Schnelles und sicheres Umschalten einer Antenne oder eines Wandlers zwischen Sende- und Empfangsmodus

Aus vielen Gründen sind die Entwickler von Echolot-Geräten - wie Radar, Sonar, Kernspinresonanz (NMR) oder Ultraschallklingeln - sowie von Mobiltelefon- und Satellitenkommunikationsinfrastrukturen oft in der Situation, dass sie eine gemeinsame Antenne oder einen gemeinsamen Wandler sowohl an einen Hochleistungs-Sender als auch an einen empfindlichen Empfänger anschließen müssen. Dies erfordert eine Methode zum Umschalten der Antenne oder des Wandlers zwischen den beiden Geräten bei gleichzeitiger Bereitstellung einer angemessenen Dämpfung zwischen ihnen, um eine Beschädigung der hochempfindlichen Empfängerkomponenten durch den Hochleistungs-Sender zu verhindern. Zusätzlich muss die gemeinsam genutzte Antenne oder der Wandler nach einer Übertragung schnell zugeschaltet werden, um dem Empfänger Zeit zu geben, das empfangene HF- oder Ultraschallecho zu erfassen und zu messen.

Um dies zu erreichen, können Designer auf Sende-/Empfangsschalter (T/R) zurückgreifen, die auch als Duplexer bezeichnet werden. Diese sind so konzipiert, dass sie die Aufgabe der schnellen Umschaltung einer Antenne oder eines Wandlers zwischen einem Sender und einem Empfänger bewältigen und gleichzeitig die erforderliche Isolierung zwischen den T/R-Pfaden gewährleisten. T/R-Schalter verarbeiten auch die übertragene Leistung und bieten gleichzeitig eine geringe Einfügungsdämpfung, um eine Dämpfung des übertragenen Signals zu verhindern, und halten eine feste charakteristische Impedanz aufrecht, um Signalreflexion und -verlust zu verhindern. Um sie effektiv nutzen zu können, müssen die Designer jedoch zunächst ihre Funktionsweise und ihre wichtigsten Merkmale verstehen.

Für die Implementierung von T/R-Schaltern stehen mehrere Technologien zur Verfügung. Dieser Artikel befasst sich mit zwei Haupttypen - HF-Zirkulatoren und PIN-Diodenschalter - sowie mit einem Typ, der für spannungsempfindliche Anwendungen verwendet wird.

Jede Technologie ist auf spezifische Anwendungen mit Beispielgeräten von Skyworks Solutions Inc. und Microchip Technology abgestimmt.

Was macht ein Sende- und Empfangsschalter?

Der grundlegende T/R-Schalter verbindet eine gemeinsame Antenne (bei HF-Anwendungen) oder einen Wandler (bei Ultraschallanwendungen) zwischen Sender und Empfänger (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein einfacher T/R-Schalter ist ein Umschalter, der eine gemeinsam genutzte Antenne oder einen gemeinsam genutzten Wandler entweder mit einem Sender oder einem Empfänger verbindet. (Bildquelle: DigiKey)

Der Schalter ist in der Regel eine einfache einpolige, doppelseitige (SPDT) Konfiguration für einen einzigen Sender und Empfänger. Multi-Sender-/Empfängertopologien fügen der Schalterkonfiguration zusätzliche Pole hinzu. In der Grundkonfiguration gibt es vier wesentliche Anforderungen an das Designziel:

1. Erstens muss die Nennleistung des Schalters ausreichen, um den Senderausgang ohne Beschädigung des Schalters zu verarbeiten.
2. Zweitens muss der Verlust zwischen Sender und Antenne so gering wie möglich sein.
3. Die dritte Anforderung ist, dass, wenn der Schalter nicht an den Empfänger angeschlossen ist, eine ausreichende Isolierung zwischen dem Empfängereingang und dem Senderausgang vorhanden sein muss, um eine Beschädigung des hochempfindlichen Empfängers zu verhindern.
4. Schließlich muss die Schaltgeschwindigkeit des T/R-Schalters schnell genug sein, um den Anforderungen der Anwendung zu entsprechen.

