Commutation rapide et sécurisée d'une antenne ou d'un transducteur entre les modes d'émission et de réception

Pour de nombreuses raisons, les concepteurs de dispositifs de télémétrie par écho — comme la télémétrie par ultrasons, radar, sonar ou résonance magnétique nucléaire (RMN) — et d'infrastructures de communications par satellite et téléphone portable se trouvent souvent dans une situation où ils doivent connecter une antenne ou un transducteur commun à un émetteur haute puissance et à un récepteur sensible. Cela nécessite une méthode permettant de commuter l'antenne ou le transducteur entre les deux dispositifs tout en assurant une atténuation adéquate entre eux pour éviter que l'émetteur haute puissance n'endommage les composants du récepteur haute sensibilité. En outre, l'antenne ou le transducteur partagé doit être commuté rapidement après une transmission afin de laisser au récepteur le temps d'acquérir et de mesurer l'écho RF ou ultrasonore reçu.

Pour ce faire, les concepteurs peuvent se tourner vers des commutateurs d'émission/réception (T/R), également appelés duplexeurs. Ils sont conçus pour permettre la commutation rapide d'une antenne ou d'un transducteur entre un émetteur et un récepteur, tout en fournissant l'isolement requis entre les trajets T/R. Les commutateurs T/R gèrent également la puissance transmise tout en offrant une faible perte d'insertion pour prévenir l'atténuation du signal transmis, et ils maintiennent une impédance caractéristique fixe pour éviter la réflexion et la perte du signal. Toutefois, pour les utiliser efficacement, les concepteurs doivent d'abord comprendre leur fonctionnement et leurs principales caractéristiques.

Il existe plusieurs technologies pour la mise en œuvre des commutateurs T/R. Cet article étudie deux types principaux — les circulateurs RF et les commutateurs à diodes PIN — ainsi qu'un type utilisé pour les applications sensibles à la tension.

Chaque technologie est associée à des applications spécifiques avec des exemples de dispositifs de Skyworks Solutions Inc. et de Microchip Technology.

Rôle d'un commutateur d'émission et de réception

Le commutateur T/R de base relie une antenne (dans les applications RF) ou un transducteur (dans les applications ultrasonores) commun entre un émetteur et un récepteur (Figure 1).

Figure 1 : Un commutateur T/R de base est un commutateur unipolaire bidirectionnel qui relie une antenne ou un transducteur commun à un émetteur ou un récepteur. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le commutateur est généralement de type unipolaire bidirectionnel (SPDT) simple pour un seul émetteur et récepteur. Les topologies multi-émetteurs/récepteurs ajoutent des pôles supplémentaires à la configuration du commutateur. Dans la configuration de base, on note quatre exigences clés en matière d'objectifs de conception :

1. Tout d'abord, la puissance nominale du commutateur doit être suffisante pour supporter la sortie de l'émetteur sans endommager le commutateur.
2. Deuxièmement, la perte entre l'émetteur et l'antenne doit être aussi faible que possible.
3. La troisième exigence est que lorsque le commutateur n'est pas connecté au récepteur, il doit y avoir un isolement suffisant entre l'entrée du récepteur et la sortie de l'émetteur pour éviter d'endommager le récepteur haute sensibilité.
4. Enfin, la vitesse de commutation du commutateur T/R doit être suffisamment élevée pour répondre aux exigences de l'application.

Commutateurs T/R de circulateur

Un circulateur RF ou hyperfréquence est un dispositif à trois ports utilisé pour contrôler la direction du flux des signaux dans les applications RF (Figure 2).

Figure 2 : Les symboles schématiques montrent une version du circulateur dans le sens des aiguilles d'une montre (à gauche) et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (à droite). Il n'y a pas de flux significatif dans le sens inverse de chaque version — une caractéristique qui rend ces dispositifs parfaitement adaptés comme commutateurs T/R. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Dans la version dans le sens des aiguilles d'une montre du circulateur illustrée à la Figure 1, une entrée de signal au port 1 se propage au port 3 ; les signaux du port 3 se propagent au port 2 ; et un signal du port 2 est transmis au port 1. Les circulateurs sont des dispositifs non réciproques, ce qui signifie qu'il n'y a pas de flux significatif dans le sens inverse. Par exemple, dans l'exemple illustré, il y a peu ou pas de flux de signal du port 3 vers le port 1, du port 2 vers le port 3 ou du port 1 vers le port 2. Grâce à cette propriété directionnelle, les circulateurs conviennent parfaitement à une utilisation en tant que commutateurs T/R (duplexeurs). De la même manière, la version de circulateur dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dirige les signaux du port 1 vers le port 2, du port 2 vers le port 3 et du port 3 vers le port 1. Dans tous les cas, il y a très peu de transmission de signaux dans le sens inverse.

Les circulateurs sont des dispositifs passifs basés sur les effets ferromagnétiques, et ils sont donc en partie composés de matériaux en ferrite magnétisés. Le circulateur à jonction en Y à trois ports est basé sur l'annulation des ondes disséminées sur deux chemins différents à proximité d'un matériau en ferrite magnétisé (Figure 3).

