Выбор матрицы РЧ-коммутаторов
В статье рассматриваются основные типы коммутационных матриц, описываются их особенности, и приводятся ключевые параметры.
Введение
Коммутационные матрицы позволяют избавиться от необходимости перек лючать соединения вручную с помощью управляющих сигналов. Помимо удобства обеспечивается высокая скорость переключения. Матрицы коммутаторов применяются в произ- водственном оборудовании для подключения контрольно-измерительной аппаратуры, в частности, генераторов сигнала, анализаторов спектра, сетевых анализаторов, измерителей мощности к испытуемому устройству. Они также служат для создания альтернативных трактов прохождения сигнала для повышения надежности оборудования, например на участке между антенной и приемником. Наконец, в лабораториях с их помощью осуществляется разделение и распределение сигналов по нескольким цепям, а также создание нескольких трактов с разными характеристиками, такими как задержка, частотный отклик, ослабление.
Рисунок 1
Рисунок 2
Возможные комбинации переключений в блокирующей матрице 4×4
Возможные комбинации переключений неблокирующей матрици 4×4
Типы матриц
Разделяют три основных типа матриц , обеспечивающих разную функциональность: блокирующие, неблокирующие, неблокирующие суперматрицы. Они обозначаются N×M, где N – количество входов, М – количество выходов. Например, матрица 4×4 имеет четыре входа и четыре выхода. Размеры матрицы находятся в диапазоне 1×2…256×256.
Блокирующие матрицы
Блокирующая матрица позволяет подсоединять вход к любому из выходов. В любой момент времени каждый вход может подключиться только к одному из выходов.
В блокирующей матрице количество активных соединений ограничено количеством входов и или выходов в зависимости от того, какое из них меньше. Например, в матрице 1×4 активно только одно соединение. На рисунке 1 показаны возможные комбинации в матрице 4×4. Эту матрицу можно реализовать с помощью восьми однополюсных четырехпозиционных коммутаторов и 16 соединительных кабелей.
Из рисунка 1 видно, что одновременно обеспечивается не более четырех соединений. В каждый момент времени каждый вход может подключиться только к одному выходу, и наоборот.
Неблокирующая коммутационная матрица
Матрицы второго типа позволяют подключать вход к нескольким выходам одновременно; при этом каждый выход можно соединить только с одним входом. Для обеспечения такой возможности на входах устанавливается делитель мощности, расщепляющий сигнал.
На рисунке 2 показаны возможные соединения в неблокирующей матрице 4×4. В ней используются четыре делителя мощности с четырьмя выходами, четыре однополюсных 4-позиционных коммутатора и 16 соединительных кабелей. заметим, что амплитуда сигналов после разделения уменьшается.
Рисунок 3
Возможные комбинации переключений в неблокирующей суперматрице 4×4
Неблокирующая коммутационная суперматрица
Наконец, матрицы третьего типа позволяют подключать любой вход к любому выходу без ограничений. Как и в случае неблокирующей матрицы, входной сигнал расщепляется. При этом на выходах используется сумматор. На рисунке 3 показана суперматрица 4×4. В ней используются восемь делителей мощности с четырьмя выходами (четыре – на входе, четыре – на выходе в качестве сумматора), 16 однополюсных 4-позиционных коммутаторов и 16 сое- динительных кабелей. Из-за дополни- тельных устройств выходной сигнал слабее входного.
Электрические параметры
Основными параметрами коммутационных матриц являются рабочая частота, вносимые потери, развязка, время переключения, уровень мощности. Рассмотрим их подробнее.
Рабочая частота
Частотный диапазон сигнала, который поступает с входа на выход матрицы, является ее частотным диапазоном. Матрицы могут быть не только широкополосными, функционируя, например, в диапазоне 0 Гц…40 ГГц, так и узкополосными с диапазоном 2,4–2,5 ГГц. Чем шире полоса, тем дороже матрица. заметим, что коммутаторы не всех типов предназначены для работы на низких частотах, что, в свою очередь, может повлиять на другие параметры, например на скорость переключения и вносимые потери.
Вносимые потери
Вносимые потери коммутационной матрицы – это та часть мощности РЧ-сигнала, которая теряется при прохождении от входа до выхода. Она измеряется в дБ. Все устройства, через которые проходит сигнал, в т. ч. проводники, рассеивают мощность. Вносимые потери у неблокирующей матрицы и суперматрицы выше, поскольку в них используется больше компонентов.
