Радиочастотные коммутаторы что это

Обновлено: 05.07.2024

Современные военные, аэрокосмические, промышленные и телекоммуникационные системы остро нуждаются в эффективном инструменте коммутации ВЧ-каналов. Это в первую очередь касается быстроразвивающегося сегмента радиолокационного и коммуникационного оборудования, работающего с ВЧ-сигналами высокой мощности. Речь, например, идет о 5G-системах, где сверхнизкие потери и высокая линейность имеют решающее значение для обеспечения необходимой производительности и эффективности.

Использование различных частотных диапазонов и антенн, новых беспроводных протоколов, Интернета вещей (IoT) и следующего поколения телекоммуникационных стандартов 5G приводит к тому, что системы связи должны обеспечивать возможность работы с несколькими различными входными и выходными каналами (Multiple Input and Multiple Output, MIMO). Развитие антенн идет по направлению увеличения числа поддерживаемых частотных диапазонов, однако в большинстве случаев это сопровождается снижением эффективности приема и передачи. Используя методы активной или адаптивной настройки для оптимизации частоты, диаграммы направленности и усиления антенны, можно компенсировать потерю эффективности, возникающей из-за расстройки антенны или изменений параметров окружающей среды. Другой важной проблемой становится увеличение сложности ВЧ-интерфейсов (RF front End, RFFE). С одной стороны, ВЧ-интерфейсы должны поддерживать постоянное увеличение числа частотных диапазонов с добавлением все более высоких частот, а с другой стороны, они должны обеспечивать очень низкий уровень вносимых потерь и высокую линейность. Это очень важно для сохранения минимального шума приемника, поддержания высокой мощности передатчика и высоких скоростей обмена данными. Использование инновационной технологии цифровых микропереключателей DMS (Digital-Micro-Switch) от Menlo Micro позволит создать новое поколение чрезвычайно гибких радиопередающих систем, а также обеспечить их высокую производительность и надежность.

2. Технология DMS

В микросхеме MM3100 реализована микромеханическая структура (МЭМС) переключателей, изготовленная с помощью запатентованной технологии DMS от компании Menlo Micro. Технология DMS позволила решить фундаментальные проблемы, связанные с надежностью и ограничением срока службы традиционных электромеханических реле. Ресурс переключений для MM3100 достигает нескольких миллиардов циклов даже при работе в экстремальных условиях окружающей среды и при очень высоком уровне мощности.

MM3100 – 6-канальный микропереключатель, который может использоваться в антеннах, передатчиках, приемниках, работающих в составе наземного, автомобильного, морского и космического оборудования, в радиолокационных и коммуникационных системах, тестовой и измерительной технике, а также в других высокочастотных радиопередающих приложениях. Коммутатор MM3100 легко настраивается, что позволяет применять его в различных схемах, часть из которых будет рассмотрена в данном руководстве. В некоторых случаях переключатели, реализованные в MM3100, могут быть использованы для коммутации емкостей и индуктивностей. Это позволяет создавать 6-битную схему согласования полного сопротивления ВЧ-резонатора с очень высокой добротностью. В других приложениях MM3100 может применяться в качестве одноканального или многоканального коммутатора, заменяя несколько традиционных электромеханических или твердотельных реле.

На рис. 1 представлены фотографии MM3100 и МЭМС-коммутатора. На левой фотографии показана микросхема MM3100 в BGA-исполнении. Кроме МЭМС-коммутатора MM3100 включает еще и SPI-контроллер. На правой фотографии показан кристалл переключателей, выполненный по технологии металл-на-стекле. Каждый канал MM3100 рассчитан на мощность до 25 Вт при частоте 3 ГГц. Технология DMS позволяет создавать переключатели для схем с высокой коммутируемой мощностью.

Рис. 1. BGA-исполнение MM3100 и МЭМС-коммутатор, выполненный по технологии металл-на-стекле

3. Принцип работы

Широкополосный 6-канальный SPST-переключатель MM3100 использует электрическое поле для управления положением подвижного контакта, который обеспечивает соединение между входом и выходом коммутатора. За исключением стеклянной подложки, все остальные элементы коммутатора, показанные на рис. 1, изготовлены из проводящих материалов и обеспечивают низкий импеданс между ВЧ-входом и ВЧ-выходом при замыкании подвижного контакта. Подложка МЭМС изготовлена из стекла высокой степени чистоты. Это, с одной стороны, гарантирует чрезвычайно высокий уровень изоляции проводников переключателя, а с другой - позволяет достигать исключительной линейности и низких потерь при работе с радиочастотными и микроволновыми сигналами.

