Cómo cambiar de manera rápida y segura una antena o un transductor entre los modos de transmisión y recepción

Por muchas razones, los diseñadores de dispositivos de alcance de eco, como el radar, el sonar, la resonancia magnética nuclear (RMN) o el ultrasonido, así como la infraestructura de comunicaciones de teléfonos celulares y satélites, a menudo se encuentran en una situación en la que deben conectar una antena o transductor común tanto a un transmisor de alta potencia como a un receptor sensible. Esto requiere un método para cambiar la antena o el transductor entre los dos dispositivos y, al mismo tiempo, proporcionar una atenuación adecuada entre ellos para evitar que el transmisor de alta potencia dañe los componentes del receptor de alta sensibilidad. Además, la antena o el transductor compartido tiene que ser conectado rápidamente después de una transmisión para dar tiempo al receptor a adquirir y medir el eco de RF o de ultrasonido recibido.

Para ello, los diseñadores pueden recurrir a interruptores de transmisión/recepción (T/R), también conocidos como duplexores. Estos están diseñados para manejar la tarea de cambiar rápidamente una antena o un transductor entre un transmisor y un receptor, mientras que proporcionan el aislamiento necesario entre los caminos T/R. Los interruptores T/R también manejan la potencia transmitida mientras ofrecen una baja pérdida de inserción para evitar la atenuación de la señal transmitida, y mantienen una impedancia característica fija para evitar la reflexión y la pérdida de la señal. Sin embargo, para utilizarlos eficazmente, los diseñadores deben comprender primero su funcionamiento y sus características clave.

Hay varias tecnologías disponibles para implementar interruptores T/R. Este artículo examina dos tipos principales: circuladores de RF e interruptores de diodo PIN, así como un tipo utilizado para aplicaciones sensibles al voltaje.

Cada tecnología se ajusta a aplicaciones específicas con dispositivos de ejemplo de Skyworks Solutions Inc. y Microchip Technology.

¿Qué hace un interruptor de transmisión y recepción?

El interruptor básico T/R conecta una antena común (en aplicaciones de RF) o un transductor (en aplicaciones ultrasónicas) entre un transmisor y un receptor (Figura 1).

Figura 1: Un interruptor básico T/R es un interruptor de un solo polo y doble tiro que conecta una antena o transductor común a un transmisor o receptor. (Fuente de la imagen: DigiKey)

El interruptor es generalmente una configuración simple de un solo polo y doble tiro (SPDT) para un solo transmisor y receptor. Las topologías de multitransmisión/recepción añaden polos adicionales a la configuración del interruptor. En la configuración básica hay cuatro requisitos clave de objetivos de diseño:

1. En primer lugar, la potencia del interruptor debe ser suficiente para manejar la salida del transmisor sin dañar el interruptor.
2. Segundo, la pérdida entre el transmisor y la antena debe ser lo más baja posible.
3. El tercer requisito es que, cuando el conmutador no esté conectado al receptor, que haya suficiente aislamiento entre la entrada del receptor y la salida del transmisor para evitar que se dañe el receptor de alta sensibilidad.
4. Finalmente, la velocidad de conmutación del interruptor T/R debe ser lo suficientemente rápida como para ajustarse a los requisitos de la aplicación.

Interruptores T/R del circulador

Un circulador de RF o de microondas es un dispositivo de tres puertos que se utiliza para controlar la dirección del flujo de la señal en aplicaciones de RF (Figura 2).

Figura 2: Los símbolos esquemáticos muestran una versión en el sentido de las agujas del reloj (izquierda) y en el sentido contrario (derecha) de un circulador. No hay un flujo significativo en la dirección inversa de cada versión, una característica que los hace ideales como interruptores T/R. (Fuente de la imagen: DigiKey)

En la versión en el sentido de las agujas del reloj de un circulador que se muestra en la figura 1, una entrada de señal en el puerto 1 se propaga al puerto 3; las señales del puerto 3 se propagan al puerto 2; y una señal del puerto 2 se transmite al puerto 1. Los circuladores son dispositivos no recíprocos, lo que significa que no hay un flujo significativo en la dirección inversa. Por ejemplo, en el ejemplo que se muestra, hay poco o ningún flujo de señales desde el puerto 3 de vuelta al puerto 1; desde el puerto 2 de vuelta al puerto 3; o el puerto 1 de vuelta al puerto 2. Es esta propiedad direccional la que hace que los circuladores sean ideales para ser usados como interruptores T/R (duplexores). De manera similar, la versión de circulador en sentido contrario a las agujas del reloj dirige las señales del puerto 1 al puerto 2, del puerto 2 al puerto 3 y del puerto 3 al puerto 1. En cualquier caso, hay muy poca transmisión de señales en la dirección inversa.

Los circuladores son dispositivos pasivos basados en efectos ferromagnéticos, por lo que están compuestos, en parte, de materiales de ferrita magnetizados. El circulador de tres puertos de "unión en Y" se basa en la cancelación de ondas diseminadas por dos caminos diferentes cerca de un material de ferrita magnetizada (Figura 3).