Требуемая полоса пропускания влияет на вносимые потери: чем она шире, тем больше потери. Чем ниже рабочий диапазон частот, тем выше потери, если не приняты меры по их уменьшению. Так, внутри матрицы можно установить усилители для повышения уровня сигнала и уменьшения вносимых потерь. Однако они не могут применяться в двунаправ- ленных матрицах, где сигнал распространяется не только от входа к выходу, но и с выхода на вход.
Гальваническая развязка
Развязка – это мера потери мощности сигнала при разомкнутой цепи, когда отсутствует прямая передача между портами. Развязка измеряется между входами, входом и выходом, между выходами. Чем она выше, тем лучше. В некоторых схемах требуется очень высокая развязка во избежание утечек сигнала и не интерференции.
Время переключения
Время, которое требуется для отключения матрицы от одной цепи и подключения к другой, называется временем переключения. Оно измеряется с помощью управляющего сигнала, дающего команду на изменение состояния матрицы. Время, требующееся для изменения РЧ-сигнала с уровня 10% до 90% от конечного напряжения, является временем переключения (см. рис. 4). При переключении управляющий сигнал следует обработать, а все требуемые коммутаторы – установить в требуемое положение. Этот параметр определяется, главным образом, задержками в управляющем контуре матрицы, а также характеристиками коммутаторов.
При этом тип коммутатора имеет огромное значение. Механические переключатели, к которым относятся коаксиальные реле или коммутаторы на волноводах, являются самыми медленными – их время переключения составляет десятки миллисекунд. Коммутаторы на pin-диодах и полевых ключах – самые быстродействующие: время их переключения исчисляется десятками наносекунд. Если требуется обеспечить максимально быстрое переключение, то этот параметр определяет все остальные характеристики при выборе матрицы.
Как упоминалось, метод управления матрицей также влияет на время переключения. Например, если управляющий сигнал обеспечивается через сетевое соединение, учитывается его время прохождения по сети, а также время, требуемое контроллером внутри матрицы на прием и декодирование управляющего сигнала. В матрицах с максимально коротким временем переключения необходима подача управляющего сигнала напрямую с малой задержкой. В приложениях, в которых востребована предварительно установленная последовательность переключений на высокой скорости, загружается программа, подающая одиночные команды на переключение.
Рисунок 4
Измерение времени переключения
Уровни мощности РЧ-сигнала
Мощность РЧ-сигнала, которая проходит через коммутационную матрицу, влияет на все ее характеристики в целом. У переключателей разных типов, используемых для построения матрицы, – разный уровень допустимой мощности. Механические коаксиальные реле могут работать с сигналами мощностью 10–1000 Вт в зависимости от частоты. Для сравнения, коммутаторы на pin-диодах и полевых ключах имеют уровень мощности 10–100 Вт. Еще одним ограничивающим фактором является наличие усилителей сигнала. Коммутационные матрицы, содержащие усилители для компенсации потерь, должны проектироваться с учетом уровня мощности входного сигнала. Неправильный размер или расположение усилителя может, например, вызвать искажение сигнала или повреждение компонента. Следует тщательно проектировать матрицу, чтобы обеспечить максимально хорошие характеристики на требуемых уровнях РЧ-сигнала.
Управление
Коммутационные матрицы управляются вручную или с помощью компьютера – с этой целью на передней панели имеется управляющая кнопка или сенсорная панель. Для коммутационных матриц с компьютерным управлением используются дискретные управляющие биты, Ethernet, RS232 или USB. Протоколы для переключателей с компьютерным управлением могут быть нестандартными в зависимости от специфических требований пользователя.
Надежность
Надежность коммутационной матрицы зависит, главным образом, от типа переключателей. Механические коаксиальные реле имеют ограниченный срок службы – около 1 млн переключений, и считаются наименее надежными. У более дорогостоящих коаксиальных реле с высокой надежностью срок службы достигает 10 млн циклов. Коммутаторы на pin-диодах и полевых ключах являются электронными и имеют еще более высокую надежность. Теоретически они никогда не изнашиваются. Это большое преимущество при условии, что соблюдаются остальные требования.
Выводы
При выборе коммутационной матрицы следует учитывать ряд параметров. Сначала следует определиться с ее типом. затем задаются электрические параметры с учетом противоречивых требований. заблаговременная оценка параметров и требований позволяет выбрать наиболее подходящую матрицу.