ES2885861T3 - Dispositivo de conmutación de RF de banda ancha con múltiples salidas y estación de RF que utiliza dicho conmutador - Google Patents

Abstract

Dispositivo de conmutación de RF, estando dicho dispositivo configurado para dirigir una señal de RF presente en su punto de entrada (301) a una de sus salidas para formar un canal de paso de RF conmutable, comprendiendo dicho dispositivo al menos dos conmutadores de salida múltiple (31, 32) conectados en paralelo a dicho punto de entrada (301), teniendo cada conmutador (31, 32, 53) al menos una salida (311, 321) que se deja en circuito abierto, siendo sus otras salidas para ser conectadas a funciones de RF, estando dicho dispositivo caracterizado porque en funcionamiento un conmutador (32, 53) que no contiene dicho canal de paso (310, 312) tiene su entrada (320) conectada a su salida (321, 531) en circuito abierto, estando la entrada de cada uno de dichos conmutadores (31, 32, 53) conectada a dicho punto de entrada a través de una red de adaptación común (33), de forma que dicha red de adaptación está directamente conectada a las entradas de dichos conmutadores (31, 32) y de forma que dicha señal de RF pasa desde dicho punto de entrada a dicha entrada de cada uno de dichos conmutadores a través de dicha red (33), estando dicha red configurada para cancelar las ondas reflejadas procedentes de las salidas de dichos conmutadores en circuito abierto.

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de conmutación de RF de banda ancha con múltiples salidas y estación de RF que utiliza dicho conmutador La presente invención se refiere a un dispositivo de conmutación de radiofrecuencia de banda ancha, de múltiples salidas, optimizado.

También se refiere a una estación de transmisión y recepción de radiofrecuencia que utiliza dicho conmutador. La presente invención se refiere más particularmente a los aparatos de radiocomunicación portátiles. En estos conjuntos, como en todos los dispositivos de radiocomunicación, los conmutadores de radiofrecuencia (RF) son uno de los componentes esenciales. En concreto, se sitúan entre el sistema de transmisión y recepción y la antena. En particular, a la salida del amplificador de potencia, la señal debe dirigirse a un filtro determinado de entre una batería de filtros, cada uno de los cuales corresponde a una subbanda utilizable.

Existe la necesidad de conmutadores de RF de múltiples salidas con un amplio ancho de banda de frecuencia en el rango de potencia del orden de 15 vatios, y con un número de salidas al menos superior a cuatro.

Para conseguir conmutadores de banda ancha de unos 15 W con más de cuatro salidas de RF, realizando la conmutación de un canal a cuatro o más canales, la técnica utilizada hasta ahora es el uso de diodos de patillas. Sin embargo, para funcionar, estos diodos de patillas requieren una alimentación específica de alta tensión, superior a 50 voltios, y una corriente de varias decenas de miliamperios. Esta solución tiene varios inconvenientes.

Una primera desventaja es la gran superficie ocupada, en particular por el espacio que ocupa la fuente de alimentación de alta tensión. De hecho, se necesita un convertidor para pasar de una tensión de corriente continua, generalmente de baja tensión, a otra tensión de corriente continua, de tensión más alta; este convertidor está formado por bobinas y condensadores. Estos elementos están dimensionados por la tensión de bloqueo de corriente continua de los diodos de patillas, que es de 50 voltios o más, y las corrientes eléctricas para polarizar los diodos.

Una segunda desventaja es el elevado consumo de energía que provocan esta tensión y estas corrientes. Este consumo de energía degrada la eficiencia global del equipo de radio.

Las soluciones actuales de diodos de patillas son, por tanto, voluminosas y consumen mucha energía, lo que va en detrimento de los aparatos de radio portátiles. Además, hay una pérdida de rendimiento general.