Zirkulator als T/R-Schalter

Ein HF- oder Mikrowellenzirkulator ist ein Dreitor-Gerät, das zur Steuerung der Richtung des Signalflusses bei HF-Anwendungen verwendet wird (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die schematischen Symbole zeigen eine im Uhrzeigersinn (links) und gegen den Uhrzeigersinn (rechts) laufende Version eines Zirkulators. Es gibt keinen signifikanten Fluss in der umgekehrten Richtung jeder Version - eine Eigenschaft, die sie ideal als T/R-Schalter macht. (Bildquelle: DigiKey)

In der in Abbildung 1 dargestellten Rechtsausführung eines Zirkulators breitet sich ein an Port 1 eingegebenes Signal zu Port 3 aus; Signale von Port 3 breiten sich zu Port 2 aus; und ein Signal von Port 2 wird zu Port 1 übertragen. Zirkulatoren sind nicht reziproke Geräte, d.h. es gibt keinen signifikanten Fluss in der umgekehrten Richtung. In dem gezeigten Beispiel gibt es beispielsweise nur einen geringen oder gar keinen Signalfluss von Anschluss 3 zurück zu Anschluss 1, von Anschluss 2 zurück zu Anschluss 3 oder von Anschluss 1 zurück zu Anschluss 2. Es ist diese Richtungseigenschaft, die Zirkulatoren ideal für die Verwendung als T/R-Schalter (Duplexer) macht. In ähnlicher Weise leitet die Version mit Zirkulator gegen den Uhrzeigersinn Signale von Port 1 nach Port 2, Port 2 nach Port 3 und Port 3 nach Port 1. In beiden Fällen gibt es nur eine sehr geringe Signalübertragung in der umgekehrten Richtung.

Zirkulatoren sind passive Vorrichtungen, die auf ferromagnetischen Effekten basieren, weshalb sie teilweise aus magnetisierten Ferritmaterialien bestehen. Der Dreitor-"Y-Übergang"-Zirkulator basiert auf der Auslöschung von Wellen, die sich über zwei verschiedene Wege in der Nähe eines magnetisierten Ferritmaterials ausbreiten (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der physikalische Aufbau eines Zirkulators mit Y-Übergang umfasst einen symmetrischen Streifenleitungsübergang der drei Anschlüsse, eine Ferritscheibe und ein Magnetfeld (H_CIR), das normalerweise von festen Permanentmagneten gespeist wird. (Bildquelle: Skyworks Solutions)

Die Dreitor-Version eines HF-Zirkulators mit Y-Übergang besteht aus zwei Ferritscheiben, von denen sich jeweils eine auf jeder Seite eines Dreitor-Streifenverbindungsstücks befindet. Die Zirkulatorwirkung wird durch magnetische Vorspannung des Ferritelements in axialer Richtung mit einem internen statischen Magnetfeld geeigneter Größe erzielt, das in Abbildung 3 als "H_CIR" dargestellt ist. Der Zirkulator kann in zwei transversalen magnetischen Modi mit entgegengesetzter Polarisation arbeiten. Unter der in Abbildung 3 dargestellten Zirkulationsbedingung erzeugen diese TM-Modi bei einem bestimmten angelegten Feld eine Null an Port 3, die dann isoliert wird, und die Leistung wird von Port 1 nach Port 2 übertragen. Die an Port 2 eintretende Leistung erscheint an Port 3, und so weiter, wodurch die Zirkulatorwirkung entsteht. In diesem Fall erfolgt die Aktion gegen den Uhrzeigersinn. Die Zirkulationsrichtung kann durch Umkehrung der Polarität und Anpassung der Stärke des statischen Magnetfeldes umgekehrt werden.

Der Vorteil der Verwendung eines Zirkulators in T/R-Anwendungen besteht darin, dass kein Schalten erforderlich ist; sowohl der Sender als auch der Empfänger sind immer angeschlossen, und die Isolierung ist das Ergebnis der Signalphasenauslöschung.

Bei der Implementierung eines T/R-Designs unter Verwendung eines Zirkulators wird der Senderausgang an Port 1 angelegt. Die Antenne wird an Port 3 angeschlossen, und der Empfänger wird an Port 2 befestigt (Abbildung 4).

Abbildung 4: Beim Anschluss eines Zirkulators im Uhrzeigersinn als T/R-Schalter wird der Senderausgang an Port 1 angelegt, die Antenne an Port 3 angeschlossen und der Empfänger an Port 2 angeschlossen. (Bildquelle: DigiKey)

Ein Beispiel für einen kommerziellen Zirkulator, der die Anforderungen eines T/R-Schalters erfüllt, ist das Modell SKYFR-000736 von Skyworks Solutions. Dieser 50 Ohm (Ω) Y-Übergangs-Zirkulator kann T/R-Schaltvorgänge über den Frequenzbereich von 791 bis 821 Megahertz (MHz) verarbeiten. Das Gerät ist für drahtlose Infrastrukturanwendungen vorgesehen und kann bis zu 200 Watt (W) verarbeiten. Es hat eine bemerkenswert niedrige Einfügungsdämpfung von 0,3 Dezibel (dB) zwischen Sender und Antenne und eine minimale Isolierung von 22 dB. Der Zirkulator SKYFR-000736 ist ein relativ kleines, oberflächenmontierbares Gerät mit einem Durchmesser von 28 Millimetern (mm) und einer Höhe von 10 mm. Da es sich um ein passives Gerät handelt, benötigt es keinen Strom.

