eng
DOI: 10.22184/1992-4178.2023.223.2.120.133
Рассмотрены антенные переключатели. Приведена информация об особенностях и характеристиках различных типов таких устройств, выпускаемых рядом производителей.
Рассмотрены антенные переключатели. Приведена информация об особенностях и характеристиках различных типов таких устройств, выпускаемых рядом производителей.
Антенные переключатели
Часть 6
В. Кочемасов, к. т. н.1, А. Сафин, к. т. н.2, С. Дингес, к. т. н.3
В первой, второй, третьей, четвертой и пятой частях статьи, опубликованных в седьмом, восьмом, девятом и десятом за 2022 год и первом за 2023 год номерах журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес», было рассказано о различных антенных приемопередающих переключателях. В данном номере рассматривается еще несколько типов таких переключателей.
Нитрид-галлиевые
многопозиционные переключатели
Коммутация высоких мощностей в приемопередающих модулях возможна также с использованием многопозиционных GaN-переключателей (табл. 21). Интегральный нитрид-галлиевый SP3T-переключатель QPC1006 выпускается компанией Qorvo. В отличие от переключателей, выполненных по другим технологиям, вносимое ослабление в нем весьма сильно зависит от частоты и заметно от температуры окружающей среды (рис. 82а) и управляющего напряжения (рис. 82б). Развязка меняется по диапазону также весьма сильно (рис. 82в, г), заметно зависит от температуры (рис. 82в) и в меньшей степени от управляющего напряжения (рис. 82г). Представляют также интерес зависимости вносимого ослабления IL от уровня входной мощности Pвх в непрерывном (рис. 83а) и импульсном (рис. 83б, в, г) режимах при вариациях температуры окружающей среды (рис. 83а, б), частоты (рис. 83в) и управляющего напряжения (рис. 83г).
Большинство нитрид-галлиевых переключателей выпускается в модульном исполнении. В табл. 21 они представлены моделями компании RF-Lambda. Эти изделия отличаются от мощных переключателей на pin-диодах малым временем коммутации (менее 100 нс), а некоторые из них (RFSP4TR5MO6G, RFSP8TRDC12G, RFSP8TRDC18G) и исключительно высокой развязкой (80–90 дБ). Эти обстоятельства делают нитрид-галлиевые переключатели вполне конкурентными с электромеханическими изделиями [4].
Многопозиционные КМОП-переключатели
Наиболее востребованными на сегодняшний день в системах мобильной связи стали многопозиционные КМОП-переключатели (табл. 22, 23). Развитие стандартной КМОП-технологии (bulk CMOS technology) и созданных на ее основе технологий «кремний на изоляторе» (КНИ) и «кремний на сапфире» (КНС) позволило не только снизить еще на порядок токи потребления и управления, в сравнении с арсенид-галлиевыми изделиями, повысить устойчивость к электростатическим воздействиям, но и, что самое главное, решить задачу создания изделий с чрезвычайно высокой степенью интеграции. В настоящее время количество каналов в таких антенных переключателях достигает 16 (рис. 84) и к каждому из них могут быть подключены передатчики Тх, приемники Rх и трансиверы TRx. Во многих таких антенных переключателях могут быть реализованы функции не только коммутации, но и фильтрации. Например, в передающих GSM-каналах подавление внеполосных излучений осуществляется с помощью фильтров нижних частот (рис. 84). По мере расширения технологических возможностей в составе антенных переключателей начали появляться полосовые фильтры на ПАВ и дуплексеры (рис. 85). Вносимые потери в различных передающих каналах могут существенно различаться (рис. 86а–в) и, кроме того, зависят от температуры окружающей среды (рис. 86г). Развязка между передающими каналами в антенном переключателе также не остается постоянной (рис. 87) и зависит не только от частоты, но и от расстояния в кристалле между включенными и выключенными каналами.
Драйверы, обеспечивающие коммутацию каналов, как правило, расположены на том же кристалле, что и антенный переключатель. Управление их работой может быть обеспечено по различным интерфейсам (табл. 23), в том числе MIPI (Mobile Industry Processor Interface) и GPIO (General Purpose Input/Output Interface).