Desde hace algunos años, se ofrecen en el mercado conmutadores en tecnología CMOS, que pueden funcionar hasta 15 W. Estos conmutadores resuelven los problemas de espacio y consumo de energía, entre otros. Esto se debe a que no requieren una alimentación de alto voltaje y tienen un consumo de energía muy bajo. Sin embargo, estos conmutadores siguen teniendo un número limitado de salidas. Tienen un máximo de cuatro salidas de potencia. Para obtener un número de salidas superior a cuatro con esta tecnología CMOS, habría que fabricar un componente específico. Esto requeriría un coste de desarrollo muy elevado, incompatible con los mercados, a menudo limitados, de las radios portátiles.

Por ejemplo, en el contexto de las comunicaciones de radio portátiles o de mano, existe la necesidad de minimizar el consumo de energía y el tamaño de las funciones de conmutación, a un coste compatible con los requisitos del mercado. Por un lado, la solución clásica con diodos de patillas no cumple los requisitos de tamaño y consumo de energía. Por otro lado, la solución de conmutación basada en CMOS no permite realizar conmutadores con más de cuatro salidas de potencia.

El documento US2015311922 describe un dispositivo de comunicación por radiofrecuencia, que comprende dos conmutadores con múltiples salidas, estando los conmutadores dispuestos en paralelo con respecto al punto de entrada del dispositivo. Cada conmutador tiene varias salidas para conectar a componentes electrónicos y 1 salida en circuito abierto y se conecta al punto de entrada a través de un filtro y condensadores.

Un objetivo de la invención es satisfacer la necesidad expresada de minimizar tanto el consumo de energía como el tamaño de las funciones de conmutación, con un coste reducido.

La presente invención se define por las características de la reivindicación 1.

En una posible realización, los conmutadores son de tecnología CMOS.

En una posible realización, la entrada de cada uno de dichos conmutadores está conectada a dicho punto de entrada a través de una red de adaptación común (33), dicha red adapta una línea de RF cuando está conectada a un punto de salida en circuito abierto.

Cada conmutador tiene, por ejemplo, cuatro salidas.

Dichas funciones de RF son filtros de RF.

Dichos conmutadores son, por ejemplo, programables.

La invención también se refiere a una estación de transmisión y recepción de RF, dicha estación comprende al menos un dispositivo de conmutación de RF como se ha descrito anteriormente.

Dicha estación comprende un amplificador de potencia, una batería de filtros y una antena, dicho dispositivo de conmutación se sitúa, por ejemplo, por un lado entre dicho amplificador y la batería de filtros y por otro lado entre dicha batería de filtros y dicha antena, estando cada filtro conectado a una única salida de cada uno de dichos dispositivos de conmutación.

Dicho amplificador, la batería de filtros y los dos dispositivos de conmutación están, por ejemplo, implementados en la misma placa.

Dicha estación es, por ejemplo, portátil.

Otras características y ventajas de la invención se desprenderán de la siguiente descripción, que se hace con referencia a los dibujos anexos que muestran:

• La figura 1, una ilustración del principio básico de las estaciones transmisoras en radiofrecuencias tácticas;

• La figura 2, una representación de un conjunto de conmutadores montados en cascada;

• La figura 3, un ejemplo de realización de un conmutador de radiofrecuencia según la invención, así como una ilustración del principio de funcionamiento de dicho conmutador;

• La figura 4, un ejemplo de implantación de un conmutador de este tipo en una placa de circuito impreso;

• La figura 5, un segundo ejemplo de realización de un conmutador según la invención.

La figura 1 ilustra el principio básico de las estaciones transmisoras de radiocomunicaciones tácticas y, en particular, el uso de conmutadores de RF. Las señales de emisión de potencia se dirigen a una serie de filtros, cada uno de los cuales corresponde a una frecuencia de uso. Sólo se utiliza una antena para toda la banda de operación.

Así, a la salida del amplificador de potencia 1, se dirige una señal hacia la antena 2 a través de una batería de filtros de paso bajo 10, cada uno de ellos adaptado a una subbanda de uso. En concreto, la señal se dirige a un filtro específico 12 de entre la batería de filtros. Para ello, la salida del amplificador se dirige a este filtro 12 y la salida del filtro 12 se dirige a la antena 2. Por lo tanto, se debe utilizar un conmutador 3, 4 en el lado del amplificador y en el lado de la antena. Cada conmutador conmuta una entrada a varias salidas, o varias entradas a una salida, lo que es lo mismo en cuanto a la función de conmutación. Por lo tanto, en lo sucesivo hablaremos de conmutadores con múltiples salidas.