Принцип действия одиночного МЭМС-ключа поясняется на рис. 2. Если напряжение на затворе отсутствует, то электрическое поле не возникает и подвижный контакт находится в разомкнутом состоянии (верхняя часть рис. 2). Электрического соединения между входом и выходом нет. Благодаря запатентованной технологии и использованию особых сплавов, MM3100 демонстрирует очень низкую емкость в выключенном состоянии (Coff), которая обычно не превышает 200 фФ. Это делает MM3100 идеальным выбором для радиочастотных приложений, в которых требуется обеспечить минимальное значение паразитных составляющих и гарантировать высокую степень изоляции. Кроме того, при нахождении в выключенном состоянии коммутатор способен выдерживать напряжения до 200 В.

Как показано на нижней части рис. 2, при появлении на затворе напряжения + 75 В возникает электрическое поле. Это поле, преодолевая сопротивление силы упругости, деформирует подвижный контакт и замыкает его с нижним контактом. Таким образом, между ВЧ-входом и ВЧ-выходом образуется электрическое соединение, характеризующееся чрезвычайно низким сопротивлением/ импедансом. Благодаря использованию особых сплавов, коммутатор MM3100 демонстрирует очень низкое сопротивление во включенном состоянии (Ron), не превышающее 0,5 Ом. Это позволяет использовать MM3100 в высокочастотных и низкочастотных приложениях, в которых потери на ключе играют первостепенное значение.

Рис. 2. MM3100 имеет два устойчивых состояния

Новый уровень надежности

В МЭМС-системах металлы обычно применяются для создания проводников или сплошных слоев металлизации, а также выступают в роли магниточувствительных элементов актуаторов и датчиков. В то же время они значительно реже используются в качестве конструкционных или подвижных элементов из-за ограниченной устойчивости к механическим нагрузкам. Металлы являются отличными проводниками, однако, несмотря на это, многие из них не могут похвастаться хорошими пружинными свойствами и не способны противостоять деформации, вызванной старением и воздействием температуры. Перечисленные недостатки являются неприемлемыми с точки зрения надежной и эффективной работы МЭМС-устройств.

Как показано на рис. 3, изготовленные из золота переключатели, работающие с рабочим циклом 50% при 80 °C, продемонстрировали существенную деформацию контактов (в разомкнутом состоянии) в процессе проведения испытаний. Как оказалось, степень деформации контактов не зависела от частоты переключений (1 Гц или 1000 Гц), а определялась суммарным временем нахождения ключа в замкнутом состоянии. Исследовав причины выхода из строя МЭМС-переключателей, компания Menlo Micro попыталась найти выход из ситуации за счет применения инновационных материалов.

Menlo Micro разработала МЭМС-технологию, в которой для изготовления подвижных контактов использовался особый запатентованный гальванически осаждаемый сплав. Этот сплав сочетал в себе, механические свойства, близкие к свойствам кремния, и высокую проводимость, характерную для металлов. Кроме того, предел текучести сплава был на несколько порядков выше, чем у золота.

Применение запатентованных сплавов Menlo Micro позволило значительно увеличить надежность и срок службы микропереключателей (рис. 3). Для них уровень деформации контактов 20% достигается спустя более чем 10 лет, в то время как для рассмотренных выше золотых контактов аналогичный уровень деформации наблюдался уже спустя менее чем 1 год.

Рис. 3. Сравнение срока службы золотых микропереключателей и микропереключателей, изготовленных из запатентованных гальванических сплавов Menlo Micro (ММ-0, ММ-2)

Кроме всего прочего, чтобы дополнительно гарантировать надежность коммутаторов, компания Menlo Micro внедрила расширенный мониторинг партий изделий в процессе изготовления, тем самым подтверждая, что каждый коммутатор соответствует требованиям надежности.

Menlo MM3100

При изготовлении коммутаторов MM3100 используются все вышеперечисленные инновации и технологии. MM3100 объединяет 6-канальный ключ и SPI-драйвер. SPI-драйвер необходим для организации связи по SPI-интерфейсу (для выполнения настройки коммутатора), а также для формирования высоковольтного сигнала управления каждым ключом. Вопросы, связанные с SPI-интерфейсом, обсуждаются далее, в разделе 6. На рис. 4 представлена структурная схема 6-канального переключателя MM3100, а также его конструкция.

Рис. 4. Структурная схема и конструкция 6-канального переключателя MM3100

Эффективность

Результатом всех исследований и разработок, проведенных компанией Menlo Micro, стал целый ряд преимуществ. Кроме длительного срока службы, среди основных достоинств микропереключателей следует отметить минимальные паразитные составляющие, низкие потери мощности во включенном состоянии, высокий уровень изоляции в выключенном состоянии и высокие возвратные потери. Все эти преимущества продемонстрированы на рисунках 5, 6, 7, 8.

