CIRCULATEURS & ISOLATEURS
A quoi ça sert?
Un circulateur est un dispositif de protection des amplificateurs UHF et SHF contre les désadaptations d'impédance susceptibles de les endommager. En effet, lorsqu'un amplificateur n'est pas correctement chargé, une partie de la puissance qu'il délivre est réfléchie et il doit alors la dissiper. Ceci conduit à un échauffement anormal qui peut conduire à sa destruction. C'est notamment le cas des amplificateurs à transistors bipolaires alimentés en 24V ou plus, qui sont particulièrement sensibles à la désadaptation.
Comment ça se branche?
Un circulateur possède trois bornes (qu'on appelle ports), une entrée et deux sorties généralement numérotées de 1 à 3.
A l'intérieur du circulateur, l'énergie HF ne peut circuler que dans un seul sens de rotation: de 1 vers 2, de 2 vers 3 ou de 3 vers 1.
Le port 1 est l'entrée, le port 2 est la sortie normale, le port 3 est connecté à une charge 50 Ω (dite "charge poubelle")
On relie la source RF ( par exemple l'émetteur) à l'entrée 1 et la charge (par exemple l'antenne) à la sortie 2. Sur la sortie 3 on connecte une charge 50 Ω dont la puissance doit être égale à la puissance de la source.
Si la charge normale connectée en 2 (l'antenne)
est bien adaptée, la puissance transite de 1 vers 2 avec une perte minime. La
"charge poubelle" ne reçoit aucune puissance.
En cas de désadaptation de la charge connectée en
2, une partie de la puissance est réfléchie, elle entre en 2 et est donc dirigée
vers la charge 50 Ω connectée en 3. La source ne voit donc pas la désadaptation
et est protégée.
A gauche un exemple de circulateur utilisé dans les bases Radiocom 2000, l'ancêtre de nos téléphone mobiles. Le circulateur était inséré entre l'émetteur et l'antenne et protégeait celui ci contre une désadaptation ou une rupture accidentelle de l'antenne ou de son câble.
Ce type de circulateur fonctionne parfaitement dans la bande 70cm.
Un Isolateur est un circulateur dans lequel la charge 50 Ω est incorporée. Il est de ce fait capable d'accepter une puissance plus faible.
Ci contre un isolateur utilisable en 23cm.
Comment se caractérise un circulateur?
Tout d'abord par la bande de fréquence pour laquelle il est fait. Elle est relativement large.
On caractérise ensuite la perte d'insertion (de 1 vers 2) exprimée en dB. Elle est en général inférieure à 0,5 dB.
L'isolation (de 2 vers 1, avec 3 chargée par 50 Ω) caractérise l'efficacité du circulateur. C'est le rapport en dB de la puissance transmise en 2 à la puissance reçue en 1. Elle est généralement de l'ordre de 25 à 30dB.
La puissance maximale admissible dépend du circulateur et de la charge poubelle qui doit être capable d'accepter l'intégralité de la puissance de la source (cas de l'antenne débranchée).
Peut on modifier la fréquence centrale d'un circulateur?
Théoriquement non, mais en pratique oui, mais de façon très limitée.
Le fonctionnement d'un circulateur est très complexe, il fait appel à des ferrites et des aimants. De ce fait, un circulateur ne doit jamais être fixé sur un châssis magnétique (pattes en aluminium et visserie laiton de rigueur).
Si l'on approche une masse métallique magnétique ou un petit aimant du circulateur, on modifie légèrement ses caractéristiques, essentiellement son centrage en fréquence. Le décalage que l'on peut obtenir est relativement faible, quelques % de la fréquence centrale. Mon expérience m'a montré qu'une petite masse en acier avait tendance à faire monter la fréquence. Avec un petit aimant on peut faire monter ou descendre la fréquence selon la polarité.
Courbe d'isolation d'un isolateur LTT AR2653D
Comment procéder?
Voici comment je procède. Il faut disposer d'un analyseur de spectre équipé d'un générateur de tracking, ou mieux d'un analyseur de réseau.
Relier le générateur au port 2 et l'analyseur au port 1, le port 3 étant chargé par 50 Ω. On mesure ainsi l'isolation en fonction de la fréquence. La courbe obtenue présente en général 1 (ou 2) minimum (a).
Par exemple, sur un isolateur LTT AR2653D, j'ai relevé 51dB à 1102MHz mais seulement 23dB à 1270MHz, (voir courbe ci dessus). Manifestement cet isolateur est hors bande. Voyons comment le ramener dans la bande 23cm.
Se munir de rondelles plates en acier de différents diamètres. Placer la rondelle sur le corps du circulateur et chercher le meilleur point. Plus la rondelle est grosse, plus le décalage est grand. Essayer différents diamètres.
Une fois le meilleur point trouvé, repérer la position avec un crayon, une goutte de colle et c'est fini.
Courbe d'isolation de l'isolateur LTT AR2653D après recalage
La perte d'insertion est très peu affectée par le recalage.
Pratiquement tous les circulateurs peuvent être recalés, mais pas dans les mêmes proportions. Les plus faciles à recaler sont ceux qui ont le plus de fuites magnétiques, c'est à dire ceux qui attirent le plus un morceau de fer placé à proximité.
Les circulateurs à 4 ports
Lorsqu'on désire une très grande isolation on peut utiliser un circulateur à quatre ports qui est en fait la mise en cascade d'un isolateur et d'un circulateur.
Cette meilleure isolation se paye par une perte d'insertion plus élevée.
La charge poubelle de l'isolateur, n'a pas besoin d'être de forte puissance puis qu'elle ne voit que la "fuite d'isolation" du circulateur placé en amont.
En revanche la charge poubelle du circulateur doit être dimensionnée pour la puissance transmise.
Ci contre, un circulateur de Radiocom 2000, parfaitement adapté à la bande 70 cm sans recalage.
Un peu de théorie
Pour presque tout savoir sur le fonctionnement des circulateurs, voir la note d'application Philips AN98035
Pour savoir utiliser correctement circulateurs et isolateurs, voir la note d'application Philips AN98034
Une présentation générale toujours chez Philips
On trouve également des informations dans les catalogues des constructeurs, voir après.
Un peu de doc
Catalogue Philips bande 1-2 GHz
Catalogue Philips bande 2 GHz
Catalogue Thomson
Catalogue Temex (ex Tekelec Airtronic)
Catalogue FDK 1,5-2,7 GHz
Catalogue FDK >2,7 GHz
Catalogue Teledyne
Catalogue UTEMicrowaves
et d'autres à venir ...
73 de Joël F6CSX
Dernière mise à jour le 24 janvier 2012