アイソレーター（マイクロ波）

アイソレータは、マイクロ波または無線周波数電力を一方向にのみ伝送する2 ポートデバイスです。これらのデバイスで観察される非相反性は、通常、伝播する波と材料との相互作用から生じ、伝播方向に応じて異なる場合があります。

これは、入力側の機器を出力側の状態の影響から保護するために使用されます。たとえば、不一致の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。

アイソレータは非相反デバイスであり、非対称散乱 行列を持つ。理想的なアイソレータは、ポート1に入るすべての電力をポート2に伝送し、ポート2に入るすべての電力を吸収するため、位相係数内でS行列は

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

非相反性を実現するために、アイソレータには必ず非相反材料を組み込む必要があります。マイクロ波周波数では、この材料は通常、静磁場によってバイアスされるフェライトです^[1]が、自己バイアス材料にすることもできます^[2] 。フェライトは、マイクロ波信号が回転磁場を呈するようにアイソレータ内に配置され、回転軸は静的バイアス磁場の方向と一致します。フェライトの動作は、バイアス磁場に対する回転方向に依存するため、反対方向に移動するマイクロ波信号ごとに異なります。正確な動作条件に応じて、一方向に移動する信号は、位相シフト、フェライトからの変位、または吸収のいずれかになります。

最も一般的なタイプのフェライトベースのアイソレータは、終端サーキュレータ、ファラデー回転アイソレータ、フィールド変位アイソレータ、および共振アイソレータの 4 つのカテゴリに分類されます。これらすべての種類のデバイスで観察される非相反性は、伝播の方向に依存する波と材料の相互作用から生じます。

このタイプでは、フェライトは一方向に移動するマイクロ波信号からエネルギーを吸収します。適切な回転磁場は、長方形導波管の支配的な TE ₁₀モードにあります。回転磁場は、ガイドの全高にわたって、広い壁の中心線から離れて存在します。ただし、吸収された電力からの熱を伝導できるようにするために、フェライトは通常、1 つの広い壁から他の広い壁まで広がるのではなく、各面の浅いストリップに制限されます。特定のバイアス フィールドに対して、共鳴吸収はかなり狭い周波数帯域で発生しますが、実際にはバイアス フィールドはフェライト全体で完全に均一ではないため、アイソレータはやや広い帯域で機能します。

このタイプは表面的には共振吸収アイソレータと非常に似ていますが、磁気バイアスが異なり、逆方向に移動する信号からのエネルギーはフェライト自体ではなく、フェライト ブロックの片面にある抵抗膜またはカードに吸収されます。

バイアス磁場は、動作周波数で共振を引き起こすために必要なものよりも弱いですが、代わりに、マイクロ波信号磁場の1つの回転方向に対してフェライトの透磁率がほぼゼロになるように設計されています。バイアス極性は、順方向信号に対してこの特別な条件が発生するようなものであり、逆方向信号はフェライトを通常の誘電体として見なします（フェライトはバイアス磁場によってすでに飽和しているため、透磁率はわずかです）。その結果、順方向信号の電磁場に対して、フェライトの特性 波動インピーダンスは非常に低く、磁場はフェライトから排除される傾向があります。この結果、抵抗膜が配置されているフェライトの表面では、順方向信号の電界がゼロになります。逆に、逆方向信号の場合、電界はこの表面上で強いため、そのエネルギーはフィルムを通る駆動電流で消散します。

長方形導波管では、フェライト ブロックは通常、導波管の中心線に面する側に抵抗膜を置き、一方の広い壁からもう一方の壁までの全高を占めます。

サーキュレータは非可逆的な3ポートまたは4ポートのデバイスであり、任意のポートに入る電力は順番に次のポートに伝達されます（のみ）。したがって、位相係数の範囲内で、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。

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

2 ポート アイソレータは、3 つのポートのうち 1 つを整合負荷で終端するだけで得られ、その負荷は入力されるすべての電力を吸収します。バイアスされたフェライトはサーキュレータの一部であり、異なる方向に移動する信号に差動位相シフトを引き起こします。バイアス フィールドは共振吸収に必要なフィールドよりも低いため、このタイプのアイソレータにはそれほど重い永久磁石は必要ありません。電力は外部負荷で吸収されるため、共振吸収アイソレータよりも冷却の問題が少なくなります。

アイソレータの設計に役立つ最後の物理原理は、ファラデー回転です。直線偏波が、磁化が波の伝播方向と一致するフェライトを伝播すると、偏波面は伝播軸に沿って回転します。この回転は、アイソレータ、サーキュレータ、ジャイレータなどのマイクロ波デバイスを作成するために使用できます。長方形導波管トポロジでは、デバイス面から出てくる円形導波管セクションの実装も必要です。

• 電力分配器と方向性結合器
• サーキュレーター
• ジャイレーター

Fox, AG; Miller, SE; Weiss, MT (1955 年 1 月)。「マイクロ波領域におけるフェライトの挙動と応用」(PDF)。Bell System Technical Journal。34 ( 1)。Bell Labs: 5–103。doi : 10.1002 /j.1538-7305.1955.tb03763.x。

Baden Fuller, AJ (1969)。マイクロ波（第1版）。Pergamon Press。ISBN 0-08-006616-X。

Baden Fuller, AJ (1987)。マイクロ波周波数におけるフェライト。IEE電磁波シリーズ。Peter Peregrinus。ISBN 0-86341-064-2。

• サーキュレータとアイソレータ [1]