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Introduction La croissance continue de l’industrie des communications et l’intégration progressive de la technologie du sans fil dans les produits de grande consommation impliquent l’accroissement des tests sur les composants incorporés dans ces systèmes. Ces tests vont des composants actifs tels que les circuits intégrés pour les radiofréquences (RFIC), les circuits intégrés UHF monolithiques (MMIC), les composants pour les systèmes sur puces (SOC) jusqu’aux systèmes pour les communications spatiales. Typiquement, ces circuits sont testés à des fréquences de l’ordre du Giga Hertz ou supérieures. Les composants principaux d’un système de test classique peuvent comporter une source de polarisation DC, des instruments de mesure DC, un mesureur de puissance RF, un analyseur de réseau, etc… Le processus d’automatisation d’un test et l’amélioration de son efficacité, exigent l’intégration de systèmes de commutation RF/UHF et des systèmes basses fréquences incorporés dans le système lui-même. Avec un commutateur en amont, un instrument seul peut mesurer des composants multiples (DUT) avec une efficacité accrue et le processus de test peut être automatisé. Par ailleurs, il est aussi possible de gérer plusieurs tests avec différents instruments qui s’adressent au même DUT ou encore plusieurs instruments peuvent tester plusieurs DUT. Cet article traite de certains aspects importants sur la manière de configurer un système de commutation RF avec des configurations de systèmes et des spécifications critiques.

Configuration d’un système de commutation

Les systèmes de commutation peuvent être d’une grande simplicité ou revêtir une grande complexité. Par exemple, on peut utiliser un commutateur unipolaire à deux positions (SPDT) pour aiguiller des signaux issus de deux DUT. Ce simple schéma peut être étendu pour constituer un multiplexeur qui permet à un instrument d’être relié à un certain nombre de DUT, ou encore, d’aiguiller plusieurs instruments vers plusieurs DUT. Dans ce dernier cas, le système de commutation est connu sous le nom de multiplexeur/démultiplexeur ou matrice bloquante, avec laquelle une seule voie signal est ouverte à un instant donné. La Figure 1 montre une application dans laquelle un SPDT et un multiplexeur 16 voies sont utilisés.

Un système de commutation dans une "configuration bloquante" (Figure 2) est capable de connecter plusieurs instruments à plusieurs DUT. Un instrument particulier ne peut être connecté qu’à une seule sortie à un instant donné. Pour commuter un signal donné vers un DUT particulier à un instant défini, on peut utiliser une configuration "non bloquante" (appelée parfois matrice de commutation). Bien que cette dernière configuration offre la plus grande souplesse, elle reste cependant la plus coûteuse. En effet, le nombre minimal de câbles d’interconnexion pour une telle matrice est le produit du nombre d’entrées par le nombre de sorties. Par conséquent, une matrice non bloquante de 10x10 nécessite 100 câbles et 100 relais SP10T . L’assemblage d’une telle configuration est un problème majeur. De plus, une telle quantité de composants a pour conséquence de réduire potentiellement la fiabilité du système. La Figure 3 montre une configuration non bloquante de 4x4 et la Figure 4 une extension à 4x6.

Spécifications de commutation critiques

L’utilisation d’un commutateur dégrade inévitablement les performances du système de mesure. Il est donc important de prendre en considération certains paramètres parmi les plus critiques qui affectent les performances du système de façon significative. Deux types de spécifications sont très importants et sont à prendre en compte lorsque l’on veut configurer un commutateur. Ils sont de type électrique et mécanique.

Spécifications électriques

Adaptation des impédances : Le commutateur est positionné entre les instruments de mesure et le DUT. Il est donc situé en un point des plus critiques ce qui nécessite d’adapter les niveaux d’impédances des trois éléments du système (instrument, commutateur, DUT). Pour que le transfert du signal soit de qualité optimale, l’impédance de la source doit être égale à celle du DUT en passant par le commutateur. Dans le cas du test RF, on utilise différents niveaux d’impédance pour atteindre des buts différents. L’impédance la plus communément utilisée est de 30Ω et tous les fabricants de relais RF ou UHF proposent des relais à 50Ω. Cette valeur est un compromis entre la puissance maximale de transfert (à 30Ω) et l’atténuation réduite (à 75Ω).