Многопозиционные антенные переключатели от SP3T до SP12T (рис. 88а) по технологии КНС производит компания pSemi (ныне – Murata). Все канальные переключатели (КПК) этой фирмы выполняются по параллельной схеме в двух исполнениях (рис. 88б, в). Наличие во всех каналах схем защиты от электростатических воздействий (ESD) обеспечивает устойчивость к ним от 1 до 4 кВ HBM (Human Body Model). Созданные по технологии КНС переключатели оказываются эффективными и в условиях повышенной радиации.
Вносимые потери в этих антенных переключателях мало зависят от номера подключаемого канала (рис. 89а), изменений температуры (рис. 89б) и напряжения питания (рис. 89в). В еще меньшей степени от влияния последних двух факторов зависит развязка между каналами (рис. 90а, б). При этом значительной оказывается зависимость допустимой входной мощности от напряжения питания в нижней (до 20 МГц) части рабочего диапазона частот (рис. 91). В состав всех антенных переключателей, производимых компанией pSemi, входят КМОП-драйверы, сложность которых возрастает с увеличением числа переключаемых каналов. В отличие от многопозиционных переключателей, предназначенных для мобильной телефонии, ряд изделий компании Analog Devices, реализованных по технологии КНИ, используется в спутниковых системах связи, СВЧ-радиостанциях, РЛС, системах РЭБ и др. Рабочий диапазон этих переключателей достигает нескольких десятков мегагерц (модели ADRF5046, ADRF5047 c верхней рабочей частотой 44 ГГц). В пределах этого диапазона частот поддерживается достаточно высокий уровень развязки между каналами (рис. 92) и значительные компрессионные мощности, которые на краях рабочего диапазона температур отличаются друг от друга не более чем на 2 дБ (рис. 93а). 10%-ное изменение напряжения питания от номинального значения 3,3 В на выходной мощности практически не сказывается (рис. 93б).
Наряду с многопозиционными переключателями типа SPMT ряд производителей выпускает изделия с двумя входами при большом количестве выходных портов (M > 2). Среди подобного рода изделий широко представлены и такие (табл. 24), в которых имеются два входа (обычно это антенные порты) и много выходных портов (рис. 94). Для этих изделий используются обозначения DP6T (SP3T+SP3T), DP8T (SP4T+SP4T), DP10T (SP5T+SP5T) и DP12T (SP6T+SP6T). Наличие двух антенных портов означает, что антенны с такими переключателями обладают свойством diversity. По сути дела, в составе таких микросхем имеются два многопозиционных переключателя типа SP3T, SP4T, SP5T, SP6T (рис. 94а). К этому же классу относятся изделия DP5T (SP2T+SP3T) и DP9T (SP4T+SP5T) (рис. 94б), в которых каждый из входящих в них переключателей управляется независимо от интегрированного в них MIPI-интерфейса.
В некоторых изделиях, выпускаемых компанией Infineon, внутренняя структура переключателей может устанавливаться программным способом. Так в BGSX210MA18 (DP10T) возможны следующие комбинации переключателей SP5T + SP5T, SP4T + SP6T, SP6T + SP4T, в микросхеме BGSX212MA18 (DP12) наряду с SP6T + SP6T могут быть реализованы и другие комбинации переключателей: SP5T + SP7T и SP7T + SP5T.
* * *
Заключая серию статей по твердотельным переключателям [4–7], приведем сведения о номенклатуре и количествах производимых интегральных (табл. 25) и модульных (табл. 26) твердотельных переключателей. Компаний, выпускающих модульные переключатели, гораздо больше, чем компаний, производящих интегральные модели. В представленных таблицах приведены сведения о семи компаниях, выпускающих интегральные переключатели, и пяти компаниях, реализующих модульные изделия. Наиболее широко в таблицах представлены SPDT-переключатели. По мере увеличения числа каналов количество выпускаемых изделий и в интегральном, и в модульном исполнениях снижается. Максимальное число каналов (16) в интегральных изделиях реализовано компанией Skyworks Solutions в модели SKYA13492-21. В модульных переключателях компанией RF-Lambda создан переключатель RFSP160TA0020G-S со 160‑ю каналами, предназначенный для использования в переключаемых фильтрах. Лидером по количеству выпускаемых интегральных переключателей является компания MACOM (172 модели). Среди производителей модульных переключателей лидирующие позиции занимают компании AMC (1142 модели) и PMI (630 моделей).
