PIN dioden als antenne-schakelaar
Geregeld kan men in amateurtijdschriften artikelen aantreffen die handelen over VHF/UHF ingangstrappen waarbij gebruik wordt gemaakt van PIN-dioden. PIN-dioden kunnen echter niet alleen als geregelde verzwakker worden toegepast, maar ook als schakelaar.
In dit artikel wordt de werking van de PIN-diode verklaard en daarna komt de antenneschakelaar aan de orde. Wat zo'n antenneschakelaar doet wordt uitgelegd m.b.v. radar principes.
Gasontladingsbuizen als antenneschakelaars
Bij de ontwikkeling van de radar zat men al ras met het probleem dat in zeer korte tijd de antenne overgeschakeld moest worden van zenden op ontvangen. Deze omschakeling moest gebeuren, omdat anders de hoge zendenergie de zeer gevoelige ingang van de ontvanger zou opblazen. Deze antenneschakelaar bij radar wordt ook wel duplexer genoemd. Het principe wordt duidelijk gemaakt in fig. 1.
Fig. 1.
De TR-schakelaar is de Transmit-Receive-schakelaar; de ATR-schakelaar is de Anti-Transmit-Receive-schakelaar. De TR- en de ATR-schakelaars noemt men bij radar een duplexer; het zijn gasontladingsbuizen die in de golfpijpen gemonteerd zijn op een wijze als getekend in fig. 2.
Fig. 2.
De werking van de gasontladingsbuis is eenvoudig to verklaren; door de grote energie-impuls van de zender gaat het gas in de buis ioniseren. Zodoende wordt de weerstand tussen de anode en de kathode zeer klein en dit heeft hetzelfde effect als wanneer een schakelaar gesloten wordt.
Wanneer de TR-ontladingsbuis geibniseerd is, vormt deze een kortsluiting op ¼ lambda van de verbinding met de zend- en ontvangerlijn. Zodoende vertegenwoordigt de ontvangerlijn een zeer hoge impedantie voor de zender impulsen. Deze impedantie is gelijk aan:
Bij deze formule is Z1 de karakteristieke impedantie van de lijn, Z2 de impedantie van de ontvanger en Z3 de shuntimpedantie in de ontvangerlijn op ¼ lambda van het T-punt verwijderd. Wanneer Z3 nu nul Ohm wordt, wordt de impedantie van de ontvangerlijn, gezien vanuit T, oneindig hoog.
Voordat de TR-buis in ionisatie gaat, is de ATR-buis al doorgeslagen, maar aangezien deze zich op ¼ lambda van de zendlijn (lijn van de zender naar de antenne) bevindt, wordt deze ¼ lambda een parallelkring en kan alle energie ongestoord naar de antenne gaan. Zo gauw wordt overgegaan op ontvangst, doyen de gasontladingsbuizen en wordt de impedantie aan het begin van de ontvanger zeer laag en kan alle ontvang-energie naar de ontvanger gaan.
PIN-dioden
In het voorafgaande is de werking van een antenneschakelaar met gasontladingsbuizen verduidelijkt. In plaats van zulke buizen zou men ook PIN-dioden hierin kunnen plaatsen, waarbij de werking van de antenneschakelaar hetzelfde blijft.
Het voordeel hiervan is, dat men nu met zeer kleine vermogens (vanaf 100 mW) al kan gaan schakelen, zodat zo'n antenneschakelaar heel goed gebruikt kan worden bij portable transceivers e.d.
Uit de naam PIN-diode kan men de opbouw hiervan al afleiden. De diode heeft n.l. drie verschillende dotteringslagen, t.w. een P-gedotteerde zone, een intrinsieke zone en een N-gedotteerde zone. Schematisch is dit getekend in fig. 3.
Fig. 3.
De P- en N-zones zijn hooggedotteerd en zijn buitengewoon laagohmig. Om een middengebied met een intrinsiek karakter to maken is niet zo eenvoudig. Men krijgt altijd een zeer kleine verontreiniging en deze veroorzaakt dat de middenzone een P- of een N-gedotteerd karakter krijgt. Men spreekt van een V-zone wanneer men een zeer zwakke N-dottering heeft en van een T-zone wanneer met een zeer zwakke P-dottering heeft.
Er worden uitsluitend PIN-dioden met een V-zone toegepast. Een dotteringsprofiel zou er uit kunnen zien als in fig. 4 getekend is.
Fig. 4.
De PIN-diode in sperrichting gebruikt
In deze gebruikstoestand kan men het volgende zeggen: in de hooggedotteerde P- en N-zones dringt de sperlaag zeer weinig in. Daarom ligt in het V-materiaal de sperlaag ver van de P/V-overgang verwijderd. Schematisch is dit weergegeven in fig. 5.
Fig. 5.
Door de grootte van de aangelegde spanning wordt de middenzone') verdeeld in een ruimteladingsgebied (sperlaag) WV en een grenslaag (W-WA)).
