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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）信号が入力したポートの直後のポートからのみ出力されるようにする、受動的な非相反性の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線路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に印加された信号はポート2からのみ出力され、ポート2に印加された信号はポート3からのみ出力され、ポート3に印加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は、次の散乱行列を持ちます。
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を利用します。 [ 1 ] 磁化されたフェライト中を伝搬するマイクロ波電磁波は、フェライト中の電子スピンと相互作用し、結果として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搬の方向の関数です。したがって、フェライト中を異なる方向に伝搬するマイクロ波信号は、異なる透磁率を経験します。
（減衰を無視した場合）
MHz / Oe は有効磁気回転比であり、いわゆる有効g因子は、フェライト材料定数であり、特定のフェライト材料によって1.5～2.6の範囲にある。は、フェライトを伝搬するRF/マイクロ波信号の周波数です。は内部磁気バイアス場であり、これはフェライト材料の磁化です。
接合サーキュレータおよび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場に直交します。これは、いわゆる横磁場の場合です。損失を無視した場合のこの場合のマイクロ波伝搬定数は[ 3 ]です。
どこは自由空間の透過率であり、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、フェライトの厚さ方向、すなわち静磁場バイアス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、波の偏光方向が逆であることを示します。
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 つの主要なクラスに分類され、どちらも磁化されたフェライト材料内またはその近傍で 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にもなり得ますが、ストリップラインに基づくより小型の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 つ以上のポートを実現できます。通常、永久磁石がマイクロ波フェライト材料に静的な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は、ストリップラインの中央接合部に位置する共振器を備えています。この共振器は、円盤、六角形、三角形など、3回回転対称性を持つ任意の形状をとることができます。サーキュレータポートに入力された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、そこでエネルギーが楕円偏光波によって形成される2つの逆回転円モードに結合されます。これらの円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します。これにより、一方のポート（信号がポート1に入射する場合はポート2）に腹、もう一方のポート（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）に節または零点が生成されます。
簡略化のために損失を無視すると、逆回転モードの位相は整数倍だけ異なる必要がある。ポート 1 からポート 2 への信号伝搬 (またはポート 2 からポート 3 へ、またはポート 3 からポート 1 へ): [ 6 ]
同様に、残りのポート（信号伝搬がポート 1 からポート 2 の場合、ポート 3）をヌルにするには、
どこは、隣接するポートとポート間のパス長です。そしては整数である。前述の2つの方程式を連立して解くと、適切な循環に必要な条件は次のようになる。
そして
2 つの逆回転モードはそれぞれ固有の共振周波数を持っています。[ 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はファラデー回転に基づいて動作します。波の相殺は、波がサーキュレータの回転方向と平行および逆方向に伝播するときに発生します。いずれかのポートに到達した入射波は、2つの波に均等に分割されます。これらの波は、異なる位相速度でサーキュレータの周囲をそれぞれの方向に伝播します。出力ポートに到達すると、位相関係が異なるため、それに応じて合成されます。このように、異なる位相速度で伝播する波を合成することが、ジャンクションサーキュレータの基本的な動作原理です。
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隔てられた 2 つのフェライト ディスクまたは三角形で構成され、2 つの平行なグランド プレーンに挟まれています。[ 7 ] ストリップライン サーキュレータは、基本的にフェライト上に挟まれたストリップライン中心導体であり、グランド プレーンに挟まれています。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、ディスク状または三角形のフェライトで構成されてい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任意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) にも当てはまります。電気的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 ]