Рис. 5. Эквивалентная схема одного ключа MM3100 в выключенном и включенном состоянии

Рис. 6. Частотная зависимость вносимых потерь для MM3100

Рис. 7. Частотная зависимость изоляции для MM3100

Рис. 8. Частотная зависимость возвратных потерь для MM3100 во включенном состоянии

Благодаря надежности подвижного контакта и качеству материалов, используемых для изготовления контактов и затвора, DMS-устройства от Menlo Micro способны выдерживать до трех миллиардов переключений без нагрузки или при ограниченной нагрузке (+15 дБм). Пример изменения вносимых потерь MM3100 представлен на рис. 9.

Рис. 9. Типовое изменение вносимых потерь MM3100 при выполнении коммутаций с ограниченной нагрузкой

Благодаря высокой стабильности используемых сплавов, коммутатор MM3100 обеспечивает более высокую линейность по сравнению с полупроводниковыми ключами. Линейность является чрезвычайно важной характеристикой для многих приложений. Особенно это касается схем, работающих с сигналами большой мощности, например, в военном радиодиапазоне HF/ VHF/ UHF. Использование в таких схемах переключателей с высокой линейностью позволяет отказаться от выходного фильтра нижних частот, без которого невозможно обойтись при использовании pin-диодов, МОП-транзисторов, GaAs-транзисторов или ВЧ SOI-компонентов.

MM3100 демонстрирует очень высокий уровень линейности (рис. 10).

Рис. 10. Типовая зависимость искажения 2-ой и 3-ей гармоник от входной мощности (дБм) для MM3100

Благодаря чрезвычайно низкому уровню потерь и высочайшей долговечности контактов даже при работе с повышенной температурой, микропереключатели MM3100 способны обеспечивать коммутацию мощных радиочастотных сигналов (рис. 11).

Рис. 11. Типовая зависимость температуры корпуса ММ3100 от входной мощности

Характеристики коммутатора MM3100-00:

Тип: 6-канальный коммутатор;
Интерфейс связи: SPI;
Сопротивление в замкнутом состоянии: <0,75 Ом;
Максимальное напряжение изоляции: 150 В;
Время включения/ выключения: <10 мкс;
Частота коммутируемых сигналов: до 3 ГГц;
Мощность коммутируемых сигналов: до 25 Вт;
Срок службы: более 3 миллиардов переключений;
Вносимое затухание: 0,3 дБ (3 ГГц);
Диапазон рабочих температур: -40…+85°C (MM3100-00), -40…+100°C (MM3100-00-У);
Напряжение питания: 5 В (логика), 70 В (напряжение смещения);
Корпусное исполнение: 6 x 6 мм 49-BGA.

О компании

Menlo Micro – компания, основанная в 2016 году, и действующая под патронажем компании GE Ventures, которая в свою очередь является дочерней компанией для General Electric в сфере венчурного капитала. GE Ventures в течение 12 лет инвестировала деньги в исследования, связанные с созданием технологии цифровых МЭМС-переключателей DMS (Digital-Micro-Switch). За это время было запатентовано около 60 решений. Компания Menlo Micro создавалась для вывода результатов этой работы на широкий рынок. Сейчас штат Menlo Micro насчитывает около 30 сотрудников, а штаб-квартира находится в Ирвайне (Калифорния).

На выставке APEC 2019 компания Menlo Micro продемонстрировала свое новое силовое реле, изготовленное с использованием технологий микроэлектромеханических систем (МЭМС). Menlo Micro, дочерняя компания General Electric (GE), рассчитывала разработать надежную и безопасную технологию коммутации питания для своего магниторезонансного томографа и другого медицинского оборудования.

На первом этапе Menlo Micro реализовала лицензированную GE технологию в радиочастотных и других маломощных приложениях. Теперь же она создала компонент, способный коммутировать ток 3 А при напряжении 150 В (Рисунок 1). MM1200-6 – это МЭМС реле, которое, по заявлению компании, может выдерживать три миллиарда переключений при температуре 85 °C. Шестью коммутаторами вы управляете через последовательную шину SPI. Любой из шести переключателей может пропускать через себя ток 1 А, однако максимальный ток, протекающий через все коммутаторы корпуса, ограничен значением 3 А.

Рисунок 1.

МЭМС-реле MM1200 компании Menlo Micro намного
меньше обычных реле.

