Caracterização experimental de um díodo electromagnético na gama das micro-ondas

Abstract

A reciprocidade electromagnética é uma das principais características de sistemas de microondas. O teorema da reciprocidade de Lorentz diz-nos que num sistema recíproco quando a posição da fonte e receptor são trocadas o nível de sinal recebido permanece o mesmo se a potência incidente seja igual. No entanto existem dispositivos de que necessitam resposta não recíproca, como por exemplo isoladores ou circuladores. A forma mais comum de se obter a resposta não recíproca é através do efeito magneto-óptico de Faraday em materiais ferromagnéticos, porém estas soluções conduzem, tipicamente, a dispositivos demasiado volumosos e complexos. Nos últimos anos têm sido desenvolvidos diversas alternativas de forma a quebrar a reciprocidade, como por exemplo através de efeitos não-lineares, meios em movimento ou ainda através de meios polarizados por uma corrente DC.Desta forma projectou-se um dispositivo de microondas de dois portos não recíproco usando efeitos não lineares. O funcionamento do dispositivo será tal que para uma frequência e nível de sinal fixos e o dispositivo é excitado num porto permite um elevado nível de transmissão e quando excitado no outro terá uma reflexão elevada, comportando-se assim como um díodo electromagnético. Os resultados obtidos através de técnicas de análise de circuitos de microondas, simulações de onda completa e os resultados experimentais obtidos sugerem que o nosso componente se comporta da forma pretendida permitindo obter uma resposta não-recíproca caracterizada por níveis de transmissão muito assimétricos entre portos.

Electromagnetic reciprocity is one of the main characteristics of microwave systems. Lorentz’s reciprocity theorem tells us that when the source and receiver positions are exchanged in a reciprocal system, the received signal level remains the same if the incident power is equal. However, some devices require a nonreciprocal response, such as isolators or circulators. The most common way to achieve the nonreciprocal response is through the magneto-optical Faraday effect in ferromagnetic materials, but these solutions typically lead to too bulky and complex devices. Over the last few years, several alternatives have been developed to break the reciprocity, such as through nonlinear effects, moving media, or through media polarized by a DC current. In this work, we have designed a nonreciprocal two port microwave device using nonlinear effects. The operation of the device will be such that when the device is excited from one port for a fixed frequency and signal level, it allows a high level of transmission, and when excited from the other port, it will have a high reflection, thus behaving like an electromagnetic diode. The results obtained using microwave circuit analysis techniques, full-wave simulations, and experimental measurements suggest that our component behaves as intended allowing to obtain a non-reciprocal response characterized by very asymmetric inter-port transmission levels.