RFスイッチマトリックス

RFスイッチマトリックスとは、複数の入力と複数の出力間で無線周波数（RF）信号をルーティングするように配置されたRFスイッチのアレイです。RFマトリックスを必要とする用途には、地上システム、試験装置、通信システムなどがあります。

RFマトリックスは、設計検証と製造テストの両方において、テスト対象デバイス（DUT）とテスト・測定機器の間で高周波信号をルーティングするために、テストシステムで使用されます。RF/マイクロ波スイッチマトリックスは、信号ルーティングに加えて、減衰器、フィルタ、方向性結合器などの受動信号調整デバイスや、増幅器、周波数変換器などの能動信号調整デバイスを含む信号調整コンポーネントも備えている場合があります。テストシステムの信号ルーティングと信号調整のニーズは設計ごとに異なるため、RF/マイクロ波スイッチマトリックスは、テストシステムエンジニアまたは外部委託業者によって、新しいテストシステムごとにカスタム設計される場合があります。

スイッチマトリックスは、RFスイッチや信号コンディショナーなどの個別の電子部品で構成され、これらが機械的な構造体または筐体内に一体化されています。スイッチと信号コンディショナーはケーブルで相互接続されています。スイッチマトリックスは、ドライバ回路と電源を用いて、スイッチと信号コンディショナーに電力を供給し駆動します。スイッチマトリックスは、信号源および測定機器から被測定デバイス（DUT）へ信号をルーティングするために、コネクタまたは固定具を使用します。スイッチマトリックスは通常、信号経路を短縮し、挿入損失と信号劣化を低減するために、DUTの近くに配置されます。

スイッチマトリックスの目的は、信号ルーティングと信号調整をテストシステム内の様々な場所に分散させるのではなく、テストシステム内の1か所に集約することです。信号ルーティングと信号調整をテストシステム内の1か所に集約することには、次のような利点があります。

• 被試験デバイスと試験装置間の校正面が小さくなり、より中心に位置するようになるため、特性評価が容易になる。
• スイッチと信号コンディショナーは、電力、取り付け、ドライバに関する要件が似ているため、これらを1か所に集約することで、電源供給と制御に必要な電源とドライバ回路を1つに絞ることができます。
• 信号経路を短くすることで、挿入損失を低減し、信号の完全性を向上させることができます。
• 正確な長さの信号経路が可能になるため、位相の問題を制御できる。
• サービスとサポートを簡素化します。

スイッチマトリックスは、信号調整のニーズ、周波数範囲、帯域幅、電力といった要素がアプリケーションごとに異なるため、テストシステム設計者にとって特有の問題となります。テストおよび計測機器メーカーは、「万能」なソリューションを提供することはできません。そのため、テストシステム設計者は、スイッチマトリックスの設計に関して、内製化または外注化の2つの選択肢しかありません。

スイッチマトリックスで一般的に使用されるスイッチには、同軸電気機械式スイッチとソリッドステートスイッチ（電子スイッチとも呼ばれる）の2種類があります。同軸電気機械式スイッチは、その構造に基づいて、ラッチングリレーと非ラッチングリレーの2つのカテゴリにさらに分類できます。

ソリッドステートスイッチには、 PINダイオード型、FET型、ハイブリッド型の3種類があります。ソリッドステートスイッチが電磁スイッチに比べて優れている点は以下のとおりです。

• 切り替え速度がはるかに速い（少なくとも1万倍速い）
• 彼らはほぼ無限の寿命を持っている
• それらは非常に安定していて再現性がある

一方、固体スイッチは周波数範囲全体にわたって非線形部分を持つため、帯域幅が制限される。

電気機械式スイッチ（EM）は、以下の点で優れています。

• 挿入損失
• VSWR
• 電力処理
• 絶縁仕様。

こうした理由から、スイッチマトリックス設計ではEMスイッチがはるかに頻繁に使用される。

カスタムスイッチマトリックスは、無線および航空宇宙防衛分野のテストシステムにおいて、設計検証や製造テストのために広く使用されています。その複雑さは、単純なものから複雑なものまで多岐にわたります。

• シンプルな設計のスイッチマトリックスアプリケーションの例としては、12系統の衛星テレビ信号を単一のスペクトラムアナライザ入力にルーティングし、衛星信号の信号完全性チェックを実行する1:16 MUX構成が挙げられます。このような設計には、5個の単極4投同軸EMスイッチと信号ルーティングに必要な同軸ケーブル、さらにスイッチの取り付け、給電、動作に必要な機械的なインフラストラクチャ、電源、およびスイッチドライバ回路が必要となります。
• より複雑なスイッチマトリックスの例として、複数の高速シリアルデータバスのジッタを測定するアプリケーションが挙げられます。まず、スイッチマトリックスはデータバス信号を受信し、次に、テストおよび測定機器に信号を送る前に、信号に対して適切なスイッチングと信号調整を行います。このカスタムスイッチマトリックスは、14個のEMスイッチと、パワースプリッタ、アンプ、ミキサー、フィルタ、アッテネータなど、さまざまな信号コンディショナを使用します。

RFスイッチマトリックスは、テレビ放送市場においても、テレビチャンネルの受信と再放送に広く利用されています。一般的に、ケーブルテレビのヘッドエンドにはマトリックスが搭載されており、異なる衛星に向けられた複数のパラボラアンテナからの信号を、受信機群へとルーティングできるようになっています。RFスイッチマトリックスを使用することで、中断することなく遠隔操作でチャンネル変更を行うことができます。

カスタムRF/マイクロ波スイッチマトリックスを最初から最後まで設計する際には、主に6つの課題があります。

1. 機械設計：電気的にシールドされた筐体またはボックス、内部部品取り付けブラケット、および部品とケーブルのレイアウトの設計。
2. RF/マイクロ波設計：信号ルーティングおよび信号調整の設計とテスト計画。信号経路を適切に特性評価するためには、スイッチマトリックスの校正計画を策定する必要がある。
3. 電源および制御ハードウェア：電源およびスイッチドライバ回路の設計と開発が必要となります。
4. ソフトウェア制御：制御ハードウェアとテストシステムプログラム間のインターフェースを提供するソフトウェアドライバを開発する必要があります。
5. ドキュメント：保守や将来的な設計の活用を支援するため、スイッチマトリックス全体の設計を文書化する必要があります。
6. 保守計画：スイッチマトリックスの寿命がテストシステムの寿命と同程度になるように、保守計画を策定する必要があります。

試験装置メーカーは、電源、ドライバ回路、ソフトウェアドライバを提供する機器を提供しており、これにより、スイッチマトリックス設計における6つの課題のうち2つ（電源および制御ハードウェアの設計、そしてソフトウェアドライバの開発）が不要になるため、試験システム設計者の時間とコストを大幅に削減できます。

多くの企業が、カスタムスイッチマトリックス設計を支援する新しい製品コンセプトを導入しています。これらの新製品は、テストシステム設計者向けに、電源、ドライバ回路、ソフトウェアドライバをすべてメインフレームに統合した製品を提供します。メインフレームは、スイッチやその他のコンポーネントを柔軟にマウントできるだけでなく、設計ニーズに合わせて簡単に変更できる前面パネルと背面パネルも備えています。これらの新製品は、6つの設計課題のうち、機械設計、電源および制御ハードウェア設計、ソフトウェアドライバ開発の3つを解消します。

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