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Die
Erfindung betrifft einen elektronischen Schalter zum Öffnen und
Schließen
einer Hochfrequenz-Verbindung ab 1 Megahertz (1 MHz).
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Das
Sachgebiet der Erfindung betrifft einen elektronischen Schalter,
der Leistungen von beispielsweise 15 Watt (W) bei Spannungen von
500 Volt (V) und Strömen
von 2 Ampere (A) schalten kann. Diese elektrischen Größen können zum
Beispiel an den Antennen einer Schreib-/Lesestation eines Long-Range
RFID-Systems auftreten, wenn diese für die Kommunikation mit passiven
Transpondern ausgelegt werden, bei denen der Abstand zwischen den
Transpondern und der Anntenne des RFID-Systems eine Distanz von
0,5 Meter überschreiten.
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Eine
Anforderung an einen solchen Schalter für Hochfrequenz-Verbindungen
ist es, einen Hochfrequenz-Strom bis zu 2 A unter Last schalten
zu können.
Das heißt,
der Schalter muss einen sehr kleinen Widerstand kleiner als 1 Ohm
(Ω) für die Hochfrequenz
darstellen.
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Eine
weitere Anforderung besteht darin, dass die Stromaufnahme beim Schalten
beziehungsweise im stationären
Zustand des Schalters möglichst
klein (< 250 mA)
sein soll.
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Eine
weitere Anforderung besteht darin, dass Schaltvorgänge sehr
schnell erfolgen müssen, das
heißt,
die Schaltzeit muss kleiner 1 Millisekunde (ms) sein.
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Eine
Anforderung ist eine hohe Lebensdauer und eine hohe Anzahl möglicher
Schaltspiele. Es ist erforderlich, dass die maximale Anzahl von
Schaltspielen größer 15 Milliarden
beträgt,
damit der Schalter bei einer Schaltfrequenz von beispielsweise 50
Hz eine Lebensdauer von mindestens 10 Jahren erreicht.
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Zudem
müssen
derartige Hochfrequenz-Schalter das Spektrum des zu schaltenden Hochfrequenz-Signals
so gut wie nicht verändern, damit
so gut wie keine Oberwellen entstehen.
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Eine
weitere Anforderung besteht darin, dass der Schalter Platz sparend
und kostengünstig realisiert
werden muss.
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Zudem
besteht die Anforderung, mit einem derartigen Hochfrequenz-Schalter
Wechselspannungen mit einem Spitzenwert von Us von 500 V beziehungsweise
einen Spitze-Spitze-Wert
Uss von 1000 V schalten zu können.
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Diese
Spannungen ergeben sich beispielsweise an der Antenne einer Schreib-/Lesestation
eines RFID-Systems, wenn das RFID-System für die Kommunikation mit passiven
Transpondern ausgelegt ist, und bei denen der Abstand zwischen den Transpondern
und der Anntenne des RFID-Systems einen Abstand von 0,5 Metern überschreiten
kann. Das Funktionsprinzip eines derartigen RFID-Systems beruht
auf der induktiven Kopplung zwischen der Antenne der Schreib-/Lesestation
und der Antenne der passiven Transponder, wobei die Transponder über den
Weg der induktiven Kopplung von der Schreib-/Lesestation mit elektrischer
Energie versorgt werden. Bei derartigen RFID-Systemen, die häufig mit
einer Frequenz von 13,56 Megahertz (MHz) betrieben werden, haben
sich Antennen mit einer Induktivität von rund 2 Mikro-Hennry (μH) und einer
Güte (Q)
von 45 als vorteilhaft erwiesen. Die Antenne des RFID-Systems arbeitet
dabei jeweils in einem Bereich der Resonanz, wodurch hohe Ströme und/oder
Spannungen entstehen, die vom erfindungsgemäßen Schalter geschaltet werden
können.
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Eine
weitere Anforderung an den erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Schalter ist,
dass das Steuersignal zur Steuerung des Schalters über dieselbe Leitungsverbindung
zum Schalter geführt
werden kann wie das zu schaltende Hochfrequenz-Signal.
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Die
bekannten Verfahren zum Schalten eines Hochfrequenz-Signals wie
Relais, FET-Schalter, bekannte PIN-Diodenschalter oder Optokoppler
können
nicht allen oben genannten Anforderungen gerecht werden.
