Jak szybko i bezpiecznie przełączyć antenę lub przetwornik pomiędzy trybem nadawania i odbioru

Istnieje wiele przyczyn, które zmuszają projektantów urządzeń echolokacyjnych, np. radarów, sonarów, aparatów do magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) lub ultradźwiękowych, a także infrastruktury telefonii komórkowej i łączności satelitarnej, do podłączania tej samej anteny lub przetwornika do nadajnika dużej mocy i czułego odbiornika. Wymaga to odpowiedniej metody przełączania anteny lub przetwornika między tymi dwoma urządzeniami przy jednoczesnym zapewnieniu pomiędzy nimi stosownego tłumienia, aby wykluczyć uszkodzenie podzespołów wysokoczułego odbiornika przez nadajnik dużej mocy. Ponadto wspólna antena lub przetwornik wymagają szybkiego włączenia po przesłaniu sygnału, aby odbiornik miał czas na odebranie i pomiar dochodzącej częstotliwości lub echa ultradźwiękowego.

W tym celu projektanci mogą wykorzystać przełączniki nadawania/odbioru (T/R), znane również jako dupleksery. Służą one do szybkiego przełączania anteny lub przetwornika między nadajnikiem i odbiornikiem przy jednoczesnym zapewnieniu niezbędnej izolacji pomiędzy torami nadawczymi/odbiorczymi. Przełączniki nadawania/odbioru przenoszą również nadawaną moc, a jednocześnie gwarantują niską tłumienność, aby zapobiec tłumieniu nadawanego sygnału. Ponadto utrzymują stałą impedancję charakterystyczną, aby zapobiec odbiciom i stratom sygnału. Jednak aby z nich skutecznie korzystać, projektanci muszą wcześniej zrozumieć ich działanie i najważniejsze cechy.

Dostępnych jest kilka technologii wdrażania przełączników nadawania/obioru. Ten artykuł opisuje dwa podstawowe rodzaje przełączników: cyrkulatory radiowe i przełączniki oparte na diodach PIN, a także kolejny typ do zastosowań wrażliwych na napięcie.

Każdą technologię dopasowano do konkretnych zastosowań za pomocą przykładowych urządzeń firm Skyworks Solutions Inc. i Microchip Technology.

Jak działa przełącznik nadawania i odbioru?

Podstawowy przełącznik nadawania/odbioru łączy wspólną antenę (w zastosowaniach radiowych) lub przetwornik (w ultradźwiękowych) między nadajnikiem a odbiornikiem (ilustracja 1).

Ilustracja 1: podstawowy przełącznik nadawania/odbioru to urządzenie jednobiegunowe, dwupozycyjne, które łączy wspólną antenę lub przetwornik z nadajnikiem lub odbiornikiem. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Zwykle przełącznik ma prostą konfigurację jednobiegunową, dwupozycyjną (SPDT) dla pojedynczego nadajnika i odbiornika. Topologie obejmujące wiele nadajników/odbiorników rozszerzają tę konfigurację przełącznika o dodatkowe bieguny. W konfiguracji podstawowej istnieją cztery podstawowe wymogi w zakresie celów projektowych:

1. Po pierwsze: moc znamionowa przełącznika musi wystarczyć do obsługi wyjścia nadajnika bez uszkodzenia przełącznika.
2. Po drugie: należy zapewnić jak najmniejsze straty pomiędzy nadajnikiem i anteną.
3. Trzeci wymóg stanowi, aby w przypadku gdy przełącznik nie jest podłączony do odbiornika, wejście odbiornika było wystarczająco odizolowane od wyjścia nadajnika, aby zapobiec uszkodzeniu wysokoczułego odbiornika.
4. Na koniec: prędkość przełączania przełącznika nadawania/odbioru musi być wystarczająco duża, aby spełniać wymagania danego zastosowania.

Cyrkulatory nadawania/odbioru

Cyrkulator radiowy lub mikrofalowy to urządzenie z trzema portami służące do sterowania kierunkiem przepływu sygnału w zastosowaniach radiowych (ilustracja 2).

