eng
Рассмотрены антенные переключатели. Приведена информация об особенностях и характеристиках различных типов таких устройств, выпускаемых рядом производителей.
Антенные переключатели. Часть 1
В. Кочемасов, к. т. н., А. Сафин, к. т. н., С. Дингес, к. т. н.
СВЧ-переключатели – один из наиболее массовых радиокомпонентов, применяемых в радиоэлектронной аппаратуре. Они используются в переключаемых аттенюаторах, фазовращателях и фильтрах, в антенных приемопередающих модулях, в том числе входящих в состав активных фазированных решеток, применяемых в радиолокационных станциях [1] и средствах мобильной связи, включая поколения 5G / 6G [2]. Все перечисленные изделия востребованы в волноводном (относительно редко), модульном (достаточно часто) и интегральном (массово) исполнениях. В статье рассказывается об антенных переключателях различных типов.
Антенные переключатели могут быть выполнены по различным технологиям [3–9]. Допустимые уровни мощности в этих устройствах лежат в пределах от долей ватта до сотен киловатт.
В твердотельных изделиях допустимая непрерывная входная мощность может достигать единиц киловатт в переключателях на дискретных pin-диодах (в модульном исполнении) и сотен ватт в интегральных переключателях на кремниевых pin-диодах и нитрид-галлиевых полевых транзисторах. Арсенид-галлиевые и КМОП переключатели в основном применяются в интегральном исполнении. Первые из них по сравнению с pin-диодными переключателями имеют более высокую степень интеграции, устойчивы к радиации, имеют на два порядка меньшие токи смещения и управления. КМОП-переключатели по сравнению с арсенид-галлиевыми имеют несомненные преимущества по допустимой входной мощности, степени интеграции в том числе с аналоговыми и цифровыми узлами, защищенности от статического электричества, а также примерно на порядок меньшие токи потребления и управления.
Известны три канонические структуры твердотельных переключателей: последовательная (рис. 1а, г), параллельная (рис. 1б, д) и последовательно-параллельная (рис. 1в, е). На их основе и реализуются SPST- (рис. 2а), SPDT- (рис. 2б), многопозиционные SPMT- (рис. 2в) и DPDT-переключатели (рис. 2г). По сути дела, каждый канал DPDT- или SPMT-переключателя представляет собой SPST-переключатель. На четырех SPST-структурах может быть реализован и DPDT-переключатель (рис. 2г). Практические схемы могут быть более сложными.
Антенные переключатели можно разделить на два класса:
мощные изделия на основе DPDT-переключателей, выполненных на кремниевых pin-диодах или нитрид-галлиевых полевых транзисторах, обеспечивающие подключение к антенному порту выхода передатчика Tх или входа приемника Rх;
относительно маломощные изделия на основе DPDT- или многопозиционных переключателей, обеспечивающие подключение нескольких передатчиков и приемников к двум и более антеннам.
Арсенид-галлиевые и особенно КМОП технологии получили широкое распространение в системах мобильной связи вследствие постоянного увеличения количества абонентов и числа используемых стандартов. Соответственно увеличивается и количество антенных переключателей, выпускаемых многочисленными производителями. Их разнообразие весьма велико и с развитием технологий габариты и потребляемая мощность этих изделий постоянно снижаются, а функциональные возможности возрастают.
Pin-диодные приемопередающие переключатели
Модульные Rх / Тх-переключатели
Обычные SPDT-переключатели вполне могут быть использованы для обеспечения работы передатчика Тх и приемника Rx на одну антенну. Однако такое решение неэффективно и более целесообразно использовать специализированные переключатели «прием-передача» (Rx / Tx switches) с существенно различающимися характеристиками в передающем и приемном каналах, которые должны удовлетворять ряду требований:
Добиться выполнения этих требований можно при использовании симметричных (рис. 3) и в большей степени несимметричных (рис. 4) структур SPDT-переключателей, представленных на этих рисунках без цепей смещения, управления и четвертьволновых микрополосковых линий.
Каждый из портов симметричного SPDT-переключателя может быть как входным, так и выходным. При прямом включении сигнал с порта Ант может поступать на порты Тх и Rх. При обратном включении сигналы с портов Тх и Rх поступают на порт Ант. И при прямом, и при обратном включениях прохождение сигналов с Тх на Rх и обратно невозможно.
Такой переключатель работает только в двух режимах. В передающем режиме сигнал проходит с выхода передатчика Тх на антенну Ант. В приемном режиме сигнал с антенны Ант поступает на вход приемника Rх. Все другие пути прохождения сигналов между портами невозможны. Pin-диодные Rх / Тх-переключатели могут быть выполнены как в модульном, так и в интегральном исполнениях.
Модульные приемопередающие переключатели реализуются на дискретных pin-диодах или сборках на их основе (рис. 5). Эти сборки (табл. 1) выпускаются рядом производителей (MACOM, Aeroflex Metelics, Infineon, Skyworks Solutions и др.) специально для использования в модульных переключателях (табл. 2).
