Przełączniki nadawanie-odbiór do aplikacji radiowych i ultradźwiękowych

| Technika

W wielu aplikacjach radiowych do nadawania i odbioru wykorzystywana jest pojedyncza i ta sama antena. Transceivery radiowe, radary, radiolinie, bardzo często mają antenę podłączoną na stałe zarówno do nadajnika w.cz. dużej mocy, jak i czułego odbiornika. Gdy częstotliwości nadawania i odbioru są różne, do zapewnienia poprawnej pracy wystarczy specjalny filtr (diplekser), niemniej gdy urządzenie działa na jednej częstotliwości wymaga to opanowania metod przełączania anteny między nadajnikiem i odbiornikiem przy zapewnieniu jednocześnie odpowiednio dużego tłumienia między nimi, aby zapobiec uszkodzeniu elementów wejściowych odbiornika o wysokiej czułości przez nadajnik dużej mocy. Dodatkowo, przełączenie po zakończeniu transmisji anteny musi następować szybko, aby dać odbiornikowi czas na odbiór całej ramki sygnału lub echa sygnału nadajnika.

Przełączniki nadawanie-odbiór do aplikacji radiowych i ultradźwiękowych

Aby to osiągnąć, projektanci używają przełączników nadawanie-odbiór (T/R), zwanych również duplekserami. Umożliwiają one szybkie przełączanie anteny lub przetwornika ultradźwiękowego między nadajnikiem i odbiornikiem, zapewniając jednocześnie wymaganą izolację między obwodami. Przełączniki takie muszą być zdolne do przenoszenia dużych mocy, oferując jednocześnie niskie straty wtrąceniowe, aby zapobiec tłumieniu przesyłanego sygnału i utrzymywać stałą impedancję charakterystyczną, aby nie było odbić i strat. Jednak, aby efektywnie z nich korzystać, projektanci muszą najpierw zrozumieć ich działanie i kluczowe cechy.

Dostępnych jest kilka technologii realizacji przełączników nadawanie-odbiór. W tym artykule omówione zostały dwa główne typy – cyrkulatory w.cz. (RF) i rozwiązania z diodami PIN. Przykładowe aplikacje prezentujemy w oparciu o produkty firm Skyworks Solutions i Microchip Technology.

Do czego służy przełącznik nadawanie-odbiór?

 
Rys. 1. Podstawowa wersja przełącznika T/R to ma jedno wejście (jeden biegun) i dwa wyjścia (SPDT), które łączą antenę lub przetwornik ultradźwiękowy z nadajnikiem i odbiornikiem

Podstawowy przełącznik nadawanie-odbiór dołącza wspólną antenę (w zastosowaniach radiowych) lub przetwornik (w zastosowaniach ultradźwiękowych) do nadajnika i odbiornika (rys. 1).

Przełącznik ma zwykle prostą konfigurację z jednym biegunem i podwójnym wyjściem (SPDT), ale są też na rynku elementy bardziej rozbudowane. Dla podstawowej konfiguracji można sprecyzować cztery kluczowe wymagania. Po pierwsze, moc znamionowa przełącznika musi być wystarczająca do obsługi nadajnika bez ryzyka uszkodzenia. Po drugie, straty między nadajnikiem a anteną muszą być jak najmniejsze, a po trzecie musi być zapewniona wystarczająca izolacja między wejściem odbiornika a wyjściem nadajnika, aby zapobiec uszkodzeniu głowicy wejściowej. Wreszcie szybkość przełączania musi być wystarczająco duża, aby spełnić wymagania aplikacji.

Cyrkulatory

Cyrkulator w.cz. lub mikrofalowy to trzyportowy element pasywny służący do sterowania kierunkiem przepływu sygnału w aplikacjach RF (rys. 2).

 
Rys. 2. Schemat pokazuje cyrkulator z prawym oraz lewym kierunkiem cyrkulacji. Nie ma znaczącego przepływu w odwrotnym kierunku dla każdej wersji – to ważna cecha, która czyni te elementy idealnymi przełącznikami nadawanie-odbiór

W prawokierunkowej wersji cyrkulatora pokazanej na rys 2a sygnał wejściowy z portu 1 propaguje do portu 3. Sygnał z portu 3 propaguje się do portu 2, a sygnał z portu 2 jest przesyłany do portu 1. Cyrkulatory są elementami jednokierunkowymi, co oznacza, że nie ma znaczącego przepływu do tyłu. Na przykład w pokazanym przykładzie transmisja z portu 3 z powrotem do 1 jest niewielka lub żadna. Podobnie jest z kierunkiem z 2 do 3 lub z 1 do 2. Ta właściwość kierunkowa sprawia, że cyrkulatory idealnie nadają się do pracy jako przełączniki T/R (dupleksery).

Cyrkulatory są elementami pasywnymi wykorzystującymi materiały ferromagnetyczne i magnesy stałe. Cyrkulator z trzema portami (trójwrotnik) "typ Y" wykorzystuje zjawisko eliminacji fal rozpraszanych na dwie różne ścieżki umieszczone w pobliżu namagnesowanego materiału ferrytowego (rys. 3).

 
Rys. 3. Struktura fizyczna cyrkulatora z przyłączem Y zawiera symetryczną linię paskową łączącą trzy porty, dysk ferrytowy i magnes dostarczający stałego pola magnetycznego (HCIR)

Trzyportowa wersja cyrkulatora w.cz. ("Y") składa się z dwóch dysków ferrytowych, po jednym umieszczonym po każdej stronie linii mikropaskowej łączącej złącza. Cyrkulację uzyskuje się poprzez magnesowanie elementu ferrytowego w kierunku osiowym za pomocą statycznego pola magnetycznego o odpowiedniej wielkości, pokazanego jako "HCIR" na rysunku 3. Cyrkulator może pracować w dwóch trybach o przeciwnej polaryzacji. W warunkach cyrkulacji pokazanych na rysunku 3, w określonym polu tryby te tworzą zero w porcie 3, który jest następnie izolowany, a energia jest przenoszona z portu 1 do portu 2. Sygnał wchodzący do portu 2 pojawia się w porcie 3 i tak dalej, tworząc cyrkulację. W takim przypadku akcja jest odwrotna do ruchu wskazówek zegara. Kierunek obrotu można odwrócić poprzez odwrócenie biegunowości stałego pola magnetycznego zapewniającego polaryzację.

Zaletą stosowania cyrkulatora w aplikacjach jest to, że nie jest tu wymagane przełączanie. Zarówno nadajnik, jak i odbiornik są zawsze podłączone, a izolacja jest wynikiem wygaszania fazowego sygnału. Zazwyczaj wyjście nadajnika jest podłączane do portu 1, antena do portu 3, a odbiornik do portu 2 (rys. 4).

 
Rys. 4. Dla cyrkulatora prawokierunkowego działającego jako przełącznik nadawanie-odbiór, wyjście nadajnika jest łączone do portu 1, antena do portu 3, a odbiornik do 2

Przykładem komercyjnego cyrkulatora do takich zastosowań jest SKYFR-000736 firmy Skyworks Solutions. Jest to element typu Y o impedancji 50 Ω i paśmie pracy zakresie częstotliwości od 791 do 821 MHz. Domyślne aplikacje obejmują urządzenia infrastruktury dla komunikacji bezprzewodowej o mocy wyjściowej do 200 W i ma małe straty wtrąceniowe wynoszące tylko 0,3 dB między nadajnikiem i anteną oraz minimalną izolację 22 dB. Cyrkulator SKYFR-000736 jest stosunkowo małym elementem do montażu powierzchniowego o średnicy 28 mm i wysokości 10 mm. Jest elementem pasywnym, a więc nie wymaga zasilania.

Przełączniki z diodami PIN

Diody PIN są używane jako przełączniki lub tłumiki sygnałów na częstotliwościach radiowych i mikrofalowych. Są one wytwarzane przez umieszczenie wewnętrznej warstwy półprzewodnikowej o wysokiej rezystywności między warstwami złącza typu P i typu N jak w zwykłej diodzie. W rezultacie oznaczenie "PIN" odzwierciedla strukturę takiej diody (rys. 5).

 
Rys. 5. Dioda PIN zawiera wewnętrzną warstwę materiału półprzewodnikowego, która jest umieszczona w środku złącza P-N

W wewnętrznej warstwie bez domieszek "I" przy polaryzacji zaporowej nie jest gromadzony żaden ładunek. Jest to stan "wyłączony" w aplikacji przełącznika. Wprowadzenie warstwy wewnętrznej zwiększa efektywną szerokość warstwy zubożającej złącze diody, co zapewnia bardzo małą pojemność i wyższe napięcia przebicia, które są cechami bardzo dobrego przełącznika w.cz.

Polaryzacja w kierunku przewodzenia powoduje wstrzykiwanie dziur i elektronów w wewnętrzną warstwę złącza. Nośniki te potrzebują czasu, aby zrekombinować i ten czas jest nazywany czasem życia nośników "t". Ten ładunek obniża efektywny opór wewnętrznej warstwy "I" do minimalnej wartości RS. Stan taki odpowiada załączeniu przełącznika.

Przełącznik nadawanie-odbiór na cyrkulatorze jest wąskopasmowy, a więc o ograniczonym zakresie częstotliwości pracy. Podobnie jest w przypadku przełączników na diodzie PIN zintegrowanych z ćwierćfalowymi liniami transmisyjnymi. To połączenie również skutkuje ograniczonym zakresem częstotliwości. Ale w innych rozwiązaniach są to konstrukcje szerokopasmowe.

Podstawowy przełącznik ma konfigurację typu SPDT i wymaga użycia co najmniej dwóch diod PIN. Gdy wymagania co do przenoszonej mocy lub izolacji są duże, można używać diod połączonych równolegle w nadajniku i szeregowo w odbiorniku i dowolnych innych kombinacji (rys. 6).

 
Rys. 6. Trzy topologie przełączników T/R z wykorzystaniem diod PIN w konfiguracji szeregowej (a), równoległej (b) lub szeregowo-równoległej (c)

Konfiguracja szeregowa zawiera diody PIN między portem wspólnym (anteną) a nadajnikiem i odbiornikiem. Strata sygnału między nadajnikiem a anteną zależy od rezystancji diody w kierunku przewodzenia, z kolei izolacja między nadajnikiem a odbiornikiem zależy od pojemności złącza diody w polaryzacji zaporowej.

Układ równoległy (bocznikowy) zawiera diody blokujące do masy wejścia nadajnika i odbiornika. Izolacja zależy tutaj od rezystancji diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia, natomiast straty wtrąceniowe zależą od pojemności diody spolaryzowanej wstecznie.

Stopień izolacji można zwiększyć, stosując układ z połączeniem szeregowo-równoległym (c). W praktyce ta konfiguracja jest najczęściej używana. Izolacja jest ustalana przez wartość pojemności diody szeregowej spolaryzowanej wstecznie i rezystancję przewodzącej diody równoległej. Oprócz większej izolacji, układ taki jest z natury bardziej bezpieczny dla odbiornika. Strata wtrąceniowa jest funkcją rezystancji przewodzącej diody szeregowej i pojemności diody równoległej spolaryzowanej zaporowo.

Wersja przełącznika o wysokiej izolacji i jednocześnie o dużej mocy może zostać zbudowana z użyciem diody o małej pojemności SMP1302-085LF firmy Skyworks Solutions i SMP1352-079LF jako diody PIN o małej rezystancji. Obie mają napięcie znamionowe 200 V, SMP1302- 085LF pozwala na obciążenie cieplne mocą 3 W, co pozwala obsłużyć nadajnik o mocy do 50 W fali ciągłej (CW). Jej pojemność własna wynosi tylko 0,3 pF. SMP1352-079LF pozwala na obciążenie cieplne do 250 mW, co jest więcej niż wystarczającą wartością dla diody bocznikowej w tej aplikacji. Jej rezystancja przewodzenia jest nieco mniejsza niż dla SMP1302-085LF i wynosi 2 Ω przy 10 mA i 1 Ω przy 100 mA.

Sygnały sterujące (polaryzujące) Bias 1 i Bias 2 we wszystkich konfiguracjach muszą zachować komplementarność poziomów i dużą szybkość zmiany stanu. Prędkości przełączania dla obu typów diod są mniejsze niż 1 μs.

Wysokonapięciowe przełączniki T/R chronią układy ultradźwiękowe

Zastosowania ultradźwiękowe, w tym badania nieniszczące, lokalizacje z użyciem echa i aplikacje medyczne również wymagają użycia przełączników nadawanie-odbiór. W tych zastosowaniach używane są inne rozwiązania układowe i podzespoły. Aplikacje wykorzystują przełączniki wysokonapięciowe, który chronią wrażliwą elektronikę niskonapięciową przed oddziaływaniem impulsów wysokiego napięcia podawanych do przetwornika ultradźwiękowego w nadajniku fal dźwiękowych (rys. 7).

 
Rys. 7. Typowa aplikacja ultradźwiękowa, w której do jednego z przetworników piezoelektrycznych podawany jest wysokonapięciowy sygnał impulsowy. Obwody odbiornika są chronione przez szybki przełącznik T/R, który wykrywa wzrost napięcia i aktywuje się, aby chronić wejście odbiornika

Do nadajnika w aplikacji ultradźwiękowej przetwornik piezoelektryczny jest dołączony bezpośrednio, a sygnał wejściowy to w rzeczywistości impuls wysokiego napięcia. Obwody odbiornik są podłączone do tego samego przetwornika za pomocą szybkiego dwubiegunowego dwukierunkowego przełącznika czułego na poziom napięcia. MD0100 jest normalnie zamknięty, ale gdy napięcie na wejściu przekracza ±2 V, otwiera się on po około 20 ns. Otwarty przełącznik może wytrzymać napięcie do ±100 V przy czym do podtrzymania otwarcia pobierany jest prąd 200 μA. Gdy wysokie napięcie zaniknie, przełącznik wraca do stanu zamkniętego. Diody połączone równolegle do zacisku B po stronie odbiornika MD0100 zapewniają ścieżkę dla tego prądu przez przełącznik. Te diody również ograniczają napięcie na wejściu do odbiornika do ±0,7 V. Rezystancja załączonego MD0100 wynosi zwykle 15 Ω. Pojemność otwartego przełącznika jest funkcją przyłożonego napięcia i wynosi od 12 pF dla 10 V do 19 pF przy 100 V. Zaletą takiego przełącznika jest to, że jest prostym komponentem z dwoma zaciskami i nie wymaga źródła zasilania.

Wnioski

Przełączanie anteny między nadawaniem i odbiorem nie jest proste, ale jak pokazano, za pomocą cyrkulatora lub diod PIN można osiągnąć dobre rezultaty.

 

 

 

Rolf Horn

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie