Hoe u snel en veilig een antenne of transductor kunt schakelen tussen de zend- en ontvangstmodi?

Om vele redenen zijn ontwerpers van echo-afstandsapparatuur, zoals radar, sonar, nucleaire magnetische resonantie (NMR) of ultrasoon afstandsbereik, evenals mobiele telefoon- en satellietcommunicatie-infrastructuur vaak in een situatie waarin ze een gemeenschappelijke antenne of transductor moeten aansluiten op zowel een hoogvermogenzender als een gevoelige ontvanger. Dit vereist een methode om de antenne of de transductor tussen de twee apparaten te schakelen en tegelijkertijd voldoende demping te bieden om te voorkomen dat de hooggevoelige ontvangercomponenten door de hoogvermogenzender worden beschadigd. Bovendien moet de gedeelde antenne of transductor na een uitzending snel worden ingeschakeld, zodat de ontvanger de tijd heeft om de ontvangen RF- of ultrasone echo te verwerven en te meten.

Om dit te bereiken, kunnen ontwerpers gebruik maken van zend/ontvang (T/R)-schakelaars, ook wel duplexers genoemd. Deze zijn ontworpen om de taak van het snel schakelen van een antenne of transducer tussen een zender en een ontvanger aan te kunnen, terwijl ze de vereiste isolatie tussen de T/R-paden bieden. T/R-schakelaars zorgen ook voor het verzonden vermogen en bieden tegelijkertijd een laag ingangsverlies om verzwakking van het verzonden signaal te voorkomen en een vaste karakteristieke impedantie te behouden om signaalreflectie en -verlies te voorkomen. Om ze echter effectief te kunnen gebruiken, moeten ontwerpers eerst de werking en de belangrijkste kenmerken ervan begrijpen.

Er zijn verschillende technologieën beschikbaar voor de implementatie van T/R-schakelaars. In dit artikel worden twee hoofdtypen RF-circulatoren en PIN-diodeschakelaars besproken, evenals een type dat wordt gebruikt voor spanningsgevoelige toepassingen.

Elke technologie is afgestemd op specifieke toepassingen met voorbeeldapparaten van Skyworks Solutions Inc. en Microchiptechnologie.

Wat doet een zend- en ontvangstschakelaar?

De basis T/R-schakelaar verbindt een gemeenschappelijke antenne (in RF-toepassingen) of transductor (in ultrasone toepassingen) tussen een zender en een ontvanger (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een basis T/R-schakelaar is een enkelpolige, dubbele werpschakelaar die een gemeenschappelijke antenne of transductor verbindt met een zender of een ontvanger. (Bron afbeelding: DigiKey)

De schakelaar is over het algemeen een eenvoudige enkelpolige, dubbele worp (SPDT)-configuratie voor een enkele zender en ontvanger. Multi-zender/ontvanger-topologieën voegen extra polen toe aan de schakelaarconfiguratie. In de basisconfiguratie zijn er vier belangrijke ontwerpdoelen:

1. Ten eerste moet het vermogen van de schakelaar voldoende zijn om de uitgang van de zender zonder schade aan de schakelaar te kunnen verwerken.
2. Ten tweede moet het verlies tussen de zender en de antenne zo laag mogelijk zijn.
3. De derde eis is dat wanneer de schakelaar niet op de ontvanger is aangesloten, er voldoende isolatie is tussen de ingang van de ontvanger en de uitgang van de zender om schade aan de hooggevoelige ontvanger te voorkomen.
4. Tot slot moet de schakelsnelheid van de T/R-schakelaar snel genoeg zijn om aan de eisen van de toepassing te voldoen.

