Sådan skiftes en antenne eller transducer hurtigt og sikkert mellem at sende og modtage

Designere af ekkopejlingsudstyr – f.eks. via radar, sonar, NMR (nuclear magnetic resonance) og ultralyd – samt mobiltelefoni- og satellitkommunikationsinfrastruktur befinder sig af mange årsager ofte i en situation, hvor de skal slutte en fælles antenne eller transducer til både en kraftfuld sender og en følsom modtager. Der kræves en metode til at skifte mellem de to enheder på antennen eller transduceren, samtidig med at der sikres tilstrækkelig dæmpning mellem dem for at undgå, at den kraftfulde sender beskadiger de følsomme modtagerkomponenter. Den delte antenne eller transducer skal desuden kobles ind hurtigt efter en transmission, så modtageren har tid til at erhverve og måle det modtagne RF- eller ultralydsekko.

For at opnå dette kan designere anvende T/R-kontakter (transmit/receive – send/modtag), også kaldet duplexere. De er designet til at håndtere opgaven med at skifte en antenne eller transducer hurtigt mellem en sender og en modtager, mens de giver den nødvendige isolering mellem T/R-vejene. T/R-kontakter håndterer også den transmitterede effekt og giver lav indskudsdæmpning for at forhindre dæmpning af det transmitterede signal – og de bibeholder en fast impedanskarakteristik for at undgå signalrefleksion og -tab. For at bruge dem effektivt skal designere dog forstå deres drifts- og nøgleegenskaber.

Der er flere teknologier til implementering af T/R-kontakter. Denne artikel kigger nærmere på to hovedtyper – RF-cirkulatorer og PIN-diodekontakter – samt en type, der bruges til spændingsfølsomme anvendelsesformål.

Der gives eksempler på hver teknologi til de relevante anvendelsesformål i form af enheder fra Skyworks Solutions Inc. og Microchip Technology.

Hvad gør en send/modtag-kontakt?

Den grundlæggende T/R-kontakt forbinder en fælles antenne (i forbindelse med RF) eller transducer (i forbindelse med ultralyd) med en sender og modtager (figur 1).

Figur 1: En grundlæggende T/R-kontakt er en enpolet tovejskontakt, der forbinder en fælles antenne eller transducer med enten en sender eller en modtager. (Billedkilde: DigiKey)

Kontakten har generelt en simpel enpolet tovejskonfiguration (SPDT, single pole double throw) for en enkelt sender og modtager. I topologier med flere sendere/modtagere føjes der flere poler til kontaktens konfiguration. I den grundlæggende konfiguration er der fire centrale målkrav til designet:

1. For det første skal kontaktens effektklassifikation være tilstrækkelig til at håndtere senderens output uden at beskadige kontakten.
2. For det andet skal tabet mellem senderen og antennen være så lavt som muligt.
3. Det tredje krav er, at der er tilstrækkelig isolering mellem modtagerens input og senderens output til at undgå beskadigelse af den følsomme modtager, når kontakten ikke er forbundet til modtageren.
4. Slutteligt skal T/R-kontaktens omskiftningshastighed være høj nok til at opfylde kravene for det pågældende anvendelsesformål.

T/R-cirkulatorkontakter

En RF- eller mikrobølgecirkulator er en enhed med tre porte, der bruges til at styre signalflowretningen i RF-anvendelser (figur 2).

Figur 2: De skematiske symboler angiver to versioner af en cirkulator – med uret (venstre) og mod uret (højre). Der er intet væsentligt flow i modsat retning i hver version – hvilket gør dem til ideelle T/R-kontakter. (Billedkilde: DigiKey)

I cirkulatoren med retning med uret, der er vist i figur 1, sendes et inputsignal fra port 1 til port 3. Signaler fra port 3 sendes til port 2, og signaler fra port 2 sendes til port 1. Cirkulatorer er ikke-gensidige enheder – det betyder, at der ikke er noget væsentligt flow i modsat retning. I det viste eksempel er der altså et meget lavt eller intet signalflow fra port 3 tilbage til port 1, fra port 2 tilbage til port 3 og fra port 1 tilbage til port 2. Det er denne retningsbestemthed, der gør cirkulatorer ideelle som T/R-kontakter (duplexere). Cirkulatoren med retning mod uret sender ligeledes signaler fra port 1 til port 2, fra port 2 til port 3 og fra port 3 til port 1. I begge tilfælde er der meget lav signaltransmission i den modsatte retning.

Cirkulatorer er passive elementer baseret på ferromagnetiske effekter, så de består delvist af magnetiserede ferritmaterialer. Cirkulatoren med "Y-samling" og tre porte er baseret på udligning af bølger spredt over to forskellige veje i nærheden af magnetiseret ferritmateriale (figur 3).