Непрерывная излучаемая мощность в модульных переключателях может достигать нескольких сотен ватт. При этом импульсная мощность (Pи) в отдельных изделиях может доходить до 5 кВт (см. табл. 2). Так, широкую линейку мощных pin-диодных переключателей PIN1001, PIN1002, …, PIN1014 с допустимой импульсной мощностью от 1 000 до 5 000 Вт производит компания Exodus Advanced Communications. Время переключения в этих изделиях находится в пределах от 1 до 20 мкс. Широкую полосу (1,5–1 000,0 МГц) в сочетании с высокой входной импульсной мощностью (1 000 Вт) и относительно небольшим временем переключения (50 мкс) обеспечивает приемопередающий переключатель TRS 02-1000-1000, выпускаемый компанией Empower RF Systems (см. табл. 2).
Примеры реализации Rх / Тх-переключателей приведены в ряде публикаций. Так, поглощающий симметричный SPDT-переключатель для WiMax базовых станций реализован в диапазоне 2,3–2,7 ГГц [10]. Основной упор в этой разработке был сделан на создании экономичного изделия на коммерческих диодах. В разработке использовался дешевый ламинат RO4003C компании Rogers с диэлектрической постоянной 3,38, предназначенный для работы на частоте 10 ГГц. В этом переключателе, реализованном по схеме рис. 3д, увеличение развязки достигается за счет последовательного включения трех диодов как в передающем, так и в приемном каналах. Платой за увеличение развязки является 3‑кратный рост вносимых потерь. Во втором из рассмотренных в работе [10] изделий для увеличения развязки до 40 дБ используются последовательные резонансные цепи (рис. 6) [10].
Еще одним примером Rх / Тх-изделий является ВЧ-переключатель МА8306-2W3XD [11], рассчитанный на работу в диапазоне 20–80 МГц. Этот переключатель (рис. 7) [11], работающий при входной мощности 1 500 Вт, обеспечивает вносимые потери IL (Тх – Ант) = 0,07 дБ, IL (Ант – Rх) = 0,25 дБ, развязку Iso (Тх – Rх) = 90 дБ и время переключения Тп = 30 мкс. При тестировании переключателя его работоспособность была подтверждена и при Pвх = 2 000 Вт. В переключателе использовались pin-диоды с размерами 0,110" × 0,110" × 0,015". Использование таких диодов позволило обеспечить напряжение пробоя Vbr = 1800 B, сопротивление включения Ron = 0,2 Ом, предельную частоту Fпр = 250 ГГц и время жизни носителей LT = 15 мкс.
Модуль переключателя выполнен на восьми pin-диодах, включенных попарно навстречу друг другу (см. рис. 7). Использование диодных пар позволило обеспечить подачу смещения между встречно включенными диодами и в значительной степени подавить четные гармоники. Последовательные диоды объединены в диодную сборку CR‑1.
Асимметричные Rх / Тх-переключатели во многих случаях могут быть более предпочтительными. В асимметричном Rх / Тх-переключателе (рис. 8) [12] в передающем канале два диода включены последовательно, а в приемном канале – параллельно [12].
При этом в приемном канале используются две четвертьволновые микрополосковые линии (МПЛ), разделяющие шунтирующие диоды. Дополнительно включенные последовательный и шунтирующий диоды обеспечивают более высокую степень развязки между передатчиком и приемником в передающем режиме. При подаче в передающем режиме положительного смещения на все диоды они открываются, обеспечивая низкие вносимые потери между передатчиком и антенной и высокую развязку между передатчиком и приемником. При нулевом смещении все четыре диода находятся в закрытом состоянии и ток в приемном канале практически обнуляется. При этом приемник находится в спящем режиме (stand by) и сигнал с антенны поступает на его вход практически без потерь. Вследствие того, что в спящем режиме токи в приемном канале практически отсутствуют, Rх / Тх-переключатель становится более экономичным.
Проведенные измерения Rх / Тх-переключателя показали, что вносимые потери в передающем режиме равны 1,2 дБ, а в приемном – 1,3 дБ. Измеренная развязка между передатчиком и приемником в передающем режиме составила 44 дБ. В приемном режиме развязка существенно меньше (24 дБ). Однако, вследствие того, что сигнал приемника весьма мал, он никакого отрицательного влияния на передатчик не оказывает.
Определенных преимуществ при разработке Rх / Тх-переключателей можно добиться, применив в них четырехпортовые гибридные мосты (ГМ), в которых мощность входного сигнала делится между двумя его выходными портами пополам. При этом фазовый сдвиг между поделенными сигналами составляет 90°. Мосты могут включаться встречно [13] и последовательно [14, 15].
Вариант построения Rх / Тх-переключателя со встречным включением гибридных мостов (рис. 9) рассматривался в [13] применительно к диапазонам частот 100–350 МГц и 150–600 МГц. В обоих случаях использовались мосты компании Werlatone. Для первого диапазона – модель QH8100, а для второго – модель QH8840. В передающем канале этого асимметричного Rх / Тх-переключателя (см. рис. 9) в качестве последовательного диода использовалась сборка MEST2G‑150-20, а в приемном – три шунтирующих диода Д2 – Д4, каждый из которых был выполнен на сборке MSWSH‑100-30. Последовательная сборка была рассчитана на входную мощность 150 Вт, а шунтирующие сборки – на 300 Вт. Смещение на каждую из этих сборок обеспечивалось от драйверов через дроссели.
