Коммутация ВЧ сигналов при помощи диодов

21 июня 2021

В радиоконструкторском деле часто возникает задача направить ВЧ сигнал в том или ином направлении. На структурной схеме даже очень простого трансивера присутствует целых четыре переключателя. В данном трансивере они были реализованы при помощи реле, но это не единственное возможное решение. Существует также схема на основе диодов.

Вариантов схемы много, но в среднем идея следующая:

Схема коммутации ВЧ сигнала на основе диодов

Постоянный ток идет через R1, L2, D1 и R2. Диод D1 открыт. В этом состоянии он пропускает ВЧ сигнал между J1 и J2 в любом направлении. На J3 сигнал идти не может, потому что D2 закрыт. C3 и C4 имеют низкий импеданс на ВЧ, поэтому свободно пропускают сигнал. Импеданс L2 и R2 высокий, поэтому сигнал через них почти не идет. В этом отношении схема напоминает токовый инжектор (bias tee). При переключении SW1 диод D1 закрывается, а D2 открывается. Теперь ВЧ сигнал может идти между J1 и J3. Таким образом, схема работает подобно реле, только для ВЧ.

Существуют PIN-диоды, специально оптимизированные под подобные задачи. Но для сигналов небольшого уровня хорошо работают и обычные импульсные диоды. SW1 использован в схеме для упрощения. В реальных условиях вместо него будут какие-то транзисторы, управляемые МК, или что-то такое. Иначе можно было бы коммутировать сигнал самим SW1.

Схема была исполнена таким образом:

Самодельный коммутатор ВЧ сигналов на импульсных диодах

Выяснилось следующее:

  • Потребление тока составило 9 мА. Типичное реле на 12 В потребляет где-то от 20 мА (HFD27/012-S) до 60 мА (NRP18-C12DH), но при этом может иметь две контактные группы. Также бывают бистабильные реле (ранее использованные нами HFD2/012-S-L2), которые эффективно ничего не потребляют;
  • Потери получились выше, чем у реле, около 0.7 dB. Потери вызваны тем, что часть сигнала все-таки затекает на L1/L2 и R2. У реле потери незначительные, ≤ 0.1 dB;
  • Изоляция портов у реле и этой схемы примерно одинаковые, ≥ 40 dB на 1-30 МГц, при условии, что все порты нагружены на 50 Ом;
  • Сигнал начинает искажаться при превышении уровня в 4 dBm. Это ограничение выбранных диодов. PIN-диоды BAP50 пропускают до 11 dBm без искажений;
  • Стоимость компонентов приведенной схемы и одного реле примерно одинаковая (~0.8$), смотря где и в каких объемах вы совершаете покупки. Но при той же стоимости реле может иметь две контактные группы и спокойно работать с токами в несколько ампер;

Основные преимущества схемы на диодах заключается в том, что она работает бесшумно и не подвержена механическому износу. Это может быть важно, например, когда вы делаете телеграфный full QSK трансивер. Все современные трансиверы промышленного производства относятся к данному типу, поэтому в них вы обязательно найдете PIN-диоды.

В качестве дополнительных материалов могу порекомендовать серию видео (первое, второе, третье), снятых Alan Wolke, W2AEW. Еще примеры подобных схем вы найдете в статье «Electronic Switching and How It Works» за авторством Doug DeMaw, W1FB. Статья была опубликована в QST за сентябрь 1984-го года и вошла в книгу «QRP Classics».

Дополнение: В продолжение темы вас могут заинтересовать посты Коммутация ВЧ сигналов с помощью 74HC4053 и Простой аттенюатор управляемый напряжением.

Метки: , , .