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Die
Erfindung betrifft eine Schaltung zum Schalten einer PIN-Diode, eine Sende/Empfangs-Weiche,
ein Magnetresonanzgerät,
und ein Verfahren zum Schalten einer PIN-Diode.
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In
der Magnetresonanz(MR)-Tomographie werden üblicherweise die unterschiedlichen
Spin-Relaxationszeiten T1 und T2 verschiedener Gewebearten zur Erzeugung
eines Bildkontrasts herangezogen. Bei einer Reihe von Geweben im
menschlichen Körper
sind die Relaxationszeiten jedoch so kurz, dass sie mit den üblicherweise
technisch realisierbaren Sequenzen kaum oder kein Signal geben,
also im MR-Bild schwarz bleiben. Eine Lösung dieses Problems bieten
so genannte UTE (Ultra Short Echo Time)-Sequenzen, bei denen zwischen
Anregung und Auslesen 10- bis 200-mal weniger Zeit vergeht als bei herkömmlichen
Magnetresonanz-Sequenzen. Magnetresonanzanlagen enthalten jedoch
in der Regel eine Sende/Empfangs-Weiche, deren Umschaltzeit die
minimal realisierbare Echozeit auf 50 bis 100 μs begrenzt. Denn als Schaltelemente
in einer schnellen Sende/Empfangs-Weiche werden üblicherweise PIN-Dioden verwendet,
die durch eine Bestromung mit Gleichstrom in einen hochfrequenzleitenden
Zustand und durch Ausschalten einer Spannung oder Anlegen einer
Gleichspannung in Sperrrichtung in einen hochfrequenzsperrenden
Zustand überführt werden
können.
PIN-Dioden werden
in verschiedensten technischen Gebieten eingesetzt. Bspw. in der
WO 01/35530 A2 wird
eine PIN-Dioden Schaltanordnung für die Sendestufe eines Mobilfunktelefones
offenbart.
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Die
PIN-Dioden können
dabei Leistung im Bereich mehrerer Kilowatt schalten. Das Umschalten vom
leitenden in den sperrenden Zustand wird jedoch zeitlich begrenzt
durch die endliche Geschwindigkeit, mit der die durch die Bestromung
in der I-Schicht
der Diode erzeugten Ladungsträger
wieder rekombinieren bzw. durch aktive Entstromung abfließen. Bisher
wird die Echozeit an die technischen Grenzen der Sende/Empfangs-Weiche
angepasst, so dass das Potential der UTE-Technologie nicht voll ausgeschöpft werden
kann.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit
zur schnelleren Umschaltung einer PIN-Diode vom leitenden in den
sperrenden Zustand bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird mittels einer Schaltung, einer Sende/Empfangs-Weiche,
eines Magnetresonanzgeräts
und eines Verfahrens nach dem jeweiligen unabhängigen Anspruch gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen
sind insbesondere den abhängigen
Ansprüchen
entnehmbar.
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Die
Schaltung ist zum Schalten, insbesondere Entladen, einer PIN-Diode
eingerichtet und weist mindestens eine PIN-Diode und eine Induktivität, insbesondere
Spule, auf. Die Schaltung weist ferner eine Gleichspannungsquelle
auf, als auch eine Gruppe von Schaltern mit mehreren, insbesondere
mindestens drei, Schaltstellungen auf. Dabei ist die Schaltung so
ausgestaltet, dass in einer ersten Schaltstellung der Gruppe von
Schaltern die PIN-Diode von der Gleichspannungsquelle in ihrer Durchlassrichtung
bestrombar ist, die PIN-Diode somit hochfrequenzdurchlässig bzw.
hochfrequenzleitend ist.
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In
einer weiteren Schaltstellung sind die PIN-Diode und die Induktivität von der
Gleichspannungsquelle getrennt und in einem geschlossenen Stromkreis
angeordnet. In diesem Stromkreis wirkt aufgrund der Kontinuität des Stroms
durch die Induktivität,
insbesondere Spulenstroms, die Induktivität folglich wie eine (kurzzeitige)
Gleichstromquelle, welche einen Entladungsstrom durch die PIN-Diode
fließen
lässt,
der bezüglich
des durch die Gleichspannungsquelle erzeugten Stroms umgekehrt gepolt
ist (in Sperrrichtung fließt).
Dadurch wird die Entladung der PIN-Diode erheblich beschleunigt,
die somit weit schneller in einen hochfrequenzsperrenden Zustand übergehen
kann als bisher. Bei ausreichend dimensionierter Induktivität wird die
PIN-Diode durch den Entladungsstrom sogar negativ aufgeladen, was
einen Effekt ähnlich
einem Anlegen einer Sperrspannung bewirkt.