В передающем режиме на все диоды подается высокое напряжение, обеспечивающее ток смещения около 100 мА. Мощный сигнал с передатчика поступает на 1‑й порт ГМ1 через последовательный диод Д1, разделяется поровну между портами 3 и 4 с нулевым и 90°-ным фазовыми сдвигами соответственно. Далее сигналы поступают на диоды Д3 и Д2, которые являются отражательными. В результате этого отраженные сигналы оказываются на 3‑м и 4‑м портах ГМ1, а результат их синфазного суммирования на 2‑м порту ГМ1, то есть проходит на антенну. Вносимые потери от выхода передатчика до антенны оказываются минимальными.
В приемном режиме все диоды закрыты. При этом сигнал от антенны разделяется поровну между портами 3 и 4 ГМ1, поступает далее на 4‑й и 3‑й порты ГМ2 и после суммирования на втором порте ГМ2 проходит на вход приемника. В этом режиме диод Д1 обеспечивает дополнительную развязку между передатчиком и приемником. Кроме того, вход приемника защищен последовательно включенными ограничителем Огр, фильтром высоких частот ФВЧ и дополнительным SPST-переключателем, который открыт в приемном и закрыт в передающем режимах. Ограничитель Огр и SPST-переключатель обеспечивают защиту от просачивающейся мощности передатчика, а фильтр ФВЧ – от видеоискажений, возникающих при коммутации диодов. Проведенное исследование изготовленных Rх / Тх-переключателей показало, что в диапазоне частот 100–350 МГц вносимые потери в передающем канале (между выходом передатчика и антенной) составили 0,7–0,9 дБ, а развязка между передатчиком и приемником была равна 70 дБ.
В приемном режиме вносимые потери между антенной и приемником были равны 1,3 дБ, а развязка снизилась до 57 дБ. Сходные результаты были получены и в Rх / Тх-переключателях, изготовленных для диапазона частот 150–600 МГц.
Приемопередающие модули с входящими в них Rх / Тх-переключателями были использованы в фазированных антенных решетках радиолокаторов (рис. 10) [13], предназначенных для исследования ледовой обстановки. В радиолокаторах, работающих в диапазоне частот 100–350 МГц, фазированную решетку образуют шесть приемопередающих модулей. В радиолокаторах на 150–600 МГц в фазированную решетку входят только два приемопередающих модуля. Излучаемые фазированными решетками мощности равны 6 и 2 кВт соответственно [13].
Rх / Тх-переключатель [15] с последовательным включением гибридных мостов (рис. 11) [14, 15] реализован, по сути дела, с использованием двух переключателей ПК1 и ПК2, на входы которых с портов 3 и 4 гибридного моста ГМ1 поступают сигналы с уменьшенной вдвое мощностью передатчика. Оба переключателя выполнены по параллельной схеме на двух шунтирующих диодах, аноды которых разделены четвертьволновыми микрополосковыми линиями λ/4 МПЛ3 и λ/4 МПЛ4. Первый переключатель реализован на диодах Д1, Д3 и микрополосковых линиях МПЛ1, λ/4 МПЛ3, МПЛ5. Второй выполнен на диодах Д2, Д4 и микрополосковых линиях МПЛ2, λ/4 МПЛ4, МПЛ6. Реально каждый из этих четырех диодов Д1–Д4 с целью уменьшения вносимых потерь в передающем режиме был заменен двумя параллельно включенными диодами.
Длины МПЛ и их волновые сопротивления выбраны такими, чтобы образовать на них и емкостях закрытых диодов, в каждом из двух переключателей, фильтры Чебышёва с рабочей полосой частот 150 МГц. Используемые в схеме (рис. 11) трехдецибельные гибридные мосты ГМ1 и ГМ2 выполнены на связанных линиях.
В передающем режиме на все pin-диоды поступает высокое положительное напряжение (+100 В), обеспечивающее их надежное закрытие и низкий уровень гармоник. Сигнал передатчика, поступающий на 1‑й порт ГМ1, делится поровну между 3‑м и 4‑м портами ГМ1. При этом на входы первого и второго переключателей поступают сигналы с уменьшенной вдвое мощностью передатчика, сдвинутые между собой по фазе на 90°. Далее сигналы с выходов переключателей ПК1 и ПК2 проходят на 2‑й и 1‑й входы ГМ2 и складываются в фазе на 3‑м порте ГМ2, являющемся антенным портом.
В режиме приема радиосигнал от антенны поступает на 3‑й порт ГМ2 и делится поровну между 1‑м и 2‑м портами. Подключенные к портам 2 и 1 ГМ2 диоды открыты, поэтому сигналы в обоих каналах отражаются от них и поступают обратно в ГМ2, где суммируются в 4‑м порту, являющемся входом приемника.