Figure 3 : La structure physique d'un circulateur à jonction en Y inclut une jonction à ligne plate symétrique des trois ports, un disque de ferrite et un champ magnétique (H_CIR), généralement alimenté par des aimants permanents fixes. (Source de l'image : Skyworks Solutions)

La version à jonction en Y à trois ports d'un circulateur RF se compose de deux disques de ferrite, un situé de chaque côté d'une jonction à ligne plate à trois ports. L'action du circulateur est obtenue en polarisant magnétiquement l'élément de ferrite dans la direction axiale avec un champ magnétique statique interne de magnitude appropriée, représenté par H_CIR dans la Figure 3. Le circulateur peut fonctionner selon deux modes magnétiques transversaux de polarisation opposée. Dans les conditions de circulation illustrées à la Figure 3, à un champ appliqué spécifique, ces modes TM créent une valeur nulle au port 3, qui est alors isolé, et la puissance est transférée du port 1 au port 2. La puissance entrant au port 2 apparaît au port 3, et ainsi de suite, créant l'action de circulation. Dans ce cas, l'action est menée dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Le sens de la circulation peut être inversé en inversant la polarité et en ajustant la force du champ magnétique statique.

L'avantage de l'utilisation d'un circulateur dans les applications T/R est qu'il n'y a pas de commutation ; l'émetteur et le récepteur sont toujours connectés, et l'isolement est le résultat de l'annulation de la phase du signal.

Lors de l'implémentation d'une conception T/R à l'aide d'un circulateur, la sortie de l'émetteur est appliquée au port 1. L'antenne est connectée au port 3, et le récepteur est relié au port 2 (Figure 4).

Figure 4 : Lors de la connexion d'un circulateur dans le sens des aiguilles d'une montre comme commutateur T/R, la sortie de l'émetteur est appliquée au port 1, l'antenne est connectée au port 3, et le récepteur est relié au port 2. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Un exemple de circulateur commercial répondant aux exigences d'un commutateur T/R est le SKYFR-000736 de Skyworks Solutions. Ce circulateur à jonction en Y de 50 ohms (Ω) peut gérer les opérations de commutation T/R sur la plage de fréquences de 791 à 821 mégahertz (MHz). Destiné aux applications d'infrastructure sans fil et capable de gérer jusqu'à 200 watts (W), le dispositif présente une perte d'insertion particulièrement faible de 0,3 décibel (dB) entre l'émetteur et l'antenne et un isolement minimum de 22 dB. Le circulateur SKYFR-000736 est un dispositif à montage en surface relativement compact, mesurant 28 millimètres (mm) de diamètre et 10 mm de hauteur. Comme il s'agit d'un dispositif passif, il ne nécessite aucune puissance.

Commutateurs à diodes PIN

Les diodes PIN sont utilisées comme commutateurs ou atténuateurs aux fréquences RF et hyperfréquences. Elles sont constituées d'une couche semi-conductrice intrinsèque haute résistivité placée au milieu de couches de type P et de type N d'une diode classique. Par conséquent, la nomenclature « PIN » reflète la structure de la diode (Figure 5).

Figure 5 : Une diode PIN est constituée d'une couche de matériau semi-conducteur intrinsèque qui est placée entre les matériaux P et N des électrodes anode et cathode, respectivement. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Aucune charge n'est stockée dans la couche intrinsèque de la diode PIN non polarisée ou polarisée en inverse. Cela représente la condition désactivée (off) des applications de commutation. L'insertion de la couche intrinsèque augmente la largeur effective de la zone de déplétion de la diode, ce qui entraîne une capacité très faible et des tensions de claquage plus élevées, deux caractéristiques très intéressantes dans un commutateur RF.

La condition de polarisation directe entraîne des trous et l'injection d'électrons dans la couche intrinsèque. Ces porteurs ont besoin de temps pour se recombiner les uns aux autres. Cette durée est appelée durée de vie des porteurs, « t ». Une charge stockée moyenne permet de réduire la résistance effective de la couche intrinsèque à une résistance minimum, R_S. Il s'agit de la condition activée (on) dans les applications de commutation.

Commutateur T/R basé PIN

Le commutateur T/R basé sur circulateur est un commutateur à bande étroite avec une plage de fréquences limitée. Les commutateurs T/R basés PIN peuvent être mis en œuvre avec des lignes de transmission quart d'onde, ce qui se traduit également par une plage de fréquences limitée. L'un des avantages des commutateurs T/R basés PIN est que leur conception peut être à large bande, c'est-à-dire sans éléments sensibles à la fréquence. Cet article cible l'implémentation large bande.

Le commutateur T/R de base est une configuration SPDT exigeant un minimum de deux diodes PIN pour son implémentation. La topologie de commutateur peut utiliser les diodes en parallèle avec l'émetteur et le récepteur dans une connexion de diodes shunt, ou en série avec l'émetteur et le récepteur, ainsi qu'une combinaison des deux approches (Figure 6).