Perte d’insertion : Tout composant ajouté sur le chemin du signal entraîne une certaine dégradation (perte) du signal, mais la valeur de cette perte est particulièrement grave à des fréquences très élevées ou à la résonance. Lorsque le niveau du signal est faible ou si le bruit est élevé, la perte d’insertion est particulièrement importante. Cette perte se traduit par un affaiblissement de la puissance disponible sur le DUT par rapport à celle émise par l’instrument source. Normalement, elle est spécifiée comme le quotient de la puissance de sortie par rapport à celle de l’entrée et elle s’exprime en dB à une fréquence donnée ou par rapport une gamme de fréquences.

Isolement du chemin : A des fréquences plus élevées, les signaux parcourant différents chemins peuvent interférer entre eux ou engendrer de la diaphonie provoquée par des capacités de couplage entres les différents chemins ou les rayonnements électromagnétiques. Ceci prend une importance particulièrement grave lorsque les chemins suivis par les signaux ne sont pas blindés convenablement ou découplés l’un par rapport à l’autre. La diaphonie devient alors très problématique surtout lorsqu’un signal faible est physiquement adjacent à un signal fort. Il est alors nécessaire de prendre des mesures d’isolement supplémentaires si la conservation de cet l’isolement est un point critique.

Taux de réflexion (VSWR) : Tout composant ajouté sur le chemin du signal haute fréquence provoquera non seulement une perte d’insertion mais aussi une augmentation du niveau d’ondes stationnaires sur son parcours. Ces ondes stationnaires sont produites par interférence des ondes électromagnétiques de transmission avec l’onde réfléchie. Cette interférence est souvent le résultat d’impédances mal adaptées sur différentes parties du système ou de mauvais points de connexion dans le système, comme par exemple les connecteurs. Le taux de réflexion (dans la suite VSWR) est spécifié comme étant le quotient de la plus grande amplitude de tension des ondes stationnaires par rapport à la plus faible amplitude du signal. Le VSWR est aussi souvent exprimé comme étant le quotient de la Perte en Retour : Filtrage du signal : Filtrer le signal peut s’avérer utile dans un certain nombre de circonstances, par exemple lorsque du bruit parasite est ajouté fortuitement au signal dans son parcours à travers le commutateur. Ces filtres peuvent aussi être utiles si la fréquence du signal originel dépasse la fréquence de test du DUT. Dans ces derniers cas, on peut ajouter des filtres au commutateur pour modifier sa bande passante ou éliminer les parasites à des fréquences indésirables avant l’arrivée du signal sur le DUT.

Distorsion de phase : Au fur et à mesure des extensions du système, les signaux issus de la même source peuvent être amenés à parcourir des chemins différents et de différentes longueurs avant d’arriver sur le DUT. Cette spécification est souvent appelée retard de propagation. Pour un support conducteur donné, le retard est proportionnel à la longueur du chemin du signal. Des longueurs de chemin différentes se traduiront par des décalages de phases. Ces décalages peuvent donner lieu à des résultats de mesure erronés. Par conséquent, des techniques pour assurer la même phase ou la même longueur de chemin doivent être utilisées pour compenser de tels effets.

Fiabilité et reproductibilité : D’une manière générale, un relais de commutation doit pourvoir assurer au moins un million de fermetures tout au long de sa durée de vie ; beaucoup de relais sont spécifiés pour cinq millions ou plus. La reproductibilité des performances d’un commutateur est aussi une problématique importante. Cette reproductibilité est la mesure des changements de perte d’insertion ou de phase après un usage répété du système. Dans le cas de mesures RF, il n’est pas facile d’éliminer les effets dus aux changements à la fermeture d’un relais, cycle par cycle.

