Criteri guida per una corretta configurazione dei sistemi di commutazione Rf/microonde

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La crescita costante dell’industria delle telecomunicazioni e la sempre più diffusa integrazione della tecnologia wireless nei prodotti consumer comportano un incremento delle richieste di collaudo dei componenti dei sistemi di comunicazione: essi spaziano dai dispositivi attivi quali gli RFIC (integrati a radiofrequenza), agli MMIC (integrati monolitici a microonde) fino ad arrivare ai SoC (sistemi completi su chip singolo) destinati agli apparati di comunicazione spaziali. Tali componenti vengono solitamente collaudati a frequenze dell’ordine del GHz o superiori.

Tra i componenti principali di un tipico sistema di test si possono annoverare sorgenti di polarizzazione in continua, strumenti per misure in continua, wattmetro RF, analizzatore di rete e così via.
L’automazione del processo di test e il miglioramento dell’efficienza dello stesso richiede l’integrazione di sistemi di commutazione RF/microonde e a bassa frequenza all’interno della stessa apparecchiatura di collaudo.

Con l’ausilio di un semplice commutatore (switch), uno strumento può eseguire misure su più DUT (Device Under Test) con una maggiore efficienza e l’intero processo di collaudo può essere automatizzato. E’ possibile effettuare più test con differenti strumenti sul medesimo DUT, come pure utilizzare molteplici strumenti per il collaudo di più DUT. In questo articolo verranno esaminati i principali aspetti legati alla configurazione di un sistema di commutazione ad alta frequenza, comprese le configurazioni del sistema complessivo e le specifiche di commutazione critiche.

Configurazione di un sistema di commutazione
I sistemi di commutazioni possono essere molto semplici o abbastanza complessi. Per esempio, un commutatore SPDT (Single Pole Double Throw – commutatore unipolare a doppio contatto) può essere usato per instradare segnali verso due DUT differenti. Esso può essere ampliato in una configurazione multiplexer in modo da instradare un singolo strumento verso più DUT. Più strumenti possono essere instradati verso DUT multipli. In questo caso il sistema di commutazione è noto come multiplexer-demultiplexer o matrice di blocco (blocking matrix), in cui un solo percorso di segnale è attivo in ogni momento. Nella figura 1 viene riportata lo schema di un commutatore SPDT e di un multiplexer 1-16.

Fig. 1 – Commutatore SPDT (a sinistra) e multiplexer 1-16 (a destra)

Un sistema di commutazione in configurazione di tipo “blocking” (Fig. 2) permette di collegare più strumenti a più DUT. Ogni strumento può essere collegato solamente a un’uscita alla volta. Per commutare qualsiasi segnale a ogni DUT in qualsiasi momento è possibile ricorrere a una configurazione di tipo “non-blocking” (nota anche come matrice di commutazione). Questa configurazione, sebbene assicuri la massima flessibilità, risulta essere la più costosa.

Fig. 2 – Schema di un commutatore di tipo blocking 4×4

Il numero minimo di cavi di interconnessione in una matrice di tipo non-blocking è dato dal prodotto tra del numero di ingressi e uscite. Quindi una matrice di tipo non-blocking 10×10 richiede 100 cavi e relè SP10T. il principale problema è rappresentato dall’assemblaggio di un sistema di questo tipo. Senza dimenticare che un elevato numero di componenti può compromettere l’affidabilità del sistema. Nelle figure 3 e 4 vengono riportate rispettivamente configurazioni di commutazione di tipo non-blocking 4×4 e 4×6 estesa.

Fig. 3 – Schema di un commutatore di tipo non-blocking 4×4

Fig. 4 – Schema di un commutatore di tipo non-blocking 4×6

Principali parametri del commutatore
Inevitabilmente, l’impiego di un commutatore comporterà un degrado delle prestazioni di un sistema di misura, ragion per cui è importante prendere in considerazione numerosi parametri che possono avere un’influenza significativa sulle prestazioni di un sistema. Nella configurazione di un commutatore è necessario prendere in considerazione sia gli aspetti elettrici che quelli meccanici.