Las señales de RF que pasan a través de estos conmutadores son señales de potencia y el número de filtros necesarios puede ser relativamente grande y, en particular, superar los cuatro. Como ya se ha mencionado, es muy complicado implementar un conmutador que funcione con más de 10 W de potencia de RF, tenga un número de salidas superior a 4, ocupe poco espacio y consuma poca energía.

Las soluciones que permiten fácilmente los conmutadores con múltiples salidas con un gran número de salidas, como en el ejemplo de la Figura 1, se basan en diodos de patillas.

Los diodos de patillas se utilizan en dos modos, un modo bloqueado y un modo de paso.

En el modo bloqueado, necesitan una tensión de bloqueo bastante elevada, superior a 50 voltios para una radio portátil de 15 W. Esto implica el uso de un convertidor de tensión de corriente continua a tensión de corriente continua específica, siendo dicho convertidor generalmente voluminoso.

En el modo de paso, los diodos de patillas deben ser polarizados por una corriente de varias decenas de miliamperios, lo que resulta en un rendimiento degradado para una estación de comunicación táctica portátil.

Las soluciones compatibles con los requisitos de espacio y consumo de energía son en tecnología CMOS. Los conmutadores del mercado que soportan más de 10 W y tienen más de cuatro salidas no existen o no están disponibles para aplicaciones de banda ancha.

Una solución sería utilizar conmutadores CMOS limitados a cuatro salidas y poner en cascada varios de ellos como se muestra en la Figura 2. Por ejemplo, habría una primera etapa 21 que consiste en un conmutador 210 con cuatro salidas, y luego una segunda etapa 22 que consiste en varios conmutadores 221,222, 223 con cuatro salidas, teniendo cada uno su entrada conectada a una salida del conmutador de la primera etapa 21.

Esta solución tiene varios inconvenientes. Requiere el uso de un número relativamente grande de conmutadores debido a las etapas en cascada, lo que aumenta los costes de implementación y no es la solución óptima desde el punto de vista del espacio. Además, la conexión en cascada de los conmutadores dificulta su control. Además, el rendimiento de radiofrecuencia de este sistema se degrada porque la conexión en cascada de los conmutadores aumenta las pérdidas de radiofrecuencia, lo que reduce considerablemente la eficacia de la estación. Por último, si se desea un gran número de salidas, se necesitan muchas etapas en cascada, lo que hace que el montaje sea aún más complejo.

La figura 3 ilustra un ejemplo de una realización de un dispositivo de conmutación de radiofrecuencia según la invención, que minimiza el número de conmutadores utilizados al tiempo que permite un control o una supervisión sencillos de los conmutadores. Este dispositivo de conmutación de radiofrecuencia está optimizado con respecto a los diversos criterios o requisitos señalados anteriormente.

El dispositivo de conmutación 30 de la figura 3 se muestra frente a la antena 2. Su estructura sería la misma para la conmutación frente al amplificador de potencia. Este ejemplo muestra el principio de aplicación de un dispositivo según la invención.

La solución propuesta por la invención consiste en colocar varios conmutadores 31, 32, preferentemente CMOS, en paralelo en el mismo canal de RF, siempre que cada conmutador se deje con una salida en circuito abierto 311, 321.

Estos conmutadores son compatibles con la banda de frecuencias y la potencia de una determinada aplicación de radio para tener una función de conmutación con más de cuatro salidas sin las desventajas comentadas en la descripción anterior. Estos conmutadores tienen un número limitado de salidas, por ejemplo, cuatro, pero son fáciles de encontrar en el mercado. De forma más general, se puede utilizar cualquier conmutador con múltiples salidas del tipo "1 a N", dirigiendo su entrada a una de las N salidas, o viceversa.

Se implementa una red de adaptación 33 entre las entradas de conmutación de "1 canal" 310, 320 para igualar el funcionamiento en una banda de frecuencia amplia, por ejemplo en los rangos VHF y UHF. Esta red de adaptación compensa las perturbaciones causadas por las salidas en circuito abierto.

