eng
DOI: 10.22184/1992-4178.2023.222.1.88.101
Рассмотрены антенные переключатели. Приведена информация об особенностях и характеристиках различных типов таких устройств, выпускаемых рядом производителей.
Рассмотрены антенные переключатели. Приведена информация об особенностях и характеристиках различных типов таких устройств, выпускаемых рядом производителей.
Антенные переключатели
Часть 5
В. Кочемасов, к. т. н.1, А. Сафин, к. т. н.2, С. Дингес, к. т. н.3
В первой, второй, третьей и четвертой частях статьи, опубликованных в седьмом, восьмом, девятом и десятом номерах журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2022 год, было рассказано о различных антенных приемопередающих переключателях. В данном номере рассматривается еще несколько типов таких переключателей.
Переключатели типа Diversity
Одна из проблем, которую приходится решать при разработке средств мобильной связи – это замирания принимаемых сигналов. В мобильных системах связи в условиях городской застройки, лесистой или гористой местности на вход приемника поступают сигналы, различающиеся задержкой, а значит и фазой. В приемнике эти сигналы складываются как в фазе, так и в противофазе, что может приводить к значительному уменьшению уровня входных сигналов приемника. Создавая тем или иным способом отличия в поступающих на вход приемника сигналах, можно выделить из них наиболее сильный, который в дальнейшем можно использовать для обработки. Отличия в сигналах можно обеспечить за счет пространственного разнесения двух или более антенн, изменения поляризации и других характеристик сигналов, зависящих в том числе и от используемых стандартов связи. Первый из названных способов является наиболее экономичным и применяется чаще всего. Простейшая реализация предполагает использование двух антенн, разнесенных на расстояние не менее λ / 2. В этом случае к трем портам Tx, Rx, Aнт1 добавляется еще один антенный порт Aнт2 и переключатель становится 4‑портовым. На английском языке такие переключатели называются antenna diversity switches. Свойством diversity обладает, например, переключатель (рис. 60), составленный из двух асимметричных SPST-структур, реализованных по последовательно-параллельной схеме [12]. Передатчик Тх и приемник Rx в этом случае могут быть подключены к одной из двух антенн, причем в каждый момент времени может быть задействован только один из каналов: Tx – Aнт1, Tx – Aнт2, Rx – Aнт1, Rx – Aнт2. Аналогичный режим работы реализован и в переключателе HMC393MS8G, сделанном в интегральном исполнении на четырех SPST-структурах (рис. 61). В практической деятельности при создании мобильных телефонов первых поколений широкое применение нашли DPDT-переключатели (рис. 62), позволяющие одновременно обеспечивать работу двух каналов Tx – Aнт1 и Rx – Aнт2, а после коммутации переключателя поддерживать связь между Тх и Aнт2 и Rx и Aнт1. Таким образом, DPDT-изделия обеспечивают свойство diversity и именно на них реализуются многие антенные переключатели. Эти переключатели могут быть выполнены как на SPST (рис. 62а), так и на SPDT (рис. 62б–д) структурах. Обычно число таких структур равно 8 или 4. Однако, имеются примеры реализации DPDT-переключателей и на трех SPDT-структурах (рис. 62в). Подобная схема используется, например, в мощных DPDT-переключателях (рис. 63), продвигаемых на рынок компаниями PMI и Corry Micronics.
DPDT-переключатели, имеющие два входа и два выхода, относятся к матричным переключателям (blocking type switch matrix) и именно они стали основными при создании diversity antenna switches. В DPDT-переключателях возможны лишь два положения (режима). В первом из них выход передатчика Тх соединен с антенным портом Aнт1, а вход приемника Rx – с портом Aнт2. Во втором режиме выход Тх соединен с антенным портом Aнт2, а вход приемника Rx – с антенным портом Aнт1.
Основными производителями модульных DPDT-переключателей по pin-диодной технологии являются компании Pasternack, PMI, AMC, Kratos, Cobham, Narda-Miteq, Comtech PST (табл. 16). Конструктивно эти переключатели между собой практически не различаются (рис. 64). Нижняя граница рабочего диапазона частот этих pin-диодных DPDT-переключателей не опускается ниже 500 МГц, а верхняя не превышает 18 ГГц. Допустимая входная мощность обычно находится в пределах 0,2–5,0 Вт, но может достигать и больших значений. Так, в переключателе АВ‑032, выпускаемом компанией Comtech PST, она достигает 100 Вт. При этом импульсная мощность в случае использования 100‑мкс импульсов, проходящих через DPDT-переключатель, может достигать 2 000 Вт. Развязка между портами в этих переключателях находится в пределах 60–80 дБ, а время коммутации не превосходит 0,03–1,0 мкс. Вносимые потери в изделии PE71S6287 компании Pasternack между четырьмя портами переключателей практически не различаются (рис. 65а), а уровни межпортовых развязок достигают 100 дБ (рис. 65б). Эти DPDT-переключатели реализуются по схемам, представленным на рис. 62. Принципиальная схема кольцевого DPDT-переключателя на четырех SPDT-структурах (рис. 66) содержит все необходимые цепи смещения и разделительные конденсаторы.
В мобильных телефонах первого поколения были успешно применены интегральные DPDT-переключатели, обладающие свойством diversity. Время создания этих мобильных телефонов совпало с появлением интегральных DPDT-переключателей по перспективной в то время GaAs-технологии на полевых транзисторах (рис. 67) [28]. Верхние значения рабочего диапазона частот в этих переключателях в основном не превышали 6 ГГц, а допустимая входная мощность находилась в пределах 1,6–6,4 Вт (табл. 17). Развязка между портами в этих переключателях (14–25 дБ) оставляет желать лучшего. Весьма полезными для разработчиков представляются зависимости (рис. 68), характеризующие работу арсенид-галлиевого переключателя FMS2017 при вариациях частоты (рис. 68а), входной мощности (рис. 68б) и управляющего напряжения (рис. 68в).
DPDT-переключатели в КМОП-исполнении производят компании Infineon, Qorvo, Skyworks Solutions, Custom MMIC (табл. 18). Максимальная рабочая частота этих переключателей не превышает 12 ГГц, а максимально допустимая входная мощность – 8 Вт. Вносимое ослабление в диапазоне частот мало зависит от канала, по которому проходит радиосигнал (рис. 69а), но существенно меняется в диапазоне температур (рис. 69б). Развязка между портами DPDT-переключателя QPC6222 (рис. 70а, б) практически не зависит от пути прохождения сигнала. Не влияют на ее величину и вариации температуры (рис. 70в, г).
Зависимости компрессионных мощностей P1дБ и P0,1дБ от частоты в DPDT-переключателях отличаются друг от друга, но влияние температуры невелико (рис. 71а, б). Характеристики IIP3(f) существенно зависят от частоты и модели переключателя, но весьма слабо реагируют на изменения температуры (рис. 72а, б).
Многопозиционные антенные переключатели
С появлением новых стандартов сотовой связи требования к антенным переключателям становились все сложнее и сложнее вследствие использования новых диапазонов частот, увеличения количества портов с подключенными к ним передатчиками Tx, приемниками Rx и трансиверами TRx, а также роста числа задействованных антенных излучателей. Для базовых станций мобильной связи и носимых радиосредств в этот период были разработаны интегральные антенные переключатели на pin-диодах и GaN-транзисторах с весьма высокими коммутируемыми мощностями, а для мобильных телефонов – антенные переключатели по технологиям GaAs и КМОП.