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Bei
der obigen Schaltung kann in der ersten Schaltstellung die Induktivität bestromt
sein. Zur Vermeidung von Verlustleistung wird jedoch eine Schaltung
bevorzugt, bei der die Induktivität in der ersten Schaltstellung
nicht oder nicht dauernd bestromt ist. Es wird daher eine Schaltung
bevorzugt, bei der zur Bestromung und somit Vorbereitung der Induktivität als Stromquelle
des geschlossenen Stromkreises eine zweite Schaltstellung zwischen
der ersten Schaltstellung und der weiteren, dann dritten, Schaltstellung
eingefügt
wird, in der die Induktivität
von der Gleichspannungsquelle bestrombar ist. Die Induktivität wird dadurch
magnetisch 'aufgeladen'. Die Bestromung
dauert vorzugsweise 1 μs
bis 15 μs,
insbesondere 2 μs
bis 10 μs,
speziell 3 μs
bis 10 μs.
Die zweite Schaltstellung ist vorzugsweise kürzer als die erste Schaltstellung.
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Bevorzugt
wird ein anfänglicher
Entladungsstrom im Bereich zwischen 1A und 5A.
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Als
Schalter werden bevorzugt Halbleiterbauelemente eingesetzt, insbesondere
Transistoren, speziell Feldeffekttransistoren (FETs).
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Zur
Spannungsbegrenzung kann der PIN-Diode ein Kondensator parallel
geschaltet sein.
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Es
kann eine Schaltung bevorzugt sein, bei der in der zweiten Schaltstellung
die PIN-Diode nicht von der Gleichspannungsquelle bestrombar ist.
In der zweiten Schaltstellung ist somit die PIN-Diode von der Gleichspannungsquelle
abgetrennt, aber noch nicht an die Induktivität angeschlossen. Diese Schaltung
ist besonders einfach durch interne Triggerung realisierbar, verlängert jedoch
die Umschaltzeit in den HF-sperrenden
Zustand der PIN-Diode zumindest um die Zeitdauer, die zum Bestromen
bzw. Laden der Induktivität
benötigt
wird, z. B. 3 μs.
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Zur
noch schnelleren Umschaltung der PIN-Diode vom hochfrequenzleitenden
in den hochfrequenzsperrenden Zustand wird eine Schaltung bevorzugt,
bei der in der zweiten Schaltstellung die PIN-Diode von der Gleichspannungsquelle
bestrombar ist, also die Induktivität gleichzeitig mit der PIN-Diode
bestrombar ist. Die Bestromung erfolgt bevorzugt kurze Zeit vor
Umschalten in den dritten Schaltzustand, z. B. 3 μs bis 10 μs vorher
für einen
3 μs dauernden
Ladepuls.
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Es
kann eine Schaltung bevorzugt sein, bei der
- – die PIN-Diode
in einem ersten Stromzweig angeordnet ist und die Induktivität in einem
zum ersten Stromzweig parallelen zweiten Stromzweig angeordnet ist,
- – ein
erster Schalter der Gruppe von Schaltern im ersten Stromzweig in
Reihe zur PIN-Diode angeordnet ist,
- – ein
zweiter Schalter und ein dritter Schalter der Gruppe von Schaltern
im zweiten Stromzweig in Reihe beidseitig zur Induktivität angeordnet
sind,
- – der
erste Stromzweig mit dem zweiten Stromzweig über eine weitere Diode verbunden
ist, wobei die weitere Diode vom ersten Stromzweig in den zweiten
Stromkreis in Durchlassrichtung geschaltet ist.
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Es
kann, insbesondere bei nicht gleichzeitiger Bestromung von Induktivität und PIN-Diode, durch
die Gleichstromquelle, eine Schaltung bevorzugt sein, bei der
- – in
der ersten Schaltstellung der erste Schalter geschlossen ist und
der zweite Schalter und/oder der dritte Schalter geöffnet sind;
- – in
der zweiten Schaltstellung der erste Schalter geöffnet ist und der zweite Schalter
und der dritte Schalter geschlossen sind; und
- – in
der dritten Schaltstellung der erste Schalter geöffnet ist und der zweite Schalter
oder der dritte Schalter geschlossen ist.
