Высокочастотные переключательные матрицы компании Dow-Key

Введение

Американская компания Dow-Key [1], ведущий мировой производитель переключателей и матриц ВЧ/СВЧ-диапазона, начала свою деятельность в 1945 году. Компания уже достаточно давно зарекомендовала себя как передовой разработчик электромеханических переключателей многих типов, отличающихся высокой эффективностью и надежностью в работе и обеспечивающих число циклов переключения свыше 1 млн. Принципы функционирования и особенности высокочастотных электромеханических переключателей различных производителей были подробно рассмотрены в [2].

Компания Dow-Key также значительно продвинулась по другим направлениям и предлагает более сложные средства для переключения сигналов, выполненные с использованием разнообразных электронных технологий и предназначенные как для гражданских, так и для специальных приложений. В настоящее время компания разрабатывает и выпускает электромеханические, твердотельные и волоконно-оптические ВЧ/СВЧ переключательные матрицы. Данные изделия отличаются общим значительным диапазоном рабочих частот, широкополосным и узкополосным исполнением, разнообразием конфигураций, многими алгоритмами переключения каналов, высокой коммутируемой мощностью, длительным жизненным циклом.

В статье представлен обзор различных групп переключательных матриц и других изделий.

Модули со многими электромеханическими переключателями

Электромеханические переключательные устройства — это самая большая группа изделий, существенно различающихся по структуре, алгоритмам функционирования и характеристикам.

Переключательные решения серии MS представляют собой модули с множеством отдельных переключателей. Данные модули являются логическим продолжением отдельных высокочастотных переключателей и могут рассматриваться как переходное звено к матрицам. Эти решения компании позволяют устанавливать в стандартные корпуса для 19‑дюймовых приборных стоек со стороны задней панели группу коаксиальных переключателей, при этом может использоваться широкий перечень переключателей SPDT–SP12T (табл. 1). В модулях предусмотрены как нормально разомкнутые (normally open), так и переключатели с фиксацией положения (latching). Контакты первых при снятии управляющего напряжения возвращаются в исходное состояние, контакты вторых остаются в замкнутом состоянии. Переключатели могут быть как с нагрузкой, так и без нее, применяемые соединители — SMA female или N female.

Приведенные в таблице 1 данные наглядно показывают, как с увеличением рабочей частоты снижается допустимая входная мощность для переключателей.

Для всех моделей время переключения составляет 50 мс, минимальный жизненный цикл — 1 млн переключений, диапазон рабочих температур 0…+50 °C, то есть устройства используются только внутри отапливаемых помещений, электропитание осуществляется от сети переменного тока 110–240 В, 50–60 Гц (такие параметры температурного режима и электропитания характерны и для изделий других групп, которые рассмотрены в следующих подразделах).

Размеры модулей существенно различаются в зависимости от типов устанавливаемых переключателей (рис. 1): так, высота может изменяться в пределах 1–4U (U — юнит, единица измерения высоты оборудования, равная 44,45 мм).

Рис. 1. Внешний вид модулей с переключателями серии MS с высотой 1, 2 и 3U

Локальное управление модулями происходит либо с помощью LCD-дисплея и клавиатуры, либо с помощью сенсорного LCD-дисплея, которые расположены на передней панели.

Для удаленного управления модулями применяются интерфейс Ethernet (TCP/IP), 10/100 BASE-T, интерфейс GPIB (IEEE‑488) и порты RS‑232 и USB.

В дополнение к готовым модулям с переключателями в данной серии изделий компания предлагает контроллер MS‑6101, позволяющий пользователям создать собственное решение. Контроллер предусматривает установку со стороны задней панели до 24 переключателей разного типа, управляемых с помощью интерфейса CAN и соединителей RJ11. Размеры контроллера 1U×15,25″×19″, масса 4,54 кг. При необходимости установки большего числа переключателей контроллер может расширяться.

Мультиплексоры

Мультиплексоры серии MP — это устройства, позволяющие подключать один вход к одному из многих выходов. Устройства являются двунаправленными. Они выпускаются с конфигурацией от 1×13 до 1×143 (табл. 2).

Мультиплексоры для разных конфигураций имеют высоту корпуса 1–4U (рис. 2).

Рис. 2. Мультиплексор серии MP с высотой корпуса 3U

В мультиплексорах применяются только многопозиционные переключатели типов SP10T и/или SP12T, помимо соединителей SMA female могут применяться соединители N female.

Матрицы с динамической многоканальной коммутацией

Для сложных измерительных задач и комплексных измерительных установок компания разработала переключательные матрицы с динамической многоканальной коммутацией (они носят обозначение crossbar — с перекрестным подключением). Эти матрицы позволяют тестировать группу устройств со многими входами и выходами без необходимости проводить постоянную перекоммутацию высокочастотных кабелей в измерительной установке. Данные матрицы позволяют направлять любой входной сигнал на любой выходной порт, при этом картина подключения входных и выходных портов изменяется и является уникальной для каждого момента времени.

Данная группа устройств представлена матрицами серии CB. Они выпускаются с конфигурациями от 2×2 до 12×12 (табл. 3).

