Kuinka vaihtaa antenni nopeasti ja turvallisesti lähetys- ja vastaanottotilojen välillä

Kaikuluotauslaitteiden—kuten tutkat, ääniluotaimet, ydinmagneettinen resonanssi (NMR) tai ultraäänimittaus—sekä matkapuhelin- ja satelliittiviestintäinfrastruktuurin suunnittelijat ovat monista syistä usein tilanteessa, jossa heidän täytyy kytkeä yhteinen antenni tai anturi sekä suuritehoiseen lähettimeen että herkkään vastaanottimeen. Tämä edellyttää menetelmää, jolla antennia tai anturia voidaan vaihtaa kahden laitteen välillä ja joka samanaikaisesti tarjoaa niiden välille sopivan vaimennuksen, niin ettei suuritehoinen lähetin vaurioita vastaanottimen erittäin herkkiä komponentteja. Lisäksi yhteinen antenni tai anturi täytyy kytkeä nopeasti lähetyksen jälkeen, jotta vastaanottimella on aikaa poimia ja mitata vastaanotettu radiotaajuus- tai ultraäänikaiku.

Suunnittelijat käyttävät tässä lähetys/vastaanottokytkimiä (T/R), joita kutsutaan myös dupleksereiksi. Ne on suunniteltu antennin tai anturin nopeaan vaihtoon lähettimen ja vastaanottimen välillä ja ne tarjoavat vaadittavan erotuksen T/R-reittien välillä. T/R-kytkimet myös kestävät lähetettävän tehon ja tarjoavat samalla alhaisen kytkentähäviön. Tämä ehkäisee lähetetyn signaalin vaimennusta. Niillä on kiinteä ominaisimpedanssi, mikä vähentää signaalien heijastusta ja signaalihäviöitä. Voidakseen käyttää niitä tehokkaasti suunnittelijoiden täytyy kuitenkin ensin ymmärtää niiden toiminta ja tärkeimmät ominaisuudet.

T/R-kytkinten toteuttamiseen on saatavilla useita teknologioita. Tämä artikkeli keskittyy kahteen päätyyppiin—RF-kiertoelimiin ja PIN-diodikytkimiin—sekä malliin, jota käytetään jännitteelle herkissä sovelluksissa.

Kullekin teknologille esitetään vastaava käyttökohde Skyworks Solutions Inc.:n ja Microchip Technologyn esimerkkilaitteilla.

Mitä lähetys- ja vastaanottokytkin tekee?

T/R-peruskytkin vaihtaa yhteistä antennia (RF-sovelluksissa) tai anturia (ultraäänikäytössä) lähettimen ja vastaanottimen välillä (kuva 1).

Kuva 1: T/R-peruskytkin on yhden piirin, kahden kytkentäpisteen kytkin, joka kytkee yhteisen antennin tai antennin joko lähettimeen tai vastaanottimeen. (Kuvan lähde: DigiKey)

Kytkin on periaatteessa yksinkertainen yhden piirin, kahden kytkentäpisteen (SPDT) rakenne yhdelle lähettimelle ja vastaanottimelle. Usean lähettimen/vastaanottimet topologiat lisäävät ylimääräisiä piirejä kytkinrakenteeseen. Perusrakenteen suunnittelussa on neljä päävaatimusta:

1. Ensinnäkin kytkimen teholuokituksen täytyy olla riittävä, jotta se voi käsitellä lähettimen lähtötehon vaurioitumatta.
2. Toiseksi lähettimen ja antennin välisen tehohäviön täytyy olla mahdollisimman pieni.
3. Kolmantena vaatimuksena on, että kun kytkin ei ole liitettynä vastaanottimeen, vastaanottimen tulon ja lähettimen lähdön välillä on riittävä erotus, jottei erittäin herkkä vastaanotin vaurioidu.
4. Neljänneksi T/R-kytkimen kytkentänopeuden täytyy olla riittävän korkea, jotta se sopii käyttökohteen vaatimuksiin.

T/R-kiertoelinkytkimet

RF- tai mikroaaltokiertoelin on kolmeporttinen laite, jolla ohjataan signaalivirtauksen suuntaa RF-sovelluksissa (kuva 2).