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Es
kann, insbesondere bei zeitweise gleichzeitiger Bestromung von Induktivität und PIN-Diode, eine
Schaltung bevorzugt sein, bei der
- – in der
ersten Schaltstellung der erste Schalter geschlossen ist und der
zweite Schalter und/oder der dritte Schalter geöffnet sind;
- – in
der zweiten Schaltstellung der erste Schalter geschlossen ist und
der zweite Schalter und der dritte Schalter geschlossen sind; und
- – in
der dritten Schaltstellung der erste Schalter geöffnet ist und der zweite Schalter
oder der dritte Schalter geschlossen ist.
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Es
kann eine Schaltung bevorzugt sein, bei welcher einer oder mehrere
Schalter von einem oder mehreren anderen Schaltern zur Umschaltung
getriggert werden, z. B. bei welcher der zweite Schalter und der
dritte Schalter vom ersten Schalter geschaltet werden. Dies ist
eine besonders einfache Schaltungsmöglichkeit.
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Es
kann eine Schaltung bevorzugt sein, bei welcher eine oder mehrere
Schalter, insbesondere alle Schalter, von einer Steuereinheit geschaltet
werden. Dies ist aufwändiger,
ermöglicht
aber auch flexiblere Schalterstellungen, z. B. die Schalterstellung, bei
der Induktivität
und PIN-Diode zeitweise gleichzeitig bestrombar sind.
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Es
kann ferner eine Schaltung bevorzugt sein, die ferner einen bezüglich der
PIN-Diode anodenseitig in Reihe geschalteten Hochfrequenzwiderstand
(L1, C1) aufweist. Dadurch kann eine Beeinflussung der Schaltung
hinter dem Hochfrequenzwiderstand (L1, C1) auf einen Hochfrequenzbetrieb, und
umgekehrt, unterdrückt
oder sogar verhindert werden.
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Die
Sende/Empfangs-Weiche, die insbesondere für ein Magnetresonanzgerät, speziell
einen MR-Tomographen, vorgesehen und eingerichtet ist, weist mindestens
eine obige Schaltung auf, im Fall eines MR-Tomographen mindestens
zwei solche Schaltungen.
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Die
Sende/Empfangs-Weiche ist vorzugsweise dazu eingerichtet, mit Beginn
der dritten Schaltstellung der Schaltung zum Schalten einer PIN-Diode
in einen Empfangsbetrieb umzuschalten bzw. umgeschaltet zu werden.
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Das
Magnetresonanzgerät,
speziell MR-Tomograph, weist mindestens eine solche Sende/Empfangs-Weiche
auf und wird dadurch in die Lage versetzt, UTE-Sequenzen einzusetzen.
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Das
Verfahren zum Schalten einer PIN-Diode weist mindestens die folgenden
Schritte auf: (a) Betreiben einer PIN-Diode in einem hochfrequenzleitenden
Zustand und folgend (b) Betreiben der PIN-Diode in einem hochfrequenzsperrenden
Zustand, bei welchem ein Gleichstrom in Sperrrichtung durch die
PIN-Diode geleitet wird, insbesondere zu Beginn des hochfrequenzsperrenden
Zustands. Dabei weist der Schritt (b) mindestens die folgenden Teilschritte
auf: (b1) Bestromen einer Induktivität, insbesondere Spule, vor
einem Umschalten der PIN-Diode in den hochfrequenzsperrenden Zustand;
(b2) Anlegen der PIN-Diode
an die Induktivität
als Stromquelle zu Beginn des hochfrequenzsperrenden Zustands.
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Es
wird ein Verfahren bevorzugt, bei dem der Schritt (b1) 1 μs bis 15 μs dauert,
vorzugsweise 2 μs bis
10 μs, speziell
3 μs bis
10 μs.
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In
den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur besseren Übersichtlichkeit
gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen
versehen sein.
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1 zeigt
ein Prinzipschaltbild einer Schaltung zum schnellen Entladen einer
PIN-Diode;
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2 zeigt
als Auftragung einer Signalhöhe in
beliebigen Einheiten gegen die Zeit ein Schaltertiming der in der
Schaltung aus 1 verwendeten Schalter; und
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3 zeigt
ein Prinzipschaltbild einer Sende/Empfangs-Weiche.
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1 zeigt
ein Prinzipschaltbild einer Schaltung 1 zum schnellen Entladen,
und damit Schalten, einer PIN-Diode D2. Die PIN-Diode D2 ist über einen Schalter
S1 (,Anm.: in der Zeichnung ist kein FET eingezeichnet.) elektrisch
parallel zu einer Gleichspannungsquelle DC geschaltet. Genauer gesagt
ist der Schalter S1 in Reihe zwischen den positiven Pol der Gleichspannungsquelle
DC und die Anodenseite der PIN-Diode D2 geschaltet. Die Kathodenseite
der PIN-Diode D2 ist mit Masse verbunden, wodurch ihre einfache
und effiziente Kühlung
ermöglicht
wird. Beim Betrieb der Gleichspannungsquelle DC wird die PIN-Diode
D2 bei geschlossenem Schalter S1 in Durchlassrichtung mit einem
Gleichstrom bestromt. In diesem Zustand ist sie hochfrequenzleitend.