Переключатели на pin-диодах
Количество мощных SPMT-переключателей на кремниевых pin-диодах, выпускаемых промышленностью, невелико. Их производят компании MACOM и Wei Bo Associates (табл. 19). Технические характеристики у них близки к характеристикам SPDT-изделий, которые выпускаются названными компаниями (табл. 4, 5). В некоторых изделиях этого типа (MSW3201-320, MSW3200-320) переключение может осуществляться в горячем режиме. SP3T- и SP4T-переключатели обычно выполняются по последовательно-параллельной схеме и отличаются лишь направлением включения pin-диодов (рис. 73а, б). SP6T-переключатели MSW6T‑6040-600 реализованы по последовательной схеме на шести pin-диодах с общим катодом (рис. 74). Во всех переключателях используются высоковольтные (до 180 В) pin-диоды, причем ряд изделий (MASW‑011030, MASW‑011032, MASW‑011040) выполнены в 16- или 20‑выводных HQFN-корпусах. Два переключателя – MSW320х‑320 и MSWТ6Т‑6040-600, – использующие керамическую и стеклянную подложки, соответственно, выпускаются в пластиковых корпусах с размерами 8,0 × 5,0 × 2,5 и 8,0 × 8,0 × 2,5 мм. Максимальная импульсная мощность 1 000 Вт достигается в SP6T-переключателе MSW6T‑6040-600. Все pin-диодные переключатели отличаются высокой линейностью (табл. 19), которая, например, в переключателе MSW5T‑0310-505 достигает 80 дБм. Pin-диодные переключатели применяются не только в связных, но и в радиолокационных системах коммерческого, промышленного и космического назначения.
Арсенид-галлиевые
многопозиционные переключатели
В средствах мобильной связи, за исключением базовых станций, pin-диодные изделия в силу присущих им недостатков применения не нашли. Однако, по времени развитие систем мобильной телефонии совпало со становлением GaAs-технологии на полевых транзисторах. Именно по этой причине наряду с SPDT-переключателями на арсенид-галлиевых полевых транзисторах появились и многопозиционные изделия, обеспечивающие работу мобильных телефонов, базирующихся на различных стандартах связи (табл. 20). В числе производителей этой продукции были компании Skyworks Solutions, Filtronic, SuperApex, Qorvo, Anadigics, CEL, Atlanta Micro, UMS, Custom MMIC и др. Некоторые из этих изделий наряду с обеспечением связи позволяют принимать GPS-сигналы (рис. 75).
Некоторые многопозиционные переключатели, например модель FMS2028, имеющая антенный, два передающих и четыре приемных порта (рис. 76), обеспечивают в передающих каналах меньшие вносимые потери по сравнению с приемными каналами (рис. 77а). От вариаций температуры окружающей среды вносимые ослабления в передающих и приемных каналах зависят мало (рис. 77б, в). При этом развязки между передающими и приемными каналами достигают достаточно высоких значений (рис. 78). Типовой уровень второй и третьей гармоник в изделии FMS2018 составляет –70…–80 дБн. В микросхеме RFSW6131 (компания Qorvo) зависимости вносимых ослаблений от частоты для различных каналов различаются между собой незначительно (рис. 79а). В большей степени на вносимое ослабление влияет окружающая температура (рис. 79б). Развязки между входом RFc и выходами каналов RF1, RF2, RF3 3‑позиционного переключателя отличаются между собой лишь в верхней части частотного диапазона (рис. 79в). При этом существенно большим разнообразием отличаются развязки между выходами RF1, RF2, RF3 (рис. 79г). Мало зависит от частоты и номера канала показатель линейности IIP3 (рис. 80а). Однако, температура окружающей среды оказывает на него весьма сильное влияние (рис. 80б). В значительной степени вносимое ослабление зависит от уровня входной мощности, температуры и управляющего напряжения (рис. 81). Так, изменение этого напряжения с 3 до 5 В практически вдвое увеличивает значение допустимой входной мощности.
Встречаются среди арсенид-галлиевых переключателей и модульные изделия. Примером могут служить 4‑позиционные переключатели компании Pascall Electronics (1-10533) и Analog Devices (HMC-C071). Первый из них выполнен по технологии GaAs FET, а второй – по технологии GaAs PHEMT.
В целом применение GaAs-технологии для создания многопозиционных переключателей, используемых для передачи и приема сигналов, позволило создать значительное число изделий для мобильных средств связи с токами потребления и управления на два порядка меньшими, чем в изделиях на pin-диодах.
