Come commutare rapidamente e in modo sicuro un'antenna o un trasduttore tra le modalità di trasmissione e ricezione

Per varie ragioni i progettisti di dispositivi basati sui segnali eco - come radar, sonar, risonanza magnetica nucleare (NMR) o ultrasuoni - ma anche telefoni cellulari e infrastrutture di comunicazione satellitare, si trovano spesso a dover collegare un'antenna o un trasduttore comune sia a un trasmettitore ad alta potenza che a un ricevitore sensibile. Ciò richiede un metodo per commutare l'antenna o il trasduttore tra i due dispositivi e allo stesso tempo per fornire un'adeguata attenuazione tra loro onde prevenire danni ai componenti del ricevitore ad alta sensibilità prodotti dal trasmettitore ad alta potenza. Inoltre, l'antenna o il trasduttore condiviso deve poter commutare rapidamente al termine di una trasmissione per dare al ricevitore il tempo di acquisire e misurare la RF o l'eco a ultrasuoni ricevuto.

A tale scopo, i progettisti possono affidarsi agli interruttori di trasmissione/ricezione (T/R), i cosiddetti duplexer, che sono progettati per eseguire la commutazione rapida di un'antenna o un trasduttore tra un trasmettitore e un ricevitore, fornendo al contempo l'isolamento necessario tra i percorsi T/R. Gli interruttori T/R gestiscono anche la potenza trasmessa offrendo al tempo stesso una bassa perdita di inserzione per prevenire l'attenuazione del segnale trasmesso e mantengono un'impedenza caratteristica fissa per prevenire la riflessione e la perdita di segnale. Tuttavia, i progettisti devono conoscerne bene il funzionamento e le caratteristiche chiave per usarli in modo efficace.

Sono disponibili diverse tecnologie per l'implementazione di interruttori T/R. Questo articolo esamina due delle principali: circolatori RF e diodi PIN, oltre a un tipo utilizzato per applicazioni sensibili alla tensione.

Ogni tecnologia si rivolge ad applicazioni specifiche con dispositivi di esempio di Skyworks Solutions Inc. e Microchip Technology.

Cosa fa un interruttore di trasmissione e ricezione?

L'interruttore T/R di base collega un'antenna (nelle applicazioni RF) o un trasduttore comune (nelle applicazioni a ultrasuoni) tra un trasmettitore e un ricevitore (Figura 1).

Figura 1: Un interruttore T/R di base è un interruttore unipolare a due vie che collega un'antenna o un trasduttore comune a un trasmettitore o ricevitore. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

L'interruttore è generalmente una semplice configurazione unipolare a due vie (SPDT) per un singolo trasmettitore e ricevitore. Le topologie a più trasmettitori/ricevitori aggiungono ulteriori poli alla configurazione dell'interruttore. La configurazione di base prevede quattro requisiti chiave per gli obiettivi di progettazione:

1. Anzitutto, la potenza nominale dell'interruttore deve essere sufficiente per gestire l'uscita del trasmettitore senza danneggiare l'interruttore.
2. In secondo luogo, la perdita tra il trasmettitore e l'antenna deve essere il più bassa possibile.
3. Terzo, quando l'interruttore non è collegato al ricevitore, l'isolamento tra l'ingresso del ricevitore e l'uscita del trasmettitore deve essere sufficiente a evitare danni al ricevitore ad alta sensibilità.
4. Infine, la velocità di commutazione dell'interruttore T/R deve essere adeguata a soddisfare i requisiti dell'applicazione.

Interruttori T/R circolatori

Un circolatore RF o microonde è un dispositivo a tre porte utilizzato per controllare la direzione di flusso del segnale in applicazioni RF (Figura 2).