Zwischen Schalter S1 und PIN-Diode
D2 sind ferner in Reihe ein ohmscher Widerstand R1 zur Strombegrenzung
als auch ein Hochfrequenzwiderstand in Form eines Schwingkreises
aus parallel geschaltetem Kondensator C1 und Spule L1 angeordnet. Durch
den Hochfrequenzwiderstand L1, C1 wird die PIN-Diode D2 für hochfrequente
Ströme,
wie sie beispielsweise für
ein Magnetresonanzgerät
benötigt werden,
von den anderen Elementen der Schaltung 1 getrennt. In
anderen Worten bewirkt der Hochfrequenzwiderstand L1, C1, dass nur
die PIN-Diode D2 der Schaltung 1 für hochfrequente Ströme sichtbar ist,
auf Gleichströme
besitzt sie jedoch keine wesentliche Auswirkung. Der Schalter S1,
der ohmsche Widerstand R1, der Hochfrequenzwiderstand L1, C1 und
die PIN-Diode D2 sind also in einem ersten Stromzweig 2 in
Reihe geschaltet, welcher durch den Schalter S1 wahlweise leitend
geschaltet oder unterbrochen werden kann.
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Elektrisch
parallel zu dem ersten Stromzweig 2 ist ein zweiter Stromzweig 3 an
die Gleichstromquelle DC anschließbar. In dem zweiten Stromzweig 3 sind
zwischen dem positiven Pol der Gleichstromquelle DC und der Masse
eine zweite Spule (Hilfsspule) L2 und beidseitig davon ein Schalter
S3 und ein Schalter S2 in Reihe angeordnet. Der erste Stromzweig 2 und
der zweite Stromzweig 3 sind durch eine Diode D1 miteinander
verbunden, die anodenseitig mit dem ersten Stromzweig 2 zwischen ohmschem
Widerstand R1 und Hochfrequenzwiderstand L1, C1 und kathodenseitig
mit dem zweiten Stromzweig 3 direkt an der Hilfsspule L2
angeschlossen ist. Die Diode D1 ist somit für Ströme vom ersten Stromzweig 2 zum
zweiten Stromzweig 3 leitend, und sperrend für umgekehrte
Ströme.
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2 zeigt
ein mögliches
Schaltertiming der in der Schaltung aus 1 verwendeten
Schalter S1, S2, S3 anhand dessen der Betrieb der Schaltung 1 im
Folgenden genauer erläutert
werden soll. In 2 wird mit dem Bezugszeichen
Z1 ein Zustand "ein" und mit dem Bezugszeichen
Z0 ein Zustand "aus" bezeichnet.
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In
einem ersten Schaltzustand, welcher bis zu einem Zeitpunkt t1 dauert,
ist der Schalter S1 eingeschaltet bzw. geschlossen. Dadurch wird
mittels der Gleichspannungsquelle DC ein Strom durch den Schalter
S1, dann den ohmschen Widerstand R1, dann durch den Hochfrequenzwiderstand
L1, C1 und dann durch die PIN-Diode D2 zu Masse erzeugt. In anderen
Worten leitet der erste Stromzweig 2. Die Schalter S2 und
S3 sind ausgeschaltet bzw. sperrend, so dass durch die Hilfsspule
L2 bzw. den zweiten Stromkreis 3 kein Strom fließt. In dem
ersten Schaltzustand ist die PIN-Diode für Hochfrequenzströme leitend.
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Zum
Zeitpunkt t1 schaltet der Schalter S1 aus und triggert dadurch das
Einschalten sowohl von Schalter S2 als auch Schalter S3. In diesem
zweiten Schaltzustand ist der erste Stromzweig 2 nicht
mehr stromführend.
Dafür fließt nun Strom durch
den zweiten Stromzweig 3 und "lädt" die Hilfsspule L2 "magnetisch auf".
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Kurze
Zeit später,
z. B. 3 μs
später,
schaltet der Schalter S3 – gesteuert
oder selbsttätig – zum Zeitpunkt
t2 wieder aus, wodurch der dritte Schaltzustand erreicht ist. Im
dritten Schaltzustand sind sowohl die Hilfsspule L2 als auch die
PIN-Diode D2 von der Gleichspannungsquelle DC getrennt, bilden jetzt aber über die
Diode D1 und Masse einen geschlossenen Stromkreis.