Dans certaines applications, particulièrement si la commutation est de faible puissance, il est possible d’utiliser des diodes statiques à broches. Celles-ci offrent une durée de vie beaucoup plus longue que les contacts électromécaniques. Si l’on doit effectuer des tests sur de très gros volumes et si les tolérances ne sont pas trop serrées, les relais statiques peuvent s"avérer beaucoup plus économiques. Leur inconvénient principal est une perte d’insertion beaucoup plus importante (plus de 1 dB par rapport aux contacts électromécaniques, qui, eux n’engendrent une perte d’insertion que de quelques dixièmes de dB). Avec les relais statiques l’isolement est aussi beaucoup plus faible que celui des relais électromagnétiques RF. Ces derniers offrent un isolement de 100 dB jusqu’à 6 GHz. Avec les relais statiques, les niveaux d’isolement restent inférieurs à 30 dB jusqu’à 3 GHz. Ainsi, les relais électromécaniques constituent un meilleur choix pour les systèmes de hautes performances.

Spécifications mécaniques

Facteur de forme physique : En fonction de l’application, le facteur d’encombrement du commutateur peut limiter le choix du système de commutation. Pour un système dans une configuration moyenne en termes de nombre de chemins du signal, un appareil tel que le modèle S46RF/Microwave peut offrir de nombreuses configurations jusqu’à 32 ports de contrôle. Pour des systèmes plus importants, l’aiguilleur de signaux, System 41 RF/Microwave, offre un multiplexeur double de 1x36 voies ou simple de 1x72 voies. Il est aussi possible de configurer le système 41 en un multiplexeur de 6x6 voies ou 10x10 en mode non bloquant. Lorsqu’à la fois, la commutation basse fréquence et UHF est nécessaire, le modèle 7116-MWS offre un multiplexeur de 1x16 en UHF avec 40 voies allant du DC aux basses fréquences et des fonctionnalités de contrôle.

Connecteurs et câbles : Il est possible d’utiliser différents types de connecteurs et de câbles dans les systèmes de commutation RF/UHF. La fréquence du signal, l’impédance du système, la puissance délivrée, la compatibilité entre l’organisation du test et sa gestion, etc. sont autant de paramètres qui doivent être pris en compte pour le choix des connecteurs et des câbles Visualisation de l’état des relais : Les commutateurs qui disposent d’un affichage par LED pour indiquer l’état fermé/ouvert des relais sont très utiles pendant la phase de paramétrage du système et pour le dépannage. Considérations à prendre en compte pour l’élaboration d’un système de commutation Plusieurs autres facteurs doivent également être soigneusement pris en compte car ils peuvent aisément dégrader les performances du système même avec des composants de qualité supérieure.

Terminaisons : Aux fréquences élevées, à moins que tous les signaux ne soient pourvus de terminaisons convenables, une accumulation de puissance est réfléchie à partir du point d’arrêt. Ceci est alors considéré comme une augmentation du VSWR. Cette accumulation peut même causer des endommagements à la source si la portion de puissance réfléchie est suffisamment importante. Les chemins de commutation doivent conserver la caractéristique d’impédance de 50Ω ou 75Ω et le chemin doit être arrêté en accord avec la caractéristique d’impédance. Contrairement aux basses fréquences, avec lesquelles les contacts des relais peuvent être connectés en parallèle ou aux points d’intersection matricielle, les commutateurs UHF ne peuvent pas être connectés de cette manière car la caractéristique d’impédance ne serait pas adaptée à l’impédance caractéristique standard du système. Cette obligation de conserver la même impédance dans tout le système est la raison pour laquelle les matrices UHF non bloquantes ressemblent à de gros systèmes.

Bande passante : La plupart des utilisateurs des systèmes de commutation aimeraient disposer d’un commutateur qui accepte une bande passante aussi large et plate que possible. Cependant, les commutateurs à large bande sont très coûteux. Si cette condition n’est pas une nécessité impérative, un commutateur à bande étroite permet d’atteindre les mêmes objectifs pour un prix beaucoup plus faible. Un autre facteur à prendre en considération est que, à des fréquences élevées, la bande passante dépend du type de connecteurs et de câbles utilisés. Des types plus coûteux de ces pièces sont généralement nécessaires pour assurer des performances adéquates au système.

Transmission de puissance : Une autre considération importante à prendre en compte est la capacité du système à transférer la puissance RF de l’instrument jusqu’au DUT. En raison de la perte d’insertion, le signal peut nécessiter une amplification. Inversement, dans certaines applications, il peut être nécessaire de limiter la puissance du signal appliquée au DUT. Ainsi, un amplificateur ou un atténuateur peuvent s’avérer nécessaires pour être certain que le niveau précis de puissance est bien transmis à travers le commutateur.

Test des circuits numériques et des composants Tout utilisateur, pour tester, caractériser ou effectuer des études environnementales sur un certain nombre de composants numériques, pilotés par impulsions au niveau du Gigahertz ou plus, doit utiliser un système de commutation UHF pour transférer les impulsions sans distorsion. Du fait que les composants sont pilotés par des impulsions numériques plutôt que par des signaux sinusoïdaux, le système de commutation doit être capable de commuter toutes les fréquences depuis le DC jusqu’aux fréquences composantes les plus élevées des impulsions d’excitation. Ceci veut dire que la réponse fréquentielle du commutateur doit couvrir une large bande allant du DC à la fréquence maximale requise pour la bande passante du système de test. Les coaxiaux UHF et les commutateurs électromécaniques sont prévus pour fonctionner jusqu’au DC. Les utilisateurs doivent alors faire l’hypothèse que la durée de vie spécifiée du relais est la même à toutes les fréquences, mais tous les commutateurs ne fonctionnent pas de façon reproductible et de la même manière au DC qu’aux fréquences RF.

La Figure 5 montre un tracé des performances d’un relais coaxial UHF au point milieu de son cycle de vie garanti, de 1 million de cycles. La résistance de contact de ce relais en DC est tracée en fonction des activations à la fermeture de celui-ci. A noter les variations de la résistance de contact. A noter aussi que la résistance de contact en DC ne tombe jamais en dessous ni au-dessus de ses spécifications de 100 mΩ et, par conséquent reste dans un état incorrect. Il récupère ensuite et fonctionne dans ses spécifications, puis retombe dans un état incorrect. Des variations telles que celles-ci peuvent affecter les données de test de façon significative. En ce qui concerne les applications qui demandent une commutation de signaux HF par impulsions, demandez au fabricant de votre commutateur de vous fournir ses résultats de test de façon à vous assurer que le relais reste reproductible durant toute sa durée de vie spécifiée, à la fois pour les signaux DC et les signaux UHF.

Performances d’un système de commutation UHF sur toute la durée de fonctionnement d’un composant

Bien que les fabricants de relais UHF fournissent des spécifications sur la gamme de fréquences du relais, ils fournissent aussi généralement la perte d’insertion, l’isolement et le VSWR mais pour quelques points seulement. Un système de commutation UHF peut présenter des chemins divers qui traversent plusieurs relais, câbles et autres composants. Ceci vient compliquer la détermination de la perte d’insertion ou perte en retour à des fréquences spécifiques et ceci peut prendre une grande importance pour un test donné.

Si l’amplitude du signal est un aspect critique pour les résultats, demandez au fabricant de votre commutateur de vous fournir les résultats de ses propres tests ou testez vous-même votre système. La Figure 6 représente le tracé, avec un analyseur de réseau vectoriel, de la perte d’insertion en fonction de la fréquence pour 7 chemins d’un système de commutation à chemins multiples et à la fréquence de 4 GHz. A noter que la perte d’insertion varie d’un facteur 8 environ par rapport à la gamme de fréquences du système de commutation. A noter aussi que les pertes d’insertion peuvent varier de façon significative selon le chemin. Dans ce cas, la variation de la perte d’insertion entre chemins peut varier jusqu’à un facteur trois. Si une détermination précise des niveaux de puissance est requise, cette donnée de la caractérisation est essentielle. S’il est nécessaire que les pertes d’insertion dues aux chemins soient égales, il est nécessaire d’ajouter des atténuateurs fixes ou variables sur ces chemins pour satisfaire cette condition. Dans les cas où de petites différences existent d’un chemin à l’autre, il faut ajuster la longueur des câbles afin d’égaliser les pertes d’insertion.