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Die
Probleme beim Einsatz von Relais oder Reed-Relais bestehen darin,
dass sie entweder den hohen Antennenstrom nicht dauerhaft führen können, zu
lange Schaltzeiten (größer 1 ms
besitzen) oder zu groß sind.
Auf jeden Fall können
sie die lange Lebensdauer, das heißt die Anzahl der geforderten Schaltspiele
nicht erreichen. Bekannte Relais mit geringen Schaltzeiten (≥ 1 ms) erreichen
bis maximal 1 Milliarde Schaltzyklen.
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Schalter
aus Feldeffekttransistoren oder Bipolartransistoren haben zu hohe
Kapazitäten,
was dazu führt,
dass sie schon bei 1 MHz im abgeschalteten Zustand einen zu niedrigen
Widerstand besitzen und so die Hochfrequenz-Verbindung nicht oder nur
unvollständig
trennen. Dieser negative Effekt wird durch höhere Frequenzen noch verstärkt. Transistoren
mit sehr niedrigen Kapazitäten
können
nicht für Ströme bis 2A
eingesetzt werden. Optokoppler haben die gleichen negativen Eigenschaften,
da sie am Ausgang Transistoren schalten.
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Bei
preiswerten bekannten PIN-Diodenschaltern besteht das Problem, dass
sehr viele PIN-Dioden parallel geschaltet werden müssen, um Ströme bis 2A
schalten zu können.
Dazu ist allerdings ein hoher Steuerstrom größer als 200 mA zum Durchschalten
der Dioden erforderlich. Des weiteren muss die anliegende Steuerspannung
mit geeigneten Bauteilen am PIN-Diodenschalter hochfrequenzseitig
entkoppelt werden, um die zu schaltende Hochfrequenz nicht über die
Quelle der Steuerspannung kurzzuschließen.
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Aus
dem Stand der Technik (
DE
102 40 496 A1 ) ist eine Regelschaltung für einen
Hochfrequenzverstärker
bekannt. Gemäß diesem
Stand der Technik ist eine Schaltung mit zwei PIN-Dioden offenbart. Dabei
sind die PIN-Dioden gleichstrommäßig in Reihe
und wechselstrommäßig antiparallel
geschaltet und können über eine
Gleichspannung – im
Stand der Technik Regelsignal genannt – gesteuert werden. Die PIN-Dioden
sind dort so angeordnet, dass sie für das zu steuernde RF-Signal
eine variable Dämpfung darstellen
und die Dämpfung
für das
RF-Signal zwischen einer sehr geringen Dämpfung und einer vollständigen Dämpfung,
die einem Kurzschluss für
das RF-Signal gleichkommt, gesteuert werden können. Diese zum Stand der Technik
gehörende
Schaltung hat den Nachteil, dass sie nicht geeignet ist, ein RF-Signal
in der Form zu unterbrechen, dass es einem geöffneten Schalter gleichkommt.
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Zum
Stand der Technik (
DE
103 05 361 A1 ) gehört
ein elektronischer Hochfrequenzschalter mit antiparallel geschalteten
Dioden. Die Steuerspannung zum Öffnen
oder Schließen
des Diodenschalters wird über
die Induktivitäten
L1 und L2 zugeführt und
erfolgt damit separat von dem zu schaltenden HF-Signal, welches
von In1 zu Out1 geleitet wird. Dieser zum Stand der Technik gehörende Schalter weist
den Nachteil auf, dass die Steuerspannung über eine separate Leitungsverbindung
zum Schalter geführt
werden muss und sich nicht selbstständig öffnet, sobald die Steuerspannung
abgeschaltet wird. Stattdessen muss zum Öffnen des zum Stand der Technik
gehörenden
Schalters eine negative Steuerspannung angelegt werden.
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Weiterhin
gehört
zum Stand der Technik (JP 11-41511 A) eine Schaltung mit einer Mehrzahl
von PIN-Dioden, wobei jeweils mindestens zwei PIN-Dioden in Reihe
liegen. Diese zum Stand der Technik gehörende Schaltung weist den Nachteil
auf, dass sehr viele PIN-Dioden verwendet werden und die Steuerspannung über eine
separate Leitungsverbindung zum Schalter geführt werden muss.
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Das
der Erfindung zu Grunde liegende technische Problem besteht darin,
einen Schalter so aufzubauen, dass die oben beschriebenen Anforderungen
erfüllt
werden.
