Что такое РЧ переключатели?
РЧ переключатели работают путём управления соединением между различными входными и выходными портами. Они могут осуществлять переключение между различными трактами путём подключения или отключения радиосигналов.
Широко известно, что переключатели используются для коммутации сигналов в электрической, механической, электронной промышленности и при производстве средств связи. Эти сигналы могут принадлежать различным частотным диапазонам, начиная от постоянного тока до кГц, мГц, или даже ГГц. Основываясь на необходимом количестве входов и выходов, в России переключателях используются различные топологии, такие как мультиплексоры (MUX) 4×1 или 8×1, 1Н1П (SPST), 1Н2П (SPDT), 1Н3П (SP3T) и т.п.
Переключатели используются для различных целей, таких как маршрутизация сигнала, выбор частоты, изоляция сигнала, согласование импеданса и многое другое. Поэтому, выбор РЧ переключателей для RF для конкретного применения базируется на ряде параметров, таких как рабочий частотный диапазон, степень изоляции, вносимые потери, потери отражения, время переключения, скорость переключения, коммутируемая мощность, срок службы, количество портов и т.д.
Типы РЧ переключателей
В зависимости от топологии, выделяют два типа РЧ переключателей:
- мультиплексоры, например 4×1, 8×1 и т.п.
- реле, например 1Н1П (SPST), 1Н2П (SPDT), 1Н3П (SP3T) и т.п.
В зависимости от архитектуры, выделяют 2 типа РЧ переключателей:
- поглощающие;
- отражающие.
В зависимости от механического оформления, выделяют два типа переключателей:
- присоединяемые;
- встраиваемые.
Основываясь на конструктивном исполнении, архитектуре и используемых компонентах РЧ переключатели можно разделить на следующие типы:
- Электромеханические – это тип РЧ переключателей использует физические механические компоненты для физического замыкания или размыкания РЧ цепей.
- Твердотельные – это тип РЧ переключателей основан на полупроводниковых компонентах и не использует подвижных частей.
- На основе p-i-n диодов – используют изменяющееся в зависимости от приложенного прямого напряжения сопротивления p-i-n диода.
- На основе полевых транзисторов – для управления сигнальными РЧ цепями использует ключевые свойства полевых транзисторов.
- Гибридные – совмещающие p-i-n диоды и полевые транзисторы.
- MEMS-типа – для коммутации РЧ цепей использует микро-механические компоненты. При этом существенно уменьшаются размеры изделий, при сохранении высокой степени изоляции, малых вносимых потерь и высокой скорости переключения.
Классификация РЧ переключателей приведена на рис. 1.
Применение РЧ переключателей
В большинстве приложений РЧ переключатели используются для коммутации единственной РЧ антенны между приемником и передатчиком, как показано на рис. 2.
Другой областью применения радиочастотных коммутаторов являются устройства коммутации, используемые в станциях спутниковой связи (VSAT) или базовых станциях сотовой связи. Типичными устройствами коммутации являются два модемных устройства, два радиочастотных повышающих /понижающих преобразователя, устройства коммутации МШУ и т.д. Как показано на рисунке, в цепи МШУ 1 есть два МШУ (в режиме подключения к сигнальному тракту) и МШУ2 (в режиме горячего резервирования). В случае выхода из строя МШУ 1 модуль Переключателя МШУ подключает к сигнальному тракту МШУ 2 и наоборот.
Основанные на технологии MEMS РЧ переключатели используются в спутниковых системах связи. MEMS переключатели являются популярными из-за их высокой степени изоляции, малых вносимых потерь, низкого энергопотребления, высокой линейности, небольшого размера и веса.
Коаксиальные и волноводные переключатели используются в авиационной промышленности для коммутации сигналов в самолётах, бортовых и радиолокационных системах.
РЧ переключатели также используются для измерения различных РЧ и широкополосных параметров в автоматизированных системах тестирования. Кроме того, они используются в системах входного и выходного контроля при производстве РЭА.
К другим применениям можно отнести базовые станции сотовой связи, автомобильные системы, медицинские приборы, бытовую электронику, интернет вещей, радио и телевизионное вещание, средства связи военного назначения и т.п. Универсальность и способность управлять трактами прохождения радиосигнала делают их незаменимыми компонентами для современных радиочастотных, микроволновых, беспроводных технологий и средств связи.
Они используются во множестве приложений, включая переключатели приём/передача, для автоматизации одновременного тестирования большого количества одинаковых устройств, системах горячей замены блоков, используемых в критических приложениях, таких как базовые станции сотовой связи (для мультиплексирования различных блоков; для переключения модемов, МШУ и РЧ УМ между блоками.), для переключения различных частотных диапазонов и т.п. РЧ переключатели используются во всех системах беспроводной связи: WLAN, WiMAX, GSM, CDMA, HSPA, LTE, спутниковой, VSAT, ZigBee и.т.п. Для реализации таких переключателей обычно используются p-i-n диоды и полевые транзисторы.