Figura 3: La estructura física de un circulador de unión en Y incluye una unión de línea de banda simétrica de los tres puertos, un disco de ferrita y un campo magnético (_HCIR), normalmente suministrado por imanes permanentes fijos. (Fuente de la imagen: Skyworks Solutions)

La versión de tres puertos y unión en Y de un circulador de RF consiste en dos discos de ferrita, uno situado a cada lado de una unión de tres puertos de la línea de banda. La acción circulatoria se obtiene mediante el sesgo magnético del elemento de ferrita en dirección axial con un campo magnético estático interno de magnitud adecuada, que se muestra como "_HCIR" en la figura 3. El circulador puede funcionar en dos modos magnéticos transversales de polarización opuesta. En la condición de circulación que se muestra en la figura 3, en un campo aplicado específico estos modos de TM crean un valor nulo en el Puerto 3, que luego se aísla, y la energía se transfiere del Puerto 1 al Puerto 2. La energía que entra en el puerto 2 aparece en el puerto 3, y así sucesivamente, creando la acción circulatoria. En este caso la acción es en sentido contrario a las agujas del reloj. La dirección de la circulación puede invertirse invirtiendo la polaridad y ajustando la fuerza del campo magnético estático.

La ventaja de utilizar un circulador en aplicaciones T/R es que no hay conmutación; tanto el transmisor como el receptor están siempre conectados, y el aislamiento es el resultado de la cancelación de la fase de la señal.

Cuando se implementa un diseño T/R usando un circulador, la salida del transmisor se aplica al Puerto 1. La antena está conectada al Puerto 3, y el receptor está conectado al Puerto 2 (Figura 4).

Figura 4: Cuando se conecta un circulador en el sentido de las agujas del reloj como un interruptor T/R, la salida del transmisor se aplica al Puerto 1, la antena se conecta al Puerto 3, y el receptor se conecta al Puerto 2. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Un ejemplo de un circulador comercial que satisface las necesidades de un interruptor T/R es el modelo de Skyworks Solutions SKYFR-000736. Este circulador de 50 ohm (Ω) con unión en Y puede manejar operaciones de conmutación T/R en el rango de frecuencia de 791 a 821 megahertz (MHz). Destinado a aplicaciones de infraestructura inalámbrica y capaz de manejar hasta 200 vatios (W), el dispositivo tiene una pérdida de inserción notablemente baja de 0.3 decibelios (dB) entre el transmisor y la antena y un aislamiento mínimo de 22 dB. El circulador SKYFR-000736 es un dispositivo de montaje superficial relativamente pequeño que mide 28 milímetros (mm) de diámetro con una altura de 10 mm. Al ser un dispositivo pasivo, no requiere ninguna energía.

Interruptores de diodo PIN

Los diodos PIN se usan como interruptores o atenuadores en frecuencias de RF y microondas. Se forman al intercalar una capa semiconductora intrínseca de alta resistividad entre las capas tipo P y tipo N de un diodo convencional. Como resultado, la nomenclatura "PIN" refleja la estructura del diodo (Figura 5).

Figura 5: Un diodo PIN comprende una capa de material semiconductor intrínseco que se coloca entre el material P y N del ánodo y los electrodos catódicos, respectivamente. (Fuente de la imagen: DigiKey)

No hay ninguna carga almacenada en la capa intrínseca del diodo PIN no sesgado o sesgado al revés. Esto representa la condición de "apagado" de la conmutación de aplicaciones. La inserción de la capa intrínseca aumenta el ancho efectivo de la capa de agotamiento del diodo, lo que da como resultado una capacitancia muy baja y mayores voltajes de ruptura, ambas características muy buenas en un interruptor de RF.

La condición de polarización directa produce agujeros y electrones que se inyectan en la capa intrínseca. Estos portadores tardan un tiempo en recombinarse entre sí. Este tiempo se conoce como t, la vida útil del transportador. Hay una carga almacenada promedio, que reduce la resistencia efectiva de la capa intrínseca a una resistencia mínima, _RS. Esta es la condición de "encendido" en una aplicación de conmutación.

Un interruptor T/R basado en un PIN

El interruptor T/R basado en el circulador es un interruptor de banda estrecha que tiene un rango de frecuencia restringido. Los interruptores T/R basados en PIN pueden implementarse con líneas de transmisión de cuarto de onda, lo que también da como resultado un rango de frecuencia limitado. Una ventaja de los interruptores T/R basados en PIN es que sus diseños pueden ser de banda ancha, es decir, sin elementos sensibles a la frecuencia. Este artículo se centrará en la aplicación de la banda ancha.

El interruptor básico T/R es una configuración SPDT y requerirá un mínimo de dos diodos PIN para su implementación. La topología del conmutador puede utilizar los diodos en paralelo con el transmisor y el receptor en una conexión de diodos en derivación, o en serie con el transmisor y el receptor, así como una combinación de ambos enfoques (Figura 6).