PIN-Diodenschalter

PIN-Dioden werden als Schalter oder Dämpfungsglieder bei HF- und Mikrowellenfrequenzen verwendet. Sie werden gebildet, indem eine intrinsische Halbleiterschicht mit hohem Widerstand zwischen die P-Typ- und N-Typ-Schichten einer herkömmlichen Diode gelegt wird. Daher spiegelt die Nomenklatur "PIN" die Struktur der Diode wider (Abbildung 5).

Abbildung 5: Eine PIN-Diode besteht aus einer Schicht aus intrinsischem Halbleitermaterial, die zwischen dem P- und N-Material der Anoden- bzw. Kathodenelektroden angeordnet ist. (Bildquelle: DigiKey)

Es wird keine Ladung in der intrinsischen Schicht der vorspannungsfreien oder umgekehrt vorgespannten PIN-Diode gespeichert. Dies stellt den "Aus"-Zustand von Schaltanwendungen dar. Durch das Einfügen der intrinsischen Schicht wird die effektive Breite der Verarmungsschicht der Diode vergrößert, was zu einer sehr niedrigen Kapazität und höheren Durchbruchspannungen führt, beides sehr gute Eigenschaften in einem HF-Schalter.

Wenn Durchlassspannung anliegt, werden Löcher und Elektronen in die intrinsische Schicht injiziert. Diese Träger benötigen eine gewisse Zeit, um sich neu anzuordnen. Diese Zeit wird als Träger-Lebensdauer t bezeichnet. Es gibt eine gemittelte gespeicherte Ladung, die den effektiven Widerstand der intrinsischen Schicht auf einen Mindestwiderstand, R_S, senkt. Dies ist der "Ein"-Zustand in einer Schaltanwendung.

Ein PIN-basierter T/R-Schalter

Der auf einem Zirkulator basierende T/R-Schalter ist ein schmalbandiger Schalter mit einem eingeschränkten Frequenzbereich. PIN-basierte T/R-Schalter können mit Viertelwellen-Übertragungsleitungen implementiert werden, was ebenfalls zu einem begrenzten Frequenzbereich führt. Ein Vorteil der PIN-basierten T/R-Schalter ist, dass sie breitbandig, d.h. ohne frequenzempfindliche Elemente, ausgeführt werden können. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Breitband-Implementierung.

Der grundlegende T/R-Schalter ist eine SPDT-Konfiguration und erfordert mindestens zwei PIN-Dioden für die Implementierung. Die Schalttopologie kann die Dioden parallel zu Sender und Empfänger in einer Shunt-Dioden-Verbindung oder in Reihe mit Sender und Empfänger sowie eine Kombination beider Ansätze verwenden (Abbildung 6).

Abbildung 6: Gezeigt sind drei T/R-Schalter-Topologien mit PIN-Dioden in Serien- (a), Shunt- (b) oder Serien-Shunt-Konfigurationen (c). (Bildquelle: Skyworks Solutions)

Bei der Seriendioden-Konfiguration (a) werden die PIN-Dioden zwischen dem HF-Common (Antenne) und dem Sender und Empfänger in Reihe geschaltet. Die Einfügungsdämpfung zwischen Sender und Antenne hängt vom Serienwiderstand der vorwärts gepolten Diode ab. Die Isolierung zwischen Sender und Empfänger hängt von der Restkapazität der in Sperrrichtung vorgespannten Diode ab.

Bei der Shunt-Anordnung (b) sind die Dioden parallel zu den Sender- und Empfängeranschlüssen angeordnet. Die Isolation ist vom Widerstand der in Durchlassrichtung vorgespannten Diode abhängig, während die Einfügungsdämpfung von der Kapazität der in Sperrichtung vorgespannten Diode abhängt.

Die Isolierung kann sowohl durch die Verwendung von in Reihe geschalteten als auch von im Nebenschluss geschalteten Dioden erhöht werden (c). Diese Konfiguration ist die am häufigsten verwendete. Die Isolation wird durch die Kapazität der in Sperrichtung vorgespannten Seriendiode und den Widerstand der in Durchlassrichtung vorgespannten Shuntdiode bestimmt. Neben der größeren Isolierung bietet sie durch zwei Schutzdioden von Natur aus einen besseren Schutz für den Empfänger. Die Einfügungsdämpfung auf der Senderseite ist eine Funktion des Widerstands der vorwärts vorgespannten Seriendiode und der Kapazität der rückwärts vorgespannten Shuntdiode.