Параллельно с МЭМС контактами реле имеет МОП транзистор. Этот транзистор может устранить искрение контактов, поскольку управляющая электроника внутри устройства выключает МОП транзистор после размыкания контактов. Включается МОП транзистор перед замыканием контакта, что объясняет малое время включения 10 мкс – намного лучше, чем у обычного МЭМС-переключателя.

Параллельный МОП транзистор

Параллельный МОП транзистор [1] не указан в спецификации Menlo Micro, но вы можете сделать вывод о его наличии. Во-первых, в техническом описании указано «номинальное напряжение переменного или постоянного тока +150 В». «Переменного» означает, что это биполярное устройство, тогда как «+» показывает, что оно в действительности может работать только с положительным напряжением. Для коммутации переменного тока вы должны использовать два встречно включенных устройства, аналогично твердотельному реле, в котором используются два встречно включенных МОП транзистора. Кроме того, аналогично полевому транзистору, в документации указан ток утечки 19 пА при напряжении 150 В, приложенном к контактам, но нет информации о зависимости этой утечки от температуры.

Использование МОП транзистора, параллельного механическим контактам, является умным решением и может позволить взять лучшее из обоих подходов к конструкции реле. Одновременно это может также дать худшее из обоих подходов – такое как инжекция заряда затвора в исток и эффект Миллера. Реле имеют ограничения по рабочей температуре и выпускаются в версиях 85 °C и 100 °C. Обратите внимание, что 27 из 49 контактов корпуса BGA предназначены для земли, поэтому вы можете легко отводить тепло от компонента. Сопротивление замкнутого контакта составляет 500 мОм, а это значит, что при токе 1 А в виде тепла будут теряться 500 мВт. Пока вы не забываете о гибридной природе этой штуковины, вы можете быть уверены, что учтете все проблемы, с которыми, возможно, вам придется столкнуться.

Одним из преимуществ является то, что активация реле является электростатической, что должно сделать его гораздо более защищенным от паразитных магнитных полей, которые иногда могут быть достаточно сильными, чтобы от них сработало обычное реле, как это случилось однажды со сгоревшей стойкой моего друга. Поскольку контакты приводятся в действие электростатически, на реле необходимо подавать напряжение смещения 75 В, а также логическое питание 5 В. От источника смещения 75 В реле потребляет всего 100 мкА.

Обратите внимание на шум

Помимо инжекции заряда из открывающегося и закрывающегося МОП транзистора, дополнительные проблемы возникают от того, что электростатический затвор находится в непосредственной близости от контактов (Рисунок 2).Это означает, что любой шум источника смещения 75 В может проникнуть в цепь прохождения сигнала. Большинству приложений это не должно мешать, но, тем не менее, о потенциальной проблеме следует помнить.


Рисунок 2.	Контакты внутри реле Menlo Micro замыкаются с помощью команды SPI, которая подает 75-вольтовый сигнал на затвор структуры.

Я спросил Криса Джованниелло (Chris Giovanniello), старшего вице-президента подразделения разработки продуктов в Menlo Micro, помогла ли герметичность МЭМС-устройства в достижении необходимых длин путей утечки между выводами и по корпусу. Он ответил: «Да, это герметично, и это очень важно. Мы можем без искрения выдерживать относительно высокие напряжения – 200 В или 400 В – в очень маленьком зазоре».

Отвечая на мой вопрос о ценах, он отметил, что когда объемы заказов достигнут миллионов, он рассчитывает предлагать клиентам продукты по цене менее доллара за канал, а в случае этого компонента – 6 долларов. В настоящее время доступны опытные образцы, а массовое производство будет развернуто в первом квартале 2020 года. Для ограниченного круга клиентов уже установлены твердые цены.

Закон Пашена

Для реализации электростатического управления необходимо, чтобы контакты были как можно ближе друг к другу. Может показаться, что это должно быть проблемой для реле с рабочим напряжением 150 В. Но Джованниелло отослал меня к закону Пашена, который связывает зазор между контактами и пробивное напряжение (Рисунок 3). Он заметил, что, глядя на графики, «Вы получите некоторые намеки в отношении физически процессов, стоящих за тем, что мы делаем. Это парадоксально, но иногда меньшие зазоры могут дать более высокое напряжение искрения».

Рисунок 3.

Закон Пашена гласит, что напряжение дуги между
двумя контактами будет увеличиваться, когда
контакты сближаются. (Источник: Wikipedia).

График отображает зависимость пробивного напряжения от давления и величины зазора. Малые зазоры, необходимые для электростатической активации, фактически, улучшают пробивное напряжение устройства. Вероятно также, что для достижения лучшего напряжения пробоя Menlo Micro может подбирать давление или состав заполняющего газа.