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Dieses
technische Problem wird durch einen elektronischen Schalter mit
den Merkmalen gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Die
technische Lösung
für einen
elektronischen Schalter für
Hochfrequenz-Verbindungen ab 1 Megahertz, die hier beschrieben wird,
besteht darin, mindestens zwei PIN-Dioden mit weiteren Bauteilen so
zu schalten, dass die PIN-Dioden gleichstrommäßig in Reihe und wechselstrommäßig antiparallel
geschaltet sind. Durch diese Schaltung kann bei gleichem Steuerstrom
doppelt so viel Hochfrequenz-Strom geschaltet werden wie beim Einsatz von
nur einer PIN-Diode. Dadurch können
preiswertere PIN-Dioden eingesetzt werden.
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Ferner
wird durch die Anordnung von Impedanzen innerhalb des PIN-Diodenschalters
erreicht, dass das zu schaltende Hochfrequenz-Signal und der Steuerstrom
zur Steuerung der PIN-Dioden über dieselbe
Leitung geführt
werden kann, womit eine zusätzliche
Leitungsverbindung zur Steuerung des erfindungsgemäßen PIN-Diodenschalters überflüssig ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Schaltung
symmetrisch aufgebaut. Durch die antiparallele Anordnung der PIN-Dioden und
die symmetrische Schaltungsform werden die Nichtlinearitäten der
PIN-Dioden kompensiert, so dass Oberwellen erheblich reduziert werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Schaltungsform sieht vor, den Gleichspannungspfad
im abgeschalteten Zustand so aufzutrennen, dass sich zwischen Anode
und Kathode der PIN-Dioden jeweils die negative Spannung zum Sperren
der PIN-Dioden aufbauen kann. Somit ist keine zusätzliche
Sperrspannung zum Öffnen
des Schalters erforderlich.
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In
einer vorteilhaften Schaltungsform wird die Steuerspannung an der
Hochfrequenz-Masse eingespeist. Damit sind keine zusätzlichen
Bauteile zum Entkoppeln der Hochfrequenz von der Gleichspannungsquelle
(Steuerspannung) erforderlich. Ferner hat die Einspeisung der Steuerspannung
am Hochfrequenz-Massepunkt den großen Vorteil, dass die Bauteile
zur Entkopplung der Steuerspannung von der Hochfrequenz nur eine
geringe Spannungsfestigkeit benötigen
und somit preiswert sind.
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Ein
Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Schalters
ist beispielsweise in der RFID-Technik zu finden. Dort muss beispielsweise
die Trägerfrequenz von
13,56 Megahertz von einer Antenne zu einer anderen Antenne umgeschaltet
werden, was mit so genannten Multiplexern erfolgen kann, oder es
müssen Antennen,
die sich gegenseitig über
elektromagnetische Felder beeinflussen, so verändert werden, dass der Einfluss
aufeinander möglichst
gering wird beziehungsweise die Beeinflussung der Antennen untereinander
durch Einsatz einer so genannten Abgleichschaltung kompensiert wird.
Eine effektive Art zur Vermeidung einer gegenseitigen Beeinflussung
von Antennen ist das Auftrennen der Antennenwindung durch einen
Schalter, der die oben beschriebenen Anforderungen erfüllt.
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Die
oben genannten Vorteile und Merkmale werden an Ausführungsbeispielen
erfindungsgemäßer Schalter
in den zugehörigen
Zeichnungen beispielhaft dargestellt. Dabei zeigen:
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1 ein
Schaltbild des Schaltungsprinzips mit zwei PIN-Dioden;
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2 ein
Schaltbild mit symmetrischem Aufbau des Schalters;
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3 ein
Schaltbild des elektronischen Schalters mit auftrennbarem Gleichstrompfad;
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4 ein
Schaltbild eines Anwendungsbeispiels mit einer Antennenanpassung
und Einspeisung der Steuerspannung an Hochfrequenz-Masse.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau eines PIN-Diodenschalters, bestehend aus
zwei PIN-Dioden (V1, V2) und den Impedanzen (Z1, Z2, Z3). Die PIN-Dioden
(V1, V2) sind wechselstrommäßig über die
Impedanz (Z1) antiparallel geschaltet. Die Impedanzen (Z1, Z2) sind
dabei so dimensioniert, dass sie bei der zu schaltenden Frequenz
einen sehr kleinen Widerstand ergeben, für Gleichspannung aber sehr hochohmig
sind. Die Impedanz (Z3) ist so dimensioniert, dass sie für die zu
schaltende Frequenz einen sehr hohen Widerstand darstellt, für die Gleichspannung
aber niederohmig ist. Gleichstrommäßig sind die beiden PIN-Dioden
(V1, V2) in Reihe geschaltet. Der Steuerstrom, der ein Gleich strom
ist, fließt
vom PIN-Diodenschalteranschluss (X2) über die PIN-Diode (V1), die
PIN-Diode (V2) und über
die Impedanz (Z3) zum PIN-Diodenanschluss (X3).