Figura 2: I simboli schematici mostrano una versione di circolatore orario (a sinistra) e antiorario (a destra). Non vi è un flusso significativo nella direzione inversa di ciascuna versione; ciò li rende ideali come interruttori T/R. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Nella versione oraria mostrata nella Figura 1, un segnale in ingresso sulla porta 1 si propaga alla porta 3, i segnali della porta 3 si propagano alla porta 2 e un segnale della porta 2 viene trasmesso alla porta 1. I circolatori sono dispositivi non reciproci, nel senso che non presentano un flusso significativo nella direzione opposta. Nell'esempio mostrato, il flusso di segnale è pressoché assente o irrisorio dalla porta 3 alla porta 1, dalla porta 2 alla porta 3 o dalla porta 1 alla porta 2. È questa proprietà direzionale che rende i circolatori ideali per l'uso come interruttori T/R (duplexer). Analogamente, la versione antioraria dirige i segnali dalla porta 1 alla porta 2, dalla porta 2 alla porta 3 e dalla porta 3 alla porta 1. In entrambi i casi la trasmissione di segnale in direzione inversa è minima.

I circolatori sono dispositivi passivi basati su effetti ferromagnetici, quindi sono parzialmente composti da materiali di ferrite magnetizzati. Il circolatore a Y con tre porte si basa sulla cancellazione delle onde disseminate su due diversi percorsi vicino a un materiale di ferrite magnetizzato (Figura 3).

Figura 3: La struttura fisica di un circolatore a Y include una giunzione simmetrica a microstriscia con tre porte, un disco in ferrite e un campo magnetico (H_CIR), generalmente fornito da magneti permanenti fissi. (Immagine per gentile concessione di Skyworks Solutions)

La versione a Y con tre porte di un circolatore RF è costituita da due dischi in ferrite, uno su ciascun lato di una giunzione a microstriscia con tre porte. L'azione del circolatore avviene tramite la polarizzazione magnetica dell'elemento in ferrite in direzione assiale con un campo magnetico statico interno di grandezza adeguata, indicato da "H_CIR" nella Figura 3. Il circolatore può funzionare in due modi trasversali magnetici di polarizzazione opposta. Nella condizione di circolazione mostrata nella Figura 3, in uno specifico campo applicato, questi modi TM creano un valore nullo sulla porta 3, che viene quindi isolata e l'alimentazione viene trasferita dalla porta 1 alla porta 2. La potenza entrante nella porta 2 appare in corrispondenza della porta 3 e così via, creando l'azione del circolatore. In questo caso l'azione è antioraria. La direzione di circolazione può essere invertita cambiando la polarità e regolando l'intensità del campo magnetico statico.

Il vantaggio dell'utilizzo di un circolatore in applicazioni T/R è l'assenza di commutazione: sia il trasmettitore sia il ricevitore sono sempre collegati e l'isolamento risulta della cancellazione di fase del segnale.

Quando si implementa un progetto T/R con un circolatore, l'uscita del trasmettitore viene applicata alla porta 1. L'antenna è collegata alla porta 3 e il ricevitore è collegato alla porta 2 (Figura 4).

Figura 4: Quando si collega un circolatore orario come interruttore T/R, l'uscita del trasmettitore viene applicata alla porta 1, l'antenna è collegata alla porta 3 e il ricevitore è collegato alla porta 2. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Un esempio di un circolatore commerciale che soddisfa le esigenze di un interruttore T/R è il modello SKYFR-000.736 di Skyworks Solutions. Questo circolatore a Y da 50 Ω è in grado di gestire le operazioni di commutazione T/R nel campo di frequenza tra 791 e 821 MHz. Destinato ad applicazioni di infrastruttura wireless e capace di sopportare fino a 200 W, il dispositivo ha una perdita di inserzione molto bassa di 0,3 dB tra il trasmettitore e l'antenna e un isolamento minimo di 22 dB. Il circolatore SKYFR-000736 è un dispositivo a montaggio superficiale relativamente piccolo di soli 28 mm di diametro e 10 mm di altezza. Essendo un dispositivo passivo, non richiede potenza.