Le specifiche elettriche da prendere in considerazione sono le seguenti:
Adattamento di impedenza: il commutatore è posizionato tra gli strumenti di misura e il DUT, ragion per cui è indispensabile adattare i livelli di impedenza di tutti e tre gli elementi. Per un trasferimento ottimale dei segnali, l’impedenza della sorgente deve essere uguale a quella del commutatore e del DUT. Nel collaudo RF, differenti livelli di impedenza vengono utilizzati per conseguire scopi differenti. Il valore di impedenza più comunemente utilizzato è 30 Ohm, mentre tutti i produttori di relè per applicazioni RF/microonde realizzano relè con un valore di impedenza caratteristica di 50 Ohm. Si tratta di un compromesso tra il valore che ottimizza il trasferimento di potenza (30 Ohm) e quello che minimizza l’attenuazione (75 Ohm).

Perdita di inserzione: ogni componente che viene aggiunto al percorso di segnale genera una perdita di una qualche entità, anche se le perdite risultano particolarmente critiche a frequenze più alte o di risonanza. Quando il livello di segnale è basso o il rumore è elevato, la perdita di inserzione assume una particolare importanza. La perdita di inserzione si manifesta sotto forma di diminuzione della potenza disponibile sul DUT rispetto al valore fornito dalla sorgente dello strumento di collaudo. Normalmente viene definita come rapporto tra la potenza di uscita e la potenza di ingresso (in dB) a una determinata frequenza o relativamente a un dato intervallo di frequenza:

perdita di inserzione (in dB) = -10 log(P_out/P_in)

Isolamento del percorso: alle frequenze più elevate, i segnali che viaggiano su percorsi differenti possono interferire gli uni con gli altri o creare un fenomeno di diafonia (crosstalk) a causa dell’accoppiamento capacitivo tra i percorsi o attraverso la radiazione elettromagnetica. Questo fenomeno assume una particolare rilevanza quando i percorsi del segnale non sono schermati in maniera adeguata o disaccoppiati gli uni dagli altri. La diafonia rappresenta un problema di notevole entità nel momento in cui un segnale debole è adiacente fisicamente a un segnale di forte intensità. Quando il mantenimento dell’isolamento dei segnali risulta essere particolarmente critico, è necessario prevedere misure aggiuntive.

Voltage Standing Wave Rate (VSWR – rapporto di onda stazionaria): ogni componente che viene aggiunto al percorso di segnale in alta frequenza non solo provoca perdita di inserzione, ma anche un incremento dell’onda stazionaria nel percorso di segnale stesso. L’onda stazionaria è provocata dall’interferenza tra l’onda elettromagnetica trasmessa e quella riflessa. Questa onda stazionaria è spesso il risultato di disadattamento di impedenze in differenti parti del sistema o della presenza di punti di connessione nel sistema, come ad esempio i connettori. VSWR è definito come il rapporto dell’ampiezza della massima tensione dell’onda stazionaria e la minima ampiezza di tensione nel segnale. Questo rapporto viene spesso espresso in termini di perdita di riflessione (return loss):

perdita di riflessione (dB) = -20 log ((VSWR-1)/(VSWR+1))

Filtro di segnale: i filtri di segnale possono risultare utili in numerose situazioni, come nel caso in cui venga aggiunto inavvertitamente rumore spurio al segnale quando viaggia attraverso il commutatore, oppure quando la frequenza del segnale originale supera la frequenza di collaudo del DUT. In questi casi è possibile aggiunge
re filtri al commutatore per modificare l’ampiezza di banda della frequenza del segnale oppure per eliminare segnali spuri a frequenze indesiderate dal segnale in viaggio verso il DUT.

Distorsione di fase: nel momento in cui aumentano le dimensioni del sistema di test, segnali provenienti dalla stessa sorgente possono viaggiare verso il DUT attraverso percorsi diversi caratterizzati da lunghezze differenti. Questo fenomeno va spesso sotto il nome di ritardo di propagazione. Per un determinato mezzo conduttivo, il ritardo è proporzionale alla lunghezza del percorso del segnale. Differenti lunghezze del percorso del segnale possono provocare una variazione della fase del segnale. Questo sfasamento potrebbe provocare risultati di misura errati. Di conseguenza è necessario adottare tecniche idonee per assicurare la medesima fase o lunghezza del percorso al fine di compensare effetti di questo tipo.