Компания не новичок в области МЭМС переключателей (Рисунок 4). Она успешно выпускает радиочастотные коммутаторы, объединив техпроцессы, полученные от GE и Corning Glass, которые она унаследовала при выходе из GE. Menlo использует металлические сплавы собственной разработки, которые наносятся на стеклянные пластины. Стеклянные пластины, поставляемые Corning, имеют межслойные переходные соединения (TGV – Through-glass vias), обеспечивающие необходимые характеристики МЭМС-приборов.


Рисунок 4.	Свою технологию МЭМС Menlo Micro оттачивала на радиочастотных коммутаторах.

Джованниелло объясняет: «Большинство инновационный решений Menlo приходится на усовершенствованные материалы и процессы для изготовления высоконадежных контактов коммутаторов. В частности, это нестандартные сплавы, сохраняющие очень высокую механическую прочность в течение длительного срока службы, но одновременно обладают высокой электропроводностью и низкими потерями. Мы также изготавливаем эти переключатели на кремнии или стекле, что дает нам сверхвысокие характеристики с точки зрения изоляции и радиочастотных параметров. Это уникальная характерная черта наших изделий, поскольку существует не так уж много технологий изготовления МЭМС на стекле».

Примите во внимание, что исследования и разработки в области мощных МЭМС-коммутаторов ведутся многими компаниями. Некоторые исследователи изучают способы магнитной активации, где можно генерировать гораздо большие контактные силы при более низких приложенных напряжениях. Другие исследования утверждают, что достигли рубежа напряжения пробоя 1000 В с почти амперным током, проходящим через переключатель. Если они смогут довести это до производства, это будет означать действительно биполярное реле с гальванической развязкой между выводами управления и контактами.

Радиочастотные МЭМС-коммутаторы

Большинство МЭМС-переключателей предназначены для радиочастотных приборов, где им не нужно проводить большой ток (Рисунок 5). Обширную линейку МЭМС-переключателей выпускает Analog Devices, несомненно, основываясь на своих новаторских исследованиях в области технологии МЭМС-акселерометров. Отличный рассказ об этой технологии Analog Devices разместила на своем веб-сайте [2].


Рисунок 5.	Analog Devices предлагает широкий выбор МЭМС-переключателей для радиочастотных приложений. Приваренные к кристаллу проводники в правом верхнем углу дают представление о малых размерах компонента.

Даже если вы не можете использовать МЭМС-устройство, помните, что вы можете использовать хитрость Menlo Micro и коммутировать обычное реле с помощью полевого транзистора, биполярного транзистора или симистора. Вы получаете те же преимущества – отсутствие искрения, – поскольку, когда вы размыкаете контакты, активное устройство принимает на себя нагрузку. Вы должны получить срок службы реле, приближающийся к сроку службы без нагрузки. Используя активное устройство перед замыканием контактов, вы также можете увеличить срок службы контактов, поскольку контакты не будут пропускать ток, пока продолжается их дребезг.


Рисунок 6.	Это реле сгорело внутри чайника Cuisinart. Верх удален для просмотра внутренних повреждений, которые были обширными. Негерметичные реле во влажных условиях могут быть источником проблем.

Если вам требуется долговечность – не забывайте о герконовых реле. Созданные для телефонной индустрии десятилетия назад, они могут обеспечить очень долгий срок службы и такую же герметичность, как и МЭМС реле. При наличии почти дюжины производителей, вы всегда можете найти деталь, которая вам подходит. Я стал поклонником герметичных реле после того, как обычное загорелось в моем электрическом чайнике (Рисунок 6).

РЧ переключатель или СВЧ - переключатель представляет собой устройство для маршрутизации высокочастотных сигналов через пути передачи. ВЧ ( радиочастоты ) и микроволновые переключатели широко используются в микроволновых испытательных системах для маршрутизации сигналов между приборами и тестируемыми устройствами (DUT). Включение коммутатора в систему коммутационной матрицы позволяет направлять сигналы от нескольких приборов к одному или нескольким тестируемым устройствам. Это позволяет выполнять несколько тестов с одной и той же настройкой, устраняя необходимость в частых подключениях и отключениях. Весь процесс тестирования можно автоматизировать, увеличивая производительность в средах массового производства.

Как и другие электрические переключатели , радиочастотные и микроволновые переключатели имеют разные конфигурации для множества различных приложений. Ниже приведен список типичных конфигураций и использования коммутатора:

Однополюсный , двухпозиционный (SPDT или 1: 2) переключает маршрутизацию сигналов с одного входа на два выходных тракта.