Figur 3: Den fysiske opbygning af en Y-samlingscirkulator omfatter et symmetrisk stripline-samlepunkt for de tre porte, en ferritskive og et magnetfelt (H_CIR), der som regel dannes af faste permanente magneter. (Billedkilde: Skyworks Solutions)

Y-samlingsversionen af en RF-cirkulator med tre porte består af to ferritskiver – en på hver side af stripline-samlepunktet for de tre porte. Cirkulatorfunktionen opnås ved formagnetisering af ferritelementet i aksial retning med et internt statisk magnetfelt med passende styrke, angivet som "H_CIR" i figur 3. Cirkulatoren kan fungere i to tværmagnetiske tilstande med modsat polarisering. Under det cirkulationsforhold, der vises i figur 3, danner disse tværmagnetiske tilstande ved et specifikt tilført felt et null ved port 3, der dermed isoleres, og der overføres strøm fra port 1 til port 2. Strømmen, der kommer ind ad port 2, opstår ved port 3 og så videre – dermed opstår cirkulatorfunktionen. I dette tilfælde er retningen mod uret. Cirkulationsretningen kan vendes om ved at vende polariteten og justere styrken på det statiske magnetfelt.

Fordelen ved at bruge en cirkulator i T/R-anvendelser er, at det ikke omfatter nogen omskiftning. Både senderen og modtageren er altid forbundet, og isoleringen sker som følge af faseudligning.

Når der implementeres et T/R-design med en cirkulator, kobles senderens output til port 1. Antennen tilsluttes port 3, og modtageren tilsluttes port 2 (figur 4).

Figur 4: Når en cirkulator med omdrejningsretning med uret tilsluttes som en T/R-kontakt, kobles senderens output til port 1, antennen tilsluttes port 3, og modtageren tilsluttes port 2. (Billedkilde: DigiKey)

Skyworks Solutions model SKYFR-000736 er et eksempel på en kommerciel cirkulator, der kan fungere som T/R-kontakt. Denne 50-ohm (Ω) Y-samlings-cirkulator kan håndtere T/R-omskiftning i frekvensområdet 791 til 821 MHz. Den er beregnet til brug i trådløs infrastruktur og kan håndtere op til 200 W effekt. Den har en særdeles lav indskudsdæmpning på 0,3 dB mellem senderen og antennen og en minimumisolering på 22 dB. SKYFR-000736-cirkulatoren er en relativ lille, overflademonterbar enhed på 28 mm i diameter og en højde på 10 mm. Da enheden er passiv, kræver den ingen strømforsyning.

PIN-diodekontakter

PIN-dioder bruges som kontakter eller dæmpningsled ved RF- og mikrobølgefrekvenser. De formes ved at indsætte et intrinsisk halvlederlag med høj modstand mellem P-type- og N-type-lagene på en almindelig diode. Betegnelsen "PIN" afspejler dermed strukturen på dioden (figur 5).

Figur 5: En PIN-diode består af et lag med intrinsisk halvledermateriale mellem P- og N-materialet på henholdsvis anode- og katodeelektroderne. (Billedkilde: DigiKey)

Der er ingen ladning oplagret i det intrinsiske lag på PIN-dioden uden bias eller med modsat bias. Det repræsenterer fra-tilstanden i koblingsanvendelser. Indsættelse af det intrinsiske lag forøger den effektive bredde på diodens depletionslag, hvilket medfører meget lav kapacitans og højere gennembrudsspændinger – begge dele er gode egenskaber i en RF-kontakt.

I tilstanden med fremad-bias vil huller og elektroner blive "sprøjtet" ind i det intrinsiske lag. Det tager disse bærere noget tid at blive rekombineret med hinanden. Dette tidsrum kaldes bærerlevetiden, t. Der er en gennemsnitlig lagret ladning, som sænker det intrinsiske lags effektive modstand til en minimummodstand, R_S. Dette er til-tilstanden i koblingsanvendelser.

En PIN-baseret T/R-kontakt

Den cirkulatorbaserede T/R-kontakt er en smalbåndskontakt med et begrænset frekvensområde. PIN-baserede T/R-kontakter kan implementeres med kvartbølge-transmissionsledninger, hvilket også resulterer i et begrænset frekvensområde. En fordel ved PIN-baserede T/R-kontakter er, at deres design kan være til bredbånd – dvs. uden frekvensfølsomme elementer. Denne artikel fokuserer på bredbåndsimplementeringen.

Den grundlæggende T/R-kontakt er en SPDT-konfiguration, hvis implementering kræver minimum to PIN-dioder. Kontaktens topologi kan bruge dioderne parallelt med senderen og modtageren i en shunt-diodeforbindelse eller serielt med senderen og modtageren – samt som en kombination af de to (figur 6).

