Capitolo 3. Isolatori e Circolatori Passivi
3.2 Classificazione di isolatori e circolatori passivi
3.2.1 Isolatori a spostamento di campo
Gli isolatori a spostamento di campo (Field displacement Isolator) [1] sono realizzati manipolando il modo TE10 presente in una guida d’onda rettangolare. L’elemento fondamentale, è una lastra di ferrite posta opportunamente all’interno della guida, in particolare verrà posta in un punto x dove è presente un campo RF rotante in modo circolare. In questo caso si utilizza un campo magnetico statico che permetta di essere prima della risonanza, per non introdurre le perdite dovute alla precessione forzata dello spin elettronico.
Applicando un campo magnetico statico in direzione parallela al lato minore della guida rettangolare (vedi Fig. 3.2.3) e di valore tale da annullare la permeabilità magnetica per uno dei due versi di propagazione dell’onda, si avrà una reiezione del segnale propagantesi in questo verso, mentre il segnale nel verso opposto (che avrà una permeabilità diversa da zero per la non reciprocità della ferrite, si veda a tal proposito l’Appendice B) tenderà a concentrarsi nella ferrite stessa. In prossimità della parete esterna della ferrite si avrà un minimo del campo elettrico (o massimo, dipende dalla polarità del campo esterno applicato) per il segnale diretto e un massimo del campo elettrico per il segnale inverso. Ponendo, in aggiunta alla lastra di ferrite, una lastra di materiale resistivo (tipicamente in film sottile), si introducono delle perdite, importanti essenzialmente nel caso con segnale inverso poiché presenta un massimo del campo elettrico proprio in prossimità del materiale dissipativo.
111 Fig. 3.2.3 – Isolatore a spostamento di campo.
Con questa tecnica si ha una bassa perdita di inserzione per segnali diretti e un grande isolamento per segnali inversi. Il valore dell’isolamento può essere incrementato aumentando la lunghezza della lastra resistiva in direzione della propagazione del segnale. Per aumentare le prestazioni del dispositivo, si preferisce utilizzare una lastra di ferrite con dimensioni più piccole del lato corto della guida d’onda. Per fissare meglio il massimo e il minimo del campo elettrico in prossimità del materiale dissipativo, si può utilizzare una piccola lastra ceramica posta subito dopo il materiale resistivo, come mostrato in Fig. 3.2.4.
Fig. 3.2.4 – Isolatore a spostamento di campo con aggiunta di barrette resistive e ceramiche per incrementare le prestazioni.
Tale approccio è stato uno dei primi adottati. Successivamente sono stati introdotti altri approcci basati sulla aggiunta di ridge metallici nella struttura per la manipolazione del campo.
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3.2.2 Isolatori ad assorbimento
L’isolatore ad assorbimento si basa direttamente sul principio della rotazione di Faraday. Esso è costituito dalla cascata di 3 guide d’onda. La prima guida d’onda è rettangolare, immediatamente seguita da una guida d’onda circolare la quale è connessa alla precedente tramite una transizione che porta la guida d’onda rettangolare gradualmente verso una guida circolare. Tale transizione non è diretta ma porta la guida d’onda rettangolare ad una torsione di 45° (svergolatura). All’interno della guida d’onda circolare e coassialmente ad essa è posto un cilindro di ferrite il quale è sottoposto ad un campo magnetico statico di polarizzazione anch’esso in direzione coassiale. Successivamente, in cascata alla guida d’onda circolare è posta nuovamente una guida d’onda rettangolare che viene connessa alla precedente tramite una transizione diretta senza svergolatura.
Fig. 3.2.5 – Isolatore ad assorbimento.
All’interno delle guide d’onda rettangolari di ingresso e uscita, è posta una lastra di materiale assorbente (ad esempio resistivo) perpendicolarmente al verso del modo fondamentale che si propaga in guida ovvero parallelamente al lato lungo delle guide d’onda rettangolari di ingresso e uscita. La struttura è visibile in Fig. 3.2.5.
Un qualunque vettore di campo può essere scomposto nelle componenti parallele e ortogonali alla lastra assorbente; in tal modo, le componenti ortogonali alla lastra non subiscono variazioni mentre quelle parallele decadono esponenzialmente a zero. Un segnale entrante da sinistra nell’isolatore, si troverà ad avere un campo elettrico parallelo
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ai lati corti (verticalmente) della guida rettangolare di ingresso sia prima che dopo la lastra assorbente, e non vi saranno componenti tangenziali ad essa. L’ampiezza del campo resta pressoché invariata perché ci si attende un campo in ingresso già orientato verticalmente, a meno dell’insertion loss della guida stessa. Più in dettaglio si vede che la svergolatura farà ruotare il campo di 45° in verso antiorario. Se si dimensiona il cilindretto di ferrite di lunghezza tale da far sì che si abbia una rotazione di Faraday proprio di 45° in verso orario, in uscita alla guida d’onda si avrà un campo la cui direzione è rimasta costante rispetto a quello di ingresso. Nell’ultima guida d’onda, benché provvista di lastra assorbente, il campo uscirà inalterato in quanto ortogonale alla lastra resistiva stessa.Viceversa, un segnale entrante dal lato destro dell’isolatore subirà una rotazione di Faraday sempre di 45°, a causa della ferrite, nel medesimo verso del caso precedente (ovvero orario per un osservatore che guarda direzione e verso concordi al campo magnetico statico) e a questo si sommerà una ulteriore rotazione del campo (sempre oraria) di 45° dovuto alla svergolatura. A questo punto il campo si trova ad essere in direzione parallela alla lastra assorbente e quindi verrà totalmente assorbito. Ad oggi si riescono a realizzare isolatori ad assorbimento con varie caratteristiche e a varie frequenze. Alla fine del capitolo verranno riportati alcuni esempi [2] di isolatori ad assorbimento per diverse frequenze centrali f0.
3.2.3 Isolatori a risonanza
Analizzando la costante di attenuazione per onde polarizzate circolarmente per un mezzo di ferrite infinito, si vede che un’onda polarizzata circolarmente in senso antiorario rispetto al campo di polarizzazione statico è attenuata molto poco, mentre un’onda polarizzata circolarmente oraria presenta una grande attenuazione in corrispondenza della risonanza di Larmor (vedi Appendice B) quando si propaga perpendicolarmente al campo statico di polarizzazione magnetica. Utilizzando un’onda polarizzata circolarmente antioraria nel percorso a bassa attenuazione ed un’onda polarizzata oraria nel percorso a grande attenuazione, si possono realizzare degli attenuatori a risonanza.
114 Fig. 3.2.6 – Isolatore a risonanza a singola e doppia lastra di ferrite.
La condizione di polarizzazione circolare riguarda proprietà dei campi magnetici del modo dominante TE10 in una guida d’onda rettangolare. Si consideri un modo TE10 che si propaga in direzione –z (sistema di riferimento di Fig. 3.2.6). Detta a la larghezza della guida d’onda rettangolare, si avrà che ad una distanza x=a/2 il campo elettrico risulta polarizzato linearmente in direzione y mentre il campo magnetico sarà polarizzato linearmente lungo l’asse x.
Ad una distanza pari a 0<x<a/2 invece il campo elettrico continua ad essere sempre polarizzato linearmente lungo l’asse y mentre il campo magnetico risulterà polarizzato ellitticamente nel piano xz in senso antiorario rispetto all’asse y.
Infine ad una distanza pari a a/2<x<a il campo elettrico continua ad essere sempre polarizzato linearmente lungo l’asse y mentre il campo magnetico risulterà polarizzato ellitticamente nel piano xz in senso orario rispetto all’asse y.
Ci si può convincere di quanto appena detto se si passa ad uno studio matematico del problema. I campi del modo TE10: [3]:
sin j z y x E e a (3.2.1) 0 sin j z x x j H j e a (3.2.2) 0 cos j z Z x j H e a a (3.2.3) Le componenti
H
x eH
z sono tra di loro perpendicolari dunque producono una polarizzazione ellittica. Per avere polarizzazione circolare occorre determinare le distanze115
1
xx
in corrispondenza delle quali i moduli delle due componenti siano uguali ovvero basta che sia verificata la seguente espressione:1 tan 2 g x a a a