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Fließt ein entsprechender
Steuerstrom durch die PIN-Dioden
(V1, V2), so sind diese auch für
beide Halbwellen der zu schaltenden Hochfrequenz leitend. In diesem
Zustand kann das zu schaltende Hochfrequenzsignal über die
PIN-Diode (V1) und über
die parallel dazu angeordnete Reihenschaltung aus der Impedanz (Z1)
und der PIN-Diode (V2) sowie über
die zu dieser Parallelschaltung in Reihe liegenden Impedanz (Z2)
zwischen den PIN-Diodenschalteranschlüssen (X2 und X3) fließen.
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Liegt
eine negative Spannung in Höhe
der negativen Halbwelle des zu schaltenden Hochfrequenzsignals an,
so sind die PIN-Dioden (V1, V2) nichtleitend.
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2 zeigt
eine Modifizierung der Schaltung aus 1. Die Impedanzen
(Z1, Z2) sind als Kondensatoren (C1, C2) ausgeführt, die Impedanz (Z3) wird
durch eine Spule (L1) realisiert. Zusätzliche Kondensatoren (C3,
C4) sowie Spulen (L2, L3) sorgen dafür, dass der Schalter wechselstrommäßig symmetrisch
aufgebaut ist. Der zu schaltende hochfrequente Wechselstrom ist
somit in den PIN-Dioden (V1, V2) nahezu gleich. Die Verzerrungen,
die durch die Nichtlinearitäten
erzeugt werden, werden dadurch kompensiert und die Oberwellen erheblich
reduziert.
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Zum
Schließen
des PIN-Diodenschalters fließt
ein Steuerstrom, der ein Gleichstrom ist, von dem PIN-Diodenschalteranschluss
(X2) über
die Induktivität
(L2), die PIN-Diode (V1), die Induktivität (L3), die PIN-Diode (V2)
und die Induktivität
(L1) zum PIN-Diodenschalteranschluss (X3).
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Das
zu schaltende Hochfrequenzsignal fließt im geschlossenen Zustand
des PIN-Diodenschalters vom PIN-Diodenschalteranschluss (X2) über den Zweig,
bestehend aus der Kapazität
(C1), PIN-Diode (V2) und Kapazität
(C2), und den dazu parallel angeordneten Zweig, bestehend aus der
Kapazität
(C3), PIN-Diode (V1) und Kapazität
(C4), zum PIN-Diodenschalteranschluss (X3).
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Zum Öffnen des
PIN-Diodenschalters wird eine negative Steuerspannung, die eine
Gleichspannung ist, über
den PIN-Dioden (V1)
und (V2) benötigt.
Im Falle der PIN-Diode (V2) bildet sich diese negative Gleichspannung
mit Hilfe des anliegenden Hochfrequenzsignals und den Kapazitäten (C1)
und (C2) und der Diode (V2) selbständig aus. Im Falle der PIN-Diode (V1) wird die
Ausbildung der negativen Gleichspannung über der PIN-Diode (V1) durch
die parallel zur Kapazität
(C3) liegende Induktivität
(L2) verhindert, weshalb zum Öffnen
des PIN-Diodenschalters eine Gleichspannung am Diodenschalteranschluss
(X2) benötigt
wird, die gegenüber
dem Diodenschalteranschluss (X3) negativ sein muss.
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In 3 ist
eine weitere Modifizierung der Schaltung dargestellt, bei der der
Gleichspannungspfad, der durch eine Spule (L2) führt, mit einem Optokoppler
(U1) aufgetrennt werden kann. Liegt ein Hochfrequenzsignal am Schalter
an und ist der Optokoppler (U1) aufgetrennt, entsteht zwischen den
Anoden und Kathoden der PIN-Dioden (V1, V2) eine negative Spannung
in Höhe
der negativen Halbwelle des zu schaltenden Hochfrequenzsignals.
Somit muss keine zusätzliche
negative Sperrspannung angelegt werden.
