\kappa ^{2}} {\mu }}}}$

${\displaystyle \Gamma _{-}=j\omega {\sqrt {\mu _{0}\epsilon }}}$

ここで、は自由空間の透磁率、はフェライト材料の絶対誘電率です。サーキュレータでは、これらの伝搬定数は、フェライトの厚さを通る静磁気バイアス場の方向に伝搬する楕円偏光を持つ波を表します。伝搬定数のプラスとマイナスの添え字は、反対の波の偏光を示します。 ${\displaystyle \mu_{0}}$${\displaystyle \epsilon }$

マイクロ波サーキュレータは、差動位相シフトサーキュレータとジャンクションサーキュレータの2つの主なクラスに分類されます。どちらも、磁化されたフェライト材料内またはその近くの2つの異なる経路を伝搬する波の打ち消しに基づいています。導波管サーキュレータはどちらのタイプでもかまいませんが、ストリップラインに基づくよりコンパクトなデバイスは通常、ジャンクションタイプです。^{[4] [5]} 2つ以上のジャンクションサーキュレータを1つのコンポーネントに組み合わせて、4つ以上のポートを提供することができます。通常、永久磁石は、マイクロ波フェライト材料に静的磁気バイアスを生成します。フェリ磁性 ガーネット結晶は、光サーキュレータに使用されます。

ストリップライン接合サーキュレータには、ストリップラインの中央接合部に配置された共振器が含まれます。この共振器は、ディスク、六角形、三角形など、3 回回転対称性を持つ任意の形状にすることができます。サーキュレータ ポートに入る RF/マイクロ波信号は、ストリップラインを介して共振器に接続され、そこでエネルギーは楕円偏波によって形成された2 つの逆回転円形モードに結合されます。これらの円形モードは位相速度が異なるため、特定のポートで建設的または破壊的に結合することがあります。これにより、1 つのポート (信号がポート 1 に入射する場合はポート 2) に腹が生成され、別のポート (マイクロ波エネルギーがポート 1 からポート 2 に結合され、ポート 2 に反射されない場合はポート 3) に節またはヌルが生成されます 。

簡略化のために損失を無視すると、ポート1からポート2（またはポート2からポート3、またはポート3からポート1）への信号伝播において、逆回転モードの位相は整数倍異なる必要がある。 ^[6]${\displaystyle 2\pi }$

${\displaystyle 2\Gamma _{-}l-\Gamma _{+}l=2m\pi }$

同様に、残りのポート（信号伝播がポート1からポート2の場合、ポート3）をヌルにするには、

${\displaystyle -\Gamma _{-}l+2\Gamma _{+}l=(2n-1)\pi }$

ここで、は隣接するポート間の経路長であり、は整数である。前述の2つの式を同時に解くと、適切な循環に必要な条件は次のようになる。 ${\displaystyle l}$${\displaystyle m}$${\displaystyle n}$

${\displaystyle \Gamma _{-}l={\frac {4m+2n-1}{3}}\pi }$

そして

${\displaystyle \Gamma _{+}l={\frac {2m+4n-2}{3}}\pi }$

2つの逆回転モードにはそれぞれ独自の共振周波数があります。^[5] 2つの共振周波数は分割周波数として知られています。サーキュレータの動作周波数は、2つの分割周波数の間に設定されます。

これらのサーキュレータ タイプは、ファラデー回転に基づいて動作します。波がサーキュレータの循環方向に沿って伝播する場合と逆方向に伝播する場合に、波の打ち消しが発生します。任意のポートに到達する入射波は、2 つの波に均等に分割されます。これらの波は、サーキュレータの周囲を異なる位相速度で各方向に伝播します。出力ポートに到達すると、異なる位相関係にあるため、それに応じて結合されます。異なる位相速度で伝播する波のこの組み合わせは、ジャンクション サーキュレータが基本的に動作する方法です。

ストリップライン接合サーキュレータの形状は、ストリップライン中心導体によって分離され、2 つの平行なグランドプレーンに挟まれた 2 つのフェライト ディスクまたは三角形で構成されます。 ^[7] ストリップライン サーキュレータは、基本的に、グランドプレーン間のフェライトに挟まれたストリップライン中心導体です。つまり、ストリップライン回路の上に 1 つのフェライト ディスクがあり、ストリップライン回路の下に 1 つのフェライト ディスクがあります。ストリップライン サーキュレータは、ディスクまたは三角形のフェライトで構築する必要はありません。フェライトは、3 方向対称性を持つほぼすべての形状にすることができます。これは共振器 (中心導体の中心接合部分) にも当てはまります。共振器は、電気的な考慮事項はありますが、3 方向対称性を持つ任意の形状にすることができます。^[3]