Анализируя эти таблицы, нужно иметь в виду, что количество выпускаемых за рубежом переключателей и в модульном, и в интегральном исполнениях уже сейчас значительно больше приведенных в таблицах цифр и постоянно увеличивается. ●
Часть 6
В. Кочемасов, к. т. н.1, А. Сафин, к. т. н.2, С. Дингес, к. т. н.3
В первой, второй, третьей, четвертой и пятой частях статьи, опубликованных в седьмом, восьмом, девятом и десятом за 2022 год и первом за 2023 год номерах журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес», было рассказано о различных антенных приемопередающих переключателях. В данном номере рассматривается еще несколько типов таких переключателей.
Нитрид-галлиевые
многопозиционные переключатели
Коммутация высоких мощностей в приемопередающих модулях возможна также с использованием многопозиционных GaN-переключателей (табл. 21). Интегральный нитрид-галлиевый SP3T-переключатель QPC1006 выпускается компанией Qorvo. В отличие от переключателей, выполненных по другим технологиям, вносимое ослабление в нем весьма сильно зависит от частоты и заметно от температуры окружающей среды (рис. 82а) и управляющего напряжения (рис. 82б). Развязка меняется по диапазону также весьма сильно (рис. 82в, г), заметно зависит от температуры (рис. 82в) и в меньшей степени от управляющего напряжения (рис. 82г). Представляют также интерес зависимости вносимого ослабления IL от уровня входной мощности Pвх в непрерывном (рис. 83а) и импульсном (рис. 83б, в, г) режимах при вариациях температуры окружающей среды (рис. 83а, б), частоты (рис. 83в) и управляющего напряжения (рис. 83г).
Большинство нитрид-галлиевых переключателей выпускается в модульном исполнении. В табл. 21 они представлены моделями компании RF-Lambda. Эти изделия отличаются от мощных переключателей на pin-диодах малым временем коммутации (менее 100 нс), а некоторые из них (RFSP4TR5MO6G, RFSP8TRDC12G, RFSP8TRDC18G) и исключительно высокой развязкой (80–90 дБ). Эти обстоятельства делают нитрид-галлиевые переключатели вполне конкурентными с электромеханическими изделиями [4].
Многопозиционные КМОП-переключатели
Наиболее востребованными на сегодняшний день в системах мобильной связи стали многопозиционные КМОП-переключатели (табл. 22, 23). Развитие стандартной КМОП-технологии (bulk CMOS technology) и созданных на ее основе технологий «кремний на изоляторе» (КНИ) и «кремний на сапфире» (КНС) позволило не только снизить еще на порядок токи потребления и управления, в сравнении с арсенид-галлиевыми изделиями, повысить устойчивость к электростатическим воздействиям, но и, что самое главное, решить задачу создания изделий с чрезвычайно высокой степенью интеграции. В настоящее время количество каналов в таких антенных переключателях достигает 16 (рис. 84) и к каждому из них могут быть подключены передатчики Тх, приемники Rх и трансиверы TRx. Во многих таких антенных переключателях могут быть реализованы функции не только коммутации, но и фильтрации. Например, в передающих GSM-каналах подавление внеполосных излучений осуществляется с помощью фильтров нижних частот (рис. 84). По мере расширения технологических возможностей в составе антенных переключателей начали появляться полосовые фильтры на ПАВ и дуплексеры (рис. 85). Вносимые потери в различных передающих каналах могут существенно различаться (рис. 86а–в) и, кроме того, зависят от температуры окружающей среды (рис. 86г). Развязка между передающими каналами в антенном переключателе также не остается постоянной (рис. 87) и зависит не только от частоты, но и от расстояния в кристалле между включенными и выключенными каналами.
Драйверы, обеспечивающие коммутацию каналов, как правило, расположены на том же кристалле, что и антенный переключатель. Управление их работой может быть обеспечено по различным интерфейсам (табл. 23), в том числе MIPI (Mobile Industry Processor Interface) и GPIO (General Purpose Input/Output Interface).
Многопозиционные антенные переключатели от SP3T до SP12T (рис. 88а) по технологии КНС производит компания pSemi (ныне – Murata). Все канальные переключатели (КПК) этой фирмы выполняются по параллельной схеме в двух исполнениях (рис. 88б, в). Наличие во всех каналах схем защиты от электростатических воздействий (ESD) обеспечивает устойчивость к ним от 1 до 4 кВ HBM (Human Body Model). Созданные по технологии КНС переключатели оказываются эффективными и в условиях повышенной радиации.