Литература
Lee C.-H., Banerjee B., Laskar J. Novel T/R Switch Architectures for MIMO Applications. – 2004 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. PP. 1137–1140.
Часть 5
В. Кочемасов, к. т. н.1, А. Сафин, к. т. н.2, С. Дингес, к. т. н.3
В первой, второй, третьей и четвертой частях статьи, опубликованных в седьмом, восьмом, девятом и десятом номерах журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2022 год, было рассказано о различных антенных приемопередающих переключателях. В данном номере рассматривается еще несколько типов таких переключателей.
Переключатели типа Diversity
Одна из проблем, которую приходится решать при разработке средств мобильной связи – это замирания принимаемых сигналов. В мобильных системах связи в условиях городской застройки, лесистой или гористой местности на вход приемника поступают сигналы, различающиеся задержкой, а значит и фазой. В приемнике эти сигналы складываются как в фазе, так и в противофазе, что может приводить к значительному уменьшению уровня входных сигналов приемника. Создавая тем или иным способом отличия в поступающих на вход приемника сигналах, можно выделить из них наиболее сильный, который в дальнейшем можно использовать для обработки. Отличия в сигналах можно обеспечить за счет пространственного разнесения двух или более антенн, изменения поляризации и других характеристик сигналов, зависящих в том числе и от используемых стандартов связи. Первый из названных способов является наиболее экономичным и применяется чаще всего. Простейшая реализация предполагает использование двух антенн, разнесенных на расстояние не менее λ / 2. В этом случае к трем портам Tx, Rx, Aнт1 добавляется еще один антенный порт Aнт2 и переключатель становится 4‑портовым. На английском языке такие переключатели называются antenna diversity switches. Свойством diversity обладает, например, переключатель (рис. 60), составленный из двух асимметричных SPST-структур, реализованных по последовательно-параллельной схеме [12]. Передатчик Тх и приемник Rx в этом случае могут быть подключены к одной из двух антенн, причем в каждый момент времени может быть задействован только один из каналов: Tx – Aнт1, Tx – Aнт2, Rx – Aнт1, Rx – Aнт2. Аналогичный режим работы реализован и в переключателе HMC393MS8G, сделанном в интегральном исполнении на четырех SPST-структурах (рис. 61). В практической деятельности при создании мобильных телефонов первых поколений широкое применение нашли DPDT-переключатели (рис. 62), позволяющие одновременно обеспечивать работу двух каналов Tx – Aнт1 и Rx – Aнт2, а после коммутации переключателя поддерживать связь между Тх и Aнт2 и Rx и Aнт1. Таким образом, DPDT-изделия обеспечивают свойство diversity и именно на них реализуются многие антенные переключатели. Эти переключатели могут быть выполнены как на SPST (рис. 62а), так и на SPDT (рис. 62б–д) структурах. Обычно число таких структур равно 8 или 4. Однако, имеются примеры реализации DPDT-переключателей и на трех SPDT-структурах (рис. 62в). Подобная схема используется, например, в мощных DPDT-переключателях (рис. 63), продвигаемых на рынок компаниями PMI и Corry Micronics.
DPDT-переключатели, имеющие два входа и два выхода, относятся к матричным переключателям (blocking type switch matrix) и именно они стали основными при создании diversity antenna switches. В DPDT-переключателях возможны лишь два положения (режима). В первом из них выход передатчика Тх соединен с антенным портом Aнт1, а вход приемника Rx – с портом Aнт2. Во втором режиме выход Тх соединен с антенным портом Aнт2, а вход приемника Rx – с антенным портом Aнт1.