En cada uno de los conmutadores 31, 32, al menos un canal 311, 321 se deja por tanto en circuito abierto, estando las otras salidas destinadas a ser conectadas a otras funciones de RF.

El canal en circuito abierto 321 se activa en el conmutador 32 cuyos canales no están en uso, activarse significa que la entrada del conmutador se dirige a este circuito abierto. El conmutador 31 que contiene el canal de paso se programa, se utiliza, de forma convencional.

Este novedoso paralelismo, combinado con el uso de canales en circuito abierto, se entenderá mejor presentando con más detalle el funcionamiento del dispositivo de conmutación de RF de la figura 3.

Este dispositivo según la invención comprende dos conmutadores 31, 32 en paralelo. Cada conmutador es un conmutador de cuatro salidas, con tecnología CMOS, en el que una entrada 310, 320 se conmuta a una de las cuatro salidas. Para cada conmutador, hay al menos una salida que se deja abierta. En el ejemplo de la figura 3, cada conmutador tiene tres salidas en uso, cada una conectada a un filtro, por ejemplo, y una salida en circuito abierto en 311, 321. Con estos dos conmutadores en paralelo, el dispositivo según la invención puede por tanto conmutar un canal 301 a seis funciones de RF, TX1 a TX6.

La figura 3 muestra un estado de conmutación en el que el primer conmutador 31 contiene el canal de paso 312. En este estado, el segundo conmutador 32 no se utiliza. Su entrada 320 se conmuta a la salida 321 en circuito abierto.

En la operación, una señal de RF se encamina en el canal de paso 312 del primer conmutador 31 a otra función de RF, como un filtro. La entrada del segundo conmutador 32 se dirige a la salida 321 como un circuito abierto. Una onda incidente se refleja entonces. La onda que se refleja entonces en el circuito abierto puede interferir en el funcionamiento del otro conmutador y de otros circuitos de RF anteriores. La red de adaptación 33, que conecta las entradas 310, 320 de los conmutadores y la entrada 301 del dispositivo de conmutación, "anula" la onda reflejada. En concreto, adapta la línea de RF a la impedancia que presenta el circuito abierto y compensa las capacitancias parásitas que se crean al abrir o cerrar los circuitos.

Esta red de adaptación se basa clásicamente en inductancias y condensadores. Como la onda reflejada es "filtrada" por la adaptación del circuito, el primer conmutador 31 puede entonces funcionar como un conmutador estándar ya que no es perturbado por la presencia del segundo conmutador 32, en circuito abierto.

La figura 4 muestra un ejemplo de implementación de un dispositivo según la invención en un circuito impreso de RF. A modo de ejemplo, se muestra la disposición del dispositivo de la figura 3. Los dos conmutadores 31, 32 están implementados en paralelo, teniendo cada uno una salida 311, 321 que se deja en circuito abierto, estando las otras salidas conectadas mediante pistas a otras funciones de RF, TX1 a TX6. La entrada 301 del dispositivo se conecta a las entradas de los conmutadores a través de la red de adaptación 30, compuesta por condensadores 41 e inductores 42, desacoplando los dos conmutadores.

En una estación de transmisión y recepción de RF, la función descrita en la figura 1, con la excepción de la antena, puede implementarse en una sola placa. En particular, el amplificador de potencia 1, un primer dispositivo de conmutación 30 según la invención, la batería de filtros (10) y un segundo dispositivo de conmutación (30) según la invención pueden implementarse en una única placa de circuito impreso. En este caso, la realización de un dispositivo de conmutación según la invención es del tipo ilustrado en la figura 4.

La figura 5 muestra otro ejemplo de una realización de un dispositivo de conmutación de RF según la invención para conseguir una función de conmutación de 9 salidas. En este ejemplo, en comparación con la disposición de la figura 3, el dispositivo de conmutación tiene un tercer conmutador de cuatro canales 53. Al igual que los otros conmutadores 31, 32, este tercer conmutador 53 tiene tres salidas usadas conectadas a otras funciones de RF y una salida que se deja abierta.