Ilustracja 2: symbole na schemacie przedstawiają cyrkulator o kierunku przepływu zgodnym (po lewej) i przeciwnym (po prawej) do ruchu wskazówek zegara. W żadnej z wersji nie zachodzi znaczący przepływ w kierunku odwrotnym; ta cecha sprawia, że cyrkulatory sprawdzają się doskonale jako przełączniki nadawania/odbioru. (Źródło ilustracji: DigiKey)

W wersji cyrkulatora działającego zgodnie z ruchem wskazówek zegara, którą przedstawia ilustracja 1, sygnał wejściowy w porcie 1 jest kierowany do portu 3; sygnały z portu 3 - do portu 2, a sygnał z portu 2 do portu 1. Cyrkulatory nie są urządzeniami zwrotnymi, co oznacza, że nie zachodzi w nich znaczący przepływ sygnału w kierunku odwrotnym. W pokazanym tutaj przykładzie przepływ sygnału z portu 3 z powrotem do portu 1, z portu 2 ponownie do portu 3 lub z portu 1 z powrotem do portu 2 jest niewielki lub w ogóle nie występuje. Właśnie ta cecha dotycząca kierunku przepływu sprawia, że cyrkulatory doskonale sprawdzają się jako przełączniki nadawania/odbioru (dupleksery). Podobnie cyrkulator działający przeciwnie do ruchu wskazówek zegara kieruje sygnały z portu 1 do portu 2, z portu 2 do portu 3 oraz z portu 3 do portu 1. W obu przypadkach występuje zaledwie śladowy przesył sygnału w kierunku odwrotnym.

Cyrkulatory to urządzenia pasywne, w których wykorzystuje się zjawisko ferromagnetyczne , dlatego zawierają namagnesowane materiały ferrytowe. Cyrkulator trzyportowy ze złączem typu Y działa na zasadzie znoszenia fal rozchodzących się po dwóch różnych torach w pobliżu namagnesowanego materiału ferrytowego (ilustracja 3).

Ilustracja 3: konstrukcja cyrkulatora ze złączem typu Y obejmuje symetryczne złącze paskowe z trzema portami, tarczę ferrytową oraz pole magnetyczne (H_CIR), zazwyczaj wytwarzane przez nieruchome magnesy stałe. (Źródło ilustracji: Skyworks Solutions)

Trzyportowy cyrkulator radiowy ze złączem typu Y składa się z dwóch tarcz ferrytowych, po jednej z każdej strony trzyportowego złącza paskowego. Działanie cyrkulatora polega na magnetycznym wychyleniu elementu ferrytowego w kierunku wzdłużnym za pomocą wewnętrznego, statycznego pola magnetycznego o odpowiedniej wielkości, oznaczonego na Ilustracji 3 jako „H_CIR”. Cyrkulator może działać w dwóch poprzecznych trybach magnetycznych o przeciwnej polaryzacji. W przypadku cyrkulacji przedstawionej na ilustracji 3, w określonym zastosowanym polu, tryby te wytwarzają wartość zero w porcie 3, który zostaje następnie odizolowany, a moc jest przekazywana z portu 1 do portu 2. Moc doprowadzona do portu 2 pojawia się w porcie 3, itd., co powoduje cyrkulację. W tym przypadku cyrkulator działa przeciwnie do kierunku wskazówek zegara. Kierunek cyrkulacji można zmienić przez odwrócenie biegunowości i odpowiednią regulację siły statycznego pola magnetycznego.

Zaletą cyrkulatora w zastosowaniach nadawania/odbioru jest to że nie zachodzi tu przełączanie; nadajnik i odbiornik są stale połączone, a izolacja wynika ze znoszenia fazowego sygnału.

W przypadku realizacji projektu nadawczo-odbiorczego z wykorzystaniem cyrkulatora, wyjście nadajnika podaje się do portu 1. Antenę podłącza się do portu 3, a odbiornik do portu 2 (ilustracja 4).

Ilustracja 4: W przypadku podłączenia cyrkulatora działającego zgodnie z ruchem wskazówek zegara w funkcji przełącznika nadawania/odbioru, wyjście nadajnika podłącza się do portu 1, antenę do portu 3, a odbiornik do portu 2. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Przykładem cyrkulatora komercyjnego, który zaspokoi potrzeby przełącznika nadawania/odbioru jest układ SKYFR-000736 firmy Skyworks Solutions. Ten cyrkulator o impedancji 50Ω (omów) ze złączem typu Y może obsługiwać przełączanie nadawania/odbioru w zakresie częstotliwości od 791 do 821MHz (megaherców). Urządzenie to jest przeznaczone do zastosowań w infrastrukturze bezprzewodowej i może obsłużyć moc nawet 200W (watów). Odznacza się szczególnie niską tłumiennością 0,3dB (decybela) między nadajnikiem i anteną oraz izolacją minimalną 22dB. Cyrkulator SKYFR-000736 to względnie niewielkie urządzenie do montażu powierzchniowego o średnicy 28mm (milimetrów) i wysokości 10mm. Jako urządzenie pasywne nie wymaga zasilania.