Circulator T/R-schakelaars

Een RF- of microgolfcirculator is een apparaat met drie poorten dat wordt gebruikt om de richting van de signaalstroom in RF-toepassingen te regelen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De schematische symbolen tonen een versie van een circulatiepomp met de wijzers van de klok mee (links) en tegen de wijzers van de klok in (rechts). Er is geen significante stroom in de omgekeerde richting van elke versie - een eigenschap die ze ideaal maakt als T/R-schakelaars. (Bron afbeelding: DigiKey)

In de versie met de wijzers van de klok mee van een circulatiepomp zoals weergegeven in Afbeelding 1, wordt een signaalinput op Poort 1 naar Poort 3 gestuurd, signalen van Poort 3 naar Poort 2 en een signaal van Poort 2 naar Poort 1. Circulatoren zijn niet-wederkerige apparaten, wat betekent dat er geen significante stroom in de omgekeerde richting is. In het getoonde voorbeeld is er bijvoorbeeld weinig of geen signaalstroom van Poort 3 terug naar Poort 1; van Poort 2 terug naar Poort 3; of Poort 1 terug naar Poort 2. Het is deze richtingsgebonden eigenschap die circulatiepompen ideaal maakt voor gebruik als T/R-schakelaars (duplexers). Op een vergelijkbare manier stuurt de versie van de circulatiepomp tegen de klok in signalen van Poort 1 naar Poort 2, van Poort 2 naar Poort 3 en van Poort 3 naar Poort 1. In beide gevallen is er zeer weinig signaaloverdracht in omgekeerde richting.

Circulatoren zijn passieve apparaten op basis van ferromagnetische effecten, dus ze zijn gedeeltelijk samengesteld uit gemagnetiseerde ferrietmaterialen. De drie-poort "Y-junction"-circulator is gebaseerd op de annulering van golven verspreid over twee verschillende paden in de buurt van een gemagnetiseerd ferrietmateriaal (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De fysieke structuur van een Y-junction-circulator omvat een symmetrische striplijnverbinding van de drie poorten, ferrietschijf, en een magnetisch veld (_HCIR), meestal geleverd door vaste permanente magneten. (Bron afbeelding: Skyworks Solutions)

De drie-poort, Y-junctionversie van een RF-circulator bestaat uit twee ferrietschijven, een aan elke kant van een striplijn drie-poortkruising. De werking van de circulator wordt verkregen door het ferrietelement in de axiale richting magnetisch te beïnvloeden met een intern statisch magnetisch veld van de juiste grootte, weergegeven als "_HCIR" in Afbeelding 3. De circulator kan werken in twee transversale magnetische modi van tegengestelde polarisatie. Onder de circulatietoestand zoals weergegeven in Afbeelding 3, creëren deze TM-modi op een specifiek toegepast veld een nul op Poort 3, die vervolgens wordt geïsoleerd, en wordt het vermogen van Poort 1 naar Poort 2 overgedragen. De stroom die binnenkomt bij Poort 2 verschijnt bij Poort 3, en zo verder, waardoor de circulatie-actie wordt gecreëerd. In dit geval is de actie tegen de klok in. De omlooprichting kan worden omgekeerd door de polariteit om te keren en de sterkte van het statische magneetveld aan te passen.

Het voordeel van het gebruik van een circulatiepomp in T/R-toepassingen is dat er niet geschakeld hoeft te worden; zowel de zender als de ontvanger zijn altijd aangesloten en de isolatie is het resultaat van de signaalfase-annulering.

Bij de uitvoering van een T/R-ontwerp met behulp van een circulatiepomp wordt de zenderuitgang op poort 1 toegepast. De antenne wordt aangesloten op poort 3 en de ontvanger op poort 2 (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Bij het aansluiten van een rechtsdraaiende circulatiepomp als T/R-schakelaar wordt de zenderuitgang op Poort 1 aangesloten, de antenne op Poort 3 en de ontvanger op Poort 2. (Bron afbeelding: DigiKey)

Een voorbeeld van een commerciële circulator die voldoet aan de eisen van een T/R-schakelaar is het Skyworks Solutions model SKYFR-000736. Deze 50 ohm (Ω) Y-junctioncirculattor kan T/R-schakelingen aan over het frequentiebereik van 791 tot 821 megahertz (MHz). Bedoeld voor draadloze infrastructuurtoepassingen en in staat om tot 200 watt (W) te verwerken, heeft het apparaat een bijzonder laag insteekverlies van 0,3 decibel (dB) tussen de zender en de antenne en een minimale isolatie van 22 dB. De SKYFR-000736-circulator is een relatief klein, opbouwbaar apparaat met een diameter van 28 millimeter (mm) en een hoogte van 10 mm. Omdat het een passief apparaat is, heeft het geen stroom nodig.

