Переключение режима передача/прием с помощью PIN-диодов
Ian Ridpath, ZL1BCG
Этот современный подход к переключению режима передача/прием (TR), применимый в диапазоне от КВ до УВЧ, исключает необходимость использования дорогостоящих механических реле.Pin-диоды – это кремниевые диоды с особыми характеристиками, позволяющими им коммутировать высокие уровни радиочастотной мощности с очень низкими потерями. В настоящее время возможно обеспечить коммутацию транзисторов с выходной мощностью свыше 400 Вт при температуре до 90°C (194°F) и КСВ 1:1 или при мощности 100 Вт на частотах до 500 МГц при бесконечном КСВ в том же диапазоне температур. Раньше это можно было сделать только с помощью механических коаксиальных реле, которые дороги и подвержены износу; твердотельные приборы, такие как PIN-диоды, не изнашиваются и сравнительно дешевле.
Специально легированный собственный слой I диода позволяет значительно снизить номинальную ёмкость p-n-перехода и обеспечить сопротивление в открытом состоянии, обычно менее одного Ома. Сравнение различных типов диодов, работающих на сверхвысоких частотах, показывает, как свойства PIN-диодов делают их пригодными для коммутации радиочастот (см. таблицу 1). При прямом смещении диод становится короткозамкнутым, а при обратном – практически разомкнутой цепью.
Таблица 1
Характеристики диодов на УКВ
Тип диода
Частота (MHz)
Сопротивление
проводящее (Ом)Сопротивление
изолирующее (Ом)Емкость (пф)
Германий (точечный контакт)
150
20...200
10 K
10...20
Кремний (переход)
150
5...20
50 K
10
Кремний (высокоскоростной)
150
3...5
50 K
1...5
PIN
150
0.8
10 K
1
PIN
30
0,8
40 K
1...2
PIN-диоды выпускаются с рассеиваемой мощностью до 10 Вт. При максимальном рассеивании мощности и сопротивлении в открытом состоянии (прямое смещение) 0,8 Ом ток диода составит 3,53 А. Этот ток соответствует мощности 625 Вт в линии с импедансом 50 Ом. Естественно, для диода потребуется какой-либо теплоотвод.
Практическое применение
Пример применения PIN-диодов показан на рис.1. В этом примере передатчик работает на частоте 430 МГц с выходной мощностью 25 Вт. .
Ток диода составляет 55 мА, а его сопротивление в открытом состоянии — 0,75 Ом. Сопротивление R1 составляет приблизительно 180 Ом. Используется система с импедансом 50 Ом. ВЧ-ток будет равен:
Рис. 1 — Базовая схема TR на PIN-диоде. D1, D2 - PIN-диод, 130 МГц, 1,5 Вт, Unitrode UM-9401 или эквивалент.
RFC1 — 0,035 pH, 5 витков провода № 22, диаметром 1/4 дюйма, 6,4 мм, 1 дюйм (25 А мм).Таким образом, рассеиваемая диодом мощность составляет 0,72x367 мВт. Можно использовать небольшой маломощный PIN-диод, например, Unitrode UM-9401. Этот диод имеет номинальную рассеиваемую мощность в свободном пространстве 1,5 Вт и отличается низкой стоимостью.
При включении режима PTT Fine на передатчике диоды Di и D2 смещены в прямом направлении. Путь тока проходит через R1, RFC I, диод D1, четвертьволновую линию передачи и диод D2 на землю. Сопротивление диода D1 во включенном состоянии составляет около 0,75 Ом, что практически соответствует короткому замыканию. Это небольшое сопротивление приводит к потере выходной мощности передатчика примерно на 0,2 дБ. Низкое сопротивление относительно земли на конце диода D2 линии передачи отражается на стороне диода D1 как очень высокое сопротивление. Для линии сопротивлением 50 Ом импеданс будет равен:
Это сопротивление, по сравнению с 50-омным сопротивлением антенного кабеля, очень велико, поэтому кабель фактически исключается из схемы. Фактически, дополнительные потери составляют около 0,2 дБ.
Во время приёма напряжение на линии PTT отключено, и оба диода не проводят ток. Таким образом, эффективное высокое сопротивление диода D1 изолирует передатчик от антенного контура. В то же время, четвертьволновая линия сопротивлением 50 Ом отражает 50-омное сопротивление антенны на вход приёмника. Общие вносимые потери, вносимые диодами и другими компонентами, составляют приблизительно 0,4 дБ как для передающего, так и для приёмного портов схемы. Теоретически достижима изоляция 55 дБ; на практике достигается изоляция передатчика и приёмника порядка 30–40 дБ. Причина этой разницы заключается в том, что паразитные ёмкости и наличие различных компонентов, как правило, наводят некоторую радиочастоту вокруг четвертьволновой линии и диодов. На УКВ особенно важно, чтобы выводы диода D2 были как можно короче; несколько дополнительных миллиметров длины выводов могут привести к ухудшению изоляции на несколько дБ.
Теоретическую изоляцию передатчика-приемника можно рассчитать путем сравнения мощности радиочастот на антенне с мощностью на входе приемника при работе передатчика:
Мощность, доступная антенне, составляет 25 Вт за вычетом потерь 0,4 дБ, или 23 Вт. Расчёт мощности, достигающей приёмника, производится с использованием эквивалентной схемы сети при прямом смещении диода D2. Было показано, что отражённое сопротивление составляет 3333 кОм, поэтому высокочастотный ток, протекающий в этой ветви, равен:
Этот ток силой 7 мА протекает через диод D2 и вход приёмника, причём большая часть тока проходит через низкоомный контур диода, сопротивлением 0,75 Ом. Мощность, подаваемая на приёмник, приблизительно равна 0,0072x 0,75, или 37 микроватт.