Использование Rх / Тх-переключателя с такой структурой дает следующие преимущества:
Последнее преимущество можно объяснить следующим образом. Радиосигнал с выхода передатчика поступает с 3‑го порта ГМ1 на ПК1, а с 4‑го порта на ПК2. КСВ этих двух переключателей могут существенно отличаться от 1, вследствие чего часть мощности от этих переключателей возвращается обратно на 3‑й и 4‑й порты ГМ1 и суммируется в порте 2, подключенном к эквиваленту нагрузки ЭН. Благодаря этому свойству входное сопротивление Rх / Тх-переключателя близко к номинальному (обычно 50 Ом) значению, а КСВ к 1. Отличие входного сопротивления и КСВ от номинальных значений обусловлено лишь разбросом параметров используемых в схеме компонентов, включая гибридные мосты.
Конструктивно антенный переключатель собран на печатной плате (рис. 12) с использованием материала RO4350 (компания Rogers). Высокая надежность переключателя обеспечивается его низкой рабочей температурой, которая даже в режиме передачи не превышает 55 °C (рис. 13). Работой Rх / Тх-переключателя управляет драйвер, обеспечивающий запирающее напряжение +100 В в режиме передачи и –4 В в режиме приема.
Большинство производителей модульных приемопередающих переключателей не приводят в data sheets принципиальных схем выпускаемых ими изделий. Тем не менее, наличие в data sheets табличных данных, свидетельствующих о различии характеристик приемного и передающего каналов (табл. 3), дают основание полагать, что эти изделия реализованы по асимметричным схемам.
Литература
Gharibdoust K., Mousavi N., Kalantari M. et al. A Fully Integrated 0.18‑μm CMOS Transceiver Chip for X-band Phased-Array Systems // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2012, V. 60. No. 7. PP. 2192–2202.
Zhang J., Zhang S., Ying Z. et al. Radiation-Pattern Reconfigurable Phased Array With p-i-n Diodes Controlled for 5G Mobile Terminals // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2020. V. 68. No. 3. PP. 1103–1117.
Геворкян В., Кочемасов В. Ферритовые переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2020. № 6. C. 90–94, № 9. С. 122–131.
Кочемасов В. Электромеханические переключатели ВЧ / СВЧ-сигналов – основные типы и производители // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 7. С. 114–121, № 8. С. 96–106, № 9. С. 128–134.
Кочемасов В. Н., Майстренко А. П. СВЧ-переключатели на основе МЭМС. СВЧ-электроника. 2016. № 1. С. 36–42.
Кочемасов В., Кирпиченков А. Твердотельные СВЧ-переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 10. С. 92–97, 2018. № 1. С. 116–124, № 2. С. 150–163.
Кочемасов В., Рауткин Ю. Интегральные СВЧ-переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2018. № 4. С. 122–127, № 5. С. 152–163, № 6. С. 80–93.
Кочемасов В., Дингес С., Шадский В. Твердотельные СВЧ-переключатели средней и большой мощности // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 8. С. 108–112, № 9. С. 116–130, № 10. С. 82–94.
Кочемасов В., Сафин А., Дингес С. Твердотельные СВЧ-переключатели с высокой скоростью коммутации // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2020. № 10. С. 70–82, 2021. № 1. С. 98–108, № 3. С. 108–122, № 4. С. 104–115.
Mandeep J. S., Lim C. C. Design A SPDT Switch for WiMAX // Microwaves & RF. December 2010. PP. 68–74.
Tenenholtz R. A 2000 watt CW MIC 20–500 MHz SPDT PIN Diode Switch Module. 1981. IEEE, 0149-645X/81/0000-0252. PP. 252–254.
Fei L. F. A T / R Diversity RF Switch Design Using PIN Diodes // Applied Microwave & Wireless. October 2000. PP. 52–60.
Rodriguez-Morales F., Gogineni S., Ahmed F. et al. T / R Switches and Modules for Ice Sounding / Imaging Radar // Microwave J., Aerospace & Defense Electronics Supplement. May 2018, pp. 6–18.
Малорацкий Л. Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. М.: Советское радио, 1976.
Захаров А. E., Кочемасов В. Н., Черкашин А. A. Антенный переключатель // СВЧ-электроника. 2020. № 4. C. 40–43.
В. Кочемасов, к. т. н., А. Сафин, к. т. н., С. Дингес, к. т. н.
СВЧ-переключатели – один из наиболее массовых радиокомпонентов, применяемых в радиоэлектронной аппаратуре. Они используются в переключаемых аттенюаторах, фазовращателях и фильтрах, в антенных приемопередающих модулях, в том числе входящих в состав активных фазированных решеток, применяемых в радиолокационных станциях [1] и средствах мобильной связи, включая поколения 5G / 6G [2]. Все перечисленные изделия востребованы в волноводном (относительно редко), модульном (достаточно часто) и интегральном (массово) исполнениях. В статье рассказывается об антенных переключателях различных типов.
