Матрица радиочастотного переключателя

Матрица радиочастотных переключателей представляет собой массив радиочастотных переключателей , предназначенных для маршрутизации радиочастотных (RF) сигналов между несколькими входами и несколькими выходами. Приложения, требующие радиочастотных матриц, включают наземные системы, испытательное оборудование и системы связи.

Радиочастотная матрица используется в тестовых системах, как при проверке конструкции, так и при производственных испытаниях, для маршрутизации высокочастотных сигналов между тестируемым устройством (ТУ) и испытательным и измерительным оборудованием. В дополнение к маршрутизации сигналов, матрица переключателей РЧ/СВЧ может также содержать компоненты формирования сигнала, включая пассивные устройства формирования сигнала, такие как аттенюаторы, фильтры и направленные ответвители, а также активные устройства формирования сигнала, такие как усиление и преобразователи частоты. Поскольку требования к маршрутизации и формированию сигнала испытательной системы различаются в зависимости от конструкции, матрицы ВЧ/СВЧ-переключателей могут быть специально разработаны инженером испытательной системы или нанятым подрядчиком для каждой новой испытательной системы.

Коммутационная матрица состоит из дискретных электронных компонентов, включая радиочастотные переключатели и преобразователи сигналов , которые монтируются вместе в механическую инфраструктуру или корпус. Кабели соединяют переключатели и разделители сигналов. В матрице переключателей используются схема управления и источник питания для питания и управления переключателями и формирователями сигналов. В матрице переключателей используются разъемы или приспособления для маршрутизации сигналов от источника и измерительного оборудования к тестируемому устройству. Матрица переключателя обычно располагается рядом с тестируемым устройством, чтобы сократить пути прохождения сигнала, тем самым уменьшая вносимые потери и ухудшение качества сигнала.

Преимущества матрицы

Целью матрицы переключения является перемещение маршрутизации и обработки сигналов в одно центральное место в тестовой системе вместо распределения всего этого по разным местам в тестовой системе. Перемещение маршрутизации и формирования сигнала в одном месте испытательной системы дает следующие преимущества:

Плоскость калибровки между ИУ и испытательным оборудованием становится меньше и более централизованной, что упрощает определение характеристик.
Переключатели и преобразователи сигналов имеют схожие требования к питанию, монтажу и драйверам, поэтому перемещение их в одно место означает, что для их питания и управления необходим только один источник питания и схема драйвера.
Короткие пути сигнала уменьшают вносимые потери и повышают целостность сигнала.
Возможны пути прохождения сигнала точной длины, что позволяет контролировать проблемы с фазой.
Упрощает обслуживание и поддержку.

Сделать это или купить это

Матрицы переключателей представляют собой уникальную проблему для разработчиков тестовых систем, поскольку требования к формированию сигнала, частотный диапазон, полоса пропускания и параметры мощности меняются от приложения к приложению. Компании, занимающиеся испытаниями и измерениями, не могут предложить «единое решение, подходящее всем». Это оставляет разработчикам тестовых систем два варианта построения матрицы коммутации: инсорсинг или аутсорсинг .

Преимущества Инсорсинга

Проблемы, связанные с собственностью, являются большой проблемой, особенно в аэрокосмической оборонной отрасли . Создание матрицы переключателей собственными силами устраняет эту проблему.
Внутренние человеческие ресурсы могут быть менее затратными.
Компания контролирует количество ежедневных человеко-часов, затрачиваемых на разработку.
Быть первым, кто разработает новую технологию и превратить ее в готовый продукт, может быть очень выгодно. Инсорсинг позволяет сэкономить время, потраченное на поиск подходящего подрядчика.
Последовательные конструкции матрицы переключателей могут быть легко использованы при переходе от одной конструкции к другой. Аппаратное и программное обеспечение драйвера коммутатора, механическая конструкция, источник питания и т. д. могут быть повторно использованы в других конструкциях с небольшими изменениями или без них.

Преимущества аутсорсинга

Единственный способ получить устройство, если у компании не хватает или она не может выделить человеческие ресурсы.
Системные интеграторы (подрядчики), как правило, обладают большим опытом и знаниями.
Системные интеграторы могут проектировать в рамках жестких спецификаций и выполнять сложные конструкции.
Системные интеграторы могут обеспечить гарантированную работу и поддержку продукта.

Маршрутизация сигнала

В матрицах переключателей обычно используются переключатели двух типов: коаксиальные электромеханические переключатели и твердотельные переключатели , также известные как электронные переключатели . Коаксиальные электромеханические переключатели можно разделить на две категории в зависимости от их архитектуры: реле с фиксацией и реле без фиксации.

