對于雷達、聲納、核磁共振 （NMR） 或超聲波測距等回聲測距設備以及手機和衛星通信基礎設施，出于多種原因，設計人員經常需要將共用天線或變送器同時連接至大功率發射器和敏感的接收器。因此，需要一種方法使天線或變送器能夠在這兩種設備之間切換，同時提供充分的能量衰減以防大功率發射器損壞高靈敏度接收器元件。另外，信號發送后共享天線或變送器必須快速切換，以便接收器有充分的時間來獲取和測量接收到的射頻或超聲回波。

　　為此，設計人員可以轉而使用發射/接收 （T/R） 開關，也稱為雙工器。該器件專為處理這類任務而設計，使天線或變送器可在發射器與接收器之間快速切換，同時在 T/R 路徑之間提供所需的隔離。此外，T/R 開關還可以承受發射功率，同時具有低插入損耗以免發射信號衰減，并保持固定的特性阻抗以防信號反射和損耗。但是，如需有效使用這類器件，設計人員必須先了解其工作原理和關鍵特性。

　　T/R 開關實現技術有很多，本文著重介紹兩種主要類型——射頻環行器和 PIN 二極管開關，以及用于電壓敏感型應用的類型。

　　本文將以 Skyworks Solutions Inc. 和 Microchip Technology 的器件為例，闡示每種技術對應的特定應用。

　　發射/接收開關的工作原理

　　基本的 T/R 開關可將共用天線（射頻應用）或變送器（超聲應用）連接于發射器與接收器之間（圖 1）。

圖 1：基本 T/R 開關是單刀雙擲開關，可將共用天線或變送器連接發射器或接收器。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　對于單個發射器和接收器，往往使用簡單的單刀雙擲 （SPDT） 開關；而在多發射器/接收器拓撲中，就需增加開關極數。針對基本配置，共有以下四個關鍵設計目標要求：

　　首先，開關的額定功率必須足以承受發射器輸出而不會損壞開關。

　　其次，發射器與天線之間的損耗必須盡可能低。

　　第三，開關未連接接收器時，接收器輸入與發射器輸出之間必須充分隔離，以防損壞高靈敏度接收器。

　　最后，T/R 開關的開關速度必須足以滿足應用要求。

　　環行器 T/R 開關

　　射頻或微波環行器是一種三端器件，可在射頻應用中用于控制信號流的方向（圖 2）。

圖 2：由原理圖符號可知，環行器具有順時針（左）和逆時針（右）兩種版本。各版本中能量均無明顯的反向流動——這一特性使其成為 T/R 開關的理想之選。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　如圖 2 所示，順時針環行器中，由端口 1 輸入的信號傳播至端口 3，端口 3 的信號傳播至端口 2，而端口 2 的信號則傳輸至端口 1。環行器是非互逆器件，因而反向流動的能量很少。例如，在圖示示例中，幾乎或完全沒有信號從端口 3 流回端口 1，從端口 2 流回端口 3，或從端口 1 流回端口 2。正是這種定向特性使得環行器成為 T/R 開關（雙工器）的理想之選。同理，逆時針環行器中，信號傳輸方向為端口 1 至端口 2，端口 2 至端口 3，端口 3 至端口 1。無論哪種情況下，反向傳輸的信號都很少。

　　環行器是基于鐵磁效應的無源器件，部分組件由鐵氧體磁性材料構成。三端口“Y 結”環行器實現隔離基本原理是，讓鐵氧體磁性材料周圍沿兩條不同路徑傳播的電磁波相互抵消（圖 3）。

圖 3：Y 結環行器的物理結構包括一個三端口對稱帶線結、鐵氧體圓盤和磁場 （HCIR），其中磁場通常由永磁體提供。（圖片來源：Skyworks Solutions）

　　三端口 Y 結射頻環行器包括兩塊鐵氧體圓盤，分別位于三端口帶線結的兩側。環行器利用一定強度的內部靜磁場使鐵氧體元件產生軸向偏置磁場來實現能量循環傳輸，靜磁場如圖 3 中 “HCIR” 所示。環行器可以工作在兩個極性相反的橫向磁場 （TM） 模態。如圖 3 所示，環形器在特定外加磁場中，TM 模態使端口 3 處的磁場分量為零以形成隔離，因此能量將由端口 1 傳輸至端口 2。進入端口 2 的能量隨即傳輸至端口 3，如此循環往復從而實現環行器動作。在這種情況下，循環為逆時針方向。通過反轉極性和調整靜磁場的磁場強度，即可反轉循環方向。

　　在 T/R 應用中，使用環行器的優勢在于不涉及切換。發射器和接收器始終保持連接，而隔離是信號相位抵消的結果。

　　利用環行器實現 T/R 設計時，發射器輸出連接端口 1，天線連接端口 3，接收器連接端口 2（圖 4）。

圖 4：作為 T/R 開關連接順時針環行器時，發射器輸出連接端口 1，天線連接端口 3，接收器連接端口 2。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　在滿足 T/R 開關要求的商用環行器中，Skyworks Solutions 的 SKYFR-000736 是一個實例。這款 50 Ω Y 結環行器可處理的 T/R 開關工作頻率范圍為 791 至 821 MHz。該器件旨在用于無線基礎設施應用，可承受功率高達 200 W，發射器與天線之間的插入損耗非常低，僅為 0.3 dB，最小隔離度為 22 dB。SKYFR-000736 環行器是一款相對小巧的表面貼裝器件，直徑為 28 mm，高度為 10 mm。環行器是無源器件，因而無需施加任何電源。