Теоретическая изоляция
Для улучшения практического показателя изоляции 3d до 40 дБ можно добавить вторую четвертьволновую секцию линии и еще один диод, как показано на рис. 2. Это, как правило, добавит еще около 10 дБ изоляции и будет достаточным для предотвращения выгорания входного каскада ВЧ приемника.
Пропускная способность
Рис. 2 — В базовую схему добавлена дополнительная четвертьволновая линия (L2)
для увеличения развязки передатчика-приемника примерно на 10 дБПоскольку любой четвертьволновой участок линии представляет собой четверть длины волны только на одной частоте, схемы переключения антенны чувствительны к частоте. Однако типичные кривые показывают, что достаточная изоляция может быть достигнута в некотором диапазоне от центральной частоты. То есть, значения изоляции 30 дБ и более и вносимые потери менее 0,5 дБ достигаются как минимум в диапазоне ±3% от центральной частоты. На частоте 430 МГц участок, вырезанный для частоты 435 МГц, будет работать в диапазоне от 429 до 441 МГц. Система, рассчитанная на частоту 146 МГц, будет работать во всем диапазоне от 144 до 148 МГц. На частоте 14 МГц можно ожидать полосы пропускания 500 кГц. Однако строить участки линии для этих частот нецелесообразно. На высоких частотах можно использовать сосредоточенные LC-цепи, как показано на рис. 3.
(Вышеуказанное ограничение не относится к коммутации антенн, поскольку для выполнения функций согласования и фазовой задержки вполне практично использовать участки линии четвертьволнового коаксиального кабеля.)
Рис. 3 — PIN-диодный ключ с сосредоточенными LC-константами. Такая схема подходит для
использования на высоких частотах, L=Zo/2пf и C=1/2ftZp, где Zo — волновое сопротивление линии.PIN-диоды на УВЧ
Пример использования PIN-диодов для выполнения функции приёмопередатчика (TR) в УКВ-приёмопередатчике показан на рис. 4. В данном случае четвертьволновая линия представляет собой полосковую линию, вытравленную на двусторонней печатной плате. Для обеспечения высокой эффективности крайне важно, чтобы выводы диода были короткими.
Рис. 4 — На рисунке A показана схема транзисторного ключа на PIN-диоде 430 МГц с использованием
полосковой линии, вытравленной на двусторонней печатной плате. Подробное описание полосковой
линии приведено в тексте. Восемь сквозных соединений выполнены между заземляющими плоскостями
с обеих сторон платы. На рисунке B схема rs воспроизведена в натуральную величину, где чёрный цвет
соответствует меди.Лучший способ добиться этого — вырезать небольшой прямоугольник на печатной плате и установить диод в этот вырез так, чтобы выводы располагались заподлицо с плоскостью платы. Затем выводы можно припаять к вытравленной линии и заземляющей плоскости. Коаксиальный кабель для подключения к приёмнику следует разделать таким образом, чтобы в точке соединения использовались очень короткие выводы подключения к диоду. На рис. 5 показано, как это делается.
Рис. 5 — Здесь показан один из способов крепления PIN-диодов к двухканальной печатной плате.
Подробности приведены в тексте. Длина коаксиального кабеля, ведущего к диоду, не должна
превышать примерно 5 мм (0,2 дюйма).При расчёте длины четвертьволновых тонких секций необходимо учитывать коэффициент укорочения линии передачи. На частоте 144 МГц четвертьволновая секция кабеля RG-58/U (с сплошным полиэтиленовым диэлектриком) будет иметь длину 1/4 x (300/144) x 0,66 м или 344 мм (13,5 дюйма). На частоте 430 МГц длина составит 115 мм (4,5 дюйма).
Для полосковой линии четвертьволнового сечения печатной платы необходимо учитывать и другие факторы. Диэлектрическая проницаемость платы, а также толщина медного слоя влияют на коэффициент укорочения. При использовании двухсторонней платы из стеклоэпоксидной смолы с медным слоем толщиной 1 унция (1 унция), протравленная линия шириной 6 мм (0,24 дюйма) будет иметь характеристическое сопротивление около 40–45 Ом. На частоте 430 МГц, длина четвертьволнового участка будет найдена следующим образом:
где: λ — длина волны в свободном пространстве, K — отношение толщины линии к ширине, а ER — диэлектрическая проницаемость материала платы. Таким образом, наша линия будет иметь вид:
Размеры полосковой линии в этом случае составят 120?6 мм (4,72?0,24 дюйма). Эту линию можно протравить на верхней стороне платы, окружив её заземляющим слоем на расстоянии около 3 мм (0,12 дюйма); нижняя часть платы должна остаться нетравленной.
Замечания
Для тех, кто хочет поэкспериментировать, диоды Unitrode можно приобрести у крупных дистрибьюторов. Существующую систему релейного типа TR можно заменить, просто добавив два PIN-диода, резистор, высокочастотный дроссель, коаксиальный кабель и несколько разделительных конденсаторов постоянного тока. Если вы опасаетесь «накачки» высокочастотного сигнала в приёмник и его повреждения, приёмный порт коммутатора можно предварительно согласовать резистором сопротивлением 50 Ом и измерить напряжение на нём, чтобы убедиться, что оно находится на безопасном уровне.
Некоторые из вас, возможно, захотят попробовать использовать PIN-диоды на высоких частотах для переключения или фазирования антенн, подавая постоянное управляющее напряжение на центральный проводник коаксиального кабеля. Эксперименты, несомненно, приведут к появлению интересных схем, особенно для переключения антенн в диапазонах VHF и UHF. Такие схемы уже используются в коммерческих целях, и нет причин, по которым радиолюбители не могли бы воспользоваться этой относительно новой технологией.
Материал перевел и подготовил - RA3TOX
Октябрь 2025
