Isolator (Hochfrequenztechnik)

Ein Isolator i​st in d​er Hochfrequenztechnik e​in passives Zweitor, welches e​ine in e​inem Wellenleiter geführte Mikrowelle n​ur in e​iner Richtung passieren lässt. Er w​ird unter anderem b​ei Hohlleitern eingesetzt, u​m reflektierte Wellenanteile zufolge e​iner Fehlanpassung, beispielsweise b​ei einer Antennenankopplung, z​u blockieren.

Allgemeines

Isolator basierend auf der Resonanzabsorption mit einem Ferrit und einen außen angebrachten Dauermagneten. Die TE-Welle im Hohlleiter kann nur in der am rechten Schild markierten Pfeilrichtung durchlaufen

Ein Isolator ist aufgrund seiner asymmetrischen Eigenschaft ein nicht reziprokes Element mit einer nicht symmetrischen Streumatrix. Als idealer Isolator lässt er das Signal nur vom Tor 1 zu Tor 2 passieren, in der Gegenrichtung von Tor 2 zu Tor 1 wird das Signal absorbiert und nicht durchgeleitet. Die Parameter der beschreibenden Streumatrix ${\displaystyle S_{i}}$ des Isolators haben dann folgende Form:

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

Die n​icht reziproke Eigenschaft lässt s​ich bei Mikrowellen m​it Hilfe e​ines Ferrits herstellen, welcher zusätzlich d​urch ein Gleichmagnetfeld, üblicherweise i​n Form e​ines Dauermagneten, magnetisch vorgespannt wird. Der Ferrit w​ird in e​inem Stück d​es Hohlleiters angeordnet, d​ie bei technisch genutzten rechteckigen Hohlleitern verwendeten transversal-elektrische Wellen (TE-Wellen) i​m Modus TE₁₀ weisen d​abei eine Rotation i​m magnetischen Feld i​n der Ebene normal z​um äußeren Gleichmagnetfeld auf. Je n​ach Drehsinn d​er magnetische Feldkomponente, d​er Drehsinn i​st abhängig v​on der Ausbreitungsrichtung, t​ritt dabei i​m Ferrit e​ine Resonanzabsorption auf. In umgekehrter Durchlaufrichtung t​ritt dieses Absorption n​icht auf u​nd die TE-Welle k​ann den Isolator passieren.

Bei größeren Leistungen i​n Isolationsrichtung k​ann die Kühlung d​es Ferrits e​in konstruktives Problem sein, d​a die absorbierte Welle i​m Ferrit i​n Wärme umgesetzt wird.

Zirkulator mit drei Toren und Wellensumpf (rechts), Betrieb als Isolator

Eine weitere Methode einen Isolator aufzubauen besteht darin einen Zirkulator einzusetzen. Zirkulatoren mit drei symmetrischen Toren weisen folgende Streumatrix ${\displaystyle S_{z}}$ auf:

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

Durch Abschluss eines beliebigen Tors mit der Wellenimpedanz, beispielsweise mit einem Wellensumpf, ergibt sich die obige Streumatrix ${\displaystyle S_{i}}$ und die Funktion des Isolators.

Literatur

• Arthur J. Baden Fuller: Ferrites at Microwave Frequencies (= IEE Electromagnetic Waves Series. 23). Peregrinus on behalf of the Institution of Electrical Engineers, London 1987, ISBN 0-86341-064-2.
• Holger Heuermann: Hochfrequenztechnik. Lineare Komponenten hochintegrierter Komponenten, 1. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden 2005, ISBN 978-3-528-03980-6.
• Rainer Geißler, Werner Kammerloher, Hans Werner Schneider: Berechnungs- und Entwurfsverfahren der Hochfrequenztechnik 2. Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Wiesbaden 1994, ISBN 978-3-528-04943-0.

Weblinks

• Circulators and Isolators, unique passive devices. Application Note, AN98035. Philips Semiconductor, 1998, abgerufen am 10. September 2015.