环形器的工作原理

一、概述：

环形器的突出特点是单向传输高频信号能量，它控制电磁波沿某一环行方向传输，多用于高频功率放大器的输出端与负载之间，起到各自独立，互相“隔离”的作用。负载阻抗在变化甚至开路或短路的情况下都不影响功放的工作状态，从而保护了功率放大器。环形器它具有体积小、频带宽、插损小等特点，因而应用十分广泛，可用于雷达/通讯系统里使收/发信号互相隔离，收发可共用同一个天线。

二、环形器原理

基本原理：

首先将变送器或仪表的信号，通过半导体器件调制变换，然后通过光感或磁感器件进行隔离转换，然后再进行解调变换回隔离前原信号，同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理。保证变换后的信号、电源、地之间绝对独立。

环形器单向传输的原理，是由于采用了铁氧体旋磁材料。这种材料在外加高频波场与恒定直流磁场共同作用下，产生旋磁特性（又称张量磁导率特性）。正是这种旋磁特性，使在铁氧体中传播的电磁波发生极化的旋转（法拉第效应），以及电磁波能量强烈吸收（铁磁共振），正是利用这个旋磁现象，制做出结型隔离器、环形器。它具有体积小、频带宽、插损小等特点，因而应用十分广泛。

非线性特性

在射频和微波无源器件中，环形器和隔离器的非线性特性比较差，但是，这些器件又往往被用于大功率场合。环形器和隔离器的非线性特性体现在谐波、正向互调(包括接收频段和发射频段)、接收频段发射互调、反向互调等。

1、谐波

在大功率单载信号(f1)的作用下，环形器和隔离器会产生谐波(2f1、3f1等)。谐波的大小可用绝对值或相对值来表示，但同时必须说明载频的幅度。

研究环形器和隔离器谐波的意义，在于可以充分了解系统间干扰的来源。另一重要意义是因为二次谐波是产生三阶互调的前提，如果能定量的了解环形器和隔离器的谐波特性，则可以正确设置系统中滤波器和双工器的带外抑制值，以准确的控制系统成本。

当输入信号功率为40dBm时，隔离器的二次谐波为-61.3dBm；输入功率增加1dB,二次谐波相应增加2dB；当输入功率增加到49dBm，谐波增加到-43.87dBm。

2、正向传输互调

当两个载频同时输入环形器或隔离器时，在输出端口产生互调产物。正向传输互调的典型值为-80dBc@2x43dBm。

3、反射互调

当两个载频同时输入环形器或隔离器时，会产生互调产物，并反射回输入端口。反射互调的典型值为-80dBc@2x43dBm。

4、反向互调

当两个载波分别从输入和输出端加到隔离器时，在输出端会产生互调产物。注意：载频来自不同的方向，而且幅度大小不同。定义反向互调时，应选择幅度较大的互调产物，并以幅度较大的载频为参考。反向互调的典型值为-80dBc。

环形器三端口构件图环形器实物图

环形器为三端口器件，当端口1为输入，端口2为输出，则3端口为隔离端口，能量几乎不能穿过，以此类推，一般UHF读写器上用环形器为顺时针方向流通，当端口1为TX输出时，RF 信号会从端口2而流过，而端口3即RX端口为隔离端，具体隔离度需参考器件参数和LAYOUT效果，相反，当端口2作为收发复用端接收信号时，信号会按顺时针进入端口3，此时泄露到TX 端口的能量非常小，可以忽略，而TX泄露到RX端口的能量很大程度上影响着接收机灵敏度即实际识别效果，因此需根据接收端LNA参数，在RX端加衰减器对TX泄露信号进行有效隔离，但由此产生一个问题，因为RX接收的有用信号本身已经很少，在进行TX端泄露信号衰减的同时，RX 端有用信号也被进一步削弱，因此也会影响到LNA的接收，因此，用环形器做收发隔离只能在一定程度上产生效果，对于TX输出功率给定且ERP不超过相关规定的情况下，要提高接收机灵敏度，必须考虑增大收发两路的隔离度，方法有很多，视具体需求而定