Matriz de conmutación de RF

Una matriz de conmutación de RF es un conjunto de conmutadores de RF dispuestos para enrutar señales de radiofrecuencia (RF) entre múltiples entradas y múltiples salidas. Las aplicaciones que requieren matrices de RF incluyen sistemas de tierra, equipos de prueba y sistemas de comunicación.

Una matriz de RF se utiliza en sistemas de prueba, tanto en la verificación del diseño como en las pruebas de fabricación, para enrutar señales de alta frecuencia entre el dispositivo bajo prueba (DUT) y el equipo de prueba y medición. Además del enrutamiento de señales, la matriz de conmutación de RF/microondas también puede contener componentes de acondicionamiento de señales, incluidos dispositivos de acondicionamiento de señales pasivos, como atenuadores, filtros y acopladores direccionales, así como acondicionamiento de señales activo, como amplificación y convertidores de frecuencia. Dado que las necesidades de enrutamiento y acondicionamiento de señales de un sistema de prueba difieren de un diseño a otro, las matrices de conmutación de RF/microondas pueden ser diseñadas a medida por el ingeniero del sistema de prueba o por un contratista contratado para cada nuevo sistema de prueba.

La matriz de conmutación está formada por componentes electrónicos discretos, incluidos los conmutadores de RF y los acondicionadores de señal , que se montan juntos en una infraestructura mecánica o carcasa. Los cables interconectan los conmutadores y los acondicionadores de señal. La matriz de conmutación emplea un circuito controlador y una fuente de alimentación para alimentar y accionar los conmutadores y los acondicionadores de señal. La matriz de conmutación utiliza conectores o accesorios para enrutar las señales desde el equipo de obtención y medición hasta el dispositivo bajo prueba. La matriz de conmutación suele estar ubicada cerca del dispositivo bajo prueba para acortar las rutas de las señales, lo que reduce la pérdida de inserción y la degradación de la señal.

El propósito de una matriz de conmutación es trasladar el enrutamiento y el acondicionamiento de señales a una ubicación central en el sistema de prueba en lugar de tenerlo todo distribuido en varios lugares del sistema de prueba. Trasladar el enrutamiento y el acondicionamiento de señales a una única ubicación en el sistema de prueba tiene las siguientes ventajas:

• El plano de calibración entre el DUT y el equipo de prueba se vuelve más pequeño y más centralizado, lo que facilita su caracterización.
• Los interruptores y acondicionadores de señal tienen requisitos similares de energía, montaje y controlador, por lo que moverlos a una sola ubicación significa que solo se necesita una única fuente de alimentación y un circuito controlador para alimentarlos y controlarlos.
• Las rutas de señal cortas reducen la pérdida de inserción y aumentan la integridad de la señal.
• Son posibles rutas de señal de longitud exacta, lo que permite controlar los problemas de fase.
• Simplifica el servicio y el soporte.

Las matrices de conmutación presentan un problema único para los diseñadores de sistemas de prueba, ya que las necesidades de acondicionamiento de señales, el rango de frecuencia, el ancho de banda y los aspectos de potencia cambian de una aplicación a otra. Las empresas de prueba y medición no pueden proporcionar una solución "universal". Esto deja a los diseñadores de sistemas de prueba con dos opciones para el diseño de sus matrices de conmutación: internalización o externalización .

1. Las cuestiones de propiedad son un gran problema, especialmente en la industria aeroespacial y de defensa . La creación de una matriz de conmutación interna elimina este problema.
2. Los recursos humanos internos pueden ser menos costosos.
3. Una empresa tiene el control de la cantidad de horas diarias dedicadas al desarrollo.
4. Ser el primero en desarrollar una tecnología emergente y convertirla en un producto terminado puede ser muy rentable. La subcontratación permite ahorrar tiempo buscando el contratista adecuado.
5. Los diseños sucesivos de matrices de conmutación pueden aprovecharse en gran medida de un diseño a otro. El hardware y el software del controlador de conmutación, los diseños mecánicos, la fuente de alimentación, etc. pueden reutilizarse en otros diseños con poca o ninguna modificación.

1. La única forma de obtener el dispositivo es si la empresa carece o no puede prescindir de recursos humanos.
2. Los integradores de sistemas (contratistas) tienden a tener más experiencia y conocimientos.
3. Los integradores de sistemas pueden diseñar dentro de especificaciones estrictas y pueden manejar diseños complicados.
4. Los integradores de sistemas pueden proporcionar trabajo garantizado y soporte de producto.

Existen dos tipos de interruptores que se utilizan normalmente en matrices de conmutación: interruptores electromecánicos coaxiales e interruptores de estado sólido , también conocidos como interruptores electrónicos . Los interruptores electromecánicos coaxiales se pueden dividir en dos categorías según su arquitectura: relé con enclavamiento y relé sin enclavamiento.

Los interruptores de estado sólido se presentan en tres tipos: diodo PIN , FET e híbrido. Las ventajas de los interruptores de estado sólido sobre los interruptores EM son:

• Tienen una velocidad de conmutación mucho más rápida (al menos 10.000 veces más rápida)
• Tienen una vida casi infinita.
• Son muy estables y repetibles.

