Växla en antenn eller transduktor snabbt mellan sändnings- och mottagningsläge

Av många orsaker befinner sig konstruktörer av avståndsbedömningsenheter som radar, sonar, magnetresonanssystem (NMR) eller ultraljud samt av infrastruktur för mobiltelefoni och satellitkommunikation ofta i en situation där de behöver ansluta en gemensam antenn eller transduktor till både en sändare med hög effekt och en känslig mottagare. Detta kräver en metod för att slå om antennen eller transduktorn mellan de två enheterna samtidigt som tillräcklig dämpning bibehålls mellan dem för att undvika skador på de mycket känsliga mottagarkomponenterna från högeffektsändaren. Dessutom måste den delade antennen eller transduktorn kopplas in snabbt efter en sändning för att mottagaren ska hinna hämta och mäta det mottagna RF- eller ultraljudsekot.

För att uppnå detta kan konstruktörerna använda sändar-/mottagaromkopplare (T/R), som även kallas duplexerare. Dessa är utformade för att hantera uppgiften att snabbt växla en antenn eller transduktor mellan en sändare och en mottagare, medan den nödvändiga isoleringen bibehålls mellan T/R-banorna. T/R-omkopplare hanterar även den överförda effekten samtidigt som de erbjuder låg införingsförlust för att förhindra att den sända signalen försvagas, och bibehåller en fast karaktäristisk impedans för att förhindra spegling och signalförluster. För att använda dem effektivt måste konstruktörerna dock först förstår hur de fungerar och deras huvudegenskaper.

Det finns flera olika tekniker för att implementera T/R-omkopplare. Den här artikeln går igenom två av huvudtyperna – RF-cirkulatorer och PIN-diodomkopplare – samt en typ som används i spänningskänsliga tillämpningar.

Varje teknik matchas med specifika tillämpningar med exempelenheter från Skyworks Solutions Inc. och Microchip Technology.

Vad gör en sändar- och mottagaromkopplare?

Den grundläggande T/R-omkopplaren ansluter en gemensam antenn (i RF-tillämpningar) eller transduktor (i ultraljudstillämpningar) mellan en sändare och en mottagare (figur 1).

Figur 1: En grundläggande T/R-omkopplare är en SPDT-omkopplare som ansluter en gemensam antenn eller transduktor till antingen en sändare eller en mottagare. (Bildkälla: DigiKey)

Omkopplaren har oftast en enkel SPDT-konfiguration (single pole, double throw) för en enskild sändare och mottagare. Topologier med multisändare/-mottagare lägger till ytterligare poler till omkopplarkonfigurationen. I den grundläggande konfigurationen finns fyra konstruktionskrav:

1. Först måste omkopplaren ha tillräckligt hög effektklassning för att hantera sändarutsignalen utan att skada omkopplaren.
2. För det andra måste förlusten mellan sändaren och antennen vara så låg som möjligt.
3. Det tredje kravet är att när omkopplaren inte är ansluten till mottagaren, ska det finnas tillräcklig isolering mellan mottagaringången och sändarutgången för att hindra skador på den högkänsliga mottagaren.
4. Slutligen måste omkopplingshastigheten hos T/R-omkopplaren vara tillräckligt snabb för att matcha tillämpningskraven.

Cirkulator-T/R-omkopplare

En RF- eller mikrovågscirkulator är en treportsenhet som används för att styra signalflödets riktning i RF-tillämpningar (figur 2).

Figur 2: Schemasymbolerna visar en medurs- (till vänster) och motursversion (till höger) av en cirkulator. Det finns inget betydande flöde i backriktningen i respektive version – en egenskap som gör dem idealiska som T/R-omkopplare. (Bildkälla: DigiKey)

I medursversionen av en cirkulator som visas i figur 1 skickas en signalinmatning på Port 1 till Port 3; signaler från Port 3 skickas till Port 2 och en signal från Port 2 sänds till Port 1. Cirkulatorer är icke-reciproka enheter vilket innebär att det inte sker något betydande flöde i motsatt riktning. I det visade exemplet finns exempelvis lite eller inget signalflöde från Port 3 tillbaka till Port 1; från Port 2 tillbaka till Port 3; eller från Port 1 tillbaka till Port 2. Det är den här riktningsegenskapen som gör cirkulatorer idealiska som T/R-omkopplare (duplexerare) På ett liknande sätt riktar motursversionen signaler från Port 1 till Port 2, Port 2 till Port 3 och Port 3 till Port 1. I endera fallet sker mycket lite signalöverföring i motsatt riktning.

Cirkulatorer är passiva enheter som baseras på ferromagnetiska effekter, så de består delvis av magnetiserade ferritmaterial. Treportcirkulatorn med Y-förgrening baseras på utsläckning av vågor som sprids över två olika banor nära ett magnetiserat ferritmaterial (figur 3).