フェライトは厚み方向に磁化されており、すなわち、静磁気バイアス場はデバイスの平面に垂直であり、信号伝搬方向は静磁場の方向と直交しています。両方のフェライトは同じ静磁場とRF磁場の中にあります。2つのフェライトは、ストリップライン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ていないため、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側に配置された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、外部磁場や鉄系材料が存在する場合のサーキュレータの同調ずれや部分的な消磁を防ぎ、サーキュレータの静磁場の影響から近くのデバイスを保護します。
導波管接合サーキュレータは、3 つの導波管の接合部に配置された磁化されたフェライト共振器を備えています。[ 8 ] ストリップライン接合サーキュレータとは対照的に、フェライト自体が共振器であり、ストリップライン中心導体の金属中心部分ではありません。フェライト共振器は、円筒形や三角柱など、 3 回の回転対称性を持つ任意の形状をとることができます。共振器は多くの場合 1 つのフェライトですが、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影響を受けます。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、その基本的な動作理論は同じです。
導波管接合サーキュレータの内部構造は、3本の導波管の接合部、フェライト共振器、およびインピーダンス整合構造から構成される。これらのサーキュレータの多くは、中央接合部に台座を備えており、その上にフェライト共振器が配置されている。これらの台座は導波管の高さを効果的に低減し、共振器領域における特性インピーダンスを低下させることで、電気的性能を最適化する。共振器から全高導波管へと続く低高さ導波管部分は、インピーダンス変換器として機能する。
フェライト共振器は高さ方向に磁化されており、すなわち、静磁場バイアス場はデバイスの平面に垂直であり、信号伝搬方向は静磁場の方向と直交する。静磁場バイアス場は通常、導波管接合部の外部に配置された永久磁石によって供給される。
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もう1つのサーキュレータの形式です[ 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、厚膜または薄膜の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、磁気回路の効率を向上させ、サーキュレータの機械的強度を高め、サーキュレータが取り付けられる表面との間の熱膨張ミスマッチからフェライトを保護するために、鉄系金属キャリアに接合されることがあります。フェライト基板の回路面に接合された永久磁石は、フェライトに静的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、その基本的な動作原理は同じです。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、放射と分散効果のためにやや低下します。
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であるという利点によって相殺されます。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、ワイヤボンディングまたはリボンボンディング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、それに伴い質量も小さいことです。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の中で最大のコンポーネントとなることがよくあります。[ 10 ]
自己バイアス型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。外部磁石が不要になるため、同様の用途で使用される電気的に同等の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、マイクロ波損失を低く抑えるように最適化されたM型単軸（単一磁気軸）六方晶フェライト[ 11 ]です。他のサーキュレータで使用される軟磁性（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晶フェライトは硬磁性（高保磁力）材料です。これらのフェライトは基本的にセラミック永久磁石です。高い残留磁化に加えて、これらのフェライトは非常に大きな磁気異方性磁場を持ち、サーキュレータを高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型で平面形状であるため、他の平面回路と容易に統合できます。自己バイアスサーキュレータと半導体ウェーハの統合は、KAバンドおよびVバンド周波数で実証されています。[ 13 ]
集中定数サーキュレータ[ 14 ]は、 HFからUHF帯域の周波数で一般的に使用される小型デバイスです。接合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、集中定数サーキュレータでは、波長に比例しないため、フェライトを小さくすることができます。[ 15 ]
集中定数サーキュレータでは、導体がフェライトコアに巻き付けられ、通常は織り込まれたメッシュ状になっています。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。一部のサーキュレータでは、メッシュはプリント配線基板上の配線パターンとして形成され、層間接続のために金属化されたビアが設けられています。導体ストリップは、相互に結合しないインダクタと考えることができます。集中定数サーキュレータのインピーダンス整合回路と広帯域化回路は、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成されます。
このタイプ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大幅な小型化を実現しています。一方、集中定数型サーキュレータは、同等のジャンクションデバイスに比べて一般的にRF電力処理能力が低く、機械的な構造もより複雑です。また、ディスクリート型の集中定数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型インピーダンストランスに比べて、振動や機械的衝撃を受けた際の安定性が低い場合があります。
スイッチングサーキュレータは他のジャンクションサーキュレータと似ており、マイクロ波の動作原理は同じですが、循環方向を電子的に制御できる点が異なります。[ 3 ]