Модуль переключения модемов также является очень полезной системой, используемой на узловых станциях VSAT, и коммутирует несколько модемов. Часть из них подключены постоянно, а один (или несколько) будет находиться в режиме ожидания. В случае выхода из строя одного из нормально подключенных модемов коммутатор позволяет резервному модему принять на себя управление и заменить неисправный модем, тем самым предотвращая потерю трафика в течение более длительного времени. Например, устройства переключения типа 8+1 подключается к 8 обычным встроенным модемам и 1 резервному модему. Если переключатели используются для модемов, работающих в обычном режиме, модем работает либо на частоте 70 МГц, либо на частоте 140 МГц.
Таким же образом используются переключатели с повышающими или понижающими преобразователями и усилителем мощности. Эти переключающие устройства будут оснащены небольшим программным обеспечением для микроконтроллеров, позволяющим непрерывно проверять все подключенные устройства c тем, чтобы определить исправное состояние и принять соответствующие меры.
Аналогичные РЧ переключатели используются промышленных системах тестирования, когда множество однотипных устройств (маршрутизаторы WLAN, LTE и т.п.) тестируются с использованием единственного векторного генератора и анализатора сигналов. В такой конфигурации устройства, одно за другим, с помощью РЧ переключателей автоматически включаются в цепь между векторным генератором и анализатором сигналов, выполняется тестирование конкретного устройства и результаты записываются в системный журнал.
РЧ переключатели обеспечивают бесперебойную маршрутизацию сигнала, играя ключевую роль в современных РЧ устройствах.
Производители РЧ переключателей
РЧ переключатели входят в продуктовые линейки многих популярных производителей комплектующих для РЭА:
- Lauftex;
- Dow-Key Microwave Corporation;
- JFW Industries;
- Analog Devices;
- National Instruments;
- Skyworks Solutions;
- Agile Microwave Technology;
- Agilent Technologies.
Выбор РЧ переключателей
РЧ переключатели являются критически важными компонентами в РЧ и микроволновых системах, позволяющими маршрутизировать сигнал между различными частями устройства, поэтому выбор типа переключателя является важнейшей частью проектирования РЧ системы. От правильности такого выбора будет зависеть надёжность и производительность всего устройства в целом.
В Таблице 1 приведены основные типы ВЧ переключателей, их описание, достоинства и недостатки.
|
Электромеханические |
||
|
Используют механические реле для физического подключения и отключения сигнальных трактов. Обычно содержат подпружиненные движущиеся части и контактные группы. Применяются в измерительной аппаратуре, РЧ устройствах большой мощности, таких как радиолокаторы и средства связи. |
|
|
|
Твердотельные |
||
|
Основаны на полупроводниковых приборах, таких как p-i-n диоды и полевые транзисторы, которые электрически управляют прохождением сигналов. Отсутствие движущихся частей приводит к высокой скорости переключения. Используются в системах беспроводной связи, смартфонах и т.п.. |
|
|
|
На p—i—n диодах |
||
|
Используют p-i-n диоды, работающие в качестве управляемых резисторов для переключения РЧ сигналов. Проводимость диодов управляется подаваемым на них напряжением смещения. Применяются во входных каскадах средств связи, радиолокаторах и т.п. |
|
|
|
На полевых транзисторах |
||
|
Используют полевые транзисторы для электрического переключения трактов прохождения сигналов. Как правило, реализуются в виде интегральных схем. Используются в системах беспроводной связи, интернете вещей и т.п. |
|
|
|
Гибридные |
||
|
Совмещают технологии электромеханических и твердотельных переключателей для использования преимуществ обоих. Электромеханические компоненты управляют мощными блоками, В то время как твердотельные компоненты обеспечивают большую скорость переключения сигнальных цепей. Используются в интеллектуальных радиолокаторах, аэрокосмических и оборонных приложениях. |
|
|
Каждый тип переключателей может обслуживать специфические нужды, в зависимости от требований к быстродействию, коммутируемой мощности, степени изоляции и ценового диапазона. Выбор правильного радиочастотного переключателя основывается на балансе их характеристик в зависимости от предполагаемого применения и является критическим моментом для получения надёжной высокопроизводительной системы.
В Таблице 2. Приведены основные свойства различных типов РЧ переключателей.
|
Диапазон частот |
от ПТ |
от ПТ |
от МГц |
от кГц |
|
Изоляция |
хорошая на всех частотах |
хорошая на низких частотах |
хорошая на сверхвысоких частотах |
хорошая на сверхвысоких частотах |
|
Стабильность |
хорошая |
превосходная |
хорошая |
хорошая |
|
Коммутируемая мощность |
большая |
маленькая |
маленькая |
маленькая |
| Защита от электростатики |
высокая |
низкая |
средняя |
низкая |
Сообщение Что такое РЧ переключатели? появились сначала на Время электроники.