Антенные переключатели могут быть выполнены по различным технологиям [3–9]. Допустимые уровни мощности в этих устройствах лежат в пределах от долей ватта до сотен киловатт.
В твердотельных изделиях допустимая непрерывная входная мощность может достигать единиц киловатт в переключателях на дискретных pin-диодах (в модульном исполнении) и сотен ватт в интегральных переключателях на кремниевых pin-диодах и нитрид-галлиевых полевых транзисторах. Арсенид-галлиевые и КМОП переключатели в основном применяются в интегральном исполнении. Первые из них по сравнению с pin-диодными переключателями имеют более высокую степень интеграции, устойчивы к радиации, имеют на два порядка меньшие токи смещения и управления. КМОП-переключатели по сравнению с арсенид-галлиевыми имеют несомненные преимущества по допустимой входной мощности, степени интеграции в том числе с аналоговыми и цифровыми узлами, защищенности от статического электричества, а также примерно на порядок меньшие токи потребления и управления.
Известны три канонические структуры твердотельных переключателей: последовательная (рис. 1а, г), параллельная (рис. 1б, д) и последовательно-параллельная (рис. 1в, е). На их основе и реализуются SPST- (рис. 2а), SPDT- (рис. 2б), многопозиционные SPMT- (рис. 2в) и DPDT-переключатели (рис. 2г). По сути дела, каждый канал DPDT- или SPMT-переключателя представляет собой SPST-переключатель. На четырех SPST-структурах может быть реализован и DPDT-переключатель (рис. 2г). Практические схемы могут быть более сложными.
Антенные переключатели можно разделить на два класса:
мощные изделия на основе DPDT-переключателей, выполненных на кремниевых pin-диодах или нитрид-галлиевых полевых транзисторах, обеспечивающие подключение к антенному порту выхода передатчика Tх или входа приемника Rх;
относительно маломощные изделия на основе DPDT- или многопозиционных переключателей, обеспечивающие подключение нескольких передатчиков и приемников к двум и более антеннам.
Арсенид-галлиевые и особенно КМОП технологии получили широкое распространение в системах мобильной связи вследствие постоянного увеличения количества абонентов и числа используемых стандартов. Соответственно увеличивается и количество антенных переключателей, выпускаемых многочисленными производителями. Их разнообразие весьма велико и с развитием технологий габариты и потребляемая мощность этих изделий постоянно снижаются, а функциональные возможности возрастают.
Pin-диодные приемопередающие переключатели
Модульные Rх / Тх-переключатели
Обычные SPDT-переключатели вполне могут быть использованы для обеспечения работы передатчика Тх и приемника Rx на одну антенну. Однако такое решение неэффективно и более целесообразно использовать специализированные переключатели «прием-передача» (Rx / Tx switches) с существенно различающимися характеристиками в передающем и приемном каналах, которые должны удовлетворять ряду требований:
- вносимые потери и интермодуляционные искажения в передающем канале должны быть предельно низкими;
- допустимая входная мощность в приемном канале должна быть существенно меньше допустимой мощности передающего канала;
- в приемном канале должны быть приняты меры по уменьшению мощности радиочастотного сигнала, просачивающейся из передающего канала, что обеспечивает высокую степень развязки между Тх и Rх, а также уменьшение видеоискажений VT (video through), возникающих при коммутации диодов;
- КСВ Rх / Тх-переключателя должно быть близким к 1, то есть согласование выходов передатчиков и входов антенн должно быть идеальным;
- желательно, чтобы в схеме Rх / Тх-переключателя отсутствовали разделительные конденсаторы, приводящие к дополнительным потерям и увеличению его стоимости;
- желательно, чтобы в схеме Rх / Тх-переключателя был лишь один источник питания;
- ток потребления в приемном канале должен быть близким к нулевым значениям;
время переключения должно быть минимальным.
Добиться выполнения этих требований можно при использовании симметричных (рис. 3) и в большей степени несимметричных (рис. 4) структур SPDT-переключателей, представленных на этих рисунках без цепей смещения, управления и четвертьволновых микрополосковых линий.
Каждый из портов симметричного SPDT-переключателя может быть как входным, так и выходным. При прямом включении сигнал с порта Ант может поступать на порты Тх и Rх. При обратном включении сигналы с портов Тх и Rх поступают на порт Ант. И при прямом, и при обратном включениях прохождение сигналов с Тх на Rх и обратно невозможно.
Такой переключатель работает только в двух режимах. В передающем режиме сигнал проходит с выхода передатчика Тх на антенну Ант. В приемном режиме сигнал с антенны Ант поступает на вход приемника Rх. Все другие пути прохождения сигналов между портами невозможны. Pin-диодные Rх / Тх-переключатели могут быть выполнены как в модульном, так и в интегральном исполнениях.
Модульные приемопередающие переключатели реализуются на дискретных pin-диодах или сборках на их основе (рис. 5). Эти сборки (табл. 1) выпускаются рядом производителей (MACOM, Aeroflex Metelics, Infineon, Skyworks Solutions и др.) специально для использования в модульных переключателях (табл. 2).
Непрерывная излучаемая мощность в модульных переключателях может достигать нескольких сотен ватт. При этом импульсная мощность (Pи) в отдельных изделиях может доходить до 5 кВт (см. табл. 2). Так, широкую линейку мощных pin-диодных переключателей PIN1001, PIN1002, …, PIN1014 с допустимой импульсной мощностью от 1 000 до 5 000 Вт производит компания Exodus Advanced Communications. Время переключения в этих изделиях находится в пределах от 1 до 20 мкс. Широкую полосу (1,5–1 000,0 МГц) в сочетании с высокой входной импульсной мощностью (1 000 Вт) и относительно небольшим временем переключения (50 мкс) обеспечивает приемопередающий переключатель TRS 02-1000-1000, выпускаемый компанией Empower RF Systems (см. табл. 2).
Примеры реализации Rх / Тх-переключателей приведены в ряде публикаций. Так, поглощающий симметричный SPDT-переключатель для WiMax базовых станций реализован в диапазоне 2,3–2,7 ГГц [10]. Основной упор в этой разработке был сделан на создании экономичного изделия на коммерческих диодах. В разработке использовался дешевый ламинат RO4003C компании Rogers с диэлектрической постоянной 3,38, предназначенный для работы на частоте 10 ГГц. В этом переключателе, реализованном по схеме рис. 3д, увеличение развязки достигается за счет последовательного включения трех диодов как в передающем, так и в приемном каналах. Платой за увеличение развязки является 3‑кратный рост вносимых потерь. Во втором из рассмотренных в работе [10] изделий для увеличения развязки до 40 дБ используются последовательные резонансные цепи (рис. 6) [10].
Еще одним примером Rх / Тх-изделий является ВЧ-переключатель МА8306-2W3XD [11], рассчитанный на работу в диапазоне 20–80 МГц. Этот переключатель (рис. 7) [11], работающий при входной мощности 1 500 Вт, обеспечивает вносимые потери IL (Тх – Ант) = 0,07 дБ, IL (Ант – Rх) = 0,25 дБ, развязку Iso (Тх – Rх) = 90 дБ и время переключения Тп = 30 мкс. При тестировании переключателя его работоспособность была подтверждена и при Pвх = 2 000 Вт. В переключателе использовались pin-диоды с размерами 0,110" × 0,110" × 0,015". Использование таких диодов позволило обеспечить напряжение пробоя Vbr = 1800 B, сопротивление включения Ron = 0,2 Ом, предельную частоту Fпр = 250 ГГц и время жизни носителей LT = 15 мкс.
Модуль переключателя выполнен на восьми pin-диодах, включенных попарно навстречу друг другу (см. рис. 7). Использование диодных пар позволило обеспечить подачу смещения между встречно включенными диодами и в значительной степени подавить четные гармоники. Последовательные диоды объединены в диодную сборку CR‑1.
Асимметричные Rх / Тх-переключатели во многих случаях могут быть более предпочтительными. В асимметричном Rх / Тх-переключателе (рис. 8) [12] в передающем канале два диода включены последовательно, а в приемном канале – параллельно [12].
При этом в приемном канале используются две четвертьволновые микрополосковые линии (МПЛ), разделяющие шунтирующие диоды. Дополнительно включенные последовательный и шунтирующий диоды обеспечивают более высокую степень развязки между передатчиком и приемником в передающем режиме. При подаче в передающем режиме положительного смещения на все диоды они открываются, обеспечивая низкие вносимые потери между передатчиком и антенной и высокую развязку между передатчиком и приемником. При нулевом смещении все четыре диода находятся в закрытом состоянии и ток в приемном канале практически обнуляется. При этом приемник находится в спящем режиме (stand by) и сигнал с антенны поступает на его вход практически без потерь. Вследствие того, что в спящем режиме токи в приемном канале практически отсутствуют, Rх / Тх-переключатель становится более экономичным.
Проведенные измерения Rх / Тх-переключателя показали, что вносимые потери в передающем режиме равны 1,2 дБ, а в приемном – 1,3 дБ. Измеренная развязка между передатчиком и приемником в передающем режиме составила 44 дБ. В приемном режиме развязка существенно меньше (24 дБ). Однако, вследствие того, что сигнал приемника весьма мал, он никакого отрицательного влияния на передатчик не оказывает.
Определенных преимуществ при разработке Rх / Тх-переключателей можно добиться, применив в них четырехпортовые гибридные мосты (ГМ), в которых мощность входного сигнала делится между двумя его выходными портами пополам. При этом фазовый сдвиг между поделенными сигналами составляет 90°. Мосты могут включаться встречно [13] и последовательно [14, 15].
Вариант построения Rх / Тх-переключателя со встречным включением гибридных мостов (рис. 9) рассматривался в [13] применительно к диапазонам частот 100–350 МГц и 150–600 МГц. В обоих случаях использовались мосты компании Werlatone. Для первого диапазона – модель QH8100, а для второго – модель QH8840. В передающем канале этого асимметричного Rх / Тх-переключателя (см. рис. 9) в качестве последовательного диода использовалась сборка MEST2G‑150-20, а в приемном – три шунтирующих диода Д2 – Д4, каждый из которых был выполнен на сборке MSWSH‑100-30. Последовательная сборка была рассчитана на входную мощность 150 Вт, а шунтирующие сборки – на 300 Вт. Смещение на каждую из этих сборок обеспечивалось от драйверов через дроссели.
В передающем режиме на все диоды подается высокое напряжение, обеспечивающее ток смещения около 100 мА. Мощный сигнал с передатчика поступает на 1‑й порт ГМ1 через последовательный диод Д1, разделяется поровну между портами 3 и 4 с нулевым и 90°-ным фазовыми сдвигами соответственно. Далее сигналы поступают на диоды Д3 и Д2, которые являются отражательными. В результате этого отраженные сигналы оказываются на 3‑м и 4‑м портах ГМ1, а результат их синфазного суммирования на 2‑м порту ГМ1, то есть проходит на антенну. Вносимые потери от выхода передатчика до антенны оказываются минимальными.
В приемном режиме все диоды закрыты. При этом сигнал от антенны разделяется поровну между портами 3 и 4 ГМ1, поступает далее на 4‑й и 3‑й порты ГМ2 и после суммирования на втором порте ГМ2 проходит на вход приемника. В этом режиме диод Д1 обеспечивает дополнительную развязку между передатчиком и приемником. Кроме того, вход приемника защищен последовательно включенными ограничителем Огр, фильтром высоких частот ФВЧ и дополнительным SPST-переключателем, который открыт в приемном и закрыт в передающем режимах. Ограничитель Огр и SPST-переключатель обеспечивают защиту от просачивающейся мощности передатчика, а фильтр ФВЧ – от видеоискажений, возникающих при коммутации диодов. Проведенное исследование изготовленных Rх / Тх-переключателей показало, что в диапазоне частот 100–350 МГц вносимые потери в передающем канале (между выходом передатчика и антенной) составили 0,7–0,9 дБ, а развязка между передатчиком и приемником была равна 70 дБ.
В приемном режиме вносимые потери между антенной и приемником были равны 1,3 дБ, а развязка снизилась до 57 дБ. Сходные результаты были получены и в Rх / Тх-переключателях, изготовленных для диапазона частот 150–600 МГц.
Приемопередающие модули с входящими в них Rх / Тх-переключателями были использованы в фазированных антенных решетках радиолокаторов (рис. 10) [13], предназначенных для исследования ледовой обстановки. В радиолокаторах, работающих в диапазоне частот 100–350 МГц, фазированную решетку образуют шесть приемопередающих модулей. В радиолокаторах на 150–600 МГц в фазированную решетку входят только два приемопередающих модуля. Излучаемые фазированными решетками мощности равны 6 и 2 кВт соответственно [13].
Rх / Тх-переключатель [15] с последовательным включением гибридных мостов (рис. 11) [14, 15] реализован, по сути дела, с использованием двух переключателей ПК1 и ПК2, на входы которых с портов 3 и 4 гибридного моста ГМ1 поступают сигналы с уменьшенной вдвое мощностью передатчика. Оба переключателя выполнены по параллельной схеме на двух шунтирующих диодах, аноды которых разделены четвертьволновыми микрополосковыми линиями λ/4 МПЛ3 и λ/4 МПЛ4. Первый переключатель реализован на диодах Д1, Д3 и микрополосковых линиях МПЛ1, λ/4 МПЛ3, МПЛ5. Второй выполнен на диодах Д2, Д4 и микрополосковых линиях МПЛ2, λ/4 МПЛ4, МПЛ6. Реально каждый из этих четырех диодов Д1–Д4 с целью уменьшения вносимых потерь в передающем режиме был заменен двумя параллельно включенными диодами.
Длины МПЛ и их волновые сопротивления выбраны такими, чтобы образовать на них и емкостях закрытых диодов, в каждом из двух переключателей, фильтры Чебышёва с рабочей полосой частот 150 МГц. Используемые в схеме (рис. 11) трехдецибельные гибридные мосты ГМ1 и ГМ2 выполнены на связанных линиях.
В передающем режиме на все pin-диоды поступает высокое положительное напряжение (+100 В), обеспечивающее их надежное закрытие и низкий уровень гармоник. Сигнал передатчика, поступающий на 1‑й порт ГМ1, делится поровну между 3‑м и 4‑м портами ГМ1. При этом на входы первого и второго переключателей поступают сигналы с уменьшенной вдвое мощностью передатчика, сдвинутые между собой по фазе на 90°. Далее сигналы с выходов переключателей ПК1 и ПК2 проходят на 2‑й и 1‑й входы ГМ2 и складываются в фазе на 3‑м порте ГМ2, являющемся антенным портом.
В режиме приема радиосигнал от антенны поступает на 3‑й порт ГМ2 и делится поровну между 1‑м и 2‑м портами. Подключенные к портам 2 и 1 ГМ2 диоды открыты, поэтому сигналы в обоих каналах отражаются от них и поступают обратно в ГМ2, где суммируются в 4‑м порту, являющемся входом приемника.
Использование Rх / Тх-переключателя с такой структурой дает следующие преимущества:
- применение двух параллельно включенных переключателей обеспечивает удвоение максимально допустимой коммутируемой мощности;
- максимально допустимая мощность каждого из переключателей определяется мощностями используемых ГМ и МПЛ, а также мощностью, рассеиваемой на закрытых диодах;
- отсутствие в Rх / Тх-переключателе разделительных конденсаторов снижает вносимые потери в передающем режиме и делает их более экономичными;
- применение квадратурных ГМ позволяет согласовать импедансы портов, подключенных к передатчику и антенне таким образом, что их КСВ остается близким к 1 во всей полосе рабочих частот.
Последнее преимущество можно объяснить следующим образом. Радиосигнал с выхода передатчика поступает с 3‑го порта ГМ1 на ПК1, а с 4‑го порта на ПК2. КСВ этих двух переключателей могут существенно отличаться от 1, вследствие чего часть мощности от этих переключателей возвращается обратно на 3‑й и 4‑й порты ГМ1 и суммируется в порте 2, подключенном к эквиваленту нагрузки ЭН. Благодаря этому свойству входное сопротивление Rх / Тх-переключателя близко к номинальному (обычно 50 Ом) значению, а КСВ к 1. Отличие входного сопротивления и КСВ от номинальных значений обусловлено лишь разбросом параметров используемых в схеме компонентов, включая гибридные мосты.
Конструктивно антенный переключатель собран на печатной плате (рис. 12) с использованием материала RO4350 (компания Rogers). Высокая надежность переключателя обеспечивается его низкой рабочей температурой, которая даже в режиме передачи не превышает 55 °C (рис. 13). Работой Rх / Тх-переключателя управляет драйвер, обеспечивающий запирающее напряжение +100 В в режиме передачи и –4 В в режиме приема.
Большинство производителей модульных приемопередающих переключателей не приводят в data sheets принципиальных схем выпускаемых ими изделий. Тем не менее, наличие в data sheets табличных данных, свидетельствующих о различии характеристик приемного и передающего каналов (табл. 3), дают основание полагать, что эти изделия реализованы по асимметричным схемам.
Литература
Gharibdoust K., Mousavi N., Kalantari M. et al. A Fully Integrated 0.18‑μm CMOS Transceiver Chip for X-band Phased-Array Systems // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2012, V. 60. No. 7. PP. 2192–2202.
Zhang J., Zhang S., Ying Z. et al. Radiation-Pattern Reconfigurable Phased Array With p-i-n Diodes Controlled for 5G Mobile Terminals // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2020. V. 68. No. 3. PP. 1103–1117.
Геворкян В., Кочемасов В. Ферритовые переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2020. № 6. C. 90–94, № 9. С. 122–131.
Кочемасов В. Электромеханические переключатели ВЧ / СВЧ-сигналов – основные типы и производители // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 7. С. 114–121, № 8. С. 96–106, № 9. С. 128–134.
Кочемасов В. Н., Майстренко А. П. СВЧ-переключатели на основе МЭМС. СВЧ-электроника. 2016. № 1. С. 36–42.
Кочемасов В., Кирпиченков А. Твердотельные СВЧ-переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2017. № 10. С. 92–97, 2018. № 1. С. 116–124, № 2. С. 150–163.
Кочемасов В., Рауткин Ю. Интегральные СВЧ-переключатели // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2018. № 4. С. 122–127, № 5. С. 152–163, № 6. С. 80–93.
Кочемасов В., Дингес С., Шадский В. Твердотельные СВЧ-переключатели средней и большой мощности // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 8. С. 108–112, № 9. С. 116–130, № 10. С. 82–94.
Кочемасов В., Сафин А., Дингес С. Твердотельные СВЧ-переключатели с высокой скоростью коммутации // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2020. № 10. С. 70–82, 2021. № 1. С. 98–108, № 3. С. 108–122, № 4. С. 104–115.
Mandeep J. S., Lim C. C. Design A SPDT Switch for WiMAX // Microwaves & RF. December 2010. PP. 68–74.
Tenenholtz R. A 2000 watt CW MIC 20–500 MHz SPDT PIN Diode Switch Module. 1981. IEEE, 0149-645X/81/0000-0252. PP. 252–254.
Fei L. F. A T / R Diversity RF Switch Design Using PIN Diodes // Applied Microwave & Wireless. October 2000. PP. 52–60.
Rodriguez-Morales F., Gogineni S., Ahmed F. et al. T / R Switches and Modules for Ice Sounding / Imaging Radar // Microwave J., Aerospace & Defense Electronics Supplement. May 2018, pp. 6–18.
Малорацкий Л. Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. М.: Советское радио, 1976.
Захаров А. E., Кочемасов В. Н., Черкашин А. A. Антенный переключатель // СВЧ-электроника. 2020. № 4. C. 40–43.
Отзывы читателей
