11.12: Interruptor
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En muchos sistemas celulares un teléfono no transmite y recibe simultáneamente. En consecuencia, se puede usar un interruptor para conectar alternativamente un transmisor y un receptor a una antena. Un conmutador ideal se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (a), donde se muestran un puerto de entrada\(\text{RF}_{\text{IN}}\), y un puerto de salida\(\text{RF}_{\text{OUT}}\),. A frecuencias de microondas, los interruptores realistas deben modelarse con parásitos y con resistencias finitas de encendido y apagado. En la Figura\(\PageIndex{1}\) (b) se muestra un modelo realista aplicable a muchos tipos de interruptores. Los parásitos capacitivos, los\(C_{P}\text{s}\), limitan la frecuencia de operación y el on resistencia,\(R_{\text{ON}}\), provoca pérdida. Idealmente la resistencia fuera,\(R_{\text{OFF}}\), es muy grande, sin embargo, la capacitancia de derivación parásita\(C_{\text{OFF}}\),, es casi siempre más significativa. El resultado es que
| Tipo de interruptor | Manejo de potencia | Pérdida de inserción | Frecuencia de funcionamiento | Voltaje de accionamiento | Tiempo de respuesta |
|---|---|---|---|---|---|
| MEMS\(^{1}\) | \(0.5\text{ W}\) | \(0.5\text{ dB}\) | a\(10\text{ GHz}\) | \(90\text{ V}\) | \(10\:\mu\text{s}\) |
| MEMS\(^{1}\) | \(4\text{ W}\) | \(0.8\text{ dB}\) | a\(35\text{ GHz}\) | \(110\text{ V}\) | \(10\:\mu\text{s}\) |
| PhemT\(^{2}\) | \(10\text{ W}\) | \(0.3\text{ dB}\) | a\(6.5\text{ GHz}\) | \(5\text{ V}\) | \(0.5\:\mu\text{s}\) |
| PhemT\(^{2}\) | \(0.3\text{ W}\) | \(1.1\text{ dB}\) | a\(25\text{ GHz}\) | \(5\text{ V}\) | \(0.5\:\mu\text{s}\) |
| PIN\(^{3}\) | \(13\text{ W}\) | \(0.35\text{ dB}\) | a\(2\text{ GHz}\) | \(12\text{ V}\) | \(0.5\:\mu\text{s}\) |
| PIN\(^{3}\) | \(10\text{ W}\) | \(0.4\text{ dB}\) | a\(6\text{ Hz}\) | \(12\text{ V}\) | \(0.5\:\mu\text{s}\) |
Tabla\(\PageIndex{1}\): Propiedades típicas de pequeños interruptores de microondas. (Fuentes:\(^{1}\) Radant MEMS, Micro Dispositivos\(^{2}\) RF y\(^{3}\) Tyco Electronics.)
a altas frecuencias existe una conexión capacitiva alternativa entre la entrada y la salida a través de COFF. La resistencia on del interruptor introduce división de voltaje que se puede ver comparando la conexión ideal mostrada en la Figura\(\PageIndex{1}\) (c) y la conexión más realista mostrada en la Figura\(\PageIndex{1}\) (d). Hay cuatro tipos principales de interruptores de microondas: mecánicos (raramente utilizados excepto en instrumentación), diodo PIN, FET y sistema microelectromecánico (MEMS), ver Figuras\(\PageIndex{1}\) (e—g) y Tabla\(\PageIndex{1}\).
Un interruptor MEMS se fabrica utilizando técnicas fotolitográficas similares a las utilizadas en la fabricación de semiconductores. Se trata esencialmente de interruptores mecánicos en miniatura con una tensión utilizada para controlar la posición de un brazo de cortocircuito, ver Figura\(\PageIndex{2}\).
Figura\(\PageIndex{1}\): Interruptores de microondas: (a) conexión de interruptor ideal\(\text{RF}_{\text{IN}}\) y\(\text{RF}_{\text{OUT}}\) puertos; (b) modelo de un interruptor de microondas; (c) modelo de circuito ideal con interruptor encendido y con fuente y carga; (d) modelo de circuito de baja frecuencia realista con interruptor encendido; (e) interruptor realizado usando un diodo PIN; (f) interruptor realizado usando un FET; y (g) interruptor realizado usando un interruptor MEMS.
Figura\(\PageIndex{2}\): Interruptor RF MEMS: (a) la\(\text{RF}_{\text{in}}\) línea en contacto con la\(\text{RF}_{\text{out}}\) línea; y (b) el haz cantlever atraído electrostáticamente hacia el pedestal y no hay conexión RF.
Figura\(\PageIndex{3}\): Modelo utilizado en el cálculo de la pérdida de un interruptor en un\(50\:\Omega\) sistema.
Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Insertion Loss of a Switch
¿Cuál es la pérdida de inserción de un interruptor con una resistencia de\(1\:\Omega\) encendido cuando se usa en un\(50\:\Omega\) sistema?
Solución
El modelo que se utilizará para evaluar la pérdida de inserción del interruptor se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\). La pérdida de inserción se encuentra determinando primero la potencia disponible de la fuente y luego la potencia real entregada a la carga. La potencia de entrada disponible se calcula ignorando primero la resistencia del\(1\:\Omega\) interruptor. Luego hay una transferencia máxima de potencia desde la fuente a la carga. La potencia de entrada disponible es
\[\label{eq:1}P_{Ai}=\frac{1}{2}\frac{(\frac{1}{2}E)^{2}}{50}=\frac{E^{2}}{400} \]
donde\(E\) es el voltaje pico de RF en el generador de fuente equivalente Thevenin. La potencia entregada a la\(50\:\Omega\) carga se encuentra después de determinar primero el voltaje de carga pico:
\[\label{eq:2}V_{L}=\frac{50}{50+1+50}E=\frac{50}{101}E \]
Así, la potencia entregada a la carga es
\[\label{eq:3}P_{D}=\frac{1}{2}\frac{V_{L}^{2}}{50}=\frac{1}{100}\left(\frac{50}{101}\right)^{2}E^{2} \]
La pérdida de inserción es
\[\label{eq:4}\text{IL}=\frac{P_{Ai}}{P_{D}}=\frac{E^{2}}{400}\frac{100}{E^{2}}\left(\frac{101}{50}\right)^{2}=1.020=0.086\text{ dB} \]