Affidabilità e ripetibilità: solitamente, un relè a commutazione dovrebbe garantire un ciclo di vita pari ad almeno 1 milione di chiusure, mentre parecchi relè garantiscono durare nominali pari a cinque milioni di chiusure o superiori. La ripetibilità delle prestazioni del commutatore è un problema egualmente importante. La ripetibilità è la misura delle variazioni nelle perdite di inserzione o nello sfasamento imputabili all’uso ripetuto del sistema di commutazione. Nel caso di misure RF non è semplice eliminare gli effetti della variazione ciclica della chiusura del relè del commutatore.

In talune applicazioni, in particolare quando si eseguono commutazioni in presenza di bassi livelli di potenza, è possibile ricorrere a diodi pin a stato solido. Essi garantiscono una dura maggiore rispetto ai commutatori elettromeccanici. Nel caso si debbano eseguire collaudi di elevati volumi e le tolleranze di test non sono così severe, i commutatori a stato solido possono rappresentare una valida soluzione dal punto di vista economico. Gli svantaggi sono rappresentati dalle perdite di inserzione molto più elevate (superiori a 1 dB rispetto alle poche decine di dB dei commutatori elettromeccanici).

L’isolamento dei commutatori a stato solido è decisamente inferiore rispetto a quello dei relè RF elettromeccanici. L’isolamento minimo dei relè elettromeccanici può essere di 100 dB fino a 6 GHz, mentre i commutatori a stato solido possono garantire livelli di isolamento inferiori a 30 dB a frequenze inferiori a 3 GHz. Nel caso di sistemi di collaudo a elevate prestazioni, i relè di tipo elettromeccanico rappresentano senza dubbio la scelta migliore.

Le specifiche meccaniche da prendere in considerazione sono invece le seguenti
Fattore di forma fisico: in funzione del tipo di applicazione, il fattore di forma fisico del commutatore può rappresentare un limite nella scelta del sistema di commutazione. Nel caso di un sistema di commutazione caratterizzato da un numero un numero medio di percorsi di segnale, un apparecchiatura come ad esempio il sistema di commutazione Rf/microonde mod. S46 può mettere a disposizione configurazioni flessibili con un massimo di 32 porte di controllo. Nel caso di sistemi di maggiori dimensioni, si può ricorrere al sistema per il routing di segnali Rf/microonde mod. S41, disponibile in configurazione singola 1 x 72 multiplexer o doppia 1 x 36 multiplexer. Questo sistema può essere configurato anche come multiplexer 6 x 6 o 10 x 10 di tipo non-blocking. Nel caso siano richieste commutazioni sia a basse frequenze sia nel campo delle microonde, il mod. 7116-MWS di Keithley abbina un multiplexer per microonde 1 x 16 con 40 canali a bassa frequenza in continua (DC).

Connettori e cavi: nei sistemi di commutazione Rf/microonde possono essere utilizzati differenti tipi di connettori e cavi. Nella scelta di questo componenti è necessari tenere in considerazione fattori quali frequenza del segnale, impedenza del sistema, potenza nominale e compatibilità con le fixture di collaudo e i manipolatori.

Riscontro visivo dello stato dei relè: i mainframe di commutazione che forniscono un’indicazione mediante LED sullo stato di apertura/chiusura dei relè di commutazione risultano particolarmente utili in fase di ricerca guasti e setup del sistema.

Alcune considerazioni sulla scelta di un sistema di commutazione Rf/microonde
Di seguito verranno analizzati altri fattori che potrebbero causare un deterioramento delle prestazioni del sistema anche nel momento in cui vengono utilizzati componenti di elevato livello qualitativo.

Terminazioni: a frequenze elevate, a meno che tutti i segnali siano terminati in maniera corretta, si avrà una riflessione di una notevole quantità di potenza nei punti di terminazione. Ciò si traduce in un aumento del VSWR. Essa potrebbe anche provocare danni nella sorgente nel caso in cui la porzione riflessa abbia un valore abbastanza elevato. I percorsi di commutazione devono conservare il valore di impedenza caratteristica, pari a 590 o 75 Ohm, mentre ogni singolo percorso deve essere terminato sull’impedenza caratteristica. A differenza di quel che accade alle basse frequenze, dove i contatti di relè possono essere collegati in parallelo o nei punti di incrocio di una matrice (crosspoint), i commutatori a microonde non possono essere connessi in parallelo in quanto l’impedenza caratteristica potrebbe non adattarsi all’impedenza caratteristica standard del sistema. La necessità di mantenere la stessa impedenza in tutto il sistema è la ragione per la quale le matrici a microonde di tipo non-blocking sono contraddistinti da dimensioni molto ampie.

Ampiezza di banda: Molti utilizzatori vorrebbero disporre di un commutatore caratterizzato da un’ampiezza di banda che sia la più estesa e piatta possibile. Commutatori contraddistinti da un’elevata ampiezza di banda sono però costosi. Se non strettamente indispensabile, con un commutatore a banda più stretta si potrebbero raggiungere i medesimi obbiettivi a costi sensibilmente inferiori. Nel caso di frequenze più elevate, bisogna tener conto del fatto che l’ampiezza di banda dipenderà dal tipo di connettori e cavi utilizzati. Per garantire prestazioni del sistema adeguate, sarà molto probabile il ricorso ai dispositivi più costosi.

Trasmissione della potenza: un altro elemento da tenere in considerazione è la capacità del sistema di trasferire la potenza RF dallo strumento al DUT. A causa delle perdite di inserzione, potrebbe essere necessario il ricorso all’amplificazione del segnale. in alcune applicazioni, potrebbe essere richiesta la riduzione della potenza del segnale verso il DUT. Di conseguenza, per assicurare la trasmissione attraverso il commutatore di un livello di potenza che risulti il più accurato possibile potrebbe essere richiesto il ricorso a un amplificatore o a un attenuatore.

Il collaudo di dispositivi e circuiti digitali
Chiunque sia impegnato nel collaudo, nella caratterizzazione o nell’esecuzione di studi di natura ambientale su più dispositivi digitali pilotati con impulsi dell’ordine del GHz o superiore dovrà disporre di un sistema di commutazione a microonde ad alta frequenza per trasferire impulsi non distorti. Poiché i dispositivi sono pilotati da impulsi digitali piuttosto che da segnali di tipi sinusoidale, il sistema di commutazione deve essere in grado di commutare la componente in continua degli impulsi come pure le componenti a più alta frequenza degli impulsi di eccitazione.

Ciò significa che la risposta in frequenza del commutatore deve essere in grado garantire una copertura dalla continua alla massima frequenza in relazione all’ampiezza di banda richiesta del sistema di collaudo. I commutatori elettromeccanici a microonde coassiali sono specificati per operare fino alla continua. Gli utenti po
ssono ipotizzare che la vita operativa del relè sia la stessa a tutte le frequenze, anche se non tutti i commutatori assicurano, in continua, la medesima ripetibilità di prestazioni che garantiscono alle frequenze RF.

Nella figura 5 viene riportato il grafico delle prestazioni di un relè coassiale a microonde a metà della vita utile garantita pari a 1.000.000 di cicli. Nel grafico viene rappresentata la resistenza di contatto in continua del relè in funzione del numero di chiusure del commutatore.

Fig. 5 – Variazioni della resistenza di contatto in funzione del numero di chiusure di un commutatore per un relè a microonde coassiale a metà della vita utile operativa pari a 1.000.000 di cicli

Il grafico evidenzia la modalità di variazione della resistenza di contatto. In particolare si può vedere che la resistenza di contatto non si guasta, supera la specifica di 100 mOhm e resta nello stato di guasto. Essa in realtà si ripristina e opera all’interno delle specifiche, quindi si guasta nuovamente. Variazioni di questo tipo possono influenzare in modo significativo i dati di collaudo. Nelle applicazioni che richiedono la commutazione di segnali impulsivi ad alta frequenza è necessario richiedere al produttore del sistema di commutazione i dati di collaudo per assicurare la ripetibilità del relè nel corso della sua vita operativa sia per i segnali in continua sia per quelli a microonde.

