مصفوفة مفاتيح الترددات اللاسلكية

مصفوفة مفاتيح الترددات الراديوية هي عبارة عن مجموعة من مفاتيح الترددات الراديوية مرتبة لتوجيه إشارات الترددات الراديوية بين عدة مداخل ومخارج. تشمل التطبيقات التي تتطلب مصفوفات الترددات الراديوية أنظمة التأريض، ومعدات الاختبار، وأنظمة الاتصالات.

تُستخدم مصفوفة الترددات الراديوية في أنظمة الاختبار، سواءً في التحقق من التصميم أو في اختبارات التصنيع، لتوجيه إشارات الترددات العالية بين الجهاز قيد الاختبار ومعدات الاختبار والقياس. بالإضافة إلى توجيه الإشارات، قد تحتوي مصفوفة مفاتيح الترددات الراديوية/الميكروويف على مكونات لتكييف الإشارات، بما في ذلك أجهزة تكييف الإشارات السلبية، مثل المخففات والمرشحات والمقرنات الاتجاهية، بالإضافة إلى أجهزة تكييف الإشارات النشطة، مثل التضخيم ومحولات التردد. ونظرًا لاختلاف احتياجات توجيه الإشارات وتكييفها في نظام الاختبار من تصميم لآخر، يُمكن تصميم مصفوفات مفاتيح الترددات الراديوية/الميكروويف خصيصًا لكل نظام اختبار جديد، إما من قِبل مهندس نظام الاختبار أو من قِبل مُقاول مُتعاقد معه.

تتكون مصفوفة التبديل من مكونات إلكترونية منفصلة، ​​تشمل مفاتيح الترددات اللاسلكية ومكيفات الإشارة ، مثبتة معًا في هيكل ميكانيكي أو غلاف. تربط الكابلات بين المفاتيح ومكيفات الإشارة. تستخدم مصفوفة التبديل دائرة تشغيل ومصدر طاقة لتزويد المفاتيح ومكيفات الإشارة بالطاقة. كما تستخدم موصلات أو تجهيزات لتوجيه الإشارات من أجهزة التزويد والقياس إلى الجهاز قيد الاختبار. عادةً ما توضع مصفوفة التبديل بالقرب من الجهاز قيد الاختبار لتقصير مسارات الإشارة، مما يقلل من فقد الإدخال وتدهور الإشارة.

تتمثل وظيفة مصفوفة التبديل في نقل توجيه الإشارة ومعالجتها إلى موقع مركزي واحد في نظام الاختبار، بدلاً من توزيعها على مواقع متعددة. ويحقق نقل توجيه الإشارة ومعالجتها إلى موقع واحد في نظام الاختبار المزايا التالية:

• تصبح منطقة المعايرة بين الجهاز قيد الاختبار ومعدات الاختبار أصغر وأكثر مركزية، مما يجعل عملية تحديد خصائصها أسهل.
• تتمتع المفاتيح ومكيفات الإشارة بمتطلبات طاقة وتركيب وتشغيل متشابهة، لذا فإن نقلها إلى موقع واحد يعني الحاجة إلى مصدر طاقة واحد ودائرة تشغيل واحدة فقط لتشغيلها والتحكم فيها.
• تؤدي مسارات الإشارة القصيرة إلى تقليل فقد الإدخال وزيادة سلامة الإشارة .
• من الممكن إنشاء مسارات إشارة ذات طول دقيق، وبالتالي التحكم في مشاكل الطور.
• يبسط عملية الخدمة والدعم.

تُشكّل مصفوفات التبديل تحديًا فريدًا لمصممي أنظمة الاختبار، إذ تختلف متطلبات معالجة الإشارة، ونطاق التردد، وعرض النطاق الترددي، واستهلاك الطاقة من تطبيق لآخر. ولا تستطيع شركات الاختبار والقياس تقديم حلٍّ واحد يناسب جميع التطبيقات. وهذا يترك مصممي أنظمة الاختبار أمام خيارين لتصميم مصفوفات التبديل: التصميم الداخلي أو التصميم الخارجي .

يُستخدم نوعان من المفاتيح عادةً في مصفوفات المفاتيح: المفاتيح الكهروميكانيكية المحورية ومفاتيح الحالة الصلبة ، والمعروفة أيضًا بالمفاتيح الإلكترونية . ويمكن تقسيم المفاتيح الكهروميكانيكية المحورية إلى فئتين بناءً على بنيتها: مرحلات التثبيت ومرحلات عدم التثبيت.

تتوفر مفاتيح الحالة الصلبة بثلاثة أنواع: ثنائي PIN ، و FET ، والهجينة. وتتمثل مزايا مفاتيح الحالة الصلبة مقارنةً بمفاتيح EM فيما يلي:

• تتميز بسرعة تبديل أسرع بكثير (أسرع بما لا يقل عن 10000 مرة).
• لديهم حياة شبه أبدية
• إنها مستقرة للغاية وقابلة للتكرار

من ناحية أخرى، بما أن مفاتيح الحالة الصلبة تحتوي على أجزاء غير خطية ضمن نطاق ترددها، فإن عرض النطاق الترددي الخاص بها محدود.

يوفر المفتاح الكهروميكانيكي (EM) ما يلي:

• فقدان الإدخال
• نسبة الموجة المرتدة
• قدرة تحمل الطاقة
• مواصفات العزل.

لهذه الأسباب، تُستخدم مفاتيح EM بشكل متكرر في تصميمات مصفوفة المفاتيح.