Твердотельные переключатели бывают трех типов: PIN-диод , FET и гибридный. Преимущества твердотельных переключателей перед электромагнитными:

У них гораздо более высокая скорость переключения (как минимум в 10 000 раз быстрее).
У них почти бесконечная жизнь
Они очень стабильны и повторяемы.

С другой стороны, поскольку твердотельные переключатели имеют нелинейные участки во всем частотном диапазоне, их полоса пропускания ограничена.

Электромеханический переключатель (ЭМ) обеспечивает лучшее:

вносимая потеря
КСВН
мощность
характеристики изоляции.

По этим причинам ЭМ-переключатели гораздо чаще используются в конструкциях матричных переключателей.

Примеры приложений

Специальные матрицы переключателей широко используются в тестовых системах в секторах беспроводной связи и аэрокосмической обороны для проверки конструкции и производственных испытаний. Они имеют широкий диапазон сложности: от простого к сложному.

Примером простой конструкции коммутационной матрицы может быть конфигурация MUX 1:16, которая направляет 12 каналов спутникового телевидения на один вход анализатора спектра , который выполняет проверку целостности сигнала на спутниковых каналах. Такая конструкция потребует 5 однополюсных 4-позиционных коаксиальных EM-переключателей, а также необходимый соединительный коаксиальный кабель для маршрутизации сигнала, а также механическую инфраструктуру, источник питания и схему драйвера переключателя для монтажа, питания и эксплуатации переключателей.
Примером более сложной матрицы переключателей является приложение, измеряющее джиттер на нескольких высокоскоростных последовательных шинах данных. Сначала матрица переключателей принимает сигналы шины данных, затем обеспечивает правильное переключение и преобразование сигналов перед подачей сигналов на испытательные и измерительные приборы. В этой специальной матрице переключателей будут использоваться 14 переключателей EM и ряд различных преобразователей сигнала, включая делители мощности, усилители, смесители, фильтры и аттенюаторы.

Матрицы радиочастотных переключателей также широко используются на рынке телевизионного вещания для приема и ретрансляции телевизионных каналов. Обычно головная станция кабельного телевидения содержит матрицу, позволяющую направлять несколько антенн, настроенных на разные спутники, на группу приемников. Матрица RF-переключателей позволяет производить смену каналов удаленно, без каких-либо перерывов.

Проблемы проектирования

При разработке специальной матрицы радиочастотного/микроволнового переключателя от начала до конца возникает шесть основных проблем:

Механическая конструкция: конструкция электрически экранированного корпуса или коробки, внутренних монтажных кронштейнов для компонентов, с расположением компонентов и кабелей.
RF/Microwave Design: проектирование маршрутизации и формирования сигнала, а также план тестирования. Для правильной характеристики путей прохождения сигнала необходимо разработать план калибровки матрицы переключателей.
Аппаратное обеспечение питания и управления : Необходимо спроектировать и разработать схему источника питания и драйвера переключателя.
Программное управление: необходимо разработать программный драйвер, обеспечивающий интерфейс между аппаратным обеспечением управления и программой испытательной системы.
Документация. Вся конструкция матрицы коммутаторов должна быть задокументирована для поддержки обслуживания и возможного использования конструкции в будущем.
План обслуживания. Необходимо разработать план обслуживания, чтобы гарантировать, что срок службы матрицы переключателей будет таким же, как и срок службы испытательной системы.

Производители испытательного оборудования предлагают инструменты, которые обеспечивают источник питания , схему драйвера и программные драйверы , что существенно экономит время и затраты разработчика испытательной системы, устраняя две из шести проблем проектирования матрицы переключателей: проектирование аппаратного обеспечения питания и управления, а также разработку программного драйвера.

Многие компании представили новые концепции продуктов, которые помогают разрабатывать индивидуальные матрицы переключателей. Эти новые продукты предлагают разработчикам тестовых систем источник питания , схемы драйверов и программные драйверы, объединенные в единый блок. Основной корпус обеспечивает гибкую установку переключателей и других компонентов, а также пустые переднюю и заднюю панели, которые можно легко модифицировать в соответствии с потребностями конструкции. Эти новые продукты устраняют 3 из 6 проблем проектирования: механическое проектирование, проектирование аппаратного обеспечения питания и управления, а также разработку программных драйверов.

Ссылки

Микроволны101: Энциклопедия микроволновых печей
О радиочастотных переключателях — Herley General Microwave

Внешние ссылки