Prestazioni del sistema di commutazione a microonde sul range di funzionamento del dispositivo
Sebbene i produttori di relè a microonde forniscano le specifiche relative all’intervallo di frequenza del relè, queste si riferiscono a valori di perdite di inserzione, isolamento e VSWR in alcuni punti. Un sistema di commutazione a microonde può essere caratterizzato dalla presenza di percorsi che prevedono più relè, cavi e altri componenti che tendono a complicare la determinazione delle perdite di inserzione o delle perdite di riflessione per valori specifici di frequenza importanti per un determinato collaudo.

Se le ampiezze dei segnali rappresentano un elemento critico dei risultati di test, è necessario richiedere informazioni al produttore del sistema di commutazione o procedere al collaudo del sistema per conto proprio.
Nella figura 6 viene riportato il grafico delle perdite di inserzione in funzione della frequenza relativo sette percorsi di un sistema di commutazione multi percorso a 4 GHz.

Fig. 6 – Grafico delle perdite di inserzione in funzione della frequenza ottenuto con un analizzatore di reti vettoriale

Dal grafico si può notare che perdite di inserzione variano di un fattore pari a circa 8 sull’intervallo di frequenza del sistema di commutazione. Queste perdite, inoltre, variano notevolmente a secondo del percorso. In questo caso, le variazioni delle perdite di inserzione tra i percorsi possono attivare a un fattore pari a tre. Nel caso venga richiesto di determinare con precisione i livelli di potenza, questi dati di caratterizzazione risultano essere essenziali.

Qualora siano richiesti percorsi caratterizzati da eguali perdite di inserzione, è possibile aggiungere attenuatori fissi o variabili ai percorsi, Nel caso sussistano differenze di lieve entità tra i percorsi, è possibile regolare le ampiezze dei cavi per equalizzare le perdite di inserzione.
Il grafico di figura 7 evidenzia la variazione del VSWR in funzione della frequenza, fattore questo che influenza la quantità di potenza erogata attraverso il sistema.

Fig. 7 – Variazione del VSWR in funzione della frequenza

Sistemi di commutazione complessi con più componenti presenti sul percorso possono richiedere l’aggiunta di isolatori al fine di proteggere i dispositivi di ingresso (come ad esempio strumenti o dispostivi sotto test) da una quantità eccessiva di potenza riflessa (a questo proposito si faccia riferimento al riquadro: “Una stima quantitativa delle prestazioni del sistema”).

Al fine il minimizzare il VSWR, è consigliabile adottare le tecniche costruttive di seguito riportate:
– minimizzare l’attorcigliamento nei cavi;
– assicurarsi che le schermature del cavo siano esenti da fori o discontinuità;
– accertarsi che tutti i connettori siano serrati in maniera appropriata. I connettori SMA devono essere serrati con una coppia compresa tra 7 e 10”-lbs. Un corretto serraggio dei connettori minimizza le perdite di inserzione attraverso l’interfaccia delle due connessioni e minimizza il deterioramento del VSWR. Esso inoltre assicura la stabilità delle connessioni e contribuisce alla ripetibilità dei risultati attraverso ogni percorso di commutazione;
– controllare la pulizia dei connettori. Alcuni elementi presenti sulla pelle possono contaminare l’isolamento e ridurre le proprietà isolanti del componente.

Equalizzazione del ritardo attraverso percorsi di commutazione multipli
Talvolta, come nel caso del collaudo di alcuni tipi di sistemi di comunicazione e il test di sottosistemi radar, tutti i percorsi di commutazione devono essere caratterizzati da ritardi temporali quasi uguali. Esistono alcune limitazioni sul valore minimo ammissibile della differenza tra più percorsi di commutazione. Persino i relè evidenziano alcune piccole variazioni di fase. Nella figura 8 viene riportata la variazione di fase per un certo numero di relè SP6T. La differenza dell’angolo di fase massima è pari a circa 1 grado. I cerchi rossi di figura 8 evidenziano i ritardi dell’angolo di fase relativamente a due di questi relè.

Fig. 8 – Variazione di fase relativamente a certo numero di relè SP6T

L’impiego di cavi caratterizzati da lunghezze elettriche identiche è la chiave di volta per ottenere sistemi di commutazione adattati in fase. È consigliato l’uso di cavi rigidi o semi-rigidi in quanto essi possono essere specificati con ritardi pari a  1 ps o anche migliori. In ogni caso è bene ricordare che a tolleranze più strette corrisponde un costo maggiore dei cavi.