Figur 6: Her vises tre T/R-kontakttopologier, der bruger PIN-dioder i serie- (a), shunt- (b) og serie-shunt-konfigurationer (c). (Billedkilde: Skyworks Solutions)

Diodekonfigurationen i serie (a) opstiller PIN-dioderne i serie mellem RF-fællesenheden (antenne) og senderen og modtageren. Indskudsdæmpningen mellem senderen og modtageren afhænger af seriemodstanden på dioden med fremad-bias. Isoleringen mellem senderen og modtageren afhænger af restkapacitansen i dioden med modsat bias.

I shunt-opstillingen (b) er dioderne indrettet parallelt med senderens og modtagerens forbindelser. Isoleringen afhænger af modstanden i dioden med fremad-bias, mens indskudsdæmpningen afhænger af kapacitansen i dioden med modsat bias.

Isoleringen kan øges ved, at dioder tilsluttet i både serie og shunt (c). Denne konfiguration er den mest hyppigt anvendte. Isoleringen er afhængig af kapacitansen i dioden med modsat bias i serie og modstanden i dioden med fremad-bias i shunt. Ud over kraftigere isolering yder denne konfiguration bedre beskyttelse af modtageren i form af to beskyttelsesdioder. Indskudsdæmpningen på sendersiden er en funktion af modstanden i dioden med fremad-bias i serie og kapacitansen i dioden med modsat bias i shunt.

En version af kontakten med kraftig isolering til anvendelser med høj effekt kunne f.eks. benytte Skyworks Solutions' SMP1302-085LF-diode, som PIN-diode med lav kapacitans og SMP1352-079LF-diode som PIN-diode med lav modstand. Begge dioder har en nominel gennembrudsspænding på 200 volt. SMP1302-085LF har en nominel effektafledning på 3 W, så den kan håndtere op til 50 W kontinuerlig bølge (CW) som serieelement i en T/R-kontakt. Dens kapacitans i modsat bias er blot 0,3 pF (picofarad). SMP1352-079LF har en nomeret effektafledning på 250 mW, hvilket er mere end rigeligt til shunt-dioden i denne anvendelse. Dens fremløbsmodstand i serie er en smule lavere end i SMP1302-085LF – 2 Ω ved 10 mA og 1 Ω ved 100 mA.

De styrende biassignaler – bias 1 og bias 2 – i alle topologier skal være komplementære og skifte tilstand simultant. Omskiftningstiden for begge diodetyper er lavere end 1 µs.

Højspændings-T/R-kontakter beskytter lavspændings-ultralydskredsløb

Ultralydsanvendelser såsom ikke-destruktiv testning, ekkolokalisering og medicinsk ultralydsscanning kræver også T/R-kontakter. Teknikken og komponenterne i disse anvendelser er forskellige fra de førnævnte RF-anvendelser. Disse anvendelser benytter en højspændings-T/R-kontakt, der beskytter følsom lavspændingselektronik fra højspændingspulssignalerne, der bruges til at drive en ultralydstransducer (figur 7).

Figur 7: Et typisk anvendelseseksempel til ultralyd hvor en højspændingspuls tilføres en af de piezoelektriske transducere. Modtageren er beskyttet af en hurtig T/R-kontakt, der registrerer spændingsstigningen og åbner for at beskytte modtagerens input. (Billedkilde: Microchip Technology)

Senderen i ultralydsanvendelser er sluttet direkte til en af de piezoelektriske transducere. Senderens output er en højspændingspuls, der driver transduceren. Modtageren er tilsluttet den samme transducer via en hurtig, spændingsfølsom kontakt med to terminaler. Kontakten i dette eksempel er en Microchip Technology MD0100N8-G højspændings-T/R-kontakt. Det er en dobbeltrettet, strømstyrkebegrænsende beskyttelsesenhed med to terminaler. MD0100 er normalt lukket, men når spændingen over enheden overstiger ±2 volt, åbner kontakten på ca. 20 ns (nanosekunder). Den åbne kontakt kan modstå en spænding på op til ±100 volt. I åben tilstand er der en strømstyrke på 200 µA gennem kontakten, der bruges til at registrere den fortsatte tilstedeværelse af høj spænding. Når den høje spænding ikke længere er til stede, vender kontakten tilbage til lukket tilstand. Dioderne, der forbindes lige efter hinanden ved terminal B på modtagersiden af MD0100, giver denne strøm en vej gennem kontakten. Disse dioder fastlåser også inputtet til modtageren til ±0,7 volt.

Modstanden på MD0100 i tændt tilstand er typisk 15 Ω. Kapacitansen på den åbne kontakt er en funktion af den tilførte spænding. Den varierer fra 12 pF ved en spænding på 10 volt op til 19 pF ved 100 volt.

Denne T/R-kontakt har den fordel, at den er en simpel komponent med to terminaler, der ikke kræver en strømforsyningskilde.

Konklusion

Der er udfordringer i at skifte mellem at sende og modtage for en enkelt antenne, men som vist kan den rette T/R-kontakt (eller duplexer) løse problemet – såfremt designeren forstår, hvordan enhederne fungerer, og vælger T/R-arkitekturen derefter.