天线设计：发射/接收开关的工作原理，天线开关

描述

　对于雷达、声纳、核磁共振 （NMR） 或超声波测距等回声测距设备以及手机和卫星通信基础设施，出于多种原因，设计人员经常需要将共用天线或变送器同时连接至大功率发射器和敏感的接收器。因此，需要一种方法使天线或变送器能够在这两种设备之间切换，同时提供充分的能量衰减以防大功率发射器损坏高灵敏度接收器元件。另外，信号发送后共享天线或变送器必须快速切换，以便接收器有充分的时间来获取和测量接收到的射频或超声回波。

　为此，设计人员可以转而使用发射/接收 （T/R） 开关，也称为双工器。该器件专为处理这类任务而设计，使天线或变送器可在发射器与接收器之间快速切换，同时在 T/R 路径之间提供所需的隔离。此外，T/R 开关还可以承受发射功率，同时具有低插入损耗以免发射信号衰减，并保持固定的特性阻抗以防信号反射和损耗。但是，如需有效使用这类器件，设计人员必须先了解其工作原理和关键特性。

　T/R 开关实现技术有很多，本文着重介绍两种主要类型——射频环行器和 PIN 二极管开关，以及用于电压敏感型应用的类型。

　本文将以 Skyworks Solutions Inc. 和 Microchip Technology 的器件为例，阐示每种技术对应的特定应用。

　发射/接收开关的工作原理

　基本的 T/R 开关可将共用天线（射频应用）或变送器（超声应用）连接于发射器与接收器之间（图 1）。

图 1：基本 T/R 开关是单刀双掷开关，可将共用天线或变送器连接发射器或接收器。（图片来源：Digi-Key Electronics）

　对于单个发射器和接收器，往往使用简单的单刀双掷 （SPDT） 开关；而在多发射器/接收器拓扑中，就需增加开关极数。针对基本配置，共有以下四个关键设计目标要求：

　首先，开关的额定功率必须足以承受发射器输出而不会损坏开关。

　其次，发射器与天线之间的损耗必须尽可能低。

　第三，开关未连接接收器时，接收器输入与发射器输出之间必须充分隔离，以防损坏高灵敏度接收器。

　最后，T/R 开关的开关速度必须足以满足应用要求。

　环行器 T/R 开关

　射频或微波环行器是一种三端器件，可在射频应用中用于控制信号流的方向（图 2）。

图 2：由原理图符号可知，环行器具有顺时针（左）和逆时针（右）两种版本。各版本中能量均无明显的反向流动——这一特性使其成为 T/R 开关的理想之选。（图片来源：Digi-Key Electronics）

　如图 2 所示，顺时针环行器中，由端口 1 输入的信号传播至端口 3，端口 3 的信号传播至端口 2，而端口 2 的信号则传输至端口 1。环行器是非互逆器件，因而反向流动的能量很少。例如，在图示示例中，几乎或完全没有信号从端口 3 流回端口 1，从端口 2 流回端口 3，或从端口 1 流回端口 2。正是这种定向特性使得环行器成为 T/R 开关（双工器）的理想之选。同理，逆时针环行器中，信号传输方向为端口 1 至端口 2，端口 2 至端口 3，端口 3 至端口 1。无论哪种情况下，反向传输的信号都很少。

　环行器是基于铁磁效应的无源器件，部分组件由铁氧体磁性材料构成。三端口“Y 结”环行器实现隔离基本原理是，让铁氧体磁性材料周围沿两条不同路径传播的电磁波相互抵消（图 3）。

图 3：Y 结环行器的物理结构包括一个三端口对称带线结、铁氧体圆盘和磁场 （HCIR），其中磁场通常由永磁体提供。（图片来源：Skyworks Solutions）

　三端口 Y 结射频环行器包括两块铁氧体圆盘，分别位于三端口带线结的两侧。环行器利用一定强度的内部静磁场使铁氧体元件产生轴向偏置磁场来实现能量循环传输，静磁场如图 3 中 “HCIR” 所示。环行器可以工作在两个极性相反的横向磁场 （TM） 模态。如图 3 所示，环形器在特定外加磁场中，TM 模态使端口 3 处的磁场分量为零以形成隔离，因此能量将由端口 1 传输至端口 2。进入端口 2 的能量随即传输至端口 3，如此循环往复从而实现环行器动作。在这种情况下，循环为逆时针方向。通过反转极性和调整静磁场的磁场强度，即可反转循环方向。

　在 T/R 应用中，使用环行器的优势在于不涉及切换。发射器和接收器始终保持连接，而隔离是信号相位抵消的结果。

　利用环行器实现 T/R 设计时，发射器输出连接端口 1，天线连接端口 3，接收器连接端口 2（图 4）。

图 4：作为 T/R 开关连接顺时针环行器时，发射器输出连接端口 1，天线连接端口 3，接收器连接端口 2。（图片来源：Digi-Key Electronics）

　在满足 T/R 开关要求的商用环行器中，Skyworks Solutions 的 SKYFR-000736 是一个实例。这款 50 Ω Y 结环行器可处理的 T/R 开关工作频率范围为 791 至 821 MHz。该器件旨在用于无线基础设施应用，可承受功率高达 200 W，发射器与天线之间的插入损耗非常低，仅为 0.3 dB，最小隔离度为 22 dB。SKYFR-000736 环行器是一款相对小巧的表面贴装器件，直径为 28 mm，高度为 10 mm。环行器是无源器件，因而无需施加任何电源。