Вносимые потери в этих антенных переключателях мало зависят от номера подключаемого канала (рис. 89а), изменений температуры (рис. 89б) и напряжения питания (рис. 89в). В еще меньшей степени от влияния последних двух факторов зависит развязка между каналами (рис. 90а, б). При этом значительной оказывается зависимость допустимой входной мощности от напряжения питания в нижней (до 20 МГц) части рабочего диапазона частот (рис. 91). В состав всех антенных переключателей, производимых компанией pSemi, входят КМОП-драйверы, сложность которых возрастает с увеличением числа переключаемых каналов. В отличие от многопозиционных переключателей, предназначенных для мобильной телефонии, ряд изделий компании Analog Devices, реализованных по технологии КНИ, используется в спутниковых системах связи, СВЧ-радиостанциях, РЛС, системах РЭБ и др. Рабочий диапазон этих переключателей достигает нескольких десятков мегагерц (модели ADRF5046, ADRF5047 c верхней рабочей частотой 44 ГГц). В пределах этого диапазона частот поддерживается достаточно высокий уровень развязки между каналами (рис. 92) и значительные компрессионные мощности, которые на краях рабочего диапазона температур отличаются друг от друга не более чем на 2 дБ (рис. 93а). 10%-ное изменение напряжения питания от номинального значения 3,3 В на выходной мощности практически не сказывается (рис. 93б).
Наряду с многопозиционными переключателями типа SPMT ряд производителей выпускает изделия с двумя входами при большом количестве выходных портов (M > 2). Среди подобного рода изделий широко представлены и такие (табл. 24), в которых имеются два входа (обычно это антенные порты) и много выходных портов (рис. 94). Для этих изделий используются обозначения DP6T (SP3T+SP3T), DP8T (SP4T+SP4T), DP10T (SP5T+SP5T) и DP12T (SP6T+SP6T). Наличие двух антенных портов означает, что антенны с такими переключателями обладают свойством diversity. По сути дела, в составе таких микросхем имеются два многопозиционных переключателя типа SP3T, SP4T, SP5T, SP6T (рис. 94а). К этому же классу относятся изделия DP5T (SP2T+SP3T) и DP9T (SP4T+SP5T) (рис. 94б), в которых каждый из входящих в них переключателей управляется независимо от интегрированного в них MIPI-интерфейса.
В некоторых изделиях, выпускаемых компанией Infineon, внутренняя структура переключателей может устанавливаться программным способом. Так в BGSX210MA18 (DP10T) возможны следующие комбинации переключателей SP5T + SP5T, SP4T + SP6T, SP6T + SP4T, в микросхеме BGSX212MA18 (DP12) наряду с SP6T + SP6T могут быть реализованы и другие комбинации переключателей: SP5T + SP7T и SP7T + SP5T.
* * *
Заключая серию статей по твердотельным переключателям [4–7], приведем сведения о номенклатуре и количествах производимых интегральных (табл. 25) и модульных (табл. 26) твердотельных переключателей. Компаний, выпускающих модульные переключатели, гораздо больше, чем компаний, производящих интегральные модели. В представленных таблицах приведены сведения о семи компаниях, выпускающих интегральные переключатели, и пяти компаниях, реализующих модульные изделия. Наиболее широко в таблицах представлены SPDT-переключатели. По мере увеличения числа каналов количество выпускаемых изделий и в интегральном, и в модульном исполнениях снижается. Максимальное число каналов (16) в интегральных изделиях реализовано компанией Skyworks Solutions в модели SKYA13492-21. В модульных переключателях компанией RF-Lambda создан переключатель RFSP160TA0020G-S со 160‑ю каналами, предназначенный для использования в переключаемых фильтрах. Лидером по количеству выпускаемых интегральных переключателей является компания MACOM (172 модели). Среди производителей модульных переключателей лидирующие позиции занимают компании AMC (1142 модели) и PMI (630 моделей).
Анализируя эти таблицы, нужно иметь в виду, что количество выпускаемых за рубежом переключателей и в модульном, и в интегральном исполнениях уже сейчас значительно больше приведенных в таблицах цифр и постоянно увеличивается. ●
Отзывы читателей