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In
diesem Stromkreis wirkt aufgrund der Kontinuität des Spulenstroms die Spule
wie eine (kurzzeitige) Gleichstromquelle, welche einen Entladungsstrom
durch die PIN-Diode D2 fließen
lässt,
der bezüglich
des durch die Gleichspannungsquelle DC erzeugten Stroms umgekehrt
gepolt ist (in Sperrrichtung fließt). Dadurch wird die Entladung
der PIN-Diode D2 erheblich beschleunigt, die somit weit schneller
in einen hochfrequenzsperrenden Zustand übergehen kann als bisher. Bei
ausreichend dimensionierter Spule L2 und "Aufladedauer" t2 – t1 wird die PIN-Diode D2
durch den Entladungsstrom sogar negativ aufgeladen, was einen Effekt ähnlich einem
Anlegen einer Sperrspannung bewirkt. Die Diode D1 stellt sicher,
dass keine Störströme in umgekehrter Richtung
(Durchlassrichtung der PIN-Diode D2) fließen.
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Am
Ende der Sperrphase (Zeitpunkt t3) kehren die Schalter wieder in
den ersten Schaltzustand zurück.
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3 zeigt
ein vereinfachtes Prinzipschaltbild einer möglichen Sende/Empfangs-Weiche 4 mit zwei
Schaltungen 1 nach 1, von denen
hier zur besseren Übersicht
nur die PIN-Diode D2 und der Hochfrequenzwiderstand L1, C1 gezeigt
ist. Anodenseitig ist die PIN-Diode D2 jeweils an eine Abzweigung
zu einem Kondensator C2 angeschlossen, der als HF-Kurzschluss und
Gleichstromsperre für
eine folgende 50 Ω-Viertelwellenleitung 5 bzw. 6 dient.
Die Viertelwellenleitung 5 des linken Zweigs läuft zu einem
Funkfrequenz-Leistungsverstärker
(RFPA; "Radio Frequency
Power Amplifier") 7,
die rechte Viertelwellenleitung 6 direkt zu einer Antenne 8.
Der RFPA 7 ist mit der Antenne über eine weitere Viertelwellen(quer)leitung 9 verbunden.
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Im
Sendemodus werden beide PIN-Dioden D2 in Durchlassrichtung bestromt,
z. B. dadurch, dass sich die Schaltung 1 in der in 2 beschriebenen
ersten Schaltstellung befindet. Dadurch entsteht aufgrund der Verbindung
der PIN-Diode D2 mit Masse im jeweiligen HF-Zweig ein Kurzschluss,
der durch die Viertelwellenleitungen 5, 6 in einen
Leerlauf transformiert wird. Dadurch ist in der Hochfrequenzdomäne der RFPA 7 effektiv
nur noch mit der Antenne 8 verbunden und sendet somit in
ihn eingespeiste Signale verstärkt über die
Viertelwellen(quer)leitung 9 zu Antenne und von dort aus
zu einem Ziel. Um nun ultrakurze Antworten erfassen zu können, muss
die Sende/Empfangs-Weiche 4 folgend sehr schnell in den
Empfangsmodus schalten können.
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Im
Empfangsmodus, der zum Beispiel durch die dritte Schalterstellung
gemäß 2 realisierbar ist,
sind beide PIN-Dioden D2 unbestromt und somit für ein Hochfrequenzsignal hochohmig,
was dort zu einem Leerlauf führt.
Dadurch wird wiederum ein HF-Kurzschluss am RFPA 7 hervorgerufen,
was einen Leerlauf am antennenseitigen Ende der Viertelwellen(quer)leitung 9 hervorruft.
Dadurch wird der RFPA 7 in der Hochfrequenzdomäne effektiv
von der Antenne 8 abgekoppelt. Die von der Antenne 8 empfangenen
Resonanzsignale werden somit nur durch die rechte Viertelwellenleitung 6 geleitet,
und zwar zu einem niedrigrauschenden Verstärker (LNA, "Low Noise Amplifier") 10, der die verstärkten Empfangssignale
dann an einen Empfänger 11 zur
Weiterverarbeitung und ggf. Auswertung weiterleitet.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel
beschränkt.
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So
können
die Schalter S2 und/oder S3 aus 1 auch mittels
einer Schalteinheit geschaltet werden anstatt durch S1 getriggert
zu werden. Dies ist aufwändiger,
lässt aber
auch flexiblere Schaltmöglichkeiten
zu.