Kuva 2: Kaavion symbolit näyttävät kiertoelinversiot myötäpäivään (vasen) ja vastapäivään (oikea). Kummassakaan versiossa ei ole merkittävää virtausta vastakkaiseen suuntaan—tämän ominaisuuden ansiosta ne ovat ihanteellisia T/R-kytkimiksi. (Kuvan lähde: DigiKey)

Kuvassa 1 näkyvän kiertoelimen myötäpäiväisessä versiossa signaalitulo portissa 1 jatkaa porttiin 3; portin 3 signaalit kulkevat porttiin 2 ja portin 2 signaali lähetetään porttiin 1. Kiertoelimet ovat ei-resiprookkisia laitteita, mikä tarkoittaa, ettei vastakkaiseen suuntaan ole merkittävää virtausta. Näytettävässä esimerkissä on esimerkiksi hyvin vähän tai ei lainkaan signaalien virtausta portista 3 takaisin porttiin 1, portista 2 takaisin porttiin 3 tai portista 1 takaisin porttiin 2. Kiertoelimet ovat tämän suuntaominaisuuden ansiosta ihanteellisia T/R-kytkimiksi (dupleksereiksi). Kiertoelimen vastapäiväinen versio ohjaa signaalit samalla tavalla portista 1 porttiin 2, portista 2 porttiin 3 ja portista 3 porttiin 1. Kummassakin tapauksessa signaalien siirtyminen päinvastaiseen suuntaan on hyvin vähäistä.

Kiertoelimet ovat passiivisia laitteita, jotka perustuvat ferromagneettiseen ilmiöön, joten ne koostuvat osittain magnetoiduista ferriittimateriaaleista. Kolmiporttista ”Y-liitosta” käyttävä kiertoelin perustuu magnetoidun rautamateriaalin lähellä kahta eri reittiä lähetettävien aaltojen peruutukseen (kuva 3).

Kuva 3: Y-liitoskiertoelimen fyysiseen rakenteeseen kuuluu kolmen portin symmetrinen liuskajohtoliitos, ferriittilevy ja magneettikenttä (H_CIR), jonka muodostetaan yleensä kahdella kestomagneetilla. (Kuvan lähde: Skyworks Solutions)

RF-kiertoelimen kolmiporttinen Y-liitosta käyttävä versio koostuu kahdesta ferriittilevystä, yksi kolmiporttisen liuskajohtoliitoksen kummallakin puolella. Kiertoelin toimii biasoimalla ferriittielementin magneettisesti aksiaalisessa suunnassa sopivanvahvuisella sisäisellä, staattisella magneettikentällä, ”H_CIR” kuvassa 3. Kiertoelin voi toimia kahdessa poikittaisessa magneettisessa muodossa, joiden polaarisuus on päinvastainen. Kuvassa 3 esitetyssä kiertotilanteessa nämä TM-aaltomuodot luovat tietyssä magneettikentässä nollan portissa 3, joka on siis erotettu, ja virta siirretään portista 1 porttiin 2. Porttiin 2 tuleva virta ilmestyy porttiin 3 ja niin edelleen ja luo näin kiertoelintoiminnan. Tässä tapauksessa toiminta tapahtuu vastapäivään. Kiertosuunta voidaan kääntää vaihtamalla polaarisuutta ja säätämällä staattisen magneettikentän voimakkuutta.

Kiertoelimen käytössä T/R-sovelluksissa on etuna se, ettei siihen liity kytkemistä; sekä lähetin että vastaanotin ovat aina liitettyinä, ja erotus syntyy signaalivaiheen peruutuksesta.

Kun T/R-rakenne toteutetaan kiertoelimellä, lähettimen lähtö kytketään porttiin 1. Antenni liitetään porttiin 3 ja vastaanotin porttiin 2 (kuva 4).

Kuva 4: Kun myötäpäivään toimiva kiertoelin liitetään T/R-kytkimeksi, lähettimen lähtö kytketään porttiin 1, antenni kytketään porttiin 3 ja vastaanotin kytketään porttiin 2. (Kuvan lähde: DigiKey)

Esimerkki kaupallisesta kiertoelimestä, joka täyttää T/R-kytkimen vaatimukset: Skyworks Solutions -malli SKYFR-000736. Tämä 50 ohmin (Ω) Y-liitoskiertoelin voi suorittaa T/R-kytkentäoperaatiot 791 – 821 megahertsin (MHz) taajuusalueella. Langattomaan infrastruktuurikäyttöön tarkoitettu ja jopa 200 wattia (W) käsittelevän laitteen kytkentähäviö on huomattavan alhainen, 0,3 desibeliä (dB). Minimierotus lähettimen ja antennin välillä ja on 22 dB. SKYFR-000736-kiertoelin on suhteellisen pieni pintaliitoskomponentti, jonka halkaisija on 28 millimetriä (mm) ja korkeus 10 mm. Se ei tarvitse passiivisena laitteena sähköä.