La figura 5 muestra una condición de funcionamiento similar a la de la figura 3. En concreto, el primer conmutador contiene el canal de paso. Los otros dos conmutadores 32, 53 tienen cada uno sus entradas dirigidas a sus salidas 321, 531 en circuito abierto. La red de adaptación 33 desacopla estos conmutadores del primer conmutador, que puede entonces funcionar normalmente.

Un dispositivo de conmutación de RF según la invención puede utilizarse ventajosamente en una radio táctica portátil de banda ancha.

Puede, según el diagrama esquemático de la figura 1, implementarse entre un amplificador de potencia 1 y los filtros de paso bajo 10 y entre los filtros de paso bajo y una antena 2. Permite al sistema seleccionar el filtro de paso bajo adecuado para la banda de frecuencias que se utiliza y utilizar una sola antena para toda la banda.

Las realizaciones precedentes muestran que la invención proporciona las siguientes ventajas en particular:

• Ocupa poco espacio, ya que la invención no requiere una fuente de alimentación de alto voltaje y los conmutadores CMOS del mercado son relativamente pequeños;

• Funcionamiento en banda ancha de frecuencias, ya que los conmutadores CMOS son naturalmente de banda ancha;

• Bajo consumo de energía gracias al bajo consumo de los componentes CMOS;

• La capacidad de implementar fácilmente una función de conmutación con un gran número de salidas, ya que varios conmutadores pueden ponerse fácilmente en paralelo;

• Buena reproducibilidad del rendimiento, debido en particular a la simplicidad de implementación;

• Utilización de conmutadores electrónicos disponibles comercialmente sin ajuste.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de conmutación de RF, estando dicho dispositivo configurado para dirigir una señal de RF presente en su punto de entrada (301) a una de sus salidas para formar un canal de paso de RF conmutable, comprendiendo dicho dispositivo al menos dos conmutadores de salida múltiple (31, 32) conectados en paralelo a dicho punto de entrada (301), teniendo cada conmutador (31, 32, 53) al menos una salida (311, 321) que se deja en circuito abierto, siendo sus otras salidas para ser conectadas a funciones de RF, estando dicho dispositivo caracterizado porque en funcionamiento un conmutador (32, 53) que no contiene dicho canal de paso (310, 312) tiene su entrada (320) conectada a su salida (321, 531) en circuito abierto, estando la entrada de cada uno de dichos conmutadores (31, 32, 53) conectada a dicho punto de entrada a través de una red de adaptación común (33), de forma que dicha red de adaptación está directamente conectada a las entradas de dichos conmutadores (31, 32) y de forma que dicha señal ^de Rf ^{pasa desde dicho punto de entrada a dicha entrada de cada uno de dichos conmutadores a través de dicha red} (33), estando dicha red configurada para cancelar las ondas reflejadas procedentes de las salidas de dichos conmutadores en circuito abierto.

2. Dispositivo de conmutación según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos conmutadores (31, 32, 53) son de tecnología CMOS.

3. Dispositivo de conmutación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada conmutador (31, 32, 53) tiene cuatro salidas.

4. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichas funciones de RF son filtros de RF.

5. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos conmutadores (31, 32, 53) son programables.

6. Estación de transmisión y recepción de RF, caracterizada porque comprende al menos un dispositivo de conmutación de RF (30) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

7. Estación de transmisión y recepción según la reivindicación 6, caracterizada porque comprende un amplificador de potencia (1), una batería de filtros (10) y una antena (2), estando un dispositivo de conmutación (30) situado entre dicho amplificador (1) y la batería de filtros (10) y un dispositivo de conmutación (30) entre dicha batería de filtros (10) y dicha antena (2), estando cada filtro conectado a una única salida de cada uno de dichos dispositivos de conmutación (30).

8. Estación de transmisión y recepción según la reivindicación 7, caracterizada porque dicho amplificador (1), la batería de filtros (10) y los dos dispositivos de conmutación (30) están implementados en la misma placa.

9. Estación de transmisión y recepción según una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizada porque es portátil.