Основными производителями модульных DPDT-переключателей по pin-диодной технологии являются компании Pasternack, PMI, AMC, Kratos, Cobham, Narda-Miteq, Comtech PST (табл. 16). Конструктивно эти переключатели между собой практически не различаются (рис. 64). Нижняя граница рабочего диапазона частот этих pin-диодных DPDT-переключателей не опускается ниже 500 МГц, а верхняя не превышает 18 ГГц. Допустимая входная мощность обычно находится в пределах 0,2–5,0 Вт, но может достигать и больших значений. Так, в переключателе АВ‑032, выпускаемом компанией Comtech PST, она достигает 100 Вт. При этом импульсная мощность в случае использования 100‑мкс импульсов, проходящих через DPDT-переключатель, может достигать 2 000 Вт. Развязка между портами в этих переключателях находится в пределах 60–80 дБ, а время коммутации не превосходит 0,03–1,0 мкс. Вносимые потери в изделии PE71S6287 компании Pasternack между четырьмя портами переключателей практически не различаются (рис. 65а), а уровни межпортовых развязок достигают 100 дБ (рис. 65б). Эти DPDT-переключатели реализуются по схемам, представленным на рис. 62. Принципиальная схема кольцевого DPDT-переключателя на четырех SPDT-структурах (рис. 66) содержит все необходимые цепи смещения и разделительные конденсаторы.
В мобильных телефонах первого поколения были успешно применены интегральные DPDT-переключатели, обладающие свойством diversity. Время создания этих мобильных телефонов совпало с появлением интегральных DPDT-переключателей по перспективной в то время GaAs-технологии на полевых транзисторах (рис. 67) [28]. Верхние значения рабочего диапазона частот в этих переключателях в основном не превышали 6 ГГц, а допустимая входная мощность находилась в пределах 1,6–6,4 Вт (табл. 17). Развязка между портами в этих переключателях (14–25 дБ) оставляет желать лучшего. Весьма полезными для разработчиков представляются зависимости (рис. 68), характеризующие работу арсенид-галлиевого переключателя FMS2017 при вариациях частоты (рис. 68а), входной мощности (рис. 68б) и управляющего напряжения (рис. 68в).
DPDT-переключатели в КМОП-исполнении производят компании Infineon, Qorvo, Skyworks Solutions, Custom MMIC (табл. 18). Максимальная рабочая частота этих переключателей не превышает 12 ГГц, а максимально допустимая входная мощность – 8 Вт. Вносимое ослабление в диапазоне частот мало зависит от канала, по которому проходит радиосигнал (рис. 69а), но существенно меняется в диапазоне температур (рис. 69б). Развязка между портами DPDT-переключателя QPC6222 (рис. 70а, б) практически не зависит от пути прохождения сигнала. Не влияют на ее величину и вариации температуры (рис. 70в, г).
Зависимости компрессионных мощностей P1дБ и P0,1дБ от частоты в DPDT-переключателях отличаются друг от друга, но влияние температуры невелико (рис. 71а, б). Характеристики IIP3(f) существенно зависят от частоты и модели переключателя, но весьма слабо реагируют на изменения температуры (рис. 72а, б).
Многопозиционные антенные переключатели
С появлением новых стандартов сотовой связи требования к антенным переключателям становились все сложнее и сложнее вследствие использования новых диапазонов частот, увеличения количества портов с подключенными к ним передатчиками Tx, приемниками Rx и трансиверами TRx, а также роста числа задействованных антенных излучателей. Для базовых станций мобильной связи и носимых радиосредств в этот период были разработаны интегральные антенные переключатели на pin-диодах и GaN-транзисторах с весьма высокими коммутируемыми мощностями, а для мобильных телефонов – антенные переключатели по технологиям GaAs и КМОП.