Przełączniki oparte na diodach PIN

Diody PIN są używane jako przełączniki lub tłumiki na częstotliwościach radiowych i mikrofalowych. Powstają one przez umieszczenie samoistnej warstwy półprzewodnikowej wysokiej oporności między warstwą akceptorową (P) i donorową (N) diody konwencjonalnej. Dlatego nazwa „PIN” obrazuje strukturę diody (ilustracja 5).

Ilustracja 5: dioda PIN składa się z warstwy samoistnej materiału półprzewodnikowego umieszczonej między warstwami P i N stanowiącymi odpowiednio anodę i katodę. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Dioda PIN nie przechowuje ładunku w warstwie wewnętrznej, niezależnie od polaryzacji. Reprezentuje to stan „wyłączenia” w zastosowaniach przełączania. Wprowadzenie warstwy wewnętrznej zwiększa efektywną szerokość warstwy zubożonej diody, co skutkuje bardzo niską pojemnością i wyższymi wartościami przepięcia. Obie cechy są bardzo korzystne w przełączniku radiowym.

Polaryzacja w kierunku przewodzenia skutkuje powstaniem dziur, a elektrony mogą przedostać się do warstwy samoistnej. Rekombinacja tych nośników ze sobą wymaga nieco czasu. Nazywa się to czasem życia nośników, t. Istnieje uśredniony magazynowany ładunek, który obniża efektywny opór warstwy samoistnej do minimalnego oporu, R_S. Reprezentuje to stan „włączenia” w zastosowaniach przełączania.

Przełącznik nadawania/odbioru na bazie diod PIN

Przełącznik nadawania/odbioru na bazie cyrkulatora to urządzenie wąskopasmowe o ograniczonym zakresie częstotliwości. Przełączniki nadawania/odbioru na bazie diod PIN można stosować w przypadku ćwierćfalowych linii przesyłowych, co również powoduje ograniczenie zakresu częstotliwości. Zaletą przełączników nadawania/odbioru opartych na diodach PIN jest to, że mogą mieć konstrukcję szerokopasmową, tzn. niezawierającą podzespołów wrażliwych na zmiany częstotliwości. W artykule skupimy się na wdrażaniu wariantu szerokopasmowego.

Podstawowy przełącznik nadawania/odbioru ma konfigurację SPDT, a jego realizacja wymaga przynajmniej dwóch diod PIN. W topologii przełącznika można zastosować diody umieszczone równolegle względem nadajnika i odbiornika w połączeniu z diodą bocznikującą lub szeregowo względem nadajnika i odbiornika, a także w wariancie stanowiącym połączenie obu rozwiązań (ilustracja 6).

Ilustracja 6: trzy topologie przełączników nadawania/odbioru wykorzystujące diody PIN w konfiguracji szeregowej (a), z diodą bocznikującą (b) lub szeregowej z diodą bocznikującą (c). (Źródło ilustracji: Skyworks Solutions)

W konfiguracji szeregowej (a) diody PIN umieszcza się szeregowo między wspólnym elementem radiowym (anteną) a nadajnikiem i odbiornikiem. Tłumienność między nadajnikiem a anteną zależy od rezystancji szeregowej diody o polaryzacji zgodnej z kierunkiem przewodzenia. Izolacja między nadajnikiem a odbiornikiem zależy od pojemności resztkowej diody o polaryzacji odwróconej.

Układ z diodą bocznikującą (b) oznacza montaż trzech diod równolegle do przyłączy nadajnika i odbiornika. Izolacja zależy od rezystancji diody o polaryzacji zgodnej z kierunkiem przewodzenia, a tłumienność od pojemności diody o polaryzacji odwróconej.

Izolację można zwiększać przez zastosowanie diod połączonych szeregowo i bocznikowo (c). Tę konfigurację stosuje się najczęściej. Izolację reguluje się pojemnością diody o odwróconej polaryzacji w połączeniu szeregowym, a rezystancję - diodą bocznikującą o polaryzacji zgodnej z kierunkiem przewodzenia. Oprócz zwiększonej izolacji zastosowanie dwóch diod zabezpieczających co do zasady stanowi lepszą ochronę dla odbiornika. Tłumienność po stronie nadajnika stanowi funkcję rezystancji diody w połączeniu szeregowym o polaryzacji zgodnej z kierunkiem przewodzenia, a pojemności - diody bocznikującej o odwróconej polaryzacji.