PIN-diodeschakelaars

PIN-diodes worden gebruikt als schakelaars of verzwakkers bij RF- en microgolffrequenties. Ze worden gevormd door een intrinsieke halfgeleiderlaag met een hoge weerstand tussen de P- en N-lagen van een conventionele diode te schuren. De nomenclatuur "PIN" geeft dus de structuur van de diode weer (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Een PIN-diode omvat een laag intrinsiek halfgeleidermateriaal dat tussen het P- en N-materiaal van de anode- en kathode-elektroden is geplaatst. (Bron afbeelding: DigiKey)

Er is geen lading opgeslagen in de intrinsieke laag van de onpartijdige of omgekeerde vooringenomen PIN-diode. Dit vertegenwoordigt de "uit"-toestand van het schakelen van toepassingen. Het inbrengen van de intrinsieke laag verhoogt de effectieve breedte van de uitputtingslaag van de diode, wat resulteert in een zeer lage capaciteit en hogere doorslagspanningen, die beide zeer goede eigenschappen hebben in een RF-schakelaar.

De doorlaatspanning resulteert in gaten en elektronen die in de intrinsieke laag worden ingespoten. Deze ladingdragers voegen zich na verloop van tijd weer samen. Deze tijd wordt de levensduur van de drager genoemd, t. Er is een gemiddelde opgeslagen lading, die de effectieve weerstand van de intrinsieke laag verlaagt tot een minimale weerstand, _RS. Dit is de "aan"-voorwaarde in een schakeltoepassing.

Een op PIN-gebaseerde T/R-schakelaar

De T/R-schakelaar op basis van de circulator is een smalbandschakelaar met een beperkt frequentiebereik. PIN-gebaseerde T/R-schakelaars kunnen worden geïmplementeerd met kwartgolf-transmissielijnen, wat ook resulteert in een beperkt frequentiebereik. Een voordeel van PIN-gebaseerde T/R-schakelaars is dat ze breedbandige ontwerpen kunnen maken, d.w.z. zonder gebruik te maken van frequentiegevoelige elementen. In dit artikel wordt de nadruk gelegd op de implementatie van breedband.

De basis T/R-schakelaar is een SPDT-configuratie en vereist een minimum van twee PIN-diodes voor de implementatie. De schakeltopologie kan de diodes parallel aan de zender en de ontvanger in een shunt diodeverbinding of in serie met de zender en de ontvanger gebruiken, evenals een combinatie van beide benaderingen (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Er worden drie T/R-schakeltopologieën getoond met behulp van PIN-diodes in serie (a), shunt (b) of serie-shuntconfiguraties (c). (Bron afbeelding: Skyworks Solutions)

De seriematige diodeconfiguratie (a) plaatst de PIN-diodes in serie tussen de gemeenschappelijke RF-antenne en de zender en ontvanger. Het insteekverlies tussen de zender en de antenne is afhankelijk van de serieweerstand van de voorwaartse gebogen diode. De isolatie tussen de zender en de ontvanger is afhankelijk van de restcapaciteit van de omgekeerde diode.

De shuntopstelling (b) heeft de diodes parallel aan de aansluitingen van de zender en de ontvanger. Isolatie is afhankelijk van de weerstand van de voorwaarts voorgespannen diode, terwijl het invoegverlies afhankelijk is van de capaciteit van de omgekeerde voorgespannen diode.

De isolatie kan worden verhoogd door gebruik te maken van zowel serie- als shuntgekoppelde diodes (c). Deze configuratie wordt het meest gebruikt. Isolatie wordt bepaald door de capaciteit van de omgekeerde voorgespannen seriediode en de weerstand van de voorwaarts voorgespannen shuntdiode. Naast een grotere isolatie is het inherent meer beschermend voor de ontvanger door het hebben van twee beschermende diodes. Het invoegverlies aan de zenderzijde is een functie van de weerstand van de voorwaarts voorgespannen seriediode en de capaciteit van de omgekeerde voorgespannen shuntdiode.