Переключатели на pin-диодах
Количество мощных SPMT-переключателей на кремниевых pin-диодах, выпускаемых промышленностью, невелико. Их производят компании MACOM и Wei Bo Associates (табл. 19). Технические характеристики у них близки к характеристикам SPDT-изделий, которые выпускаются названными компаниями (табл. 4, 5). В некоторых изделиях этого типа (MSW3201-320, MSW3200-320) переключение может осуществляться в горячем режиме. SP3T- и SP4T-переключатели обычно выполняются по последовательно-параллельной схеме и отличаются лишь направлением включения pin-диодов (рис. 73а, б). SP6T-переключатели MSW6T‑6040-600 реализованы по последовательной схеме на шести pin-диодах с общим катодом (рис. 74). Во всех переключателях используются высоковольтные (до 180 В) pin-диоды, причем ряд изделий (MASW‑011030, MASW‑011032, MASW‑011040) выполнены в 16- или 20‑выводных HQFN-корпусах. Два переключателя – MSW320х‑320 и MSWТ6Т‑6040-600, – использующие керамическую и стеклянную подложки, соответственно, выпускаются в пластиковых корпусах с размерами 8,0 × 5,0 × 2,5 и 8,0 × 8,0 × 2,5 мм. Максимальная импульсная мощность 1 000 Вт достигается в SP6T-переключателе MSW6T‑6040-600. Все pin-диодные переключатели отличаются высокой линейностью (табл. 19), которая, например, в переключателе MSW5T‑0310-505 достигает 80 дБм. Pin-диодные переключатели применяются не только в связных, но и в радиолокационных системах коммерческого, промышленного и космического назначения.
Арсенид-галлиевые
многопозиционные переключатели
В средствах мобильной связи, за исключением базовых станций, pin-диодные изделия в силу присущих им недостатков применения не нашли. Однако, по времени развитие систем мобильной телефонии совпало со становлением GaAs-технологии на полевых транзисторах. Именно по этой причине наряду с SPDT-переключателями на арсенид-галлиевых полевых транзисторах появились и многопозиционные изделия, обеспечивающие работу мобильных телефонов, базирующихся на различных стандартах связи (табл. 20). В числе производителей этой продукции были компании Skyworks Solutions, Filtronic, SuperApex, Qorvo, Anadigics, CEL, Atlanta Micro, UMS, Custom MMIC и др. Некоторые из этих изделий наряду с обеспечением связи позволяют принимать GPS-сигналы (рис. 75).
Некоторые многопозиционные переключатели, например модель FMS2028, имеющая антенный, два передающих и четыре приемных порта (рис. 76), обеспечивают в передающих каналах меньшие вносимые потери по сравнению с приемными каналами (рис. 77а). От вариаций температуры окружающей среды вносимые ослабления в передающих и приемных каналах зависят мало (рис. 77б, в). При этом развязки между передающими и приемными каналами достигают достаточно высоких значений (рис. 78). Типовой уровень второй и третьей гармоник в изделии FMS2018 составляет –70…–80 дБн. В микросхеме RFSW6131 (компания Qorvo) зависимости вносимых ослаблений от частоты для различных каналов различаются между собой незначительно (рис. 79а). В большей степени на вносимое ослабление влияет окружающая температура (рис. 79б). Развязки между входом RFc и выходами каналов RF1, RF2, RF3 3‑позиционного переключателя отличаются между собой лишь в верхней части частотного диапазона (рис. 79в). При этом существенно большим разнообразием отличаются развязки между выходами RF1, RF2, RF3 (рис. 79г). Мало зависит от частоты и номера канала показатель линейности IIP3 (рис. 80а). Однако, температура окружающей среды оказывает на него весьма сильное влияние (рис. 80б). В значительной степени вносимое ослабление зависит от уровня входной мощности, температуры и управляющего напряжения (рис. 81). Так, изменение этого напряжения с 3 до 5 В практически вдвое увеличивает значение допустимой входной мощности.
Встречаются среди арсенид-галлиевых переключателей и модульные изделия. Примером могут служить 4‑позиционные переключатели компании Pascall Electronics (1-10533) и Analog Devices (HMC-C071). Первый из них выполнен по технологии GaAs FET, а второй – по технологии GaAs PHEMT.
В целом применение GaAs-технологии для создания многопозиционных переключателей, используемых для передачи и приема сигналов, позволило создать значительное число изделий для мобильных средств связи с токами потребления и управления на два порядка меньшими, чем в изделиях на pin-диодах.
Литература
Lee C.-H., Banerjee B., Laskar J. Novel T/R Switch Architectures for MIMO Applications. – 2004 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. PP. 1137–1140.
Отзывы читателей