Interruttori con diodo PIN

I diodi PIN vengono utilizzati come interruttori o attenuatori alle frequenze RF e microonde. Sono formati da uno strato semiconduttivo intrinseco ad alta resistività inserito tra gli strati di tipo P e tipo N di un normale diodo. Di conseguenza, il termine "PIN" riflette la struttura del diodo (Figura 5).

Figura 5: Un diodo PIN è costituito da uno strato di materiale semiconduttivo intrinseco posto tra il materiale P e N degli elettrodi (rispettivamente anodo e catodo). (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La carica non è immagazzinata nello strato intrinseco del diodo PIN non polarizzato o polarizzato in senso inverso. Ciò rappresenta la condizione "off" in un'applicazione di commutazione. L'inserimento dello strato intrinseco aumenta l'ampiezza effettiva della regione di carica spaziale vuota del diodo, il che porta a una capacitanza molto bassa e a tensioni di rottura più elevate. Entrambe queste caratteristiche sono desiderabili in un interruttore RF.

La condizione di polarizzazione diretta comporta l'iniezione di vuoti ed elettroni nello strato intrinseco. Questi carrier impiegano un po' di tempo per ricombinarsi fra loro. Questo tempo è detto vita utile del vettore, t. Vi è una carica media immagazzinata che abbassa la resistenza effettiva dello strato intrinseco a una resistenza minima, R_S. Ciò rappresenta la condizione "on" in un'applicazione di commutazione.

Un interruttore T/R basato su PIN

Un interruttore T/R basato su circolatore è un interruttore in banda stretta con un campo di frequenza limitato. Gli interruttori T/R basati su PIN possono essere implementati con linee di trasmissione a quarto d'onda, che genera un campo di frequenza limitato. Uno dei vantaggi degli interruttori T/R basati su PIN è la possibilità di estenderne l'uso nella banda larga, poiché non utilizzano elementi sensibili alla frequenza. Questo articolo si concentrerà sull'implementazione in banda larga.

L'interruttore T/R di base è una configurazione SPDT e la sua implementazione richiederà almeno due diodi PIN. La topologia dell'interruttore può utilizzare diodi in parallelo con il trasmettitore e il ricevitore in una connessione con diodo derivatore oppure in serie con il trasmettitore e il ricevitore, ma anche in combinazione (Figura 6).

Figura 6: Le tre topologie di un interruttore T/R con diodi PIN in serie (a), in derivazione (b) o in serie-derivazione (c). (Immagine per gentile concessione di Skyworks Solutions)

La configurazione con diodi in serie (a) colloca i diodi PIN in serie tra l'antenna RF (comune) e il trasmettitore e ricevitore. La perdita di inserzione tra il trasmettitore e l'antenna dipende dalla resistenza in serie del diodo a polarizzazione diretta. L'isolamento tra il trasmettitore e il ricevitore dipende dalla capacitanza residua del diodo a polarizzazione inversa.

La disposizione in derivazione (b) prevede diodi in parallelo con le connessioni di trasmettitore e ricevitore. L'isolamento dipende dalla resistenza del diodo a polarizzazione diretta, mentre la perdita di inserzione dipende dalla capacitanza del diodo a polarizzazione inversa.

Si può aumentare l'isolamento mediante diodi collegati in serie e in derivazione (c). Questa è la configurazione più utilizzata. L'isolamento è regolato dalla capacitanza del diodo in serie a polarizzazione inversa e dalla resistenza del diodo derivatore a polarizzazione diretta. Oltre a un maggior isolamento, offre intrinsecamente una migliore protezione al ricevitore poiché presenta due diodi di protezione. La perdita di inserzione sul lato del trasmettitore è una funzione della resistenza del diodo in serie a polarizzazione diretta e della capacitanza del diodo derivatore a polarizzazione inversa.