Figura 6: Se muestran tres topologías de interruptores T/R que utilizan diodos PIN en configuraciones de serie (a), shunt (b), o en serie shunt (c). (Fuente de la imagen: Skyworks Solutions)

La configuración de diodos en serie (a) coloca los diodos PIN en serie entre el común de RF (antena) y el transmisor y el receptor. La pérdida de inserción entre el transmisor y la antena depende de la resistencia en serie del diodo sesgado hacia adelante. El aislamiento entre el transmisor y el receptor depende de la capacidad residual del diodo de polarización inversa.

La disposición de la derivación (b) tiene los diodos en paralelo con las conexiones del transmisor y el receptor. El aislamiento depende de la resistencia del diodo sesgado hacia adelante, mientras que la pérdida de inserción depende de la capacitancia del diodo sesgado hacia atrás.

El aislamiento puede aumentarse utilizando tanto diodos conectados en serie como en derivación (c). Esta configuración es la más utilizada. El aislamiento se rige por la capacitancia del diodo de serie de polarización inversa y la resistencia del diodo de derivación de polarización directa. Además de un mayor aislamiento, es inherentemente más protector del receptor al tener dos diodos protectores. La pérdida de inserción en el lado del transmisor es una función de la resistencia del diodo de serie sesgado hacia adelante y la capacitancia del diodo de derivación sesgado hacia atrás.

Una versión de alta potencia del conmutador de alto aislamiento podría utilizar el SMP1302-085LF de Skyworks Solutions como el diodo PIN de baja capacitancia y el SMP1352-079LF como el diodo PIN de baja resistencia. Ambos diodos están clasificados con voltajes de ruptura de 200 voltios. El SMP1302-085LF tiene una disipación de potencia nominal de 3 W, lo que le permite manejar hasta 50 W de onda continua (CW) como elemento en serie en el interruptor T/R. Su capacitancia de polarización inversa es sólo de 0.3 picofaradios (pF). El SMP1352-079LF tiene una disipación de potencia especificada de 250 milivatios (mW), que es más que adecuada para el diodo de derivación en esta aplicación. Su resistencia en serie hacia adelante es ligeramente inferior a la del SMP1302-085LF en 2 Ω a 10 mA y 1 Ω a 100 mA.

Las señales de sesgo de control -Sesgo 1 y Sesgo 2- en todas las topologías deben ser complementarias y cambiar de estado simultáneamente. Las velocidades de conmutación de ambos tipos de diodos son inferiores a 1 microsegundo (µs).

Los interruptores T/R de alto voltaje protegen los circuitos ultrasónicos de bajo voltaje

Las aplicaciones de ultrasonidos, incluyendo pruebas no destructivas, localización de eco y ultrasonidos médicos también requieren interruptores T/R. La técnica y los componentes utilizados en estas aplicaciones son diferentes de las aplicaciones de radiofrecuencia descritas anteriormente. Estas aplicaciones utilizan un interruptor T/R de alto voltaje que actúa para proteger la electrónica sensible de bajo voltaje de las señales de pulso de alto voltaje utilizadas para accionar un transductor ultrasónico (Figura 7).

Figura 7: Una típica aplicación ultrasónica en la que se aplica un pulso de alto voltaje a uno de los transductores piezoeléctricos. El receptor está protegido por un rápido interruptor T/R que detecta el aumento de voltaje y se abre para proteger las entradas del receptor. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

El transmisor en una aplicación de ultrasonido se conecta directamente a uno de los transductores piezoeléctricos. La salida del transmisor es un pulso de alto voltaje que impulsa el transductor. El receptor está conectado al mismo transductor a través de un rápido interruptor de dos terminales, sensible al voltaje. El interruptor en este caso es un interruptor T/R de alto voltaje de tecnología de microchip MD0100N8-G. Es un dispositivo de protección bidireccional limitador de corriente de dos terminales. El MD0100 normalmente está cerrado, pero cuando el voltaje del dispositivo supera los ±2 voltios, el interruptor se abre en unos 20 nanosegundos (ns). El interruptor abierto puede soportar un voltaje de hasta ±100 voltios. En el estado abierto, hay una corriente de 200 µA a través del interruptor utilizado para detectar la presencia continua del alto voltaje. Una vez que el alto voltaje ya no se aplique, el interruptor volverá al estado cerrado. Los diodos conectados en forma consecutiva en la terminal B del lado del receptor del MD0100 proporcionan una ruta para esta corriente a través del interruptor. Estos diodos también fijan la entrada al receptor a ±0.7 voltios.

La resistencia del MD0100 es típicamente 15 Ω. La capacitancia del interruptor abierto es una función del voltaje aplicado. Varía desde 12 pF para un voltaje de 10 voltios hasta 19 pF a 100 voltios.

Este interruptor T/R tiene la ventaja de ser un simple componente de dos terminales que no requiere una fuente de energía.

Conclusión

Cambiar una sola antena entre los modos de transmisión y recepción tiene sus desafíos, pero como se muestra, el interruptor T/R correcto, o duplexor, puede resolver el problema, suponiendo que el diseñador entienda cómo funcionan los dispositivos, y elija su arquitectura T/R apropiadamente.