Slik bytter du raskt og trygt en antenne eller transduser fra sende- til mottaksmodus

Konstruktører av enheter for ekkopeiling – som radar, sonar, kjernemagnetisk resonans (NMR) eller ultralydområder – samt mobiltelefon- og kommunikasjonsinfrastruktur via satellitt er ofte i en situasjon hvor de må koble en vanlig antenne eller transduser til både en høyeffektssender og en sensitiv mottaker. Dette krever en metode for å koble om (vende) antennen eller transduseren mellom de to enhetene, samtidig som det gir tilstrekkelig demping mellom dem for å hindre skade på høysensitive mottakerkomponenter fra høyeffektssenderen. I tillegg må den delte antennen eller transduseren raskt kobles inn etter en overføring for å gi mottakeren tid til å finne og måle det mottatte RF- eller ultralyd-ekkoet.

Konstruktører kan slå av sender/mottaker-vendere (T/R), også kalt dupleksere, for å få til dette. Disse er konstruert for å håndtere oppgaven å raskt koble om (vende) en antenne eller en transduser mellom en sender og en mottaker, samtidig som de gir den nødvendige isoleringen mellom T/R-banene. T/R-vendere håndterer også den overførte effekten, samtidig som de gir lav innskuddsdempning for å hindre demping av det overførte signalet, og opprettholder en fast karakteristisk impedans for å forhindre signalrefleksjon og -tap. Men for å bruke dem på en effektiv måte, må konstruktørene først forstå driften og de viktigste egenskapene.

Det er flere teknologier tilgjengelig for implementering av T/R-vendere. Denne artikkelen ser på to hovedtyper – RF-sirkulatorer og PIN-diodevendere – samt en type som brukes i spenningssensitive utrustninger.

Hver teknologi samsvares med bestemte bruksområder med eksempelenheter fra Skyworks Solutions Inc. og Microchip Technology.

Hva gjør en T/R-vender?

Den grunnleggende T/R-venderen kobler en vanlig antenne (i RF-applikasjoner) eller transduser (i ultralydutrustninger) mellom en sender og en mottaker (figur 1).

Figur 1: En grunnleggende T/R-vender er en enpolet toveis vender som kobler en vanlig antenne eller transduser til enten en sender eller mottaker. (Bildekilde: DigiKey)

Venderen er vanligvis en enpolet toveis (SPDT) konfigurasjon for én sender og mottaker. Flersender-/mottakertopologier tilfører ekstra poler til venderkonfigurasjonen. I den grunnleggende konfigurasjonen er det fire viktige krav til konstruksjonen:

1. Først må den nominelle effekten til venderen være tilstrekkelig til å håndtere sendereffekten uten å skade venderen.
2. For det andre må tapet mellom senderen og antennen være så lav som mulig.
3. Det tredje kravet er at når venderen ikke er koblet til mottakeren, må det finnes tilstrekkelig isolering mellom mottakerinngangen og senderutgangen for å hindre skade på høysensitivmottakeren.
4. Til slutt må vekslingshastigheten for T/R-venderen være rask nok til å samsvare med kravene i utrustningen.

T/R-vendere for sirkulator

En RF- eller mikrobølgesirkulator er en treportsenhet som brukes til å styre retningen til signalflyten i RF-utrustninger (figur 2).

Figur 2: Skjemasymbolene viser en versjon av sirkulatoren med klokken (venstre) og mot klokken (høyre). Det finnes ingen betydelig flyt i motsatt retning av hver versjon – en egenskap som gjør at de er ideelle som T/R-vendere. (Bildekilde: DigiKey)

I versjonen av sirkulatoren som er med klokken, vist i figur 1, overføres signalinngangen ved port 1 til port 3. Signaler fra port 3 overføres til port 2, og et signal fra port 2 overføres til port 1. Sirkulatorer er ikke-omvendte enheter, noe som betyr at det ikke finnes noen betydelig flyt i bakoverretning. I det viste eksempelet er det for eksempel lite eller ingen signalflyt fra port 3 tilbake til port 1, fra port 2 tilbake til port 3 eller fra port 1 tilbake til port 2. Det er denne retningsbestemte egenskapen som gjør at sirkulatorer er ideelle for bruk som T/R-vendere (duplekser). På en lignende måte vil sirkulatoren som går mot klokken, dirigere signaler fra port 1 til port 2, fra port 2 til port 3 og fra port 3 til port 1. I begge tilfeller er det svært lite signaloverføring i motsatt retning.

Sirkulatorer er passive enheter basert på ferromagnetiske effekter, så de er delvis sammensatt av magnetisk ferritmateriale. Treporters Y-forgreiningssirkulatoren er basert på kansellering av bølger som er spredt over to forskjellige baner i nærheten av magnetisert ferritmateriale (figur 3).