PIN-diodikytkimet

PIN-diodeja käytetään kytkiminä tai vaimentimina RF- ja mikroaaltotaajuuksilla. Ne valmistetaan asettamalla vastusarvoltaan korkea I-tyyppinen puolijohdekerros perinteisen diodin P- ja N-tyypin kerrosten väliin. Eli nimi ”PIN” kuvaa diodin rakennetta (kuva 5).

Kuva 5: PIN-diodi sisältää I-tyyppisen puolijohdekerroksen, joka sijoitetaan anodi- ja katodielektrodin P- ja N-materiaalin väliin. (Kuvan lähde: DigiKey)

Biasoimattoman tai estosuuntaan kytketyn diodin I-tyyppisessä puolijohdekerroksessa ei ole varausta. Tämä edustaa kytkentäsovelluksissa ”ei-kytkettyä” tilaa. I-tyyppisen puolijohdekerroksen lisääminen kasvattaa diodin tyhjennysalueen tehollista leveyttä, mistä seuraa erittäin alhainen kapasitanssi ja korkeammat läpilyöntijännitteet, joista kumpikin on RF-kytkimelle hyvä ominaisuus.

Myötäsuuntainen biasointi johtaa aukkojen ja elektronien virtaamiseen I-tyyppiseen puolijohdekerrokseen. Näiden varauksenkuljettajien yhdistyminen kestää jonkin aikaa. Tähän aikaan viitataan varauksenkuljettajan kestoikänä (t). Keskimääräinen tallennettu varaus laskee I-tyyppisen puolijohdekerroksen tehollisen vastuksen minimiarvoonsa R_S. Tämä on kytkentäsovelluksissa ”kytketty” tila.

PIN-pohjainen T/R-kytkin

Kiertoelinpohjainen T/R-kytkin on kapeakaistainen kytkin, jolla on rajallinen taajuusalue. PIN-pohjaiset T/R-kytkimet voidaan toteuttaa neljännesaaltosiirtolinjoilla. Myös näillä on rajallinen taajuusalue. PIN-pohjaisten T/R-kytkinten etuna on se, että ne voivat olla laajakaistaisia – eli niissä ei käytetä taajuusherkkiä elementtejä. Tämä artikkeli keskittyy laajakaistatoteutukseen.

T/R-peruskytkin on rakenteeltaan SPDT ja sen toteutukseen tarvitaan vähintään kaksi PIN-diodia. Kytkintopologia voi käyttää diodeja rinnakkaisesti lähettimen ja vastaanottimen kanssa shunttidiodiliitännässä tai sarjassa lähettimen ja vastaanottimen kanssa sekä kummankin tavan yhdistelmänä (kuva 6).

Kuva 6: Kuvassa esitetään kolme T/R-kytkintopologiaa, joissa käytetään PIN-diodeja sarja- (a), shuntti- (b) sarja-shunttirakenteena (c). (Kuvan lähde: Skyworks Solutions)

Sarjadiodirakenteessa (a) PIN-diodit ovat sarjassa RF-yhteisantennin sekä lähettimen ja vastaanottimen välissä. Lähettimen ja antennin välinen kytkentähäviö riippuu myötäsuuntaan biasoidun diodin sarjavastuksesta. Lähettimen ja vastaanottimen välinen erotus riippuu estosuuntaan kytketyn diodin jäännöskapasitanssista.

Shunttirakenteessa (b) diodit ovat rinnakkain lähetin- ja vastaanotinliitäntöjen kanssa. Erotus on riippuvainen myötäsuuntaan biasoidun diodin vastuksesta, kun taas kytkentähäviö on riippuvainen estosuuntaan kytketyn diodin kapasitanssista.

Erotusta voidaan kasvattaa käyttämällä diodeja sekä sarja- että shunttirakenteessa (c). Tämä rakenne on kaikkein yleisin. Erotuksen määrittää estosuuntaan kytketyn diodin kapasitanssi ja myötäsuuntaan biasoidun shunttidiodin vastus. Suuremman erotuksen lisäksi se on suojaa vastaanotinta luonnostaan paremmin, koska siinä on kaksi suojadiodia. Lähetinpuolen kytkentähäviö muodostuu myötäsuuntaan biasoidun sarjadiodin vastuksesta ja estosuuntaan kytketyn sarjadiodin kapasitanssista.