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Die
zum Schließen
des Optokopplers (U1) benötigte
Gleichspannung, die am Optokoppleranschluss (X4) anzulegen ist,
kann am Diodenschalteranschluss (X2) abgegriffen werden, wobei zwischen dem
Optokoppleranschluss (X4) und dem Diodenschalteranschluss (X2) Bauteile
vorgesehen sind, über
die der Strom durch die Leuchtdiode des Optokopplers (U1) begrenzt
wird, und der Hochfrequenzanteil aus dem am Diodenschalteranschluss
(X2) anliegenden gleichspannungsüberlagerten
Hochfrequenzsignal herausgefiltert wird, wozu beispielsweise eine
Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand und einer Induktivität verwendet
werden kann.
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4 zeigt
eine Anwendung des erfindungsgemäßen Schalters,
bei dem die Steuerspannung am Massepunkt der Hochfrequenz eingespeist
ist. Die Schaltung stellt eine Einrichtung zum Einstellen von induktiven
Antennen im 13,56 MHz-Band dar, bei der die Antennenwindung (A)
durch den erfindungsgemäßen Schalter
auftrennbar ist. Die Kondensatoren (C11, C21, C22) werden zum Einstellen
der Impedanz der Antennenanordnung verwendet. Ein Übertrager
(U2) bewirkt eine Symmetrierung der Antenne (Symmetrierglied) wie
dies in der Nachrichtentechnik üblich
und notwendig ist, um das unsymmetrische Anschlusskabel der Antenne
an die symmetrische Antenne anzuschließen. Das Symmetrierglied kann
in anderen Ausführungsformen,
beispielsweise auch aus Kombinationen aus Induktivitäten und
Kondensatoren aufgebaut sein. Ein Kondensator (Cs) ist so dimensioniert,
dass er für
die Hochfrequenz nahezu einen Kurzschluss darstellt. Ein Schalter
(Sd) ist der erfindungsgemäße PIN-Diodenschal ter. Über einen
Widerstand (Rs) wird die Höhe
des Gleichstroms zum Steuern des PIN-Diodenschalters bestimmt.
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Durch
die so aufgebaute Schaltung kann auf große und teure Induktivitäten mit
hoher Spannungsfestigkeit verzichtet werden. Zudem ist das bereits vorhandene
Symmetrierglied (U2) so in die Schaltung einbezogen, dass keine
zusätzlichen
Induktivitäten
zum Betrieb des PIN-Diodenschalters benötigt werden.
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Wie 4 ferner
zeigt, liegt der HF-Symmetriepunkt (Massepunkt) der Antenne zwischen
den Kondensatoren (C21 und C22). Gleichzeitig liegt ein Anschluss
des Kondensators (Cs) ebenfalls auf dem Symmetriepunkt (Massepunkt)
und ist so dimensioniert, dass er für einen HF-Strom nahezu einen
Kurzschluss bildet, so dass er einen HF-Strom praktisch ungehindert
durchleitet, während
er für
eine Gleichspannung einen sehr hohen Widerstand darstellt, so dass über ihn
praktisch kein Gleichstrom fließen kann.
Hierdurch wird es möglich, über den
Widerstand (Rs) eine Gleichspannung zur Steuerung des PIN-Diodenschalters
(Sd) einzuspeisen, die damit am HF-Symmetriepunkt zwischen (C21
und C22) ihr Massepotential hat.
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Über die
erste Induktivität
des Symmetriergliedes (U2) kann die Gleichspannung zum PIN-Diodenschalter
(Sd) und von dort über
die Antennenschleife und die zweite Induktivität des Übertragers (U2) gegen Masse
fließen
und so zur Steuerung des PIN-Diodenschalters eingesetzt werden.
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- A
- Antennenwindung
- C1
- Kondensator
- C11
- Kondensator
- C2
- Kondensator
- C21
- Kondensator
- C22
- Kondensator
- C3
- Kondensator
- C4
- Kondensator
- Cs
- Kondensator
- L1
- Spule
- L2
- Spule
- L3
- Spule
- Rs
- Widerstand
- Sd
- PIN-Diodenschalter
- U1
- Optokoppler
- U2
- Übertrager
(Symmetrierglied)
- V1
- PIN-Diode
- V2
- PIN-Diode
- X1
- Antennenanschluss
- X2
- PIN-Diodenschalteranschluss
- X3
- PIN-Diodenschalteranschluss
- X4
- Optokoppleranschluss
- Z1
- Impedanz
- Z2
- Impedanz
- Z3
- Impedanz