對(duì)于雷達(dá)、聲納、核磁共振 （NMR） 或超聲波測(cè)距等回聲測(cè)距設(shè)備以及手機(jī)和衛(wèi)星通信基礎(chǔ)設(shè)施，出于多種原因，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常需要將共用天線或變送器同時(shí)連接至大功率發(fā)射器和敏感的接收器。因此，需要一種方法使天線或變送器能夠在這兩種設(shè)備之間切換，同時(shí)提供充分的能量衰減以防大功率發(fā)射器損壞高靈敏度接收器元件。另外，信號(hào)發(fā)送后共享天線或變送器必須快速切換，以便接收器有充分的時(shí)間來(lái)獲取和測(cè)量接收到的射頻或超聲回波。

　　為此，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)而使用發(fā)射/接收 （T/R） 開關(guān)，也稱為雙工器。該器件專為處理這類任務(wù)而設(shè)計(jì)，使天線或變送器可在發(fā)射器與接收器之間快速切換，同時(shí)在 T/R 路徑之間提供所需的隔離。此外，T/R 開關(guān)還可以承受發(fā)射功率，同時(shí)具有低插入損耗以免發(fā)射信號(hào)衰減，并保持固定的特性阻抗以防信號(hào)反射和損耗。但是，如需有效使用這類器件，設(shè)計(jì)人員必須先了解其工作原理和關(guān)鍵特性。

　　T/R 開關(guān)實(shí)現(xiàn)技術(shù)有很多，本文著重介紹兩種主要類型——射頻環(huán)行器和 PIN 二極管開關(guān)，以及用于電壓敏感型應(yīng)用的類型。

　　本文將以 Skyworks Solutions Inc. 和 Microchip Technology 的器件為例，闡示每種技術(shù)對(duì)應(yīng)的特定應(yīng)用。

　　發(fā)射/接收開關(guān)的工作原理

　　基本的 T/R 開關(guān)可將共用天線（射頻應(yīng)用）或變送器（超聲應(yīng)用）連接于發(fā)射器與接收器之間（圖 1）。

圖 1：基本 T/R 開關(guān)是單刀雙擲開關(guān)，可將共用天線或變送器連接發(fā)射器或接收器。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

　　對(duì)于單個(gè)發(fā)射器和接收器，往往使用簡(jiǎn)單的單刀雙擲 （SPDT） 開關(guān)；而在多發(fā)射器/接收器拓?fù)渲校托柙黾娱_關(guān)極數(shù)。針對(duì)基本配置，共有以下四個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)要求：

　　首先，開關(guān)的額定功率必須足以承受發(fā)射器輸出而不會(huì)損壞開關(guān)。

　　其次，發(fā)射器與天線之間的損耗必須盡可能低。

　　第三，開關(guān)未連接接收器時(shí)，接收器輸入與發(fā)射器輸出之間必須充分隔離，以防損壞高靈敏度接收器。

　　最后，T/R 開關(guān)的開關(guān)速度必須足以滿足應(yīng)用要求。

　　環(huán)行器 T/R 開關(guān)

　　射頻或微波環(huán)行器是一種三端器件，可在射頻應(yīng)用中用于控制信號(hào)流的方向（圖 2）。

圖 2：由原理圖符號(hào)可知，環(huán)行器具有順時(shí)針（左）和逆時(shí)針（右）兩種版本。各版本中能量均無(wú)明顯的反向流動(dòng)——這一特性使其成為 T/R 開關(guān)的理想之選。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

　　如圖 2 所示，順時(shí)針環(huán)行器中，由端口 1 輸入的信號(hào)傳播至端口 3，端口 3 的信號(hào)傳播至端口 2，而端口 2 的信號(hào)則傳輸至端口 1。環(huán)行器是非互逆器件，因而反向流動(dòng)的能量很少。例如，在圖示示例中，幾乎或完全沒有信號(hào)從端口 3 流回端口 1，從端口 2 流回端口 3，或從端口 1 流回端口 2。正是這種定向特性使得環(huán)行器成為 T/R 開關(guān)（雙工器）的理想之選。同理，逆時(shí)針環(huán)行器中，信號(hào)傳輸方向?yàn)槎丝?1 至端口 2，端口 2 至端口 3，端口 3 至端口 1。無(wú)論哪種情況下，反向傳輸?shù)男盘?hào)都很少。

　　環(huán)行器是基于鐵磁效應(yīng)的無(wú)源器件，部分組件由鐵氧體磁性材料構(gòu)成。三端口“Y 結(jié)”環(huán)行器實(shí)現(xiàn)隔離基本原理是，讓鐵氧體磁性材料周圍沿兩條不同路徑傳播的電磁波相互抵消（圖 3）。

圖 3：Y 結(jié)環(huán)行器的物理結(jié)構(gòu)包括一個(gè)三端口對(duì)稱帶線結(jié)、鐵氧體圓盤和磁場(chǎng) （HCIR），其中磁場(chǎng)通常由永磁體提供。（圖片來(lái)源：Skyworks Solutions）