min donné, il peut être nécessaire d’ajouter des isolateurs pour protéger les entrées d’éléments tels que, les instruments ou DUT et les protéger d’une puissance réfléchie excessive. (Reportez-vous en annexe pour plus d’informations sur l’estimation du VSWR et la perte en retour).

Pour réduire le VSWR, utilisez les techniques de construction recommandées, ci-dessous :

 Réduisez les ondulations dans les câbles,

 Assurez-vous que le blindage des câbles ne présente pas de trous ni de discontinuités,

 Vérifiez que le couple de serrage de tous les connecteurs est convenable. Les connecteurs SMA doivent être vissés avec une force de 7 à 10 in-lbs1 Un couple de serrage convenable des connecteurs réduit la perte d’insertion à travers l’interface des deux connexions et réduit aussi la dégradation du VSWR. Un serrage convenable permet de s’assurer que les connexions sont stables et contribuent au maintien de la reproductibilité des résultats à travers chaque chemin de commutation,

 Maintenez aussi les connecteurs propres. Les huiles et les sels issus de la peau peuvent contaminer l’isolement et diminuer les propriétés d’isolement du composant.

Egalisation du retard à travers les chemins de commutation multiples

Dans certains cas, tels que le test de certains types de systèmes de commutation et celui de sous-systèmes radars, tous les chemins doivent présenter des retards pratiquement identiques. Cependant, il y a des limitations sur ce que peuvent être ces différences entre chemins. Même les relais présentent de légères variations de phase. La Figure 8 montre la variation de phase à travers un certain nombre de relais SP6T. Le différentiel angulaire de phase est d’environ un degré maximum. Les cercles rouges mettent en évidence les retards angulaires de phase pour deux de ces relais.

L’utilisation de câbles de longueur électrique identique est un point clé pour réaliser un système de commutation adapté, au regard de la phase. Des câbles rigides ou semi rigides sont recommandés car ils peuvent être commandés avec des spécifications de retards de ± 1 ps ou moins. Cependant, n’oubliez pas que plus la tolérance est serrée plus le prix des câbles est élevé.

La Figure 9 indique la variation des retards à travers un système de commutation réel. Dans ce cas, les retards à travers les différents chemins sont maintenus à moins de 4ps l’un par rapport à l’autre. Pour cela, le système doit utiliser des câbles adaptés en phase. Pour obtenir des variations de phase encore plus étroites, on peut ajouter des éléments retardateurs de phase réglables. Cependant, il est important d’évaluer l’avantage que l’on peut en retirer en fonction de l’augmentation substantielle du coût que cela entraîne.

Conclusion

Dans cet article, il a été brièvement traité des applications typiques de la commutation pour le test en télécoms. Lors de la spécification d’un système, la première étape est de prendre en considération la configuration de ce système. Afin de parvenir à un optimum, tout en pensant à l’économie, les concepteurs doivent peser une grande diversité de paramètres électriques et mécaniques. La compréhension de ces paramètres permet d’établir des compromis intelligents entre la souplesse de commutation et le prix du système. De plus, les subtilités associées à la réalisation d’un système de hautes performances nécessite de prendre en considération un niveau significatif de détails y compris la caractérisation du système et des spécifications bien définies pour des éléments tels que les relais et les câbles.

A propos des auteurs :

Gerald Naujoks est ingénieur et chef de service chez Keithley Instruments et Robert Green est directeur du développement marketing chez Keithley.