Présentation des spécifications essentielles en commutation RF

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This document is part 1 of the Guide to Selecting an RF Switch. This 5-part guide is an accumulation of insightful content that will arm you with the necessary knowledge to design your RF switch network. This section will explain basic RF switch specifications such as insertion loss, VSWR, characteristic impedance, and rise time.

For more information on NI's RF switch offering visit NI RF Switches main product page

Contenu

Introduction à la commutation RF

Face à l'émergence des nouveaux produits de commutation RF dédiés au développement de systèmes de test, choisir le bon produit pour votre application s'avère de plus en plus difficile. La plupart des fournisseurs RF décrivent leurs produits de commutation RF à partir de deux spécifications essentielles : la topologie et la bande passante (comme par exemple le multiplexeur NI PXI-2594 2,5 GHz 4x1). Même si ces spécifications sont effectivement importantes, voire essentielles, pendant la phase d'évaluation, elles n'offrent pas assez d'informations pour que l'achat puisse se faire en toute connaissance de cause. En partant de cette constatation, l'objectif de ce tutorial est de vous présenter les sept spécifications à considérer au moment de concevoir votre réseau de commutation RF.

  1. Impédance caractéristique
  2. Bande passante
  3. Topologie
  4. Perte d'insertion
  5. Perte par réflexion et rapport d'ondes stationnaires (ROS)
  6. Isolation et diaphonie
  7. Temps de montée

Avant d'aborder l'impédance caractéristique et les autres spécifications propres à la commutation RF, il est important de comprendre la différence qui existe entre la façon dont les signaux se propagent dans les circuits à courant continu et les systèmes RF. Dans les circuits à courant continu ou dans les circuits où le signal de propagation présente des fréquences basses, la tension du signal à différents endroits du câble varie peu. C'est tout à fait différent pour les signaux RF ou à fréquence élevée pour lesquels la longueur d'onde du signal est très petite comparée à celle du câble, ce qui permet à plusieurs cycles du signal de se propager à travers le câble simultanément.

Prenons comme exemple le cas de deux ondes (signaux) de fréquences différentes qui sont censées se propager à travers un câble coaxial d'un mètre. La fréquence du premier signal est de 1 MHz tandis que celle du second signal est de 1 GHz. Pour calculer leurs longueurs d'ondes, nous utiliserons la formule suivante :

Dans la formule ci-dessus, l correspond à la longueur d'onde du signal, f à sa fréquence et VF au facteur de vitesse du câble. Imaginons que le câble coaxial utilisé pour acheminer les deux signaux soit de type RG8, réputé pour avoir un facteur de vitesse de 0,66.

Posons

 

Signal  1 où f = 1 MHz :

 

Figure n°1. Onde sinusoïdale de 1 MHz traversant un câble coaxial d'un mètre

Dans le cas du Signal 1, la longueur du câble coaxial est nettement plus petite que la longueur d'onde du signal qui le traverse. Par conséquent, comme l'illustre la Figure n°1, la variation de potentiel du signal à différents endroits du câble est insignifiante.

Pour Signal 2 où f = 1 GHz :

Figure n°2. Onde sinusoïdale de 1 GHz traversant un câble coaxial d'un mètre

Dans le cas du Signal 2, la longueur du câble coaxial est bien plus importante (près de 5 fois plus) que la longueur d'onde du signal qui le traverse. Par conséquent, à n'importe quel moment, plusieurs cycles du signal traverseront le câble simultanément. À cause de leurs longueurs d'ondes réduites, les signaux haute fréquence traversent les câbles sous forme d'ondes. De tels signaux subissent donc des réflexions et une perte de puissance au moment d'évoluer entre des supports variables (théorie des ondes). Dans le cas de circuits électriques, cette variation de support a lieu lorsque le signal (l'onde) est censé traverser les composants du système qui présentent des impédances caractéristiques variables. Par conséquent, pour minimiser les réflexions et la perte de puissance, les systèmes RF doivent être construits à base de composants appropriés avec des impédances adéquates. De façon empirique, la dégradation des signaux due à la perte de puissance et les réflexions qui ont lieu dans la ligne de transmission deviennent significatives une fois que la longueur du câble dépasse 0,01 de la longueur d'onde du signal utilisé.