　　三端口 Y 結(jié)射頻環(huán)行器包括兩塊鐵氧體圓盤，分別位于三端口帶線結(jié)的兩側(cè)。環(huán)行器利用一定強(qiáng)度的內(nèi)部靜磁場(chǎng)使鐵氧體元件產(chǎn)生軸向偏置磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量循環(huán)傳輸，靜磁場(chǎng)如圖 3 中 “HCIR” 所示。環(huán)行器可以工作在兩個(gè)極性相反的橫向磁場(chǎng) （TM） 模態(tài)。如圖 3 所示，環(huán)形器在特定外加磁場(chǎng)中，TM 模態(tài)使端口 3 處的磁場(chǎng)分量為零以形成隔離，因此能量將由端口 1 傳輸至端口 2。進(jìn)入端口 2 的能量隨即傳輸至端口 3，如此循環(huán)往復(fù)從而實(shí)現(xiàn)環(huán)行器動(dòng)作。在這種情況下，循環(huán)為逆時(shí)針?lè)较?。通過(guò)反轉(zhuǎn)極性和調(diào)整靜磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，即可反轉(zhuǎn)循環(huán)方向。

　　在 T/R 應(yīng)用中，使用環(huán)行器的優(yōu)勢(shì)在于不涉及切換。發(fā)射器和接收器始終保持連接，而隔離是信號(hào)相位抵消的結(jié)果。

　　利用環(huán)行器實(shí)現(xiàn) T/R 設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)射器輸出連接端口 1，天線連接端口 3，接收器連接端口 2（圖 4）。

圖 4：作為 T/R 開關(guān)連接順時(shí)針環(huán)行器時(shí)，發(fā)射器輸出連接端口 1，天線連接端口 3，接收器連接端口 2。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

　　在滿足 T/R 開關(guān)要求的商用環(huán)行器中，Skyworks Solutions 的 SKYFR-000736 是一個(gè)實(shí)例。這款 50 Ω Y 結(jié)環(huán)行器可處理的 T/R 開關(guān)工作頻率范圍為 791 至 821 MHz。該器件旨在用于無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，可承受功率高達(dá) 200 W，發(fā)射器與天線之間的插入損耗非常低，僅為 0.3 dB，最小隔離度為 22 dB。SKYFR-000736 環(huán)行器是一款相對(duì)小巧的表面貼裝器件，直徑為 28 mm，高度為 10 mm。環(huán)行器是無(wú)源器件，因而無(wú)需施加任何電源。

　　PIN 二極管開關(guān)

　　PIN 二極管在射頻和微波頻率下可用作開關(guān)或衰減器。這類器件在常規(guī)二極管的 P 型與 N 型半導(dǎo)體層之間加入了大電阻率本征半導(dǎo)體層。因此，該二極管的名稱 “PIN” 恰恰反映了其結(jié)構(gòu)（圖 5）。

圖 5：PIN 二極管包含一層本征半導(dǎo)體材料，位于分別作為陽(yáng)極和陰極的 P 型與 N 型半導(dǎo)體材料之間。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

　　PIN 二極管零偏置或反向偏置時(shí)，本征層中不存儲(chǔ)電荷，相當(dāng)于開關(guān)應(yīng)用的“關(guān)斷”狀態(tài)。插入本征層可以增加二極管耗盡層的有效寬度，從而形成較小的電容，并提高擊穿電壓。對(duì)于射頻開關(guān)而言，這兩種特性非常理想。

　　正向偏置情況下，空穴和電子注入本征層。這些載流子的重新組合需要花費(fèi)一些時(shí)間，這個(gè)時(shí)間稱為載流子壽命 t。當(dāng)存儲(chǔ)的電荷達(dá)到平均值時(shí)，本征層的有效電阻降至最小電阻 RS，相當(dāng)于開關(guān)應(yīng)用的“導(dǎo)通”狀態(tài)。

　　基于 PIN 的 T/R 開關(guān)

　　基于環(huán)行器的 T/R 開關(guān)是頻率范圍受限的窄帶開關(guān)?；?PIN 的 T/R 開關(guān)可以通過(guò)四分之一波長(zhǎng)傳輸線實(shí)現(xiàn)，這也導(dǎo)致頻率范圍受限。但是，基于 PIN 的 T/R 開關(guān)優(yōu)勢(shì)之一是可以實(shí)現(xiàn)寬帶開關(guān)設(shè)計(jì)，即不使用頻率敏感型元件。本文將著重介紹寬帶開關(guān)的實(shí)現(xiàn)。

　　基本的 T/R 開關(guān)屬于 SPDT 配置，至少需要兩個(gè) PIN 二極管才能實(shí)現(xiàn)。開關(guān)拓?fù)浒ú⒙?lián)式（兩個(gè)并聯(lián)二極管與發(fā)射器和接收器并聯(lián)）、串聯(lián)式（二極管與發(fā)射器和接收器串聯(lián)），或串并聯(lián)混合式（圖 6）。

圖 6：上圖為 PIN 二極管分別采用串聯(lián) （a）、并聯(lián) （b） 或串并聯(lián)配置 （c） 的三種 T/R 開關(guān)拓?fù)?。（圖片來(lái)源：Skyworks Solutions）

　　串聯(lián)二極管配置 （a） 將 PIN 二極管串聯(lián)在射頻公共端（天線）與發(fā)射器和接收器之間。發(fā)射器與天線之間的插入損耗取決于正向偏置二極管的串聯(lián)電阻。發(fā)射器與接收器之間的隔離度則取決于反向偏置二極管的殘余電容。

　　并聯(lián)配置 （b） 是將二極管與發(fā)射器和接收器并聯(lián)連接。隔離度取決于正向偏置二極管的電阻，而插入損耗則取決于反向偏置二極管的電容。

　　同時(shí)使用串聯(lián)和并聯(lián)的二極管 （c），可以提高隔離度。因此，該配置最為常用。隔離度取決于反向偏置串聯(lián)二極管的電容和正向偏置并聯(lián)二極管的電阻。除了隔離度更高以外，由于具有兩個(gè)保護(hù)二極管，該配置本質(zhì)上可以更好地保護(hù)接收器。發(fā)射器側(cè)的插入損耗是正向偏置串聯(lián)二極管電阻和反向偏置并聯(lián)二極管電容的函數(shù)。

　　大功率高隔離度開關(guān)可以使用 Skyworks Solutions 的 SMP1302-085LF 作為小電容 PIN 二極管，使用 SMP1352-079LF 作為小電阻 PIN 二極管。這兩款二極管的額定擊穿電壓均為 200 V。SMP1302-085LF 的額定功率耗散為 3 W，在 T/R 開關(guān)中作為串聯(lián)組件可承受高達(dá) 50 W 的連續(xù)波 （CW）。該器件的反向偏置電容僅為 0.3 pF。SMP1352-079LF 的額定功率耗散為 250 mW，足以滿足該應(yīng)用對(duì)并聯(lián)二極管的要求。該器件的正向偏置串聯(lián)電阻略小于 SMP1302-085LF，10 mA 下為 2 Ω，100 mA 下為 1 Ω。

　　所有拓?fù)涞钠每刂菩盘?hào)（偏置 1 和偏置 2）必須互補(bǔ)，并且狀態(tài)變化保持同步。兩種二極管類型的開關(guān)速度均需小于 1 μs。

　　使用高壓 T/R 開關(guān)保護(hù)低壓超聲電路

　　無(wú)損檢測(cè)、回聲定位和醫(yī)學(xué)超聲等超聲應(yīng)用也需要 T/R 開關(guān)。不過(guò)，這些應(yīng)用所采用的技術(shù)和元器件與上文介紹的射頻應(yīng)用有所不同。這些應(yīng)用需使用高壓 T/R 開關(guān)來(lái)保護(hù)敏感的低壓電子設(shè)備，使其免受驅(qū)動(dòng)超聲波變送器的高壓脈沖信號(hào)影響（圖 7）。

圖 7：在典型超聲應(yīng)用中，需要對(duì)其中一個(gè)壓電變送器施加高壓脈沖?？焖?T/R 開關(guān)可檢測(cè)電壓的升高并通過(guò)開路保護(hù)接收器輸入，從而達(dá)到保護(hù)接收器的目的。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

　　在超聲應(yīng)用中，發(fā)射器將直接連接其中一個(gè)壓電變送器，并輸出驅(qū)動(dòng)變送器的高壓脈沖。接收器通過(guò)雙端子電壓敏感型快速開關(guān)連接同一變送器。本例中，該開關(guān)采用了 Microchip Technology 的 MD0100N8-G 高壓 T/R 開關(guān)，這是一款雙端子雙向限流保護(hù)裝置。MD0100 開關(guān)常閉，但是器件兩端電壓超過(guò) ±2 V 時(shí)，開關(guān)將在約 20 ns 內(nèi)斷開。開路時(shí)，開關(guān)可承受的電壓高達(dá) ±100 V。在開路狀態(tài)下，約有 200 μA 電流通過(guò)開關(guān)，用以檢測(cè)高壓是否仍然存在。一旦發(fā)射器輸出不再施加高壓，開關(guān)將恢復(fù)閉合狀態(tài)。在接收器側(cè)，MD0100 端子 B 連接的背對(duì)背二極管在開路時(shí)為開關(guān)提供了電流路徑。此外，這對(duì)二極管還能將接收器輸入電壓鉗制在 ±0.7 V。

　　MD0100 的導(dǎo)通電阻典型值為 15 Ω。開路時(shí)，開關(guān)電容是所施加電壓的函數(shù)，電壓為 10 V 至 100 V 時(shí)，對(duì)應(yīng)的電容范圍為 12 pF 至 19 pF。

　　這類 T/R 開關(guān)的優(yōu)勢(shì)在于，它只是簡(jiǎn)單的雙端子元器件，無(wú)需施加電源。

　　總結(jié)

　　實(shí)現(xiàn)單個(gè)天線在發(fā)射與接收模式之間的切換頗具挑戰(zhàn)，但如上文所述，借助合適的 T/R 開關(guān)（即雙工器）即可解決問(wèn)題——只要設(shè)計(jì)人員了解該器件的工作原理，并選擇合適的 T/R 架構(gòu)。