송신 모드와 수신 모드 사이에서 안테나 또는 트랜스듀서를 빠르고 안전하게 전환하는 방법

많은 이유로 에코 거리 측정 장치(예: 레이더, 수중 음파 탐지기, 핵자기 공명(NMR), 초음파 거리 측정, 휴대전화 및 위성 통신 인프라) 설계자는 일반 안테나 또는 트랜스듀서를 고전력 송신기와 민감한 수신기 모두에 연결해야 하는 경우가 있습니다. 이렇게 하려면 두 장치 사이에서 안테나 또는 트랜스듀서를 전환하는 동시에 적절한 감쇠를 통해 고전력 송신기에 의해 고감도 수신기 부품이 손상되는 것을 방지하는 방법이 필요합니다. 또한 공유 안테나 또는 트랜스듀서를 빠르게 전환하여 수신기에서 수신된 RF 또는 초음파 에코를 획득하여 측정할 수 있는 시간을 허용해야 합니다.

이를 위해 설계자는 듀플렉서라고도 하는 송/수신(T/R) 스위치를 선택할 수 있습니다. 이러한 스위치는 T/R 경로 간에 필요한 분리를 제공하면서 송신기와 수신기 간에 안테나 또는 트랜스듀서를 빠르게 전환하도록 설계되었습니다. 또한 T/R 스위치는 낮은 삽입 손실을 제공하여 송신 신호 감쇠를 방지하면서 송신된 전력을 처리하고, 고정 특성 임피던스를 유지하여 신호 반사 및 손실을 방지합니다. 하지만 스위치를 효과적으로 사용하기 위해 설계자는 먼저 스위치의 작동과 주요 특성을 이해해야 합니다.

T/R 스위치를 구현하는 데 사용할 수 있는 몇 가지 기술이 있습니다. 이 기사에서는 두 가지 주요 유형(RF 서큘레이터 및 PIN 다이오드 스위치)과 전압에 민감한 응용 분야에 사용되는 유형을 살펴봅니다.

Skyworks Solutions Inc. 및 Microchip Technology의 장치와 같이 응용 분야별로 맞춤 기술이 있습니다.

송/수신 스위치가 하는 일

기본 T/R 스위치는 송신기와 수신기 간에 일반 안테나(RF 응용 분야) 또는 트랜스듀서(초음파 응용 분야)를 연결합니다(그림 1).

그림 1: 기본 T/R 스위치는 일반 안테나 또는 트랜스듀서를 송신기 또는 수신기에 연결하는 단극 쌍투 스위치입니다. (이미지 출처: DigiKey)

스위치는 일반적으로 단일 송신기와 수신기를 위한 단극 쌍투(SPDT) 구성입니다. 다중 송신기/수신기 토폴로지는 스위치 구성에 극을 추가합니다. 기본 구성에는 네 가지 주요 설계 목표 요구 사항이 있습니다.

1. 첫째, 스위치의 전력 등급이 스위치 손상 없이 송신기 출력을 처리하는 데 충분해야 합니다.
2. 둘째, 송신기와 안테나 사이의 손실이 최대한 작아야 합니다.
3. 셋째, 스위치가 수신기에 연결되지 않은 경우 고감도 수신기가 손상되는 것을 방지하기 위해 수신기 입력과 송신기 출력 사이가 충분히 분리되어야 합니다.
4. 넷째, T/R 스위치의 스위칭 속도가 응용 분야의 요구 사항을 충족해야 합니다.

서큘레이터 T/R 스위치

RF 또는 극초단파 서큘레이터는 RF 응용 분야에서 신호 흐름 방향을 제어하는 데 사용되는 3포트 장치입니다(그림 2).

그림 2: 회로도 기호는 시계 방향(왼쪽) 및 반시계 방향(오른쪽) 서큘레이터를 보여줍니다. 각 버전의 역방향에는 충분한 흐름이 없습니다. 이는 T/R 스위치에 적합한 특성입니다. (이미지 출처: DigiKey)

그림 1에 표시된 시계 방향 서큘레이터에서 포트 1에 입력되는 신호는 포트 3에 전파되고, 포트 3의 신호는 포트 2에 전파되고, 포트 2의 신호는 포트 1에 송신됩니다. 서큘레이터는 비가역 장치입니다. 즉, 역방향에는 충분한 흐름이 없습니다. 예를 들어 표시된 예에서 포트 3에서 포트 1로, 포트 2에서 포트 3으로 또는 포트 1에서 포트 2로는 약간의 신호만 흐르거나 전혀 흐르지 않습니다. 이 방향적 속성으로 인해 서큘레이터가 T/R 스위치(듀플렉서)로 사용하는 데 적합합니다. 마찬가지로 반시계 방향 서큘레이터에서는 신호가 포트 1에서 포트 2로, 포트 2에서 포트 3으로, 포트 3에서 포트 1로 이동합니다. 어느 경우든 역방향으로는 매우 적은 신호만 송신됩니다.

서큘레이터는 강자성 효과를 기반으로 하는 수동 소자 장치이므로 부분적으로 자기화된 페라이트 소재로 구성됩니다. 3포트 "Y 접합" 서큘레이터는 자기화된 페라이트 소재 근처의 두 경로를 통해 전파되는 파형 취소에 기반합니다(그림 3).

그림 3: Y 접합 서큘레이터의 물리적 구조에는 세 개의 포트로 구성된 대칭 스트립 라인 접합부, 페라이트 디스크, 고정형 영구 자석에 의해 일반적으로 공급되는 자기장(H_CIR)이 포함됩니다. (이미지 출처: Skyworks Solutions)

3포트 Y 접합 RF 서큘레이터는 스트립 라인 3포트 페라이트의 양쪽에 각각 하나씩 있는 두 개의 페라이트 디스크로 구성됩니다. 그림 3에 “H_CIR”로 표시된 적절한 크기의 내부 고정 자기장으로 페라이트 소자를 축 방향으로 자기적으로 바이어스하여 서큘레이터를 작동합니다. 서큘레이터는 반대 분극의 두 횡자기 모드로 작동합니다. 그림 3에 표시된 순환 조건에서 적용된 특정 자기장에서 TM 모드는 포트 3에서 null을 생성하고, 전력이 포트 1에서 포트 2로 송신됩니다. 포트 2에 유입되는 전력이 포트 3에 표시되는 등과 같은 방식으로 서큘레이터가 작동합니다. 이 경우 반시계 방향으로 작동합니다. 극성을 반전시키고 고정 자기장의 강도를 조정하여 순환 방향을 반대로 변경할 수 있습니다.

T/R 응용 분야에서 서큘레이터를 사용하면 스위칭이 포함되지 않고, 송신기와 수신기가 항상 연결되고, 신호 위상 취소로 인해 분리 상태가 된다는 이점이 있습니다.

서큘레이터를 사용하여 T/R 설계를 구현할 경우 송신기 출력이 포트 1에 적용됩니다. 안테나는 포트 3에 연결되고 수신기는 포트 2에 연결됩니다(그림 4).

그림 4: 시계 방향 서큘레이터를 T/R 스위치로 연결할 경우 송신기 출력은 포트 1에 적용되고 안테나는 포트 3에 연결되고 수신기는 포트 2에 연결됩니다. (이미지 출처: DigiKey)

T/R 스위치의 요구 사항을 충족하는 상용 서큘레이터의 예로는 Skyworks Solutions 모델 SKYFR-000736이 있습니다. 이 50Ω Y 접합 서큘레이터는 791MHz ~ 821MHz 주파수 범위에서 T/R 스위칭 작업을 처리할 수 있습니다. 무선 인프라 응용 분야에 사용하도록 제작되고 최대 200W를 처리할 수 있는 이 장치의 경우 송신기와 안테나 사이의 삽입 손실이 0.3dB로 낮고 최소 분리 값은 22dB입니다. SKYFR-000736 서큘레이터는 지름 28mm에 높이 10mm의 상대적으로 작은 표면 실장 장치입니다. 수동 소자 장치인 이 장치는 전력이 필요하지 않습니다.

PIN 다이오드 스위치

PIN 다이오드는 RF 및 극초단파 주파수에서 스위치 또는 감쇠기로 사용됩니다. 기존 다이오드의 P형 층과 N형 층 사이에 저항성이 우수한 고유 반도체 층을 삽입하여 이 다이오드를 형성합니다. 따라서 이름도 “PIN”입니다(그림 5).

그림 5: PIN 다이오드는 각각 양극 및 음극 전극의 P 소재와 N 소재 사이에 있는 고유 반도체 소재 층으로 구성되어 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

언바이어스 또는 역방향 바이어스 PIN 다이오드의 고유 층에는 저장된 전하가 없습니다. 이는 스위칭 응용 제품의 "꺼짐" 조건을 나타냅니다. 고유 층 삽입은 다이오드 공핍층의 유효 폭을 넓히므로 정전 용량이 매우 낮고 항복 전압이 높아집니다. 두 경우 모두 RF 스위치의 매우 유용한 기능입니다.

순방향 바이어스 조건에서는 구멍 및 전극이 고유 층에 삽입됩니다. 이 캐리어가 서로 재결합하는 데 시간이 소요되며, 이 시간을 캐리어 수명(t)이라고 합니다. 고유 층의 유효 저항을 최소 저항 R_S로 낮춰주는 평균 저장 전하가 있습니다. 이는 스위칭 응용 제품의 "켜짐" 조건입니다.

PIN 기반 T/R 스위치

서큘레이터 기반 T/R 스위치는 제한된 주파수 범위를 가진 협대역 스위치입니다. 방형파 송신 라인을 통해 제한된 주파수 범위에서 PIN 기반 T/R 스위치를 구현할 수 있습니다. PIN 기반 T/R 스위치는 주파수에 민감한 소자를 사용하지 않고 광대역으로 설계할 수 있다는 이점이 있습니다. 이 기사에서는 광대역 구현을 중심으로 살펴봅니다.

기본 T/R 스위치는 SPDT 구성이며 구현하려면 최소 두 개의 PIN 다이오드가 필요합니다. 이 스위치 토폴로지에서는 다이오드를 션트 다이오드 연결의 송신기 및 수신기와 병렬로 활용하거나, 송신기 및 수신기와 직렬화 활용하거나, 두 방법을 조합하여 사용할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: PIN 다이오드를 직렬(a), 션트(b) 또는 직렬-션트(c) 구성으로 사용하는 세 가지 T/R 스위치 토폴로지를 보여줍니다. (이미지 출처: Skyworks Solutions)

직렬 다이오드 구성(a)에서는 PIN 다이오드를 RF 일반(안테나)과 송신기 및 수신기 사이에 직렬로 배치합니다. 송신기와 수신기 사이의 삽입 손실은 순방향 바이어스 다이오드의 직렬 저항에 따라 다릅니다. 송신기와 수신기 사이의 분리는 역방향 바이어스 다이오드의 잔류 정전 용량에 따라 다릅니다.

션트 배열(b)에서는 다이오드가 송신기 및 수신기 연결과 병렬로 배치됩니다. 분리는 순방향 바이어스 다이오드의 저항에 따라 다르고, 삽입 손실은 역방향 바이어스 다이오드의 정전 용량에 따라 다릅니다.

직렬 및 션트 연결 다이오드(c)를 모두 사용하여 분리를 강화할 수 있습니다. 이 구성이 가장 일반적으로 사용됩니다. 분리는 역방향 바이어스 직렬 다이오드의 정전 용량과 순방향 바이어스 션트 다이오드의 저항에 따라 좌우됩니다. 높은 분리 외에도 두 보호 다이오드를 사용하면 본질적으로 수신기가 더 강력하게 보호됩니다. 송신기 측의 삽입 손실은 순방향 바이어스 직렬 다이오드의 저항과 역방향 바이어스 션트 다이오드의 정전 용량에 따라 달라집니다.

고전력 고분리 스위치에서는 Skyworks Solutions의 SMP1302-085LF를 낮은 정전 용량 PIN 다이오드로 사용하고 SMP1352-079LF를 저저항 PIN 다이오드로 사용할 수 있습니다. 두 다이오드의 정격 항복 전압은 모두 200V입니다. SMP1302-085LF는 정격 내전력이 3W이며 T/R 스위치의 계열 소자로 최대 50W 지속파(CW)를 처리할 수 있습니다. 역방향 바이어스 정전 용량은 0.3pF에 불과합니다. SMP1352-079LF의 지정된 내전력은 250mW이며, 이 응용 분야의 션트 다이오드에 적합한 용량을 초과합니다. 계열 순방향 저항은 10mA에서 2Ω이고, 100mA에서 1Ω으로 SMP1302-085LF보다 약간 낮습니다.

모든 토폴로지의 제어 바이어스 신호(바이어스 1 및 바이어스 2)는 상호 보완적이고 상태를 즉시 변경해야 합니다. 두 다이오드 유형의 스위칭 속도는 1µs보다 작습니다.

고전압 T/R 스위치는 저전압 초음파 회로를 보호합니다.

또한 비파괴 검사, 에코 위치, 의료용 초음파를 비롯한 초음파 응용 분야에서는 T/R 스위치가 필요합니다. 이러한 응용 분야에 사용되는 기술과 부품은 앞서 설명한 RF 응용 분야와 다릅니다. 이러한 응용 분야에서는 고전압 T/R 스위치를 사용하여 민감한 저전압 전자기기를 초음파 트랜스듀서를 구동하는 데 사용되는 고전압 펄스 신호로부터 보호합니다(그림 7).

그림 7: 압전 트랜스듀서 중 하나에 고전압 펄스가 적용되는 일반 초음파 응용 제품. 수신기는 고속 T/R 스위치에 의해 보호됩니다. 즉, 전압 상승이 감지되면 스위치가 개방되어 수신기 입력을 보호합니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

초음파 응용 분야의 송신기는 압전 트랜스듀서 중 하나에 직접 연결됩니다. 송신기 출력은 트랜스듀서를 구동하는 고전압 펄스입니다. 수신기는 전압에 민감한 고속 2단자 스위치를 통해 동일한 트랜스듀서에 연결됩니다. 이 경우 스위치는 Microchip Technology의 MD0100N8-G 고전압 T/R 스위치입니다. 이 스위치는 2단자 양방향 전류 제한 보호 장치입니다. MD0100은 일반적으로 닫혀 있지만, 기기를 통과하는 전압이 ±2V를 초과하면 스위치가 약 20ns 후에 개방됩니다. 개방된 스위치는 최대 ±100V의 전압을 견딜 수 있습니다. 개방 상태에서 지속적인 고전압 상태를 감지하는 데 사용되는 200µA의 전류가 스위치를 통과합니다. 고전압이 더 이상 적용되지 않을 경우 스위치는 닫힌 상태로 복귀됩니다. MD0100의 수신기 측 단자 B에 백 투 백 형태로 연결된 다이오드는 스위치를 통과하는 이 전류의 경로를 제공합니다. 또한 이 다이오드는 ±0.7V에서 입력을 수신기에 클램핑합니다.

MD0100의 온스테이트 저항은 일반적으로 15Ω입니다. 개방된 스위치의 정전 용량은 인가 전압에 따라 달라지며, 범위는 12pF(10V) ~ 최대 19pF(100V)입니다.

이 T/R 스위치는 전원이 필요하지 않은 단순 2단자 부품이라는 이점이 있습니다.

결론

송신 모드와 수신 모드 사이에서 단일 안테나를 스위칭하는 데 어려움이 있지만, 그림과 같이 오른쪽 T/R 스위치 또는 듀플렉서는 이러한 문제를 해결할 수 있습니다. 단, 설계자가 장치의 작동 방식을 이해하고 적절한 T/R 아키텍처를 선택해야 합니다.