Impédance caractéristique

L'impédance caractéristique est un paramètre de la ligne de transmission déterminé par la structure physique de celle-ci. Elle permet aussi de déterminer la façon dont les signaux de propagation sont transmis ou réfléchis dans la ligne. L'impédance de composants RF n'est pas une résistance à courant continu et, dans le cas d'une ligne de transmission, peut se calculer en utilisant la formule suivante :

Figure n°3. Impédance caractéristique d'une ligne de transmission

Dans la formule ci-dessus :

Z0 = impédance caractéristique

L = Inductance par longueur d'unité de la ligne de transmission RF due aux champs magnétiques qui se forment autour des fils lorsque le courant circule à travers eux.

C = Capacitance par longueur d'unité de la ligne de transmission RF. Il s'agit aussi de la capacitance qui existe entre deux conducteurs.

R = Résistance à courant continu par longueur d'unité de la ligne de transmission RF

G = Conductance diélectrique par longueur

ω = fréquence (radians/s)

 

Vu qu'un câble type n'a ni résistance ni fuite diélectrique, son impédance caractéristique peut se calculer à partir de la formule précitée de la façon suivante :

Étant donné que tous les composants d'un système RF doivent présenter une impédance adaptée pour réduire au minimum les pertes de signaux et les réflexions, les fabricants de composants conçoivent leur équipement de telle sorte qu'il présente une impédance caractéristique de 50 ou 75 Ω. Les systèmes RF de 50 Ω constituent l'essentiel du marché RF et englobent la plupart des systèmes de communication. Moins nombreux, les systèmes RF 75 Ω se retrouvent essentiellement dans les systèmes vidéo RF. Il est essentiel que les ingénieurs veillent à ce que les éléments tels que les câbles et les connecteurs, en plus d'autres instruments qui peuvent se trouver dans le système de test, présentent une impédance adaptée.

Perte d'insertion

On déplore une perte de puissance importante dans le signal si la longueur de la ligne de transmission qu'il est censé traverser est supérieure de 0,01 à sa propre longueur d'onde. La spécification "perte d'insertion" d'un module de commutation est une mesure de cette perte de puissance et de l'atténuation du signal. La perte d'insertion d'un module de commutation à une fréquence particulière peut servir à calculer la perte de puissance ou l'atténuation de tension causée par le module de commutation sur un signal à cette fréquence.

Formule pour calculer la perte de puissance :

 

Formule pour calculer l'atténuation de tension :

Pour comprendre le concept de perte d'insertion, pensez à une matrice de commutation ou à un relais en guise de filtre passe-bas. Chaque matrice de commutation du monde physique présente une capacité, une inductance, une résistance et une conductance parasites. Ces composants parasites se combinent pour atténuer et dégrader le signal lors de la commutation. La perte de puissance et l'atténuation de tension causées par ces composants varient avec la fréquence du signal d'entrée et peuvent se quantifier par la spécification de la perte d'insertion du module de commutation à cette fréquence. Il est par conséquent primordial de vérifier que la perte d'insertion d'une matrice de commutation est acceptable pour la bande passante de l'application. Pour mieux comprendre son importance, comparons deux matrices de commutation pour une application RF particulière et déterminons laquelle est la plus pertinente. Les besoins de l'application incluent l'acheminement de huit signaux vidéo 3 GHz vers une voie sur un analyseur de réseau vectoriel avec moins de 30% d'atténuation (la perte d'insertion devrait être inférieure à 3 dB à 3 GHz). La première matrice de commutation considérée est le multiplexeur NI PXI-2557 75 Ω 2,5 GHz 8x1 tandis que le second est un multiplexeur 3 GHz 75 Ω 8x1 d'un autre fournisseur PXI. Après un premier examen préalable des spécifications de haut niveau des deux modules, il apparaît que le deuxième conviendrait mieux car il présente une meilleure spécification de la bande passante. Pourtant, après un examen plus approfondi des deux produits, il s'avère que cette hypothèse n'est pas fondée. Le graphe suivant affiche les données d'insertion situées entre 160 MHz et 3 GHz et collectées sur les deux modules de commutation.