Eine Hochleistungsversion des Hochisolierungsschalters könnte den SMP1302-085LF von Skyworks Solutions als PIN-Diode mit niedriger Kapazität und den SMP1352-079LF als PIN-Diode mit niedrigem Widerstand verwenden. Beide Dioden sind mit Durchbruchspannungen von 200 Volt ausgelegt. Der SMP1302-085LF hat eine Nennverlustleistung von 3 W, so dass er als Serienelement im T/R-Schalter bis zu 50 W Dauerstrich (CW) verarbeiten kann. Seine Kapazität in Sperrrichtung beträgt nur 0,3 Picofarad (pF). Der SMP1352-079LF hat eine spezifizierte Verlustleistung von 250 Milliwatt (mW), die für die Shunt-Diode in dieser Anwendung mehr als ausreichend ist. Sein Serien-Durchlasswiderstand ist etwas geringer als der des SMP1302-085LF bei 2 Ω bei 10 mA und 1 Ω bei 100 mA.

Die steuernden Vorspannungssignale - Bias 1 und Bias 2 - müssen in allen Topologien komplementär sein und ihren Zustand gleichzeitig ändern. Die Schaltgeschwindigkeiten für beide Diodentypen liegen unter 1 Mikrosekunde (µs).

Hochspannungs-T/R-Schalter schützen Niederspannungs-Ultraschallkreise

Ultraschallanwendungen einschließlich zerstörungsfreier Prüfung, Echolokalisierung und medizinischer Ultraschall erfordern ebenfalls T/R-Schalter. Die Technik und die Komponenten, die in diesen Anwendungen verwendet werden, unterscheiden sich von den zuvor beschriebenen HF-Anwendungen. Bei diesen Anwendungen wird ein Hochspannungs-T/R-Schalter verwendet, der die empfindliche Niederspannungselektronik vor den Hochspannungsimpulssignalen schützt, die zur Ansteuerung eines Ultraschallwandlers verwendet werden (Abbildung 7).

Abbildung 7: Eine typische Ultraschallanwendung, bei der ein Hochspannungsimpuls an einen der piezoelektrischen Wandler angelegt wird. Der Empfänger ist durch einen schnellen T/R-Schalter geschützt, der den Spannungsanstieg erfasst und zum Schutz der Empfängereingänge öffnet. (Bildquelle: Microchip Technology)

Bei einer Ultraschallanwendung wird der Sender direkt an einen der piezoelektrischen Wandler angeschlossen. Der Senderausgang ist ein Hochspannungsimpuls, der den Wandler antreibt. Der Empfänger ist über einen schnellen, spannungsempfindlichen Schalter mit zwei Anschlüssen an denselben Wandler angeschlossen. Der Schalter ist in diesem Fall der Hochspannungs-T/R-Schalter MD0100N8-G von Microchip Technology. Es handelt sich um eine zweipolige, bidirektionale strombegrenzende Schutzvorrichtung. Der MD0100 ist normalerweise geschlossen, aber wenn die Spannung über dem Gerät ±2 Volt übersteigt, öffnet sich der Schalter in etwa 20 Nanosekunden (ns). Der offene Schalter kann einer Spannung von bis zu ±100 Volt standhalten. Im geöffneten Zustand fließt ein Strom von 200 µA durch den Schalter, der zur Erkennung des weiteren Vorhandenseins der Hochspannung verwendet wird. Sobald die Hochspannung nicht mehr anliegt, kehrt der Schalter wieder in den geschlossenen Zustand zurück. Die Dioden, die an der Klemme B auf der Empfängerseite des MD0100 Rücken an Rücken angeschlossen sind, stellen einen Pfad für diesen Strom durch den Schalter zur Verfügung. Diese Dioden klemmen auch den Eingang zum Empfänger bei ±0,7 Volt.

Der On-Widerstand des MD0100 beträgt typischerweise 15 Ω. Die Kapazität des offenen Schalters ist eine Funktion der angelegten Spannung. Sie variiert von 12 pF bei einer Spannung von 10 Volt bis zu 19 pF bei 100 Volt.

Dieser T/R-Schalter hat den Vorteil, dass er eine einfache Komponente mit zwei Anschlüssen ist, die keine Stromquelle benötigt.

Fazit

Das Umschalten einer einzelnen Antenne zwischen Sende- und Empfangsmodus hat seine Herausforderungen, aber wie gezeigt, kann der richtige T/R-Umschalter oder Duplexer das Problem lösen - vorausgesetzt, der Konstrukteur versteht, wie die Geräte funktionieren und wählt ihre T/R-Architektur entsprechend aus.