Однополюсный двухпозиционный переключатель (SPDT) от Agilent Technologies

Многопортовые переключатели или однополюсные переключатели с несколькими направлениями (SPnT) позволяют использовать один вход для нескольких (трех или более) выходных путей.
Автоматические переключатели или двухполюсные двухпозиционные переключатели (DPDT) могут служить различным целям.
Переключатели байпаса вставляют или удаляют тестовый компонент из тракта прохождения сигнала.

Типичное применение 4-портового обходного переключателя

Коммутаторы RF CMOS имеют решающее значение для современной беспроводной связи , включая беспроводные сети и устройства мобильной связи . Объемные КМОП-коммутаторы Infineon продаются более 1 миллиарда единиц в год , а по состоянию на 2018 год их общее количество достигло 5 миллиардов.

СОДЕРЖАНИЕ

Технологии

Два основных типа радиочастотных и микроволновых переключателей имеют разные возможности:

Электромеханические переключатели основаны на простой теории электромагнитной индукции . В качестве механизма переключения они полагаются на механические контакты.

Некоторые из электромеханических переключателей от Agilent Technologies

Твердотельный выключатель представляет собой электронное устройство коммутации на основе полупроводниковой технологии (например , МОП - транзистор , PIN - диод ). Он работает так же, как электромеханический переключатель, за исключением того, что у него нет движущихся частей.

Некоторые твердотельные переключатели от Agilent Technologies

Параметры

Частотный диапазон

Радиочастотные и микроволновые приложения имеют диапазон частот от 100 МГц для полупроводников до 60 ГГц для спутниковой связи. Аксессуары для широкополосной связи повышают гибкость системы тестирования за счет расширения частотного диапазона. Однако частота всегда зависит от приложения, и широкая рабочая частота может быть принесена в жертву другим критическим параметрам. Например, анализатор цепей может выполнять развертку 1 мс для измерения вносимых потерь, поэтому для этого приложения время установления или скорость переключения становится критическим параметром для обеспечения точности измерения.

Вносимая потеря

Помимо правильного выбора частоты, вносимые потери имеют решающее значение для тестирования. Потери более 1 или 2 дБ ослабят пиковые уровни сигнала и увеличат время нарастания и спада фронта. Система с низкими вносимыми потерями может быть достигнута за счет минимизации количества соединителей и проходных путей или путем выбора устройств с низкими вносимыми потерями для конфигурации системы. Поскольку на более высоких частотах мощность стоит дорого, электромеханические переключатели обеспечивают минимально возможные потери на пути передачи.

Обратные потери

Возвратные потери вызваны несоответствием импедансов между цепями. На микроволновых частотах свойства материала, а также размеры элемента сети играют важную роль в определении согласования или рассогласования импеданса, вызванного распределенным эффектом. Коммутаторы с превосходными характеристиками обратных потерь обеспечивают оптимальную передачу мощности через коммутатор и всю сеть.

Повторяемость

Низкая повторяемость вносимых потерь снижает источники случайных ошибок на пути измерения, что повышает точность измерения. Воспроизводимость и надежность переключателя гарантирует точность измерений и может снизить стоимость владения за счет сокращения циклов калибровки и увеличения времени безотказной работы испытательной системы.

Изоляция

Скорость переключения

Скорость переключения определяется как время, необходимое для изменения состояния порта коммутатора (рычага) с «ВКЛ» на «ВЫКЛ» или с «ВЫКЛ» на «ВКЛ».

Время установления

Поскольку время переключения определяет только конечное значение, составляющее 90% от установившегося / конечного значения РЧ-сигнала, время установления часто выделяется в характеристиках твердотельного переключателя, где потребность в точности и прецизионности является более критичной. Время установления измеряется до уровня, более близкого к окончательному значению. Широко используемое конечное значение времени установления составляет 0,01 дБ (99,77% от конечного значения) и 0,05 дБ (98,86% от конечного значения). Эта спецификация обычно используется для переключателей GaAs FET, потому что они имеют эффект задержки затвора, вызванный захватом электронов на поверхности GaAs.

Управление мощностью

Управление питанием определяет способность переключателя управлять питанием и очень зависит от конструкции и используемых материалов. Существуют различные номиналы мощности для переключателей, такие как горячее переключение, холодное переключение, средняя мощность и пиковая мощность. Горячее переключение происходит, когда РЧ / СВЧ-мощность присутствует на портах переключения во время переключения. Холодное переключение происходит, когда питание сигнала прекращается перед переключением. Холодное переключение приводит к снижению контактного напряжения и увеличению срока службы.