フェライトは、その厚み全体にわたって磁化されます。つまり、静磁気バイアス場はデバイスの平面に対して垂直であり、信号伝播の方向は静磁場の方向に対して横向きです。両方のフェライトは同じ静 RF 磁場内にあります。2 つのフェライトは、ストリップラインの中心導体が埋め込まれた 1 つの連続したフェライトと考えることができます。実際の製造上の理由から、中心導体は通常フェライトに埋め込まれず、2 つの個別のフェライトが使用されます。静磁気バイアス場は通常、サーキュレータのグランド プレーンの外部にある永久磁石によって提供されます。サーキュレータの設計に組み込まれた磁気シールドは、外部磁場または鉄材料の存在下でのサーキュレータのデチューニングまたは部分的な消磁を防ぎ、近くのデバイスをサーキュレータの静磁場の影響から保護します。

• ストリップライン接合サーキュレータの内部構造
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  三角形のフェライトと不規則な三角形の共振器を備えたストリップライン接合サーキュレータの内部構造。
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  ディスクフェライトとディスク型共振器を備えたストリップライン接合サーキュレータの内部構造。
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  ディスクフェライトと三角形の共振器を備えたストリップライン接合サーキュレータの内部構造。

導波管接合サーキュレータには、3つの導波管の接合部に配置された磁化フェライト共振器が含まれます。^[8] ストリップライン接合サーキュレータとは対照的に、ストリップライン中心導体の金属中央部分ではなく、フェライト自体が共振器です。フェライト共振器は、円筒や三角柱など、 3回回転対称性を持つ任意の形状にすることができます。共振器は1つのフェライトで構成されることが多いですが、2つ以上のフェライトで構成され、さまざまな幾何学的構成で互いに結合されている場合もあります。共振器の形状は、電気的および熱的性能の考慮事項によって左右されます。導波管接合サーキュレータは、ストリップライン接合サーキュレータとほぼ同じように機能し、基本的な動作理論も同じです。

導波管接合サーキュレータの内部形状は、3 つの導波管の接合部、フェライト共振器、およびインピーダンス整合構造で構成されています。これらのサーキュレータの多くには、フェライト共振器が配置されている中央接合部に台座が含まれています。これらの台座は導波管の高さを効果的に低減し、共振器領域の特性インピーダンスを低減して電気性能を最適化します。共振器からフルハイト導波管につながる高さの低い導波管セクションは、インピーダンス トランスフォーマーとして機能します。

フェライト共振器は高さ方向に磁化されており、つまり、静磁場バイアス場はデバイスの平面に対して垂直であり、信号伝播の方向は静磁場の方向に対して横向きです。静磁場バイアス場は通常、導波管接合部の外部にある永久磁石によって提供されます。

マイクロストリップ接合サーキュレータは、マイクロストリップ伝送線路トポロジーを利用する、広く使用されている別の形式のサーキュレータです^{[9] 。マイクロストリップサーキュレータは、主にフェライト基板上の回路パターンで構成されています。回路は通常、}厚膜または薄膜メタライゼーションプロセスを使用して形成され、多くの場合フォトリソグラフィーが含まれます。フェライト基板は、鉄金属キャリアに結合されることがあります。これにより、磁気回路の効率が向上し、サーキュレータの機械的強度が高まり、サーキュレータが取り付けられている表面とフェライトとの間の熱膨張の不一致からフェライトが保護されます。フェライト基板の回路面に結合された永久磁石は、フェライトに静磁気バイアスを提供します。マイクロストリップサーキュレータは、ストリップライン接合サーキュレータと同じように機能し、基本的な動作原理も同じです。ストリップラインサーキュレータと比較すると、マイクロストリップサーキュレータの電気的性能は、放射と分散の影響によりいくらか低下します。

マイクロストリップサーキュレータの性能上の欠点は、他の平面回路との統合が比較的容易なことで相殺されます。これらのサーキュレータと隣接する回路との電気的接続は、通常、ワイヤボンドまたはリボンボンドを使用して行われます。マイクロストリップサーキュレータのもう1つの利点は、ストリップラインサーキュレータよりもサイズが小さく、それに応じて質量が小さいことです。この利点にもかかわらず、マイクロストリップサーキュレータは、マイクロ波モジュール内で最も大きなコンポーネントであることがよくあります。^[10]

自己バイアス接合サーキュレータは、マイクロ波フェライトとは別の永久磁石を使用しないという点で独特です。外部磁石がなくなるため、同様の用途の電気的に同等なマイクロストリップ接合サーキュレータと比較して、サーキュレータのサイズと重量が大幅に削減されます。

自己バイアスサーキュレータに使用されるモノリシックフェライトは、マイクロ波損失が低くなるように最適化されたM型単軸（単一磁気軸）六方フェライト^{[11]です。他のサーキュレータで使用される}磁気的に柔らかい（低保磁力）フェライトとは対照的に、自己バイアスサーキュレータに使用される六方フェライトは磁気的に硬い（高保磁力）材料です。これらのフェライトは本質的にセラミック永久磁石です。高い磁気残留磁化に加えて、これらのフェライトは非常に大きな磁気異方性場を持ち、サーキュレータを高いマイクロ波周波数まで動作させることができます。^[12]

自己バイアスサーキュレータは薄くて平面的な形状のため、他の平面回路と簡単に統合することができます。自己バイアスサーキュレータと半導体ウェハの統合は、K _AバンドとVバンドの周波数で実証されています。^[13]

集中素子サーキュレータ^[14]は、 HFからUHF帯の周波数で一般的に使用される小型デバイスです。接合型サーキュレータでは、フェライトのサイズは信号波長に比例しますが、集中素子サーキュレータでは、そのような波長比例関係がないため、フェライトを小さくすることができます。^[15]

集中素子サーキュレータでは、導体がフェライトの周りに巻かれ、通常は織りメッシュを形成します。導体ストリップは、薄い誘電体層によって互いに絶縁されています。サーキュレータによっては、メッシュはプリント配線基板上のトレースの形をしており、層間の接続には金属ビアが使用されています。導電性ストリップは、非相互結合インダクタと考えることができます。集中素子サーキュレータのインピーダンス整合回路と広帯域回路は、多くの場合、個別のセラミックコンデンサと空芯インダクタを使用して構築されます。

このクラスのサーキュレータは、ジャンクション サーキュレータに比べてサイズが大幅に小型化されています。一方、集中素子サーキュレータは、同等のジャンクション デバイスに比べて RF 電力処理能力が低く、機械的な観点から見ても複雑です。個別の集中素子インダクタとコンデンサは、ストリップライン ジャンクション サーキュレータの 単純な分布インピーダンス トランスフォーマーに比べて、振動や機械的衝撃にさらされた場合の安定性が低くなる可能性があります。

スイッチングサーキュレータは他の接合サーキュレータと似ており、循環方向を電子的に制御できることを除いて、マイクロ波の動作原理は同じです。^[3]

ジャンクション サーキュレータは、フェライトに静的磁気バイアスを与えるために永久磁石を使用します。ただし、スイッチング サーキュレータは通常、フェライト自体の残留磁化に依存します。スイッチング サーキュレータで使用されるフェライトは、正方形の磁気ヒステリシスループと、多くの場合、サブエルステッドの保 磁力を持ちます。このようなフェライト材料は、その磁気極性を反転するために、比較的小さな磁場と低いエネルギー レベルを必要とします。これはスイッチング サーキュレータにとっては明らかに有利ですが、永久磁石がないことは、漂遊磁場、近くの鉄材料、および温度変化による潜在的な減磁効果にさらされても磁気バイアスを保持する必要がある非スイッチング ジャンクション サーキュレータにとっては不利です。

フェライトの磁化極性、つまりスイッチングサーキュレータの循環方向は、フェライトをループする磁化コイルを使用して制御されます。コイルは電子ドライバ回路^[8]に接続されており、磁化コイルに正しい極性の電流パルスを送信してフェライトを所定の極性に磁化し、希望する循環方向を実現します。

差動位相シフトサーキュレータは、主に高出力マイクロ波アプリケーションで使用されます。これらは通常、長方形の導波管コンポーネントから構築されます。これらのサーキュレータは、回路図に示すようにポート番号が付けられ、1 - 2 - 3 - 4 - 1 の順序で循環する 4 ポートデバイスです。サーキュレータのアーキテクチャにはさまざまなものがありますが、最も一般的なものは、マジックティーハイブリッドカプラ、直交ハイブリッドカプラ、および 2 つの反対磁化差動位相シフタを使用するものです。^[16]

差動位相シフタは、非相反的な伝送位相シフトを提供します。つまり、順方向の位相シフトは、逆方向の伝送の位相シフトとは異なります。この位相シフトの差により、サーキュレータの非相反的な動作が可能になります。差動位相シフタは、通常、導波管の広い壁に配置された 1 つ以上のフェライト スラブで構成されます。導波管の外側にある永久磁石は、フェライトに静的な磁気バイアス フィールドを提供します。フェライトを装填した導波管は、サーキュレータ § 動作理論で説明されている横方向フィールドデバイスの別の例です。信号伝搬の異なる方向に対応する異なるマイクロ波伝搬定数は、異なる位相速度、したがって異なる伝送位相シフトを引き起こします。