接合型サーキュレータは、永久磁石を用いてフェライトに静的な磁気バイアスを供給します。一方、スイッチング型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。スイッチング型サーキュレータで使用されるフェライトは、方形磁気ヒステリシスループを持ち、保磁力はしばしばエルステッド値以下です。この ようなフェライト材料は、磁極を反転させるのに比較的弱い磁場と低いエネルギーレベルしか必要としません。これはスイッチング型サーキュレータにとって明らかに有利ですが、永久磁石がないことは、迷走磁場、近傍の鉄系材料、温度変化などによる減磁効果にさらされても磁気バイアスを維持しなければならない非スイッチング型接合型サーキュレータにとっては不利になります。
フェライトの磁化極性、ひいてはスイッチングサーキュレータの循環方向は、フェライトを貫通する磁化コイルを使用して制御されます。この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り、フェライトを目的の循環方向となる極性で磁化します。
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、矩形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、1 - 2 - 3 - 4 - 1 の順序で循環する 4 ポートデバイスであり、ポート番号は概略図に示されています。さまざまな実現可能なサーキュレータアーキテクチャがあり、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 つの反対方向に磁化された差動位相シフターを使用します。[ 16 ]
差動位相シフターは非相反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位相シフトとは異なります。この位相シフトの差が、サーキュレーターの非相反動作を可能にします。差動位相シフターは、通常、導波管の広い壁面に配置された 1 枚以上のフェライト スラブで構成されます。導波管の外側に配置された永久磁石が、フェライトに静的な磁気バイアス場を提供します。フェライト装荷導波管は、サーキュレーター §動作原理で説明されている横方向磁場デバイスのもう 1 つの例です。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生み出します。
入射信号がどのサーキュレータポートに入るかによって、ハイブリッドカプラ内の位相シフト関係と差動位相シフトにより、信号は他の1つのポートで合成され、残りの2つのポートでそれぞれ打ち消し合います。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することで3ポートサーキュレータとして使用されることが多く、また、2つのサーキュレータポートを終端することで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、「順方向」信号の循環を良好に行いながら「逆方向」の循環を大幅に抑制できるが、特に低周波数帯では、サイズが大きいことと帯域幅が狭いことが大きな欠点である。
非フェライトサーキュレータに関する初期の研究には、非相反性を持つ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は電力を必要とします。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、強力な送信電力とアンテナからの信号のクリーンな受信を維持するためのデュプレクサとして使用される場合に重要になります。
バラクタは一つの解決策を提供する。ある研究では、一方向伝搬キャリアポンプによって実効的な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た。[ 19 ]これは交流電源のアクティブサーキュレータのようなものだ。この研究では、受信経路で正の利得と低ノイズ、広帯域非相反性を実現できると主張した。別の研究では、角運動量バイアスによって引き起こされる非相反性との共振を利用した。これは、フェライトサーキュレータで信号が受動的に循環する方法をより忠実に模倣している。[ 20 ]
1964年、モアは伝送線路とスイッチに基づくサーキュレータを発表し、実験的に実証した。[ 21 ] 2016年4月、研究チームはこの概念を大幅に拡張し、Nパスフィルタの概念に基づく集積回路サーキュレータを発表した。 [ 22 ] [ 23 ]これは、全二重通信（単一の共有アンテナで単一の周波数で同時に送受信）の可能性を提供する。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さい。[ 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伝搬できないため、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、マイクロ波源が不整合負荷によって同調ずれを起こすのを防ぐためです。
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、送信機からアンテナへ、そしてアンテナから受信機へと信号をルーティングし、信号が送信機から受信機へ直接通過しないようにします。デュプレクサのもう一つのタイプは、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。ただし、チャープパルスと広いダイナミックレンジを使用すると、送信パルスと受信パルスが時間的に重なる場合があり、この機能のためにサーキュレータが必要になります。
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差動抵抗ダイオードを利用したマイクロ波増幅回路の一種です。負性差動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。しかし、ダイオードは1ポート（2端子）デバイスであるため、出力増幅信号を入力信号から分離するには、非相反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、出力と入力を分離することができます。
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