Een hoogvermogenversie van de hoogspanningsschakelaar zou de SMP1302-085LF van Skyworks Solutions kunnen gebruiken als lage capaciteitspindiode en de SMP1352-079LF als lage weerstandspindiode. Beide diodes hebben een nominale spanning van 200 volt. De SMP1302-085LF heeft een nominale vermogensdissipatie van 3 W waardoor hij tot 50 W continue golf (CW) kan verwerken als het serie-element in de T/R-schakelaar. Zijn omgekeerde capaciteit is slechts 0,3 picofarads (pF). De SMP1352-079LF heeft een gespecificeerde vermogensdissipatie van 250 milliwatt (mW), wat meer dan voldoende is voor de shunt diode in deze toepassing. De serie voorwaartse weerstand is iets minder dan die van de SMP1302-085LF bij 2 Ω bij 10 mA en 1 Ω bij 100 mA.

De controlerende bias-signalen - Bias 1 en Bias 2 - moeten in alle topologieën complementair zijn en tegelijkertijd van toestand veranderen. De schakelsnelheden voor beide diodetypen zijn minder dan 1 microseconde (µs).

Hoogspanning T/R-schakelaars beschermen de ultrasone laagspanningscircuits

Ultrasone toepassingen, waaronder niet-destructief onderzoek, echolocatie en medische ultrasound vereisen ook T/R-schakelaars. De techniek en de componenten die in deze toepassingen worden gebruikt, verschillen van de eerder beschreven RF-toepassingen. Deze toepassingen maken gebruik van een hoogspanning T/R-schakelaar die werkt om gevoelige laagspanningselektronica te beschermen tegen de hoogspanningspulssignalen die worden gebruikt om een ultrasone transductor aan te drijven (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Een typische ultrasone toepassing waarbij een hoogspanningspuls wordt toegepast op een van de piëzo-elektrische transductors. De ontvanger is beveiligd met een snelle T/R-schakelaar die de spanningsverhoging detecteert en opent om de ingangen van de ontvanger te beveiligen. (Afbeelding bron: Microchip Technology)

De zender in een ultrasone toepassing wordt rechtstreeks aangesloten op een van de piëzo-elektrische transducers. De zenderuitgang is een hoogspanningspuls die de transductor aandrijft. De ontvanger wordt op dezelfde transductor aangesloten via een snelle tweekleppige, spanningsgevoelige schakelaar. De schakelaar is in dit geval een Microchip Technologie MD0100N8-G hoogspannings-T/R-schakelaar. Dit is een twee-terminal, bi-directionele stroombegrenzende beveiliging. De MD0100 is normaal gesproken gesloten, maar wanneer de spanning over het apparaat meer dan ± 2 volt bedraagt, opent de schakelaar in ongeveer 20 nanoseconden (ns). De open schakelaar is bestand tegen een spanning tot ± 100 volt. In open toestand is er een 200 µA stroom door de schakelaar die gebruikt wordt om de blijvende aanwezigheid van de hoogspanning te detecteren. Zodra de hoogspanning niet meer wordt toegepast, keert de schakelaar terug naar de gesloten toestand. De diodes die op de ontvangerzijde van de MD0100 op een back-to-back manier zijn aangesloten op klem B, bieden een pad voor deze stroom via de schakelaar. Deze diodes klemmen ook de ingang van de ontvanger vast met ± 0,7 volt.

De aan-weerstand van de MD0100 is typisch 15 Ω. De capaciteit van de open schakelaar is een functie van de toegepaste spanning. Het varieert van 12 pF voor een spanning van 10 volt tot 19 pF bij 100 volt.

Deze T/R-schakelaar heeft het voordeel dat het een eenvoudige tweetermijncomponent is die geen stroombron nodig heeft.

Conclusie

Het schakelen van een enkele antenne tussen zend- en ontvangstmodi heeft zijn uitdagingen, maar zoals afgebeeld kan de juiste T/R-schakelaar, of duplexer, het probleem oplossen - ervan uitgaande dat de ontwerper begrijpt hoe de apparaten werken en hun T/R-architectuur op de juiste manier kiest.