Por otro lado, dado que los interruptores de estado sólido tienen partes no lineales en su rango de frecuencia, su ancho de banda es limitado.

Un interruptor electromecánico (EM) proporciona mejores:

• pérdida de inserción
• ROE variable
• manejo de potencia
• Especificaciones de aislamiento.

Por estas razones, los interruptores EM se utilizan con mucha más frecuencia en los diseños de matrices de conmutación.

Las matrices de conmutación personalizadas se utilizan ampliamente en sistemas de prueba en los sectores de defensa aeroespacial e inalámbrica para la verificación del diseño y para pruebas de fabricación. Tienen una amplia gama de complejidad, desde lo simple hasta lo complejo.

• Un ejemplo de una aplicación de matriz de conmutación de diseño simple sería una configuración MUX 1:16 que enruta 12 señales de TV satelital a una única entrada de analizador de espectro que realiza comprobaciones de integridad de señal en las señales satelitales. Un diseño de este tipo requeriría 5 conmutadores EM coaxiales unipolares de 4 posiciones, así como el cable coaxial de interconexión necesario para el enrutamiento de la señal, junto con una infraestructura mecánica, una fuente de alimentación y un circuito controlador de conmutador para montar, alimentar y operar los conmutadores.
• Un ejemplo de una matriz de conmutación más compleja es una aplicación que mide la fluctuación de fase en múltiples buses de datos seriales de alta velocidad. Primero, la matriz de conmutación recibe las señales del bus de datos, luego proporciona la conmutación y el acondicionamiento de señal adecuados para las señales antes de enviarlas a los instrumentos de prueba y medición. Esta matriz de conmutación personalizada emplearía 14 conmutadores EM y una serie de acondicionadores de señal diferentes, incluidos: divisores de potencia, amplificadores, mezcladores, filtros y atenuadores.

Las matrices de conmutación de RF también se utilizan mucho en el mercado de transmisión de televisión para la recepción y retransmisión de canales de televisión. Normalmente, una cabecera de televisión por cable contendrá una matriz para permitir que varias antenas parabólicas alineadas con diferentes satélites se enruten a un banco de receptores. La matriz de conmutación de RF permite realizar cambios de canal de forma remota, sin interrupciones.

Hay seis desafíos principales al diseñar una matriz de conmutación de RF/microondas personalizada de principio a fin:

1. Diseño mecánico: diseño de un gabinete o caja blindada eléctricamente, soportes de montaje de componentes internos, con un diseño de componentes y cableado.
2. Diseño de RF/microondas: un plan de diseño y prueba de enrutamiento y acondicionamiento de señales. Sería necesario desarrollar un plan de calibración para la matriz de conmutación para caracterizar adecuadamente las rutas de las señales.
3. Hardware de control y alimentación : será necesario diseñar y desarrollar los circuitos del controlador del interruptor y de la fuente de alimentación.
4. Control de software: será necesario desarrollar un controlador de software para proporcionar una interfaz entre el hardware de control y el programa del sistema de prueba.
5. Documentación: Todo el diseño de la matriz de conmutación debe documentarse para respaldar el mantenimiento y el posible aprovechamiento del diseño futuro.
6. Plan de servicio: Es necesario desarrollar un plan de servicio para garantizar que la vida útil de la matriz de conmutación dure tanto como la vida útil del sistema de prueba.

Los fabricantes de equipos de prueba ofrecen instrumentos que proporcionan una fuente de alimentación , circuitos de controlador y controladores de software que esencialmente ahorran tiempo y costos al diseñador de un sistema de prueba al eliminar dos de los seis desafíos de diseño de matriz de conmutación: diseño de hardware de control y alimentación, así como desarrollo de controladores de software.

Muchas empresas han introducido nuevos conceptos de productos que ayudan en el diseño de matrices de conmutación personalizadas. Estos nuevos productos ofrecen a los diseñadores de sistemas de prueba una fuente de alimentación , circuitos de controlador y controladores de software , todo ello envuelto en un mainframe. El mainframe proporciona un montaje flexible para conmutadores y otros componentes, así como paneles frontales y traseros en blanco que se pueden modificar fácilmente para adaptarse a una necesidad de diseño. Estos nuevos productos eliminan 3 de los 6 desafíos de diseño: diseño mecánico, diseño de hardware de control y alimentación, y desarrollo de controladores de software.

• Información sobre la conmutación en un sistema de prueba de microondas para VXI Technologies
• Nota de aplicación que explica la diferencia entre los conmutadores matriciales "bloqueantes" y "no bloqueantes" de JFW
• Notas de aplicación para comprender cómo funciona un conmutador de RF de Charter Engineering
• Nota de aplicación que explica los efectos de la vida útil y la repetibilidad de los interruptores en la matriz de interruptores de Agilent Technologies
• Nota de aplicación que analiza las distintas escalas de matriz de conmutación que se requieren en las pruebas de RF y microondas de Agilent Technologies
• Conmutadores matriciales de radiofrecuencia en comunicaciones por satélite