Door nu de sperspanning te veranderen, verandert men ook de breedte van de sperlaag in de middenzone. Al deze lagen hebben ook nog een bepaalde capaciteit en weerstand t.o.v. elkaar. Een vervangingsschema hiervan is weergegeven in fig. 6.
Fig. 6.
CS is hierbij de sperlaagcapaciteit, CV de capaciteit tussen de sperlaag en de 
/n-overgang, RV een Ohmse parallelweerstand en Rb de grenslaag weerstand. Het vervangingsschema kan men nog meer vereenvoudigen tot fig. 7.
Fig. 7.
Wanneer men aanneemt dat de diode werkt bij een hoge frequentie en een hoge weerstand in del.) -zone heeft, is de capaciteit Ctot een constante. Dit is volledig in tegenstelling tot normale dioden, waar de capaciteit afhankelijk is van de breedte van de sperlaag, dus van de aangelegde sperspanning.
De PIN-diode in de doorlaatrichting gebruikt
Bij het gebruik in doorlaatrichting worden uit de P+ zone P-ladingsdragers en uit de N+ zone N-ladingsdragers in de middenzone geïnjecteerd.
Voor het verduidelijken van het gedrag van de PIN-diode wordt aangenomen dat de concentratie van minderheidsladingdragers in de V-zone in de uitgangstoestand z6 gering is, dat deze in vergelijking tot de meerderheidsladingdragers verwaarloosd kan worden.
Tevens geldt dan, dat wanneer de middenzone zich gelijkmatig vult met de P- en N-ladingsdragers, de concentratie van de gefnjecteerde ladingsdragers in de A) -zone constant is. Schematisch is dit getekend in fig. 8. De ononderbroken lijn in het middengebied geeft aan wanneer I een bepaalde waarde is; de onderbroken lijn geeft aan wanneer I gelijk is aan 0.
Fig.8.
Aangezien de ladingsdragers-concentratie in het V-gebied gelijkmatig verdeeld is, is ook de karakteristieke geleidbaarheid daar overal constant. Voor de weerstand van de middenzone geldt, dat deze omgekeerd evenredig is met de diodestroom en kwadratisch afhankelijk is van de breedte van deze middenzone.
Wanneer de werkfrequentie voldoende hoog is, hoeft men geen rekening meer te houden met de waarden van de zone-overgangen. Dit zijn de diffusiecapaciteit en de daaraan parallelgeschakelde diffusieweerstand. Deze zijn n.l. zo groot, dat men hiermee in het vervangingsschema geen rekening meer behoeft te houden.
Het vervangingsschema bestaat dus uit een stroomgestuurde middenzone-weerstand en de grenslaag-weerstand. Het is schematisch getekend in fig. 9.
Fig. 9.
Uit bovenstaande uiteenzetting blijkt dus dat een PIN-diode in sper een zeer hoge weer-stand en een constante capaciteit heeft en in geleiding een zeer lage weerstand en capaciteit heeft.
De PIN-diode als antenne-schakelaar
Het mechanische principeschema zoals dat behandeld en getekend werd bij fig. 1, zou men kunnen vervangen door een elektrisch schema. Dit ziet er dan uit als fig. 11.
Fig. 11.
Om de zaak nog wat duidelijker te maken is in fig. 12 in schema gebracht hoe een mechanische ¼ Lambda afstand er uit ziet.
Fig. 12.
Voor goede ¼ Lambda eigenschappen moet de verhouding tussen C, L en Zo luiden:
De Zo in deze formule is in de meeste gevallen 50-70 Ohm.
De schakelaars Si en S2 waren de gasontladingsbuizen. In plaats hiervan kan men echter PIN-dioden plaatsen en het schema gaat er dan uitzien als getekend in fig. 13.
Fig. 13.
Er valt nog een en ander te vereenvoudigen; de PIN-dioden kan men n.l. zodanig schakelen dat twee ¼ Lambda sekties vervallen en we krijgen dan een opstelling als getekend in fig. 14.
Fig. 14.
De werking hiervan is als volgt:
De diode D1 vervangt de beide ¼ Lambda secties tussen de zender en de ontvanger. De spoelen L1 en L3, de RF-smoorspoelen voor DI en D2 moeten een zodanige waarde hebben dat ze tesamen met Ctot van de diode een parallelresonantiekring vormen op de werkfrequentie. Gedurende het zenden geleidt D1 volkomen en zodoende wordt L1 kortgesloten. D2 geleidt ook en sluit C3 kort. Door de spanningsdeling die nu ontstaat d.m.v. L2 en D2 (D2 heeft in geleiding een zeer lage Ri) ontstaat nu een goede isolatie tussen antenne en ontvanger. Gedurende ontvangst zorgt de ¼ Lambda sectie, die gevormd wordt door L2, C2 en C3, er voor dat het antennesignaal onverzwakt naar de ontvanger gaat.
Voor een twee meter transceiver hebben de componenten de waarde als getekerid in fig. 15. D1 en D2 zijn hier b.v. van het type BA182. I.v.m. de optredende inducties moet men Been lange aansluitdraden gebruiken.
Fig. 15.
PA0DEW.