Przełącznik dużej mocy o wysokiej izolacji może korzystać z modelu SMP1302-085LF Skyworks Solutions w funkcji diody PIN o niskiej pojemności oraz z SMP1352-079LF jako diody PIN o niskiej rezystancji. Znamionowe napięcie przebicia obu diod wynosi 200V. Znamionowe straty mocy diody SMP1302-085LF wynoszą 3W, co umożliwia jej obsługę fali ciągłej (CW) do 50W przy zastosowaniu jako element szeregowy w przełączniku nadawania/odbioru. Pojemność diody przy polaryzacji wstecznej (zaporowej) wynosi zaledwie 0,3pF (pikofarada). Wyznaczona moc rozproszona diody SMP1352-079LF wynosi 250mW ( miliwatów). Wartość ta jest więcej niż odpowiednia dla diody bocznikującej w tym zastosowaniu. Przy polaryzacji zgodnej z kierunkiem przewodzenia rezystancja diody w połączeniu szeregowym jest nieco niższa niż modelu SMP1302-085LF i wynosi 2Ω przy 10mA i 1Ω przy 100mA.

Niezależnie od topologii sygnały sterujące biegunowością - Bias 1 i Bias 2 muszą się uzupełniać i jednocześnie zmieniać stan diody. Prędkość przełączania dla obu typów diod wynosi poniżej 1µs (mikrosekundy).

Wysokonapięciowe przełączniki nadawania/odbioru zabezpieczają niskonapięciowe obwody ultradźwiękowe

Zastosowania ultradźwiękowe, w tym badania nieniszczące, echolokacja i medyczne technologie ultradźwiękowe, również wymagają przełączników nadawania/odbioru. Używane tam techniki i podzespoły różnią się od zastosowań radiowych opisanych powyżej. W tych zastosowaniach wykorzystuje się wysokonapięciowy przełącznik nadawania/odbioru, który zapewnia ochronę czułych niskonapięciowych układów elektronicznych przed impulsowymi sygnałami wysokonapięciowymi stosowanymi do sterowania przetwornikiem ultradźwiękowym (ilustracja 7).

Ilustracja 7: standardowe zastosowanie ultradźwiękowe, w którym impuls wysokonapięciowy podaje się na jeden z przetworników piezoelektrycznych. Odbiornik jest zabezpieczony szybkim przełącznikiem nadawania/odbioru, który rozpoznaje wzrost napięcia i otwiera się w celu ochrony wejść odbiornika. (Źródło ilustracji: Microchip Technology)

Nadajnik w zastosowaniu ultradźwiękowym jest podłączany bezpośrednio do jednego z przetworników piezoelektrycznych. Sygnały wyjściowe nadajnika mają postać impulsów wysokonapięciowych, które sterują przetwornikiem. Odbiornik podłączony jest do tego samego przetwornika za pośrednictwem szybkiego, dwuzaciskowego przełącznika wrażliwego na napięcie. W tym przypadku jest to wysokonapięciowy przełącznik nadawania/odbioru MD0100N8-G firmy Microchip Technology. Jest to dwuzaciskowe, dwukierunkowe urządzenie zabezpieczające do ograniczania prądu. Przełącznik MD0100 jest rozwierny, ale w momencie, gdy napięcie w całym urządzeniu przekroczy ±2V, przełącznik otwiera się w ciągu około 20ns (nanosekund). Wyłącznik w stanie otwartym może wytrzymać napięcie do ±100V. W stanie otwartym przez przełącznik stosowany do wykrywania stałej obecności wysokiego napięcia przepływa prąd 200µA. Po zaniku wysokiego napięcia wyłącznik powraca do stanu zamkniętego. Diody połączone ze sobą na zacisku B po stronie odbiornika przełącznika MD0100 tworzą tor dla prądu przepływającego przez przełącznik. Ponadto diody te zamykają wejście do odbiornika na ±0,7V.

Rezystancja przełącznika MD0100 wynosi zwykle 15Ω. Pojemność wyłącznika w stanie otwartym stanowi funkcję doprowadzonego napięcia. Wartość ta waha się od 12pF dla napięcia 10V do 19pF dla 100V.

Zaletą przełącznika nadawania/odbioru jest to, że mamy do czynienia z prostym elementem dwustykowym, który nie wymaga źródła zasilania.

Podsumowanie

Przełączanie pojedynczej anteny między trybami nadawania i odbioru przysparza pewnych trudności, ale jak opisano tutaj, odpowiedni przełącznik nadawania/odbioru lub duplekser może rozwiązać te problemy, przy założeniu, że projektant rozumie specyfikę działania tych urządzeń i potrafi odpowiednio dobrać ich architekturę w zakresie nadawania/odbioru.