Figure 6 : Illustration des trois topologies de commutateurs T/R utilisant des diodes PIN en configurations série (a), shunt (b) et série-shunt (c). (Source de l'image : Skyworks Solutions)

La configuration des diodes en série (a) place les diodes PIN en série entre le dispositif RF commun (antenne) et l'émetteur et le récepteur. La perte d'insertion entre l'émetteur et l'antenne dépend de la résistance série de la diode polarisée dans le sens direct. L'isolement entre l'émetteur et le récepteur dépend de la capacité résiduelle de la diode polarisée dans le sens inverse.

La configuration shunt (b) comporte les diodes en parallèle avec les connexions de l'émetteur et du récepteur. L'isolement dépend de la résistance de la diode polarisée dans le sens direct, tandis que la perte d'insertion dépend de la capacité de la diode polarisée dans le sens inverse.

L'isolement peut être augmenté en utilisant à la fois des diodes connectées en série et shunt (c). Cette configuration est la plus fréquemment utilisée. L'isolement est régi par la capacité de la diode série polarisée dans le sens inverse et la résistance de la diode shunt polarisée dans le sens direct. En plus d'un meilleur isolement, cela est intrinsèquement plus protecteur du récepteur en ayant deux diodes de protection. La perte d'insertion du côté de l'émetteur est fonction de la résistance de la diode série polarisée dans le sens direct et de la capacité de la diode shunt polarisée dans le sens inverse.

Une version haute puissance du commutateur à isolement élevé pourrait utiliser le SMP1302-085LF de Skyworks Solutions comme diode PIN à faible capacité et le SMP1352-079LF comme diode PIN à faible résistance. Les deux diodes ont une tension de claquage de 200 V. Le SMP1302-085LF a une dissipation de puissance nominale de 3 W, ce qui lui permet de gérer jusqu'à 50 W d'onde continue (CW) comme élément en série dans le commutateur T/R. Sa capacité de polarisation inverse n'est que de 0,3 picofarad (pF). Le SMP1352-079LF a une dissipation de puissance spécifiée de 250 milliwatts (mW), ce qui est plus qu'adéquat pour la diode shunt dans cette application. Sa résistance directe série est légèrement inférieure à celle du SMP1302-085LF à 2 Ω à 10 mA et 1 Ω à 100 mA.

Les signaux de polarisation de contrôle — Bias 1 et Bias 2 — dans toutes les topologies doivent être complémentaires et changer d'état simultanément. Les vitesses de commutation pour les deux types de diodes sont inférieures à 1 microseconde (µs).

Les commutateurs T/R haute tension protègent les circuits ultrasonores basse tension

Les applications ultrasonores, notamment les tests non destructifs, la localisation d'échos et les ultrasons médicaux, nécessitent également des commutateurs T/R. La technique et les composants utilisés dans ces applications diffèrent des applications RF décrites précédemment. Ces applications utilisent un commutateur T/R haute tension qui agit pour protéger l'électronique basse tension sensible contre les signaux d'impulsion haute tension utilisés pour commander un transducteur ultrasonore (Figure 7).

Figure 7 : Une application ultrasonore typique où une impulsion haute tension est appliquée à l'un des transducteurs piézoélectriques. Le récepteur est protégé par un commutateur T/R rapide qui détecte l'augmentation de la tension et s'ouvre pour protéger les entrées du récepteur. (Source de l'image : Microchip Technology)

Dans une application ultrasonore, l'émetteur est directement connecté à l'un des transducteurs piézoélectriques. La sortie de l'émetteur est une impulsion haute tension qui commande le transducteur. Le récepteur est connecté au même transducteur via un commutateur rapide à deux bornes, sensible à la tension. Le commutateur est dans ce cas un commutateur T/R haute tension MD0100N8-G de Microchip Technology. Il s'agit d'un dispositif de protection de limitation du courant bidirectionnel à deux bornes. Le MD0100 est normalement fermé, mais lorsque la tension dans le dispositif dépasse ±2 V, le commutateur s'ouvre en 20 nanosecondes (ns) environ. Le commutateur ouvert peut supporter une tension allant jusqu'à ±100 V. À l'état ouvert, un courant de 200 µA traverse le commutateur utilisé pour détecter la présence continue de la haute tension. Une fois que la haute tension n'est plus appliquée, le commutateur repasse à l'état fermé. Les diodes connectées tête-bêche à la borne B du côté récepteur du MD0100 fournissent un chemin pour ce courant dans le commutateur. Ces diodes fixent également l'entrée du récepteur à ±0,7 V.

La résistance à l'état passant du MD0100 est typiquement de 15 Ω. La capacité du commutateur ouvert est fonction de la tension appliquée. Elle varie de 12 pF pour une tension de 10 V jusqu'à 19 pF à 100 V.

Ce commutateur T/R a l'avantage d'être un simple composant à deux bornes qui ne requiert pas de source d'alimentation.

Conclusion

La commutation d'une seule antenne entre les modes d'émission et de réception constitue un défi, mais comme illustré, un commutateur T/R, ou duplexeur, approprié peut résoudre le problème — à condition que le concepteur comprenne le fonctionnement des dispositifs et choisisse leur architecture T/R de manière appropriée.