　PIN 二极管开关

　PIN 二极管在射频和微波频率下可用作开关或衰减器。这类器件在常规二极管的 P 型与 N 型半导体层之间加入了大电阻率本征半导体层。因此，该二极管的名称 “PIN” 恰恰反映了其结构（图 5）。

图 5：PIN 二极管包含一层本征半导体材料，位于分别作为阳极和阴极的 P 型与 N 型半导体材料之间。（图片来源：Digi-Key Electronics）

　PIN 二极管零偏置或反向偏置时，本征层中不存储电荷，相当于开关应用的“关断”状态。插入本征层可以增加二极管耗尽层的有效宽度，从而形成较小的电容，并提高击穿电压。对于射频开关而言，这两种特性非常理想。

　正向偏置情况下，空穴和电子注入本征层。这些载流子的重新组合需要花费一些时间，这个时间称为载流子寿命 t。当存储的电荷达到平均值时，本征层的有效电阻降至最小电阻 RS，相当于开关应用的“导通”状态。

　基于 PIN 的 T/R 开关

　基于环行器的 T/R 开关是频率范围受限的窄带开关。基于 PIN 的 T/R 开关可以通过四分之一波长传输线实现，这也导致频率范围受限。但是，基于 PIN 的 T/R 开关优势之一是可以实现宽带开关设计，即不使用频率敏感型元件。本文将着重介绍宽带开关的实现。

　基本的 T/R 开关属于 SPDT 配置，至少需要两个 PIN 二极管才能实现。开关拓扑包括并联式（两个并联二极管与发射器和接收器并联）、串联式（二极管与发射器和接收器串联），或串并联混合式（图 6）。

图 6：上图为 PIN 二极管分别采用串联 （a）、并联 （b） 或串并联配置 （c） 的三种 T/R 开关拓扑。（图片来源：Skyworks Solutions）

　串联二极管配置 （a） 将 PIN 二极管串联在射频公共端（天线）与发射器和接收器之间。发射器与天线之间的插入损耗取决于正向偏置二极管的串联电阻。发射器与接收器之间的隔离度则取决于反向偏置二极管的残余电容。

　并联配置 （b） 是将二极管与发射器和接收器并联连接。隔离度取决于正向偏置二极管的电阻，而插入损耗则取决于反向偏置二极管的电容。

　同时使用串联和并联的二极管 （c），可以提高隔离度。因此，该配置最为常用。隔离度取决于反向偏置串联二极管的电容和正向偏置并联二极管的电阻。除了隔离度更高以外，由于具有两个保护二极管，该配置本质上可以更好地保护接收器。发射器侧的插入损耗是正向偏置串联二极管电阻和反向偏置并联二极管电容的函数。

　大功率高隔离度开关可以使用 Skyworks Solutions 的 SMP1302-085LF 作为小电容 PIN 二极管，使用 SMP1352-079LF 作为小电阻 PIN 二极管。这两款二极管的额定击穿电压均为 200 V。SMP1302-085LF 的额定功率耗散为 3 W，在 T/R 开关中作为串联组件可承受高达 50 W 的连续波 （CW）。该器件的反向偏置电容仅为 0.3 pF。SMP1352-079LF 的额定功率耗散为 250 mW，足以满足该应用对并联二极管的要求。该器件的正向偏置串联电阻略小于 SMP1302-085LF，10 mA 下为 2 Ω，100 mA 下为 1 Ω。

　所有拓扑的偏置控制信号（偏置 1 和偏置 2）必须互补，并且状态变化保持同步。两种二极管类型的开关速度均需小于 1 µs。

　使用高压 T/R 开关保护低压超声电路

　无损检测、回声定位和医学超声等超声应用也需要 T/R 开关。不过，这些应用所采用的技术和元器件与上文介绍的射频应用有所不同。这些应用需使用高压 T/R 开关来保护敏感的低压电子设备，使其免受驱动超声波变送器的高压脉冲信号影响（图 7）。

图 7：在典型超声应用中，需要对其中一个压电变送器施加高压脉冲。快速 T/R 开关可检测电压的升高并通过开路保护接收器输入，从而达到保护接收器的目的。（图片来源：Microchip Technology）

　在超声应用中，发射器将直接连接其中一个压电变送器，并输出驱动变送器的高压脉冲。接收器通过双端子电压敏感型快速开关连接同一变送器。本例中，该开关采用了 Microchip Technology 的 MD0100N8-G 高压 T/R 开关，这是一款双端子双向限流保护装置。MD0100 开关常闭，但是器件两端电压超过 ±2 V 时，开关将在约 20 ns 内断开。开路时，开关可承受的电压高达 ±100 V。在开路状态下，约有 200 µA 电流通过开关，用以检测高压是否仍然存在。一旦发射器输出不再施加高压，开关将恢复闭合状态。在接收器侧，MD0100 端子 B 连接的背对背二极管在开路时为开关提供了电流路径。此外，这对二极管还能将接收器输入电压钳制在 ±0.7 V。

　MD0100 的导通电阻典型值为 15 Ω。开路时，开关电容是所施加电压的函数，电压为 10 V 至 100 V 时，对应的电容范围为 12 pF 至 19 pF。

　这类 T/R 开关的优势在于，它只是简单的双端子元器件，无需施加电源。

　总结

　实现单个天线在发射与接收模式之间的切换颇具挑战，但如上文所述，借助合适的 T/R 开关（即双工器）即可解决问题——只要设计人员了解该器件的工作原理，并选择合适的 T/R 架构。