入射信号がどのサーキュレータ ポートに入るかに応じて、ハイブリッド カプラの位相シフト関係と差動位相シフトにより、信号が他の 1 つのポートで結合され、残りの 2 つのポートでそれぞれキャンセルされます。差動位相シフト サーキュレータは、1 つのサーキュレータ ポートを無反射終端に接続して 3 ポート サーキュレータとして使用されることが多く、2 つのサーキュレータ ポートを終端してアイソレータとして使用することもできます。

フェライトサーキュレータは、「逆方向」の循環を大幅に抑制しながら、「順方向」の信号循環を良好に提供できますが、特に低周波数では、サイズが大きく、帯域幅が狭いという大きな欠点があります。

非フェライトサーキュレータに関する初期の研究には、非可逆性のトランジスタを使用したアクティブサーキュレータが含まれています。[ ^17]受動デバイスであるフェライトサーキュレータとは対照的に、アクティブサーキュレータには電力が必要です。トランジスタベースのアクティブサーキュレータに関連する主な問題は、電力制限と信号対雑音比の劣化です。^[18]これらは、強力な送信電力を維持し、アンテナからの信号をきれいに受信するためのデュプレクサとして使用する場合に重要です。

バラクタは1つの解決策を提供します。ある研究では、一方向に伝播するキャリアポンプによって有効非相反性が引き起こされる時間変動伝送線路に似た構造を採用しました。^[19]これはAC電源のアクティブサーキュレータのようなものです。この研究では、受信パスと広帯域非相反性に対して正のゲインと低ノイズを実現できると主張しました。別の研究では、角運動量バイアスによって非相反性が引き起こされる共振を使用しました。これは、信号がフェライトサーキュレータ内で受動的に循環する方法をより厳密に模倣しています。^[20]

1964年、モールは伝送線路とスイッチをベースにしたサーキュレータを発表し、実験的に実証しました。^[21] 2016年4月、研究チームがこの概念を大幅に拡張し、Nパスフィルタの概念に基づいた集積回路サーキュレータを発表しました。 ^{[22] [23]}これは、全二重通信（単一の周波数で単一の共有アンテナを使用して同時に送信と受信を行う）の可能性を提供します。このデバイスはコンデンサとクロックを使用し、従来のデバイスよりもはるかに小型です。^[24]

3ポートサーキュレータの1つのポートが整合負荷で終端されている場合、信号は残りのポート間で一方向にしか移動できないため、アイソレータ^{として使用できます。 [25]}アイソレータは、入力側の機器を出力側の条件の影響から保護するために使用されます。たとえば、不整合負荷によってマイクロ波源が離調するのを防ぐなどです。

レーダーでは、サーキュレータはデュプレクサの一種として使用され、信号が送信機から受信機に直接渡されることなく、送信機からアンテナへ、またアンテナから受信機へ信号をルーティングします。デュプレクサの代替タイプは、アンテナを送信機と受信機に交互に接続する送受信スイッチ( TR スイッチ) です。チャープ パルスと高ダイナミック レンジの使用により、送信パルスと受信パルスが一時的に重なる場合がありますが、この機能にはサーキュレータが必要です。

反射増幅器は、トンネルダイオードやガンダイオードなどの負性微分抵抗ダイオードを利用するマイクロ波増幅回路の一種です。負性微分抵抗ダイオードは信号を増幅することができ、マイクロ波周波数では2ポートデバイスよりも優れた性能を発揮することがよくあります。ただし、ダイオードは1ポート（2端子）デバイスであるため、増幅された出力信号を入力信号から分離するには非可逆コンポーネントが必要です。信号入力を1つのポートに接続し、バイアスダイオードを2番目のポートに接続し、出力負荷を3番目のポートに接続した3ポートサーキュレータを使用することで、出力と入力を切り離すことができます。

• チャイト、HN; カリー、TR (1959)、「Y-サーキュレータ」、応用物理学ジャーナル、30 (4): S152–S153、Bibcode :1959JAP....30S.152C、doi :10.1063/1.2185863
• US 3935549、Jachowski、Ronald E.、「フェライトサーキュレータ」、1976 年 1 月 27 日公開 
• リンクハート、ダグラス K. (2014)、マイクロ波サーキュレータ設計(第 2 版)、Artech House、ISBN 978-1608075836
• Ohm, EA (1956)、「広帯域マイクロ波サーキュレータ」、IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques、4 (4): 210–217、Bibcode :1956ITMTT...4..210O、doi :10.1109/TMTT.1956.1125064
• Wenzel, C. (1991 年 7 月)、「低周波サーキュレータ/アイソレータはフェライトや磁石を使用しません」(PDF)、RF 設計、 2022 年 10 月 9 日にオリジナルからアーカイブ(PDF)

• サーキュレーターとアイソレーター
• RF サーキュレーターとは何か、さまざまなタイプ、どのように動作するかなどについて説明します。

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