サーキュレータ

サーキュレータとは

サーキュレータ（Circulator）は、3つ以上のポート（端子）を持つ受動的な電子部品です。この部品の最大の特徴は、入力された高周波信号が、特定のポートから次のポートへ一方向にのみ伝送されるという点です。例えば、3ポートのサーキュレータでは、ポート1に入力された信号はポート2に、ポート2に入力された信号はポート3に、そしてポート3に入力された信号はポート1に出力されます。この独特な信号の流れは、Sパラメータで以下のように表現できます。


S =

( 0 0 1
1 0 0
0 1 0 )

サーキュレータの応用

サーキュレータは、その一方向性の信号伝送特性から、様々な用途に活用されています。

アイソレータとしての利用: 3ポートのサーキュレータに整合の取れた負荷を接続すると、信号は残りの2つのポート間を一方向にのみ伝搬します。この特性を利用して、信号の流れを制御するアイソレータとして機能させることができます。
レーダーシステム: レーダーでは、アンテナと送信機、受信機の間で信号を分離するために使用されます。これにより、送信信号と受信信号が重なり合うことなく、効率的なレーダー動作を可能にします。従来のシステムではスイッチが用いられていたこの機能を、サーキュレータがより効率的に実現しています。
光通信: 光サーキュレータは、光ファイバー通信システムにおいて、光信号の方向を制御するために利用されます。光アイソレータと同様に、光信号の反射を抑制し、システム全体の安定性を高める役割を果たします。

サーキュレータの構造と動作原理

サーキュレータは、使用される周波数帯やポート数によって異なる構造を持ちます。

3ポートサーキュレータ（Y接合型）： VHFやマイクロ波帯域で使用される3ポートサーキュレータは、ファラデー効果を利用しています。フェライト材料に直流磁場を印加することで、特定の方向に伝搬する信号のみを通過させます。ストリップラインを用いた小型の素子も存在します。
4ポートサーキュレータ： 4ポートサーキュレータは、フェライトとハイブリッド回路を組み合わせて構成されます。これら回路で発生する位相差を利用して、入力された電力を別の端子に出力します。複数の3ポートサーキュレータを接続することで4つ以上のポートを持つ構成にすることも可能ですが、厳密には4ポートのサーキュレータとは異なる特性を持つことになります。
無線周波数サーキュレータ: 無線周波数帯域で使用されるサーキュレータは、磁化されたフェライト材料で作成され、永久磁石を用いて磁力線を発生させます。
光サーキュレータ： 光サーキュレータには、フェリ磁性体の希土類鉄ガーネットの結晶が使用されます。これにより、光信号の方向を制御し、光通信システムを効率的に動作させることができます。

能動素子によるサーキュレータ

フェライト材料の代わりにトランジスタなどの能動素子を用いたサーキュレータも存在します。しかし、これらの能動素子によるサーキュレータは、扱えるパワーや線形性、信号ノイズ比（S/N比）の点でフェライト材料を用いたものに劣ります。そのため、低周波帯域での使用に限られることが多いです。トランジスタベースのサーキュレータは、送信信号から受信信号を差し引く用途で使用されることもあります。

まとめ

サーキュレータは、特定のポートに入力された信号を次のポートへ順次出力する、独特な信号の流れを持つ電子部品です。この一方向性の伝送特性は、アイソレータとしての利用や、レーダー、光通信など幅広い分野での応用を可能にしています。その構造は、周波数帯やポート数に応じて様々であり、フェライト材料や能動素子などが用いられています。サーキュレータは、現代の電子・通信システムにおいて、なくてはならない重要な部品の一つです。


参考文献
C. L. Hogan, "The Ferromagnetic Faraday Effect at Microwave Frequencies and its Applications" Rev. Mod. Phys. 25, 253–262（1953）
E. A. Ohm, "A Broadband Microwave Circulator", IRE Trans. on Microwave Theory and Techniques, MTT-4 210-217（1956）
H. N. Chait & T. R. Curry, "Y-Circulator," J. Appl. Phys., Suppl. to 30, 1525 and 1535（1959）
H. Bosma, "On Stripline Y-Circulation at UHF", IEEE Trans. Microwave Theory & Techniques V12 N1 61-72（1964）
Federal Standard 1037C and MIL-STD-188

関連項目
ファラデー効果（ファラデー回転）
optical isolator

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