В этих матрицах в переключателях используются соединители SMA- или N‑типа. Как видно, матрицы серии CB изготавливаются для большего числа частотных поддиапазонов, чем рассмотренные ранее устройства, они также характеризуются высокой развязкой. В зависимости от конфигурации матрицы серии CB имеют размеры (1–2)U×15,25″×19″ и (3–4)U×18,5″×19″.

Широкополосные распределительные матрицы

В распределительных матрицах серий 4601 и 4701 сигнал с любого входного порта может разделяться и одновременно транслироваться на множество выходных портов (принцип действия fan-out). Входные радиочастотные сигналы вначале усиливаются с помощью высоколинейных усилителей для компенсации потерь, и уже потом они разделяются и подаются на разные выходы. Это однонаправленные матрицы, они могут функционировать в очень широкой полосе частот 1–18 ГГц. Их характеристики приведены в таблице 4.

Время переключения для обеих матриц составляет 300 мс, их масса — 22,68 кг. Используемые соединители для входов и выходов различаются: N(f) и SMA(f) соответственно.

Матрицы оборудованы компьютерными блоками на основе Windows и съемными носителями для жестких дисков. Локальное управление матрицами обеспечивается с помощью сенсорного экрана, удаленное управление осуществляется с помощью интерфейса Ethernet (TCP/IP, 10/100/1000 BASE-T).

Твердотельные распределительные матрицы

Твердотельная технология является второй основой для изготовления переключательных матриц компании Dow-Key. На ее базе компания выпускает распределительные матрицы четырех серий для разных частотных диапазонов. Матрицы являются однонаправленными. Их характеристики приведены в таблице 5.

Как видно, эти матрицы отличаются от других тем, что здесь, помимо относительно высокочастотных моделей (серия 3202), присутствуют и низкочастотные модели (серии 3204 и 3205), так, рабочие частоты матриц серии 3205 составляют 2–32 МГц.

Время переключения каналов для твердотельных матриц составляет 100 мс. Размеры данных матриц — 3U×21″×19″, масса 18,1 кг (рис. 3).

Рис. 3. Внешний вид твердотельных распределительных матриц

Твердотельные матрицы также оборудованы компьютерными модулями на базе ОС Windows и устройствами для жестких дисков.

Данные матрицы оптимальны для спутниковых систем связи с относительно низкими рабочими частотами и значительной интенсивностью переключения каналов.

Волоконно-оптические матрицы

Интересную группу представляют собой матрицы, в которых используются волоконно-оптические технологии. В матрицах этого типа применяются одномодовый волоконно-оптический кабель, оптические МЭМС-переключатели и делители мощности. Используются МЭМС-переключатели без фиксации замкнутого состояния (non-latching). Также эти матрицы отличаются от других алгоритмами коммутации: они комбинируют методы динамической многоканальной коммутации (crossbar) и методы распределения входных сигналов. В группу входят модели двух серий (табл. 6).

Комбинирование различных сегментов в матрицах происходит, к примеру, следующим образом. В модели 7001 сигналы с двух выходов (15 и 16) перенаправляются в обратную сторону — на входы 9–12 и 13–16 соответственно, что таким образом формирует два сегмента деления сигналов.

Время переключения для этих моделей составляет 35 мс, жизненный цикл 1 млрд переключений, что существенно лучше, чем в электромеханических и твердотельных матрицах. Размеры матриц 3U×20″×19″, масса 13,61 кг.

Модели оборудованы компьютерными модулями, при этом локальное управление осуществляется с помощью сенсорного LCD-экрана и графического интерфейса пользователя (Graphical User Interface — GUI). Для удаленного управления применяется интерфейс Ethernet.

Крупногабаритные переключательные системы

Помимо относительно компактных переключательных матриц, компания разрабатывает крупногабаритные переключательные системы с большим числом каналов (integrated systems). Они изготавливаются с помощью твердотельной технологии. Системы формируются объединением коммутационных и управляющих модулей на базе стандартных приборных стоек или специальных блоков. В группу входят системы трех серий, использующие разные алгоритмы коммутации каналов (табл. 7).

Первые две переключательные системы выполнены на основе стандартных, высоких приборных стоек. Удаленное управление ими осуществляется с помощью интерфейса RS‑422. Третья модель изготовлена в виде относительно невысокого блока (рис. 4), для удаленного управления применяются два порта Ethernet.

Рис. 4. Переключательные системы 5096 (слева) и 5230 (справа)

Все переключательные системы оснащены встроенными компьютерными модулями на базе Windows и носителями для жестких дисков. При локальном управлении помимо сенсорного экрана может применяться клавиатура или манипулятор мышь, подключаемые через порт USB. Крупногабаритные переключательные системы предназначены для наземных комплексов спутниковой связи.

Высокоэффективные переключательные матрицы и системы компании Dow-Key могут быть успешно использованы многими предприятиями и организациями России, работающими в сфере ВЧ- и СВЧ-радиотехники и радиоэлектроники.

Представителем компании Dow-Key в России является ООО «Радиокомп» [3].