Figur 3: Den fysiska strukturen hos en Y-förgreningscirkulator inkluderar en symmetrisk stripline-förgrening av de tre portarna, ferritskivan och ett magnetfält (H_CIR), som normalt matas av fasta permanentmagneter. (Bildkälla: Skyworks Solutions)

RF-cirkulatorversionen med tre portar och Y-förgrening består av två ferritskivor, en på varje sida av en treportars striplineförgrening. Cirkulatorverkan uppnås genom magnetisk biasering av ferritelementet i axelriktningen med ett internt statiskt magnetfält med korrekt magnitud, vilket visas som "H_CIR" i figur 3. Cirkulatorn kan arbeta i två tvärställda magnetlägen med motsatt polaritet. Under cirkulationen som visas i figur 3 vid ett specifikt applicerat fält skapar dessa TM-lägen null vid Port 3, vilken sedan isoleras och effekten överförs från Port 1 till Port 2. Effekten som kommer in i Port 2 går vidare till Port 3 och så vidare, vilket skapar cirkulatorverkan. I det här fallet sker rörelsen moturs. Cirkulationsriktningen kan vändas genom att vända polariteten och justera det statiska magnetfältets styrka.

Fördelen med att använda en cirkulator i T/R-tillämpningar är att ingen omkoppling sker. Både sändaren och mottagaren är alltid anslutna och isoleringen är resultatet av signalfasutsläckning.

När en T/R-konstruktion implementeras med en cirkulator appliceras sändarutmatningen på Port 1. Antennen är ansluten till Port 3 och mottagaren är ansluten till Port 2 (figur 4).

Figur 4: När en medurscirkulator ansluts som en T/R-omkopplare appliceras sändarutmatningen på Port 1, antennen ansluts till Port 3 och mottagaren ansluts till Port 2. (Bildkälla: DigiKey)

Ett exempel på en kommersiell cirkulator som uppfyller behoven hos en T/R-omkopplare är Skyworks Solutions modell SKYFR-000736. Den här Y-förgreningscirkulatorn på 50 ohm (Ω) ka hantera T/R-switchningsåtgärder i frekvensområdet 791 till 821 megahertz (MHz). Enheten är avsedd för trådlösa infrastrukturtillämpningar och kan hantera upp till 200 watt (W). Den har en mycket låg införingsförlust på 0,3 decibel (dB) mellan sändaren och antennen och en minimi-isolering på 22 dB. SKYFR-000736-cirkulatorn är en relativt liten, ytmonterad enhet på 28 millimeter (mm) i diameter med en höjd på 10 mm. Eftersom det är en passiv enhet kräver den ingen ström.

PIN-diodomkopplare

PIN-dioder används som switchar eller dämpare vid RF- och mikrovågsfrekvenser. De konstrueras genom att lägga ett odopat halvledarlager med hög resistans mellan P- och N-typlagren i en konventionell diod. Lagret kallas Intrinsic layer på engelska, vilket ger förkortningen PIN, som reflekterar diodens struktur (figur 5).

Figur 5: En PIN-diod inkluderar ett lager av I-halvledarmaterial mellan P- och N-materialet hos anod- och katodelektronerna. (Bildkälla: DigiKey)

Ingen laddning är lagrad i I-lagret i den förspända (biaserade) eller omvänt förspända PIN-dioden. Detta motsvarar av-tillståndet för omkopplingstillämpningar. Infogandet av i-lagret ökar den effektiva bredden hos diodens spärrskikt, vilket leder till mycket låg kapacitans och högre genombrottsspänningar. Båda dessa är mycket bra egenskaper i en RF-omkopplare.

Det förspända tillståndet leder till att hål och elektroner överförs till det odopade lagret. Det tar en viss tid för dessa bärare att rekombineras med varandra. Tiden kallas bärarlivstid, t. Det finns en genomsnittlig lagrad laddning som sänker den effektiva resistansen hos det odopade lagret till en minimal resistans, R_S. Det här är på-tillståndet i en omkopplingstillämpning.

En PIN-baserad T/R-omkopplare

Den cirkulatorbaserade T/R-omkopplaren är en smalbandsomkopplare med begränsat frekvensområde. PIN-baserade T/R-omkopplare kan implementeras med överföringsledningar med kvartsvåg, vilket också leder till ett begränsat frekvensområde. En fördel med PIN-baserade T/R-omkopplare är ett de kan ha bredbandskonstruktion – dvs. att de inte använder frekvenskänsliga element. Den här artikeln fokuserar på bredbandsimplementeringen.

Den grundläggande T/R-omkopplaren är en SPDT-konfiguration och kräver minst två PIN-dioder för implementering. Omkopplartopologin kan använda dioderna parallellt med sändaren och mottagaren i en shuntdiodanslutning, eller seriekopplat med sändaren och mottagaren, samt en kombination av båda metoderna (figur 6).