Suuritehoisessa erotuskytkimessä voidaan käyttää Skyworks Solutionsin SMP1302-085LF-diodia alhaisen kapasitanssin PIN-diodina ja SMP1352-079LF-diodia alhaisen vastuksen PIN-diodina. Kummankin diodin läpilyöntijännite on 200 V. SMP1302-085LF-diodin nimellistehohäviö on 3 W, jolloin se voi T/R-kytkimen sarjaelementtinä käsitellä jopa 50 watin jatkuvaa aaltoa (CW). Sen estosuunnan kapasitanssi on vain 0,3 pikofaradia (pF). SMP1352-079LF-diodille määritetty tehohäviö on 250 milliwattia (mW), mikä on shunttidiodille enemmän kuin riittävä tässä sovelluksessa. Sen myötäsuuntainen sarjavastus on hieman pienempi kuin SMP1302-085LF-mallissa, 2 Ω kun virta on 10 mA, ja 1 Ω virran ollessa 100 mA.

Ohjauksen biasointisignaalien – bias 1 ja bias 2 – täytyy olla kaikissa topologioissa komplementaarisia ja niiden on vaihdettava tilaa samanaikaisesti. Kummankin diodityypin kytkentänopeudet ovat alle 1 mikrosekuntia (µs).

T/R-korkeajännitekytkimet suojaavat alhaisen jännitteen ultraäänipiirejä

Myös sellaiset ultraäänisovellukset kuten rikkomaton testaus, kaikupaikannus ja lääketieteellinen ultraääni edellyttävät T/R-kytkimiä. Näissä sovelluksissa käytettävä tekniikka ja komponentit ovat erilaisia kuin edellä kuvailluissa RF-sovelluksissa. Näissä sovelluksissa T/R-korkeajännitekytkintä käytetään suojaamaan herkkää pienjännite-elektroniikkaa korkeilta jänniteimpulssisignaaleilta, joita käytetään ultraäänianturin ohjaukseen (kuva 7).

Kuva 7: Tyypillinen ultraäänisovellus, jossa yhteen pietsosähköiseen anturiin kytketään korkea jänniteimpulssi. Vastaanotinta suojaa nopea T/R-kytkin, joka tunnistaa jännitteen kasvun ja aukeaa suojaamaan vastaanottimen tuloja. (Kuvan lähde: Microchip Technology)

Ultraäänisovelluksessa lähetin liitetään suoraan yhteen pietsosähköisistä antureista. Lähettimen lähtö on korkea jänniteimpulssi, joka ohjaa anturia. Vastaanotin liitetään samaan anturiin nopean jänniteherkän kytkimen kautta, jossa on kaksi liitintä. Kytkimenä toimii tässä tapauksessa Microchip Technologyn MD0100N8-G, korkeajännitteinen T/R-kytkin. Se on kahden liittimen kaksisuuntainen sähkövirtaa rajoittava suojalaite. MD0100 on normaalisti suljettu, mutta kun sen ylitse vaikuttava jännite ylittää ±2 V, kytkin aukeaa noin 20 nanosekunnissa (ns). Avoin kytkin voi kestää jopa ±100 voltin jännitteen. Kytkimen ollessa auki sen läpi kulkee 200 mikroampeerin virta. Tämä ilmaisee onko korkeajännite vielä läsnä. Kun korkeaa jännitettä ei enää ole, kytkin palautuu suljettuun asentoon. MD0100-kytkimen vastaanotinpuolella liittimeen B peräkkäin vastakkaissuuntaisesti asennetut diodit tarjoavat tälle virralle reitin kytkimen läpi. Nämä diodit myös yhdistävät tulon vastaanottimeen ±0,7 voltissa.

MD0100-kytkimen tyypillinen päälläolovastus on 15 Ω. Avoimen kytkimen kapasitanssi riippuu kytketystä jännitteestä. Se vaihtelee 12 pF:stä 10 voltilla 19 pF:ään 100 voltilla.

Tämän T/R-kytkimen etuna on se, että se on yksinkertainen kaksi liitintä sisältävä komponentti joka ei tarvitse virtalähdettä.

Yhteenveto

Saman antennin vaihtaminen lähetin- ja vastaanottotilojen välillä synnyttää haasteita, mutta kuten artikkelissa osoitetaan, sopiva T/R-kytkin tai duplekseri voi ratkaista ongelman – olettaen, että suunnittelija ymmärtää, miten laitteet toimivat ja valitsee niihin sopivan T/R-arkkitehtuurin.