Прекращение

Оконечная нагрузка на 50 Ом критична во многих приложениях, поскольку каждая открытая неиспользуемая линия передачи имеет возможность резонировать. Это важно при проектировании системы, работающей на частотах до 26 ГГц или выше, где изоляция переключателя значительно снижается. Когда переключатель подключен к активному устройству, отраженная мощность незавершенного пути может повредить источник.

Электромеханические переключатели делятся на оконечные и незаземленные. Переключатели с оконечной нагрузкой: когда выбранный путь замыкается, все остальные пути заканчиваются нагрузкой 50 Ом, и ток на все соленоиды отключается. Незаключенные переключатели отражают мощность. Твердотельные переключатели бывают поглощающими и отражающими. Абсорбирующие переключатели включают в себя 50-омную нагрузку в каждом из выходных портов, чтобы обеспечить низкий КСВН как в выключенном, так и в включенном состояниях. Отражающие переключатели проводят ВЧ-мощность, когда диод смещен в обратном направлении, и отражают ВЧ-мощность при прямом смещении.

Утечка видео

Утечка видео относится к паразитным сигналам, присутствующим на РЧ-портах коммутатора, когда он переключается без РЧ-сигнала. Эти сигналы возникают из сигналов, генерируемых драйвером переключателя, и, в частности, из-за всплеска напряжения на переднем фронте, необходимого для высокоскоростного переключения PIN-диодов. Амплитуда утечки видео зависит от конструкции переключателя и драйвера переключателя.

Срок службы

Длительный срок службы снижает стоимость цикла и бюджетные ограничения, позволяя производителям быть более конкурентоспособными.

Однополюсный двунаправленный радиочастотный коммутатор F2923 от компании IDT является первым широкополосным устройством с низким уровнем вносимых потерь и высокой линейностью усиления, выполненным по технологии с постоянным полным сопротивлением.

Улучшение радиочастотных параметров прибора достигнуто благодаря использованию технологии постоянства импеданса (K_Z). F2923 обеспечивает постоянство сопротивления на всех портах в процессе переключения, сохраняя при этом заданный уровень изоляции, линейности и вносимых потерь. Коммутатор спроектирован для самого широкого спектра радиочастотных приложений: базовых станций стандартов 2G, 3G, 4G и 5G, беспроводных транспортных систем, кабельного телевидения и портативных коммуникационных устройств.

Функция K_Z управляет сопротивлением каждого порта при переключении между радиочастотными терминалами, исключая возникновение возвратных потерь. Стандартные коммутаторы, лишенные данной функции, обладают высоким значением коэффициента стоячей волны по напряжению (VSWR) из-за неконтролируемого изменения сопротивления переключателя в момент коммутации. Высокое значение коэффициента VSWR способствует снижению системной производительности и надежности системы в целом.

Преимущества от использования технологии постоянного импеданса в системах с динамически изменяемыми условиями или схемах «горячего» переключения следующие:

Минимизация паразитной модуляции при переключении линий передачи и приема синтезатора частот, а также уменьшение времени восстановления в дуплексных системах с разделением по времени
Предотвращение повреждений и возникновение ошибок при переключении между двумя радиочастотными элементами, такими как усилители мощности, драйверы и малошумящие усилители
Минимизация переходного искажения амплитуды и фазы на некоммутируемых линиях при переключении распределенных сетей – трехдецибельных ответвителей или четырехнаправленных разделителей

Работая в широком диапазоне частот, от 300 кГц до 8000 МГц, новый коммутатор с технологией K_Z обеспечивает почти постоянное сопротивление: его коэффициент VSWR имеет значение менее 1.4:1, тогда как у стандартных коммутаторов этот параметр составляет 9:1. При этом сохраняется заданный уровень изоляции, линейности и величины вносимых потерь. F2923 питается от однополярного источника напряжением 3.3 В и поддерживает работу с логическими управляющими уровнями 1.8 В и 3.3 В.