Figur 3: Den fysiske strukturen til en Y-forgreiningssirkulator inkluderer en symmetrisk båndbølgelederkobling med tre porter, en ferrittplate og et magnetfelt (H_CIR), vanligvis levert av faste, permanente magneter. (Bildekilde: Skyworks Solutions)

Treporters Y-forgreiningsversjon av en RF-sirkulator består av to ferrittplater, én på hver side av båndbølgelederkobling med tre porter. Sirkulatordriften oppnås ved magnetisk forspenning i ferrittelementet i aksialretningen, med et internt statisk magnetfelt med riktig størrelse, vist som «H_CIR» i figur 3. Sirkulatoren kan driftes i to tverrgående magnetiske moduser med motsatt polarisering. Under sirkulatortilstanden som er vist i figur 3, oppretter disse TM-modusene et null på port 3 på et bestemt felt. Dette feltet isoleres, og effekten overføres fra port 1 til port 2. Strømtilførselen ved port 2 vises på port 3, og så videre, og fører til sirkulatordriften. I dette tilfellet er driften mot klokken. Sirkulatorretningen kan reverseres ved å reversere polariteten og justere styrken på det statiske magnetfeltet.

Fordelen ved å bruke en sirkulator i T/R-utrustninger, er at det ikke involverer veksling. Både senderen og mottakeren er alltid tilkoblet, og isoleringen er resultatet av kanselleringen av signalfasen.

Når du implementerer en T/R-konstruksjon ved hjelp av en sirkulator, brukes senderutgangen på port 1. Antennen er koblet til port 3, og mottakeren er festet til port 2 (figur 4).

Figur 4: Når du kobler til en sirkulator med klokken som en T/R-vender, brukes sendereffekten på port 1, antennen kobles til port 3 og mottakeren er festet til port 2. (Bildekilde: DigiKey)

Et eksempel på en kommersiell sirkulator som oppfyller kravene til en T/R-vender, er Skyworks Solutions-modellen SKYFR-000736. Denne sirkulatoren med en Y-forgreining på 50 ohm (Ω) kan håndtere T/R-venderbetjening med et frekvensområde på 791 til 821 megahertz (MHz). Enheten har en spesielt lav innskuddsdempning på 0,3 desibel (dB) mellom senderen og antennen, samt en minimumsisolering på 22 dB, og er laget for bruksområder med trådløs infrastruktur og kan håndtere opptil 200 watt (W). SKYFR-000736-sirkulatoren er en relativt liten overflatemonteringsenhet på 28 mm i diameter og en høyde på 10 mm. Siden den er en passiv enhet, krever den ingen effekt.

PIN-diode-vendere

PIN-dioder brukes som vendere eller attenuatorer ved RF- og mikrobølgefrekvenser. De dannes ved å plassere et svært motstandsdyktig intrinsikhalvlederskikt mellom P-type- og N-typelagene i en konvensjonell diode. Dette fører til at nomenklatur-«PIN»-en betegner strukturen til dioden (figur 5).

Figur 5: En PIN-diode består av et lag med intrinsik halvledermateriell som plasseres mellom P- og N-materiell i henholdsvis anode- og katodeelektrodene. (Bildekilde: DigiKey)

PIN-dioden som er drevet med enveis-forspenning eller i drevet i sperreretning har ingen ladning i intrinsik-laget. Dette representerer «av»-tilstanden til venderutrustningen. Innsettingen av intrinsik-skiktet øker den effektive bredden av diodens sperreskikt, noe som fører til svært lav kapasitans og høyere gjennombruddsspenning. Dette er gode funksjoner i en RF-vender.

Forspenningstilstanden fører til at defektelektroner og elektroner føres inn i intrinsik-laget. Det tar litt tid før disse bærerne kan kombineres med hverandre på nytt. Denne tiden kalles bærertid, t. Det er en gjennomsnittlig reststrøm som senker den effektive motstanden i intrinsik-skiktet til en minimumsmotstand, R_S. Dette er «på»-tilstanden i en venderutrustning.

En PIN-basert T/R-vender

Den sirkulatorbaserte T/R-venderen er en smalbåndvender som har et begrenset frekvensområde. PIN-baserte T/R-vendere kan implementeres i kvartalsbølge-overføringslinjer, som også resulterer i et begrenset frekvensområde. En fordel med PIN-baserte T/R-vendere er at konstruksjonen kan være bredbånd – f.eks. ved bruk av sensitive elementer uten frekvens. Denne artikkelen vil fokusere på bredbåndsimplementeringen.

Den grunnleggende T/R-venderen er en SPDT-konfigurasjon og krever minst to PIN-dioder for implementering. Vendertopologien kan bruke diodene parallelt med senderen og mottakeren i en shuntdiode-tilkobling, eller i serier med senderen og mottakeren, samt en kombinasjon av begge tilnærminger (figur 6).