Figur 6: Här visas tre T/R-omkopplartopologier med PIN-dioder i serie- (a), shunt- (b) eller serie-shunt-konfigurationer (c). (Bildkälla: Skyworks Solutions)

Seriediodkonfigurationen (a) seriekopplar PIN-dioderna mellan den gemensamma RF-antennen, sändaren och mottagaren. Införingsförlusten mellan sändaren och antennen beror på seriemotståndet hos den framåtbiaserade dioden. Isolationen mellan sändaren och mottagaren beror på den bakåtbiaserade diodens restkapacitans.

I shuntkonstruktionen (b) är dioderna parallellkopplade med sändar- och mottagaranslutningarna. Isolationen beror på den förspända diodens motstånd medan införingsförlusten beror på den omvänt förspända diodens restkapacitans.

Isolationen kan ökas genom att använda både serie- och shuntkopplade dioder (c). Det här är den vanligaste konfigurationen. Isolationen styrs av den omvänt förspända seriekopplade diodens kapacitans och den förspända diodens motstånd. Utöver högre isolation skyddas mottagaren bättre genom två skyddsdioder. Sändarsidans införingsförlust är en funktion av den förspända seriekopplade diodens motstånd och den omvänt förspända shuntdiodens kapacitans.

En högeffektversion av högisolationsomkopplaren kan använda Skyworks Solutions SMP1302-085LF som lågkapacitans-PIN-diod och SMP1352-079LF som lågresistans-PIN-diod. Båda dioderna har en klassad genombrottsspänning på 200 volt. SMP1302-085LF har en klassad effektavledning på 3 W vilket innebär att den kan hantera upp till 50 W kontinuerlig våg (CW) som serieelement i T/R-omkopplaren. Dess omvänt förspända kapacitansen är endast 0,3 pikofarad (pF). SMP1352-079LF har en angiven effektavledning på 250 milliwatt (mW), vilket räcker mer än väl för shuntdioden i denna tillämpning. Dess seriekopplade framåtresistans är något lägre än den för SMP1302-085LF på 2 Ω vid 10 mA och 1 Ω vid 100 mA.

De styrande förspänningssignalerna – Bias 1 och Bias 2 – i alla topologier måste vara kompletterande och ska ändra status samtidigt. Switchningshastigheterna för båda diodtyperna är lägre än 1 mikrosekund (µs).

Högspännings-T/R-omkopplare skyddar ultraljudskretsar med låg spänning

Ultraljudstillämpningar inklusive oförstörande provning, ekolokalisering och medicinskt ultraljud kräver också T/R-omkopplare. Tekniken och komponenterna som används i dessa tillämpningar skiljer sig från de tidigare beskrivna RF-tillämpningarna. Dess tillämpningar använder en högspännings-T/R-omkopplare som skyddar känslig lågspänningselektronik från högspänningspulserna som används för att driva en ultraljudstransduktor (figur 7).

Figur 7: En typisk ultraljudstillämpning där en högspänningspuls tillämpas på en av de piezoelektriska transduktorerna. Mottagaren skyddas av en snabb T/R-omkopplare som känner av spänningsökningen och öppnas för att skydda mottagaringångarna. (Bildkälla: Microchip Technology)

Sändaren i en ultraljudstillämpning är direkt ansluten till en av de piezoelektriska transduktorerna. Sändarens utsignal är en högspänningspuls som driver transduktorn. Mottagaren är ansluten till samma transduktor genom en snabb spänningskänslig omkopplare med två poler. Omkopplaren i det här fallet är Microchip Technologys T/R-omkopplare MD0100N8-G för högspänning. Det här är en dubbelriktad strömbegränsande skyddsanordning med två anslutningar. MD0100 är normalt stängd, men när spänningen över enheten överskrider ±2 volt öppnas omkopplaren i cirka 20 nanosekunder (ns). Den öppna omkopplaren kan stå emot en spänning på upp till ±100 volt. I öppet läge går 200 µA ström genom omkopplaren som används för att känna av den fortsatta närvaron av högspänning. När högspänningen inte längre är pålagd, återgår omkopplaren till stängt läge. Dioderna som är anslutna omvänt mot varandra direkt efter kontakt B på mottagarsidan av MD0100 ger en väg för den här strömmen genom omkopplaren. Dessa dioder begränsar även spänningen till mottagaren till ±0,7 volt.

På-resistansen för MD0100 är typiskt sett 15 Ω. Den öppna omkopplarens kapacitans är en funktion av den tillförda spänningen. Den varierar från 12 pF för en spänning på 10 volt upp till 19 pF vid 100 volt.

Den här T/R-omkopplaren har fördelen att vara en enkel tvåpolig komponent som inte kräver en strömkälla.

Slutsats

Att växla en enskild antenn mellan sändning och mottagning medför utmaningar, men som visats kan rätt T/R-omkopplare eller duplexerare lösa problemet – såvida konstruktören förstår hur enheterna fungerar och väljer en lämplig T/R-arkitektur för dem.