تُستخدم مصفوفات التبديل المخصصة على نطاق واسع في أنظمة الاختبار في قطاعي الاتصالات اللاسلكية والدفاع الجوي والفضاء للتحقق من التصميم واختبار التصنيع. وتتفاوت هذه المصفوفات في درجة تعقيدها، من البسيطة إلى المعقدة.

• من الأمثلة على تطبيقات مصفوفة التبديل البسيطة، تكوين مُضاعِف إشارات بنسبة 1:16، حيث يتم توجيه 12 إشارة تلفزيونية فضائية إلى مدخل محلل طيفي واحد يقوم بفحص سلامة الإشارة. يتطلب هذا التصميم 5 مفاتيح كهرومغناطيسية أحادية القطب رباعية الاتجاه، بالإضافة إلى كابل التوصيل المحوري اللازم لتوجيه الإشارة، وبنية تحتية ميكانيكية، ومصدر طاقة، ودائرة تشغيل للمفاتيح لتركيبها وتزويدها بالطاقة وتشغيلها.
• من الأمثلة على مصفوفة التبديل الأكثر تعقيدًا تطبيقٌ يقيس الارتعاش على عدة ناقلات بيانات تسلسلية عالية السرعة. في البداية، تستقبل مصفوفة التبديل إشارات ناقل البيانات، ثم تُجري التبديل المناسب ومعالجة الإشارات قبل إرسالها إلى أجهزة الاختبار والقياس. تستخدم مصفوفة التبديل المُخصصة هذه 14 مفتاحًا كهرومغناطيسيًا وعددًا من مُعالجات الإشارات المختلفة، بما في ذلك: مُقسّمات الطاقة، والمُضخّمات، والخلاطات، والمُرشّحات، والمُخفّفات.

تُستخدم مصفوفات تبديل الترددات اللاسلكية بكثرة في سوق البث التلفزيوني لاستقبال وإعادة بث القنوات التلفزيونية. عادةً ما تحتوي محطة البث الرئيسية للتلفزيون الكبلي على مصفوفة تُمكّن من توجيه إشارات أطباق استقبال متعددة موجهة لأقمار صناعية مختلفة إلى مجموعة من أجهزة الاستقبال. تتيح مصفوفة تبديل الترددات اللاسلكية تغيير القنوات عن بُعد، دون أي انقطاع.

هناك ستة تحديات رئيسية عند تصميم مصفوفة مفاتيح الترددات الراديوية/الميكروويف المخصصة من البداية إلى النهاية:

1. التصميم الميكانيكي: تصميم غلاف أو صندوق محمي كهربائياً، وأقواس تثبيت المكونات الداخلية، مع تخطيط المكونات والكابلات.
2. تصميم الترددات الراديوية/الميكروويف: تصميم مسار الإشارة ومعالجتها، بالإضافة إلى خطة اختبار. يلزم وضع خطة معايرة لمصفوفة التبديل لتوصيف مسارات الإشارة بدقة.
3. أجهزة الطاقة والتحكم : ستحتاج دوائر مصدر الطاقة ودائرة تشغيل المفاتيح إلى التصميم والتطوير.
4. التحكم بالبرمجيات: سيلزم تطوير برنامج تشغيل لتوفير واجهة بين أجهزة التحكم وبرنامج نظام الاختبار.
5. التوثيق: يجب توثيق تصميم مصفوفة التبديل بالكامل لدعم الصيانة والاستفادة المحتملة من التصميم في المستقبل.
6. خطة الصيانة: يجب وضع خطة صيانة لضمان أن عمر مصفوفة التبديل يدوم طويلاً مثل عمر نظام الاختبار.

يقدم مصنعو معدات الاختبار أجهزة توفر مصدر طاقة ودوائر تشغيل وبرامج تشغيل توفر بشكل أساسي الوقت والتكلفة لمصمم نظام الاختبار من خلال القضاء على اثنين من تحديات تصميم مصفوفة التبديل الستة: تصميم أجهزة الطاقة والتحكم بالإضافة إلى تطوير برامج التشغيل.

قدمت العديد من الشركات مفاهيم منتجات جديدة تُساعد في تصميم مصفوفات التبديل المخصصة. توفر هذه المنتجات الجديدة لمصممي أنظمة الاختبار مصدر طاقة ، ودوائر تشغيل، وبرامج تشغيل، جميعها مُدمجة في وحدة رئيسية. توفر هذه الوحدة الرئيسية خيارات تركيب مرنة للمفاتيح والمكونات الأخرى، بالإضافة إلى لوحات أمامية وخلفية فارغة يُمكن تعديلها بسهولة لتناسب احتياجات التصميم. تُزيل هذه المنتجات الجديدة ثلاثة من تحديات التصميم الستة: التصميم الميكانيكي، وتصميم أجهزة الطاقة والتحكم، وتطوير برامج التشغيل.

• معلومات حول التبديل في نظام اختبار الميكروويف لشركة VXI Technologies
• مذكرة تطبيقية تشرح الفرق بين مفاتيح المصفوفة "المانعة" و"غير المانعة" من JFW
• ملاحظات تطبيقية من شركة تشارتر للهندسة تشرح كيفية عمل مفتاح الترددات اللاسلكية
• مذكرة تطبيقية تشرح تأثيرات عمر التشغيل وقابلية تكرار المفاتيح في مصفوفة المفاتيح من شركة Agilent Technologies
• مذكرة تطبيقية تناقش مختلف أحجام مصفوفات التبديل المطلوبة في اختبارات الترددات الراديوية والميكروويف من شركة Agilent Technologies
• مفاتيح المصفوفة الترددية في الاتصالات عبر الأقمار الصناعية