　　PIN 二極管開關

　　PIN 二極管在射頻和微波頻率下可用作開關或衰減器。這類器件在常規二極管的 P 型與 N 型半導體層之間加入了大電阻率本征半導體層。因此，該二極管的名稱 “PIN” 恰恰反映了其結構（圖 5）。

圖 5：PIN 二極管包含一層本征半導體材料，位于分別作為陽極和陰極的 P 型與 N 型半導體材料之間。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　PIN 二極管零偏置或反向偏置時，本征層中不存儲電荷，相當于開關應用的“關斷”狀態。插入本征層可以增加二極管耗盡層的有效寬度，從而形成較小的電容，并提高擊穿電壓。對于射頻開關而言，這兩種特性非常理想。

　　正向偏置情況下，空穴和電子注入本征層。這些載流子的重新組合需要花費一些時間，這個時間稱為載流子壽命 t。當存儲的電荷達到平均值時，本征層的有效電阻降至最小電阻 RS，相當于開關應用的“導通”狀態。

　　基于 PIN 的 T/R 開關

　　基于環行器的 T/R 開關是頻率范圍受限的窄帶開關?；?PIN 的 T/R 開關可以通過四分之一波長傳輸線實現，這也導致頻率范圍受限。但是，基于 PIN 的 T/R 開關優勢之一是可以實現寬帶開關設計，即不使用頻率敏感型元件。本文將著重介紹寬帶開關的實現。

　　基本的 T/R 開關屬于 SPDT 配置，至少需要兩個 PIN 二極管才能實現。開關拓撲包括并聯式（兩個并聯二極管與發射器和接收器并聯）、串聯式（二極管與發射器和接收器串聯），或串并聯混合式（圖 6）。

圖 6：上圖為 PIN 二極管分別采用串聯 （a）、并聯 （b） 或串并聯配置 （c） 的三種 T/R 開關拓撲。（圖片來源：Skyworks Solutions）

　　串聯二極管配置 （a） 將 PIN 二極管串聯在射頻公共端（天線）與發射器和接收器之間。發射器與天線之間的插入損耗取決于正向偏置二極管的串聯電阻。發射器與接收器之間的隔離度則取決于反向偏置二極管的殘余電容。

　　并聯配置 （b） 是將二極管與發射器和接收器并聯連接。隔離度取決于正向偏置二極管的電阻，而插入損耗則取決于反向偏置二極管的電容。

　　同時使用串聯和并聯的二極管 （c），可以提高隔離度。因此，該配置最為常用。隔離度取決于反向偏置串聯二極管的電容和正向偏置并聯二極管的電阻。除了隔離度更高以外，由于具有兩個保護二極管，該配置本質上可以更好地保護接收器。發射器側的插入損耗是正向偏置串聯二極管電阻和反向偏置并聯二極管電容的函數。

　　大功率高隔離度開關可以使用 Skyworks Solutions 的 SMP1302-085LF 作為小電容 PIN 二極管，使用 SMP1352-079LF 作為小電阻 PIN 二極管。這兩款二極管的額定擊穿電壓均為 200 V。SMP1302-085LF 的額定功率耗散為 3 W，在 T/R 開關中作為串聯組件可承受高達 50 W 的連續波 （CW）。該器件的反向偏置電容僅為 0.3 pF。SMP1352-079LF 的額定功率耗散為 250 mW，足以滿足該應用對并聯二極管的要求。該器件的正向偏置串聯電阻略小于 SMP1302-085LF，10 mA 下為 2 Ω，100 mA 下為 1 Ω。

　　所有拓撲的偏置控制信號（偏置 1 和偏置 2）必須互補，并且狀態變化保持同步。兩種二極管類型的開關速度均需小于 1 μs。

　　使用高壓 T/R 開關保護低壓超聲電路

　　無損檢測、回聲定位和醫學超聲等超聲應用也需要 T/R 開關。不過，這些應用所采用的技術和元器件與上文介紹的射頻應用有所不同。這些應用需使用高壓 T/R 開關來保護敏感的低壓電子設備，使其免受驅動超聲波變送器的高壓脈沖信號影響（圖 7）。

圖 7：在典型超聲應用中，需要對其中一個壓電變送器施加高壓脈沖?？焖?T/R 開關可檢測電壓的升高并通過開路保護接收器輸入，從而達到保護接收器的目的。（圖片來源：Microchip Technology）

　　在超聲應用中，發射器將直接連接其中一個壓電變送器，并輸出驅動變送器的高壓脈沖。接收器通過雙端子電壓敏感型快速開關連接同一變送器。本例中，該開關采用了 Microchip Technology 的 MD0100N8-G 高壓 T/R 開關，這是一款雙端子雙向限流保護裝置。MD0100 開關常閉，但是器件兩端電壓超過 ±2 V 時，開關將在約 20 ns 內斷開。開路時，開關可承受的電壓高達 ±100 V。在開路狀態下，約有 200 μA 電流通過開關，用以檢測高壓是否仍然存在。一旦發射器輸出不再施加高壓，開關將恢復閉合狀態。在接收器側，MD0100 端子 B 連接的背對背二極管在開路時為開關提供了電流路徑。此外，這對二極管還能將接收器輸入電壓鉗制在 ±0.7 V。

　　MD0100 的導通電阻典型值為 15 Ω。開路時，開關電容是所施加電壓的函數，電壓為 10 V 至 100 V 時，對應的電容范圍為 12 pF 至 19 pF。

　　這類 T/R 開關的優勢在于，它只是簡單的雙端子元器件，無需施加電源。

　　總結

　　實現單個天線在發射與接收模式之間的切換頗具挑戰，但如上文所述，借助合適的 T/R 開關（即雙工器）即可解決問題——只要設計人員了解該器件的工作原理，并選擇合適的 T/R 架構。