Nella figura 9 viene riportato la variazione dei tempi di ritardo nel sistema di commutazione. In questo caso i tempi di ritardo attraverso i singoli percorsi sono stanti mantenuti entro 4 ps.

Fig. 9 – Variazione dei tempi di ritardo attraverso un sistema di commutazione

Il sistema richiede cavi adattati in fase. Per ottenere variazioni ancora inferiori è possibile aggiungere al sistema di commutazione elementi con ritardo di fase regolabili. In ogni caso è necessario effettuare un’attenta valutazione dei vantaggi ottenibili rispetto ai costi aggiuntivi che è necessario sostenere.

In questo articolo sono state discusse alcune applicazioni di commutazione tipiche nel collaudo di sistemi di comunicazione. Nel momento in cui si definiscono le specifiche di un sistema di commutazione, il primo passo è prendere in considerazione la configurazione del sistema. Al fine di ottenere un sistema un sistema ottimizzato ma nel contempo economico, i progettisti di sistema devono prendere in considerazione un gran numero di parametri di natura sia elettrica sia meccanica. La piena e corretta comprensione di questi parametri permette di ottenere il miglior compromesso tra flessibilità e costi del sistema. Al fine di ottenere prestazioni elevate dal sistema è necessario prendere in considerazione numerosi dettagli quali ad esempio la caratterizzazione del sistema e le specifiche relative a componenti quali cavi e relè.

Una stima quantitativa delle prestazioni del sistema
La stima del VSWR del sistema richiede l’identificazione
delle sorgenti della potenza riflessa oltre ad alcune considerazioni relative agli effetti della potenza riflessa sui componenti presenti nel percorso del segnale. Nella figura 1 viene schematizzato un semplice percorso RF formato da un combinatore, un isolatore, un attenuatore e i relativi cavi. Nella tabella 1 vengono invece riportate le specifiche relative ai componenti di figura 1: i coefficienti riportati nella tabella sono stati determinati mediante l’equazione 5.

Tab. 1 – Caratteristiche dei componenti del percorso di figura 1 alla frequenza di 2 GHz

Per effettuare la stima del VSWR all’ingresso del sistema bisogna iniziare dalla porta di uscita. I coefficienti di riflessione dei componenti vengono sommati calcolando il valore quadratico medio (rms) per ottenere il valore di VSWR alla porta di ingresso. In questo caso il VSWR ottenuto è pari a 1,389:1. Nella tabella 2 vengono riportate tutte le fasi richieste per arrivare a questo valore.

Tabella 2 – Stima del VSWR di ingresso

Le perdite di potenza sono essenzialmente funzione delle perdite di disadattamento dell’impedenza e resistive lungo il percorso del circuito. I disadattamenti sono solitamente gli elementi che contribuiscono in misura maggiore all’incertezza della misura della potenza e possono essere calcolati a partire dalle ampiezze dei coefficienti di riflessione della sorgente e del carico nel modo seguente:

Il miglior risultato (best-case) di perdite di inserzione tra ingresso e uscita non dovrebbe essere peggiore della somma delle specifiche relative alle perdite di inserzione dei componenti. In questo caso, in presenza di quattro cavi caratterizzati ciascuno da perdite di inserzione di 0,4 dB, un combinatore con perdite di 0,4 dB, un isolatore con perdite di 0.4 dB e un valore di attenuazione massimo di 3.3 dB, si aggiunge un massimo di 5.7 dB di perdite di inserzione attraverso il sistema.

Fig. 10 – Esempio di un percorso di segnale Rf/microonde per l’analisi del VSWR

Il caso peggiore di isolamento tra ingresso e uscita può essere stimato a partire dal più basso valore di attenuazione di 2,7 dB, a cui si aggiungono i 20 dB dell’isolatore e i 3 dB del divisore di potenza (power split) nel combinatore, totalizzando in tal modo almeno 25,7 dB di isolamento tra ingresso e uscita del sistema. L’isolamento tra l’ingresso 1 e l’ingresso 2 non dovrebbe essere peggiore delle specifiche di isolamento del combinatore, pari a 22 dB.

 

Gerald Naujoks, senior staff engineer di Keithley Instruments - Robert Green, senior market development manager di Keithley Instruments

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