如何在天線或傳感器上安全快速地切換發射與接收模式

基於眾多原因，在設計雷達、聲納、核磁共振 (NMR) 或超音波測距等回聲測距元件，以及行動電話和衛星通訊基礎架構時，設計人員經常必須將共用天線或傳感器，連接至高功率發射器和靈敏的接收器。對此，需有方法可在兩個裝置之間切換天線或傳感器，同時在裝置之間提供足夠的衰減，以免高功率發射器破壞高靈敏度的接收器元件。此外，發射之後必須快速切換共用天線或傳感器，讓接收器有時間擷取和測量所接收的 RF 或超音波回波。

要達到此目標，設計人員可改用發射／接收 (T/R) 開關，也稱為雙工器。這些裝置可在發射器和接收器之間快速切換天線或傳感器，還能在 T/R 路徑之間提供所需的隔離。此外，T/R 開關也可處理發射功率，同時提供低插入損耗以防止發射訊號衰減，並維持固定特性阻抗以防止訊號反射和損耗。不過，為了有效運用，設計人員必須先瞭解這些裝置的運作模式和關鍵特性。

在實作 T/R 開關時，有幾項可用的技術。本文將探討兩個主要類型，即 RF 環行器和 PIN 二極體開關。還會探討另一種用於電壓敏感應用的類型。

本文將以 Skyworks Solutions Inc. 和 Microchip Technology 的元件作為範例，介紹每項技術搭配的特定應用。

發射與接收開關有何作用？

基本的 T/R 開關可將共用天線 (RF 應用) 或傳感器 (超音波應用)，連接至發射器和接收器之間 (圖 1)。

圖 1：基本的 T/R 開關是一種單極雙擲開關，可將共用天線或傳感器連接至發射器或接收器。(圖片來源：DigiKey)

此開關通常採用簡單的單極雙擲 (SPDT) 配置，用於單一發射器和接收器。多發射器／接收器拓撲則在開關配置中加入更多極數。在基本型配置中，有四個重要的設計目標要求：

1. 第一，開關必須有足夠的功率額定值以處理發射器輸出，又不會破壞開關。
2. 第二，必須儘量減少發射器和天線之間的損耗。
3. 第三，開關未連接接收器時，接收器輸入和發射器輸出之間必須充分隔離，以免高靈敏度的接收器受損。
4. 最後，T/R 開關的切換速度必須夠快，以符合應用要求。

環行器 T/R 開關

RF 或微波環行器是一種三埠裝置，可在 RF 應用中控制訊號流方向 (圖 2)。

圖 2：線路圖符號顯示順時針版 (左) 和逆時針版 (右) 的環行器。各個版本中均無明顯的逆向流量，也因為這個特性，環行器非常適合當作 T/R 開關。(圖片來源：DigiKey)

在圖 1 所示的順時針版環行器中，埠 1 的訊號輸入傳播至埠 3，埠 3 的訊號傳播至埠 2，埠 2 的訊號則傳輸至埠 1。環行器是不可逆元件，因此沒有明顯的逆向流量。例如，如範例所示，幾乎或完全沒有訊號流從埠 3 返回埠 1，從埠 2 返回埠 3，或從埠 1 返回埠 2。因為有這種方向性，環行器非常適合當作 T/R 開關 (雙工器)。逆時針版環行器以類似的方法，將訊號從埠 1 導至埠 2，從埠 2 導至埠 3，以及從埠 3 導至埠 1。無論哪種情況，逆向訊號傳輸量都非常小。

環行器是以鐵磁效應作為基礎的被動裝置，因此部分元件由磁化鐵氧體材料組成。三埠「Y 型接面」環行器的基本原理，是讓磁化鐵氧體材料附近，兩個不同路徑上的波形相互抵銷 (圖 3)。

圖 3：Y 型接面環行器的實體結構，包含三埠式對稱帶線接面、鐵氧體圓盤，以及通常由固定式永久磁鐵供應的磁場 (H_CIR)。(圖片來源：Skyworks Solutions)