Figure n°4. Comparaison des pertes d'insertion pour les modules de commutation A et B

Comme vous pouvez le voir, à 3 GHz, la perte d'insertion du module 2,5 GHz avoisine 1,78 dB tandis que celle de la matrice de commutation 3 GHz s'approche de 5,64 dB. En partant de ces valeurs, nous pouvons calculer la tension et la perte de puissance résultantes, qui sont occasionnées par les deux modules :

 

NI PXI-2557

Autre fournisseur PXI

% d'atténuation de tension à 3 GHz

18.3

47.8

% de perte de puissance à 3 GHz

33.3

72.7

Tableau n°1. Comparaisons des pourcentages de la perte de puissance et de la tension

Les valeurs figurant dans le tableau ci-dessus indiquent qu'une onde sinusoïdale 3 GHz 1 Vpp, une fois passée à travers le multiplexeur NI PXI-2557 2,5 GHz 75 Ω, serait attenuée à 0,817 Vpp. Le même signal, une fois passé à travers le multiplexeur 3 GHz 75 Ω d'un autre fournisseur PXI, sera atténué à 0,522 Vpp. Ainsi, on peut noter que, même si la spécification de la bande passante du module de commutation de l'autre fournisseur PXI est supérieure à celle du module NI, la dégradation finale du signal causée par celui-ci est nettement plus importante que celle causée par le module NI PXI-2557. On peut donc raisonnablement dire que, dans le cas de l'application 3 GHz pré-citée, le module de commutation NI 2,5 GHz est un meilleur choix que son équivalent 3 GHz.

Figure n°5. Comparaison de l'atténuation causée sur une onde sinusoïdale 1 Vpp

Rapport d'ondes stationnaires (ROS)

Le ROS est le rapport d'ondes réfléchies par rapport à celles transmises. Comme mentionné précédemment, à des fréquences élevées, les signaux prennent la forme d'ondes au moment de traverser une ligne ou un câble de transmission. Pour cette raison, comme pour les ondes acoustiques et lumineuses, les réflexions ont lieu lorsque le signal traverse différents supports (comme des composants aux impédances désassorties). Dans un module de commutation, cette discordance peut se produire entre l'impédance caractéristique du connecteur, les pistes des cartes de circuits imprimés et le relais réel lui-même. Vu que le ROS est une mesure de puissance de l'onde réfléchie, il peut aussi servir à mesurer la quantité de perte de puissance dans la ligne de transmission. L'onde réfléchie, associée au signal d'entrée, augmente ou réduit son amplitude nette, selon que la réflexion est en phase ou non avec le signal d'entrée. Le rapport des tensions maximale (lorsque l'onde réfléchie est en phase) ou minimale (lorsque l'onde réfléchie est hors phase) dans la configuration "onde stationnaire" s'appelle ROS. Pour savoir comment calculer le ROS et la perte par réflexion dans un système RF, considérons la ligne de transmission RF présentée dans la Figure n°6.

Figure n°6. Comparaison de l'atténuation occasionnée sur une onde sinusoïdale 1 V pp.

Dans le circuit de la Figure n°6, l'impédance de la charge (40,5 Ω) n'équivaut pas à celle de la source et de la ligne de transmission (50 Ω). De ce fait, une partie du signal qui se propage à travers la ligne de transmission est réfléchie depuis la charge. Nous pouvons mesurer cette réflexion en utilisant la formule suivante :

Comme vous pouvez le voir, la perte de retour mesure la puissance du signal réfléchi. Il s'agit aussi d'un sous-ensemble de la perte d'insertion. Plus la perte de retour (ou les réflexions) d'un système RF est élevée, plus la perte d'insertion est élevée.

Le ROS est un autre moyen de mesurer les réflexions des signaux. Il se calcule de la façon suivante :

Dans la formule ci-dessus, G est le coefficient de réflexion et peut se calculer en utilisant la formule suivante :

 

Pour le circuit de la Figure n°6, nous calculons le ROS :

Pour visualiser ce qui se passe dans cet exemple, imaginons que la source du signal dans le système RF soit une onde sinusoïdale de 1 Vpp. Vu que le coefficent de réflexion pour le système est de 0,1, nous pouvons établir que la grandeur du signal réfléchi est 0,1 x 1 = 0,1 V ou 100 mV. La Figure n°7 affiche les amplitudes maximale et minimale du signal résultant lorsque, respectivement, l'onde réfléchie est en phase et à 180 degrés hors phase avec le signal d'entrée.

Figure n°7. Tensions maximale et minimale dans l'onde stationnaire

Comme indiqué précédemment, le ROS est le rapport de la tension maximale sur la tension minimale dans le modèle d'onde stationnaire. À partir de cette définition, nous pouvons calculer le ROS de la Figure n°7 :

Bande passante

Comme mentionné précédemment, la bande passante d'un module de commutation est l'une de ses spécifications essentielles. Toutefois, la bande passante ne nous offre qu'une approximation des performances d'un produit donné, car le processus d'établissement d'une spécification de la bande passante pour une matrice de commutation RF varie d'un fournisseur à l'autre. La bande passante d'une matrice de commutation indique uniquement le signal de fréquence maximal qui, selon le fournisseur, peut la traverser avec une perte acceptable. Mais, ce qui peut convenir à un fournisseur peut ne pas convenir à un autre. Ainsi, une matrice de commutation de 3 GHz, par exemple, d'un fournisseur A peut présenter des performances complètement différentes de celle d'un fournisseur B.

Prenons à nouveau l'exemple de deux modules fabriqués par des fournisseurs différents avec une topologie et une impédance caractéristique semblables mais des spécifications différentes en termes de bande passante. Le premier module, le NI PXI-2557, est un multiplexeur 2,5 GHz 8x1 avec une impédance caractéristique de 75 Ω, alors que le module de commutation de l'autre fournisseur PXI est un multiplexeur 8x1 3 GHz présentant une impédance caractéristique de 75 Ω. Même si le second module semble mieux convenir pour acheminer des signaux compris entre 2 et 3 GHz, les données de perte d'insertion collectées et affichées en Figure n°3 indiquent autre chose. Pour cette raison, la spécification de la bande passante du module NI est bien plus modérée que son équivalent.

La bande passante d'un produit est aussi très souvent considérée comme sa bande passante à -3 dB. Ce point de vue est précis pour les instruments comme les numériseurs où la spécification de la bande passante du périphérique est en fait le point à -3 dB du frontal analogique de l'instrument. Cependant, pour une matrice de commutation RF, la relation entre la bande passante et -3 dB ne s'avère pas toujours exacte. Certains fournisseurs spécifient une bande passante à -3 dB, d'autres pas. Nous pouvons prendre connaissance d'un tel exemple dans le graphe de la Figure n°8, qui présente la perte d'insertion du NI PXI-2547 à sa bande passante (2,7 GHz) en conjonction avec son point -3 dB (3,7 GHz).

 

Figure n°8. Perte d'insertion du multiplexeur NI PXI-2547 2,7 GHz 50 Ω 8x1

Topologie

La topologie est l'une des caractéristiques les plus importantes au moment de choisir un module de commutation RF. Choisir un module de commutation doté de la mauvaise topologie peut provoquer des effets nuisibles sur la perte d'insertion et le ROS. Les deux types principaux de topologies pour la RF sont les multiplexeurs et les relais SPDT. Un multiplexeur est un système de commutation qui achemine de façon séquentielle de nombreuses entrées vers une sortie et vice versa. Un relais SPDT est un multiplexeur en version réduite. Un simple relais SPDT peut acheminer deux entrées vers une sortie ou vice versa. Les multiplexeurs RF sont souvent composés de plusieurs relais SPDT.

Différentes applications nécessitent des combinaisons variables de topologies de commutation RF. Par exemple, pour mener un test de réponse par stimulus sur une unité sous test à 4 voies, vous pouvez utiliser un module doté de deux bancs de multiplexage 4x1. D'autre part, pour un test qui effectue de l'analyse à partir des sorties de huits unités sous tests séparées, un module avec banc unique 8x1 serait préférable. Face au nombre de matrices de commutation RF existant sur le marché, il est important de comprendre les usages optimaux de ces différentes topologies afin de choisir la meilleure des options possibles pour votre application.

En comparant deux approches différentes de la construction d'un multiplexeur 7x1, l'exemple des Figures n°9 et n°10 nous explique pourquoi l'une est préférable à l'autre. La première approche cascade deux multiplexeurs 4x1 pour construire un seul et unique multiplexeur 7x1. L'inconvénient de cette configuration est qu'elle oblige un signal d'une unité sous test à traverser deux modules de commutation (quatre relais SPDT au total) avant d'atteindre l'analyseur de réseau vectoriel (ARV). Par conséquent, la perte d'insertion nette qui a lieu sur le chemin du signal est la somme des spécifications de la perte d'insertion réunies de chaque relais et câble du système.

Figure n°9. Deux multiplexeurs 4x1 cascadés

La seconde approche utilise un multiplexeur 8x1 à part entière (comme le multiplexeur NI PXI-2547 50 Ω 2,7 GHz 8x1) pour acheminer sept unités sous test vers l'ARV. Cette configuration va améliorer la perte d'insertion du système non seulement parce qu'elle réduit le nombre total de relais SPDT dans le chemin du signal (trois relais SPDT au lieu de quatre) mais aussi parce qu'elle élimine tout cablâge supplémentaire dans le système comme les câbles qui existent entre les modules du système précédent. Ainsi, la qualité du signal atteignant l'ARV dans le second système a des chances d'être nettement meilleure que celle du premier.

Figure n°10. La topologie d'un multiplexeur 8x1 utilise moins de relais pour acheminer un signal qu'avec deux multiplexeurs 4x1.

Pour obtenir davantage d'informations sur la façon de choisir une matrice de commutation avec la meilleure topologie possible pour votre application, rendez-vous dans le Chapitre 2 du Guide de choix d'une matrice de commutation RF.

Isolation et diaphonie

L'isolation se définit comme la grandeur d'un signal couplé sur un circuit ouvert. La diaphonie se définit comme la grandeur d'un signal qui est couplé entre des circuits (comme par exemple des bancs de multiplexeur séparés sur un module RF).

Figure n°11. Isolation contre diaphonie

Temps de montée

Si un signal est purement sinusoïdal, les performances de la bande passante/perte d'insertion d'un module de commutation suffisent à déterminer si le produit convient ou pas à l'application. Toutefois, pour des signaux qui ont plusieurs composants de fréquence, comme par exemple des ondes carrées, cela peut ne pas être aussi simple car maintenir l'intégrité de tels signaux dépend de l'impact que la matrice de commutation aura sur le temps de montée des signaux. Vu qu'une onde carrée se compose d'un grand nombre d'ondes sinusoïdales qui varient en fréquence, pour obtenir une mesure précise, la bande passante de la matrice de commutation doit être suffisamment élevée pour occasionner une atténuation minimale sur toutes les ondes sinusoïdales. De manière empirique, pour une onde carrée, une fois que la 5ème ou 7ème harmonique est atteinte, le changement dans le temps de montée est moindre. Ainsi, en général, une onde carrée peut traverser une matrice de commutation si son point à -3 dB (fréquence à laquelle la perte d'insertion du point équivaut à 3 dB) est 7 fois supérieur à la fréquence fondamentale de l'onde carrée. Certains fournisseurs spécifient le temps de montée de la matrice de commutation. Dans ce cas, vérifiez que la spécification du temps de montée du module de commutation est inférieure au temps de montée de l'harmonique la plus élevée, qui a besoin d'être acheminée avec un minimum de distorsion.

La figure ci-dessous affiche la mesure du temps de montée pour la 5ème harmonique d'une onde carrée. Imaginons que c'est l'harmonique la plus élevée de l'onde carrée qui a besoin d'être acheminée à travers la matrice de commutation. Pour savoir si une matrice de commutation peut ou non réussir à acheminer le signal, il faut que nous comparions le temps de montée de la matrice avec celui de l'harmonique. Il arrive que cette spécification n'existe pas pour un module de commutation. Dans de tels cas, nous pouvons calculer le point à -3 dB de cette harmonique et le comparer au point à -3 dB de la matrice de commutation. Le point à -3 dB peut se calculer à partir du temps de montée en utilisant la formule suivante :

, où tR est le temps de montrée du module de commutation

Figure n°12. Cinquième harmonique d'une onde carrée

Pour le signal présenté dans la figure ci-dessus, nous calculons la fréquence à laquelle -3 dB s'obtient à 6,36 Hz (le temps de montée est 0,055 s). Par conséquent, une matrice de commutation pour laquelle la perte d'insertion est inférieure à 3 dB à 6,36 Hz ou plus, suffira à acheminer l'onde carrée.

Conclusion

La spécification de tension d'un instrument ou d'une matrice de commutation est une restriction physique de ce périphérique. De la même manière, la vitesse d'échantillonnage d'un numériseur et la précision d'un multimètre numérique décrivent bien les fonctionnalités maximales de l'instrument en question. Un numériseur de 200 Méch./s ne peut pas atteindre une vitesse d'échantillonnage temps réel supérieure à 200 Méch./s. Cependant, une matrice de commutation RF de 2 GHz peut acheminer des signaux au-delà de 2 GHz, mais avec davantage de perte de puissance. Pour cette raison, le choix de la matrice de commutation RF la meilleure et la plus économique pour votre application exige une connaissance particulière du fonctionnement du produit pour savoir si sa perte d'insertion, son ROS, son isolation et d'autres spécifications satisfont les exigences de votre système. Certains fournisseurs proposent des graphes à balayage contenant ces spécifications pour toute une gamme de fréquences, alors que d'autres se contentent de proposer des spécifications pour une fréquence en particulier. Dans de tels cas, il est important de contacter le fournisseur pour obtenir des spécifications plus complètes et savoir si le produit convient à votre application.