Figur 6: Viser tre T/R-vendertopologier med PIN-dioder i serie- (a), shunt- (b) eller serie-shunt-konfigurasjoner (c). (Bildekilde: Skyworks Solutions)

Seriens diodekonfigurasjon (a) plasserer PIN-diodene i serie mellom en vanlig RF (antennen) og senderen og mottakeren. Innskuddsdempningen mellom senderen og antennen er avhengig av seriemotstanden til dioden med forspenning. Isolering mellom senderen og mottakeren er avhengig av restkapasitansen til dioden drevet i sperreretning.

Shunt-plasseringen (b) har diodene parallelt med sender- og mottakerkoblingene. Isolering er avhengig av motstanden til forspenningsdioden, mens innskuddsdempningen er avhengig av kapasitansen til dioden drevet i sperreretning.

Isolering kan økes ved å bruke både serie- og shunttilkoblede dioder (c). Denne konfigurasjonen er den mest brukte. Isolering styres av kapasitansen til dioden drevet i sperreretning og motstanden til shuntdioden med fremover-forspenning. I tillegg til bede isolering, beskytter den mottakeren bedre, da den har to beskyttelsesdioder. Innskuddsdempningen på sendersiden er en funksjon for motstanden til seriedioden med fremover-forspenning og kapasitansen til shuntdioden drevet i sperreretning.

En høyeffektsversjon av høyisoleringsvenderen kan bruke Skyworks Solutions’ SMP1302-085LF som PIN-dioden med lav kapasitans, og SMP1352-079LF som PIN-dioden med lav motstand. Begge diodene er vurdert med gjennombruddsspenninger på 200 volt. SMP1302-085LF har en nominell kapasitetsavledning på 3 W, slik at den kan håndtere opptil 50 W sammenhengende bølge (CW) som serieelementet i T/R-venderen. Den omvendte forspenningskapasitansen er kun 0,3 picofarads (pF). SMP1352-079LF har en bestemt effekt (strømdissipasjon) på 250 milliwatt (mW), som er mer enn nok for shuntdioden i denne utrustningen. Ledemotstanden i serien er litt mindre enn for SMP1302-085LF på 2 Ω ved 10 mA og 1 Ω ved 100 mA.

De styrende forspenningssignalene – forspenning 1 og forspenning 2 – må være komplementære og endre tilstand samtidig i alle topologier. Vekslingshastighetene for begge diodetypene er mindre enn 1 mikrosekund (μs).

Høyspennings T/R-vendere beskytter lavspennings ultralydkretser

Ultralydinnretningner, inkludert ikke-destruktiv testing, ekkolokalisering og medisinsk ultralyd, krever også T/R-vendere. Teknikken og komponentene som brukes i disse utrustningene, er forskjellige fra RF-utrustningene vi har beskrevet tidligere. Disse utrustningene bruker en høyspent T/R-vender som skal beskytte sensitiv lavspenningselektronikk fra høyspenningspulssignalene som brukes til å drifte en ultralydtransduser (figur 7).

Figur 7: En vanlig ultralydutrustning der en høyspenningspuls brukes på én av de piezoelektriske transduserne. Mottakeren beskyttes av en rask T/R-vender som registrerer spenningsøkningen og åpnes for å beskytte mottakerinngangene. (Bildekilde: Microchip Technology)

Senderen i en ultralydutrustning er koblet direkte til én av de piezoelektriske transduserne. Senderutmatingen er en høyspenningspuls som styrer transduseren. Mottakeren er koblet til de samme transduserne via en rask, topolet, spenningssensitiv vender. Venderen i dette tilfellet er en Microchip Technology MD0100N8-G høyspennings-T/R-vender. Dette er en to-polet, toveis, effektbegrensende beskyttelsesenhet. MD0100 er vanligvis lukket, men når spenningen på enheten overstiger ±2 volt, åpnes venderen i ca. 20 nanosekunder (ns). Den åpne venderen kan tåle en spenning på opptil ±100 volt. I den åpne tilstanden er det en 200 μA effekt gjennom venderen, som brukes til å oppdage det kontinuerlige nærværet av høyspenning. Når høyspenningen ikke brukes lenger, går venderen tilbake til den lukkede tilstanden. Diodene som er tilkoblet «rygg-mot-rygg» ved terminal B på mottakersiden av MD0100, gir en bane for denne strømmen via venderen. Disse diodene klemmer også inngangen til mottakeren ved ±0,7 volt.

På-motstanden til MD0100 er vanligvis 15 Ω. Kapasitansen til den åpne venderen er en funksjon for den anvendte spenningen. Den varierer fra 12 pF for en spenning på 10 volt opptil 19 pF ved 100 volt.

Denne T/R-venderen har fordelen av å være en enkel to-polet komponent som ikke krever en strømkilde.

Konklusjon

Det å bytte én antenne mellom sender- og mottakermodus byr på noen utfordringer, men, som vist, kan den rette T/R-venderen eller duplekseren løse dette problemet – forutsatt at konstruktøren forstår hvordan enhetene fungerer og velger den riktige T/R-arkitekturen.