Una versione ad alta potenza dell'interruttore ad alto isolamento potrebbe utilizzare i prodotti di Skyworks Solutions, SMP1302-085LF come diodo PIN a bassa capacitanza e SMP1352-079LF come diodo PIN a bassa resistenza. Entrambi i diodi hanno tensioni di rottura nominali di 200 V. SMP1302-085LF ha una dissipazione di potenza nominale di 3 W per gestire un'onda continua (CW) fino a 50 W come elemento in serie nell'interruttore T/R. La sua capacitanza di polarizzazione inversa è di soli 0,3 pF. SMP1352-079LF ha una dissipazione di potenza specificata di 250 mW, più che sufficiente per il diodo derivatore in questa applicazione. La resistenza in serie diretta è leggermente inferiore a quella del modello SMP1302-085LF di 2 Ω a 10 mA e 1 Ω a 100 mA.

I segnali di polarizzazione di controllo — Bias 1 e Bias 2 — in tutte le topologie devono essere complementari e cambiare di stato contemporaneamente. Le velocità di commutazione per entrambi i tipi di diodi sono inferiori a 1 µs.

Gli interruttori T/R ad alta tensione proteggono i circuiti a ultrasuoni a bassa tensione

Anche le applicazioni a ultrasuoni, compresi i test non distruttivi, l'ecolocalizzazione e l'ecografia medica, richiedono interruttori T/R. La tecnica e i componenti utilizzati in queste applicazioni sono diversi dalle applicazioni RF descritte in precedenza. Queste applicazioni utilizzano un interruttore T/R ad alta tensione per proteggere i sensibili componenti elettronici a bassa tensione dai segnali impulsivi ad alta tensione utilizzati per pilotare un trasduttore a ultrasuoni (Figura 7).

Figura 7: Una tipica applicazione a ultrasuoni in cui viene applicato un impulso ad alta tensione a uno dei trasduttori piezoelettrici. Il ricevitore è protetto da un interruttore T/R veloce che rileva l'aumento di tensione e si apre per proteggere gli ingressi del ricevitore. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Il trasmettitore in un'applicazione a ultrasuoni è collegato direttamente a uno dei trasduttori piezoelettrici. L'uscita del trasmettitore è un impulso ad alta tensione che comanda il trasduttore. Il ricevitore è collegato allo stesso trasduttore tramite un veloce interruttore a due terminali sensibile alla tensione. In questo caso si tratta di un interruttore T/R ad alta tensione MD0100N8-G di Microchip Technology, un dispositivo di protezione con limitazione della corrente bidirezionale a due terminali. MD0100 è normalmente chiuso, ma quando la tensione nel dispositivo supera ±2 V, l'interruttore si apre entro 20 ns circa. L'interruttore aperto può resistere a una tensione fino a ±100 V. In stato aperto, 200 µA di corrente attraverso l'interruttore servono per rilevare la presenza continua dell'alta tensione. Quando l'evento di alta tensione è superato, l'interruttore torna in stato chiuso. I diodi collegati in opposizione di fase al terminale B sul lato ricevitore di MD0100 forniscono un percorso alla corrente attraverso l'interruttore. Questi diodi bloccano anche l'ingresso al ricevitore su ±0,7 V.

La resistenza nello stato On di MD0100 è solitamente di 15 Ω. La capacitanza dell'interruttore aperto è una funzione della tensione applicata e varia da 12 pF per una tensione di 10 V a 19 pF a 100 V.

Il vantaggio di questo interruttore T/R sta nel fatto di essere un semplice componente a due terminali che non richiede una fonte di alimentazione.

Conclusione

La commutazione di una singola antenna tra le modalità di trasmissione e ricezione non è semplice, ma come dimostra questo articolo, il giusto interruttore T/R o duplexer può risolvere il problema, a patto che il progettista sappia come funzionano i dispositivi e scelga oculatamente l'architettura T/R più adatta.