三埠式 Y 型接面版的 RF 環行器含有兩個鐵氧體圓盤，分別位於三埠式帶線接面的兩側。環行器利用適當強度的內部靜態磁場，以磁力使鐵氧體元件進行軸向偏向，進而產生環行器動作，如圖 3 中「H_CIR」所示。環行器能以兩種極性相反的橫向磁性模式運作。在圖 3 所示的環行條件下，這些橫向磁性模式在受到特定磁場時，會使埠 3 無效而被隔離，因此功率從埠 1 傳輸至埠 2。進入埠 2 的功率在埠 3 出現，依此類推，因此產生環行器動作。此例中的動作是逆時針方向。反轉極性並調整靜態磁場的強度，即可反轉環行方向。

在 T/R 應用中，使用環行器的好處是不會進行切換；發射器和接收器一直處於連接狀態，而隔離是訊號相位抵銷的結果。

若使用環行器實作 T/R 設計，發射器輸出會接至埠 1。天線接至埠 3，接收器則接至埠 2 (圖 4)。

圖 4：接上順時針環行器當作 T/R 開關時，發射器輸出會接至埠 1，而天線連至埠 3，接收器接至埠 2。(圖片來源：DigiKey)

以 Skyworks Solutions 型號 SKYFR-000736 為例，這是一款能滿足 T/R 開關需求的商用環行器。此款阻抗為 50 Ω 的 Y 型接面環行器，能在 791 MHz 至 821 MHz 的頻率範圍內處理 T/R 切換作業。此元件專為無線網路基礎設施應用而設計，能處理高達 200 W 的功率，且發射器與天線之間的插入損耗極低，僅 0.3 dB，隔離度則低至 22 dB。SKYFR-000736 環行器是一款相當小的表面黏著元件，直徑 28 mm，高 10 mm。由於屬於被動元件，因此無需任何電源。

PIN 二極體開關

在 RF 和微波頻率下，PIN 二極體可當作開關或衰減器使用。此元件的結構是在 P 型和 N 型傳統二極體層之間，夾入高電阻率本質半導體層。因此，「PIN」的命名其實反映出此二極體的結構 (圖 5)。

圖 5：PIN 二極體在陽極和陰極的 P 和 N 材料間，夾入一層本質半導體材料。(圖片來源：DigiKey)

在無偏壓或反向偏壓式 PIN 二極體的本質層中，並未儲存電荷。這表示切換應用處於「關閉」狀況。插入本質層會增加二極體空乏層的有效寬度，進而達到超低的電容量和更高的崩潰電壓，這是 RF 開關中非常好的兩種特性。

順向偏壓情況會導致電洞，而將電子注入到本質層內。這些載體需要一些時間重新相互結合。這段時間稱為載體使用壽命 (t)。平均儲存電荷會將本質層的有效電阻降低至最小電阻 (R_S)。這是切換應用處於「開啟」的狀況。

PIN 型 T/R 開關

環行器型 T/R 開關是一種窄頻開關，頻率範圍有限。PIN 型 T/R 開關能以四分之一波長傳輸線來實作，這也導致頻率範圍受限。PIN 型 T/R 開關的優點是可採用寬頻設計，即不使用任何頻敏元件。本文將著重探討這種寬頻實作。

基本型 T/R 開關採用 SPDT 配置，需要至少兩個 PIN 二極體才能實作。開關拓撲包括並聯式，將二極體與發射器及接收器並聯使用 (採用並聯二極體連接)；或串聯式，將二極體與發射器及接收器串聯使用；以及串並聯兩者組合的配置 (圖 6)。

圖 6：圖中顯示三種 T/R 開關拓撲，其中 PIN 二極體採用串聯 (a)、並聯 (b) 或串並聯配置 (c)。(圖片來源：Skyworks Solutions)

在串聯二極體配置 (a) 中，串聯 PIN 二極體置於 RF 共用天線與發射器及接收器之間。發射器與天線之間的插入損耗，視順向偏壓二極體的串聯電阻值而定。發射器與接收器之間的隔離度，視反向偏壓二極體的剩餘電容量而定。

在並聯配置 (b) 中，二極體與發射器及接收器進行並聯連接。隔離度視順向偏壓二極體的電阻值而定，插入損耗則視反向偏壓二極體的電容量而定。

同時使用串聯和並聯二極體 (c)，可增加隔離度。這是最常用的配置。隔離度由反向偏壓串聯二極體的電容量，及順向偏壓並聯二極體的電阻值控制。除了有更高的隔離度，接收器在兩個二極體的保護下，自然會更安全。發射器側的插入損耗，會隨順向偏壓串聯二極體的電阻，以及反向偏壓並聯二極體的電容量而變化。

高功率版的高隔離度開關，可使用 Skyworks Solutions 的 SMP1302-085LF 作為低電容量 PIN 二極體，並使用 SMP1352-079LF 作為低電阻 PIN 二極體。這兩種二極體的崩潰電壓額定值均為 200 V。SMP1302-085LF 的功率耗散額定值為 3 W，因此當作 T/R 開關的串聯元件使用時，可處理高達 50 W 的連續波 (CW)。此元件的反向偏壓電容量僅 0.3 pF。SMP1352-079LF 的指定功率耗散為 250 mW，足以符合此應用中的並聯二極體要求。此元件的串聯順向電阻值稍微低於 SMP1302-085LF，10 mA 時為 2 Ω，100 mA 時為 1 Ω。

所有拓撲中的控制偏壓訊號 (偏壓 1 和偏壓 2)，必須互補且同時變更狀態。兩種二極體類型的切換速度均小於 1 µs。

高電壓 T/R 開關可保護低電壓超音波電路

非破壞性檢測、回波定位及醫療超音波等超音波應用，也要求使用 T/R 開關。這些應用中使用的技術和元件，與前述的 RF 應用不同。這些應用使用高壓 T/R 開關，可保護靈敏的低電壓電子元件，以免受到驅動超音波傳感器的高電壓脈衝訊號影響 (圖 7)。

圖 7：在典型超音波應用中，需要對其中一個壓電傳感器施加高電壓脈衝。快速 T/R 開關感測到電壓增加時，會打開以保護接收器的輸入，進而保護接收器。(圖片來源：Microchip Technology)

在超音波應用中，發射器直接與其中一個壓電傳感器相連。發射器輸出是用來驅動傳感器的高電壓脈衝。接收器透過快速的雙端子壓敏開關，連接至相同的傳感器。此例中使用的是 Microchip Technology 的 MD0100N8-G 高電壓 T/R 開關。這是一種雙端子雙向電流限制保護元件。MD0100 為常關型，但是當元件上的電壓超過 ±2 V 時，此開關會在大約 20 ns 後開啟。開路開關可承受高達 ±100 V 電壓。在開啟狀態下，會有 200 µA 電流流過開關，可用於偵測是否持續存在高電壓。一旦停止施加高電壓，開關就會返回關閉狀態。在 MD0100 接收器側的端子 B，以背對背方式連接的二極體可提供一條路徑，供此電流流過開關。這些二極體也會將接收器的輸入箝制在 ±0.7 V。

MD0100 的導通電阻一般為 15 Ω。開路開關的電容量隨施加的電壓而變化。會從 10 V 時的 12 pF，到 100 V 時最高達 19 pF。

這款 T/R 開關的優點是簡易的雙端子元件，無需具備電源。

結論

在單一天線上切換發射和接收模式有其挑戰性，但如本文所述，合適的 T/R 開關 (或稱雙工器) 能解決此問題，前提是設計人員需要瞭解這些元件的工作原理，並適當地挑選 T/R 架構。