Отличительные особенности:

Постоянство сопротивления благодаря функции K_Z
Широкий рабочий диапазон частот: от 0.003 МГц до 8000 МГц
Превосходные радиочастотные параметры
Высокая передаваемая мощность: 27 дБм несущей частоты на выбранном порте, 18 дБм на терминированном порте
Очень низкий уровень вносимых потерь: 0.48 дБ на частоте 2 ГГц
Высокое значение входной точки пересечения третьего порядка (IP3): 66 дБ на частоте 2 ГГц
Уровень изоляции между портами RF1 и RF2 по отношению к общему порту RF_Com: 74 дБ на частоте 2 ГГц
Доступны версии устройства с одним или двумя управляющими выводами
Низкий ток потребления: 127 мкА при работе от источника питания логической схемы на 3.3 В
Поддержка уровней сигналов напряжением 1.8 В и 3.3 В
Расширенный диапазон рабочих температур: от -55°C до +105°C
20-выводной корпус TQFN размером 4 мм x 4 мм
Промышленно стандартные посадочные размеры и совместимость по назначению выводов с коммутатором F2912

Ключевые потребительские свойства:

Технология постоянного импеданса улучшает надежность схем «горячего» переключения и сохраняет неизменное сопротивления в процессе коммутации
Улучшенные радиочастотные характеристики по сравнению с конкурирующими продуктами
Устройство является прямой заменой конкурирующих продуктов и совместимо с коммутатором F2912
Стабильность заявленных характеристик во всем диапазоне рабочих температур

Область применения:

Базовые приемопередающие станции беспроводных инфраструктур и систем сбора данных
Тестовое и контрольно-измерительное оборудование
Коммуникационное оборудование военного, авиационного и промышленного назначения
Схемы коммутации для усилителей, генераторов, управляемых напряжением, приемопередатчиков, фильтров и драйверов

Документация на F2923 (англ.)

С ужесточением требований к энергопотреблению и габаритам систем все больше времени и ресурсов требуется для поиска необходимых коммутаторов. Эта статья углубит ваши познания в технологиях коммутации, в частности, в области двух основных технологий – твердотельных и электромеханических (ЭМ) коммутаторов. Основное внимание уделено теоретическим основам коммутации с подробными пояснениями некоторых типовых характеристик.

В современных контрольно-измерительных системах ВЧ- и СВЧ-диапазона для передачи сигналов между приборами и исследуемыми устройствами широко применяются коаксиальные коммутаторы. Матричные коммутаторы позволяют выполнять несколько тестов, не меняя схему измерения, что позволяет обойтись без частых подключений и отключений. В результате весь процесс тестирования можно автоматизировать, что повышает производительность в условиях серийного производства.

Типы коммутаторов

Прежде чем выбрать коммутатор, важно понять фундаментальные различия между основными типами коммутаторов. Существуют два основных типа коммутаторов ВЧ- и СВЧ-диапазона: - электромеханические коммутаторы, в которых в качестве коммутирующего элемента используются механические контакты; - твердотельные коммутаторы, которые подразделяются на два основных типа: коммутаторы на полевых транзисторах и коммутаторы на PIN-диодах. В полевом транзисторе создается канал (обедненная область), который позволяет току протекать от стока к истоку. PINдиод содержит высокоомный нелегированный слой (I), расположенный между сильнолегированными слоями типа P и типа N.

Выбор коммутатора

Ни один коммутатор не может отвечать всем требованиям во всех приложениях, поэтому важно знать, как выбрать тот коммутатор, который необходим в конкретном случае. Для этого в таблице приведены для сравнения основные характеристики электромеханических и твердотельных коммутаторов. Практически во всех автоматизированных контрольно-измерительных системах используются управляемые компьютером коаксиальные матричные коммутаторы для распределения сигналов тестируемых устройств между измерительными приборами. Поскольку все воздействующие и ответные сигналы должны проходить через матричный коммутатор, характеристики сигнальных трактов коммутатора оказывают непосредственное влияние на точность и достоверность всех измерений.

Пример полного матричного коммутатора 2×10, позволяющего передавать сигналы между любыми двумя портами, показан на рисунке. Невозможно сконструировать матричный коммутатор так, чтобы он не влиял на исходные сигналы. Однако коммутатор можно оптимизировать в соответствии с требованиями конкретного приложения. К основным параметрам, которые следует при этом учитывать, относятся диапазон частот, вносимые потери, обратные потери, воспроизводимость, развязка, КСВ, время переключения, время установления, коммутируемая мощность, терминирование, эквивалентность трактов, утечка видеосигнала, срок службы и конфигурация коммутатора.

Вносимые потери

Вносимые потери играют важную роль во многих приложениях. В приемниках вносимые потери приводят к эквивалентному снижению эффективной чувствительности. В измерительных системах, где дополнительная мощность для компенсации потерь (например, за счет применения усилителей) может оказаться недоступной из-за высокой стоимости или нехватки места, малые вносимые потери становятся критически важным показателем. разные технологии коммутации характеризуются различными вносимыми потерями. Но самые малые потери характерны для электромеханических коммутаторов (в диапазоне до 26,5 ГГц).

Читайте также: