소개
차세대 무선 애플리케이션을 위한 연결 장치 수의 급격한 증가는 더 빠르고 혁신적이며 비용 효율적인 테스트 솔루션에 대한 수요를 촉진하고 있습니다. 비용 절감과 테스트 처리량 향상의 필요성은 설계 검증 단계뿐만 아니라 대량 생산 테스트에서도 발견됩니다. 테스트 엔지니어들은 피측정 장치(DUT) 연결 수를 줄이고 단일 테스트 스테이션에서 여러 DUT를 병렬로 테스트할 수 있는 방법을 찾고 있습니다.
실제 테스트 애플리케이션의 다양성으로 인해 “모든 상황에 맞는 만능” 솔루션과 같은 것을 실현하는 것은 사실상 불가능합니다. 많은 테스트 애플리케이션의 사양은 종종 설계 프로세스와 동시에 정의되어, 장비 공급업체가 광범위한 고유한 사용자 정의 솔루션의 설계 및 제작에 민첩하게 대응해야 합니다. 이러한 테스트 시스템의 납기 시간은 고객의 출시 시간에 직접적인 영향을 미치므로, 고객은 요구에 맞춤화되면서도 빠른 솔루션을 제공하는 공급업체에 의존하고 있습니다.
Mini-Circuits는 경제성, 신뢰성, 유연성 및 속도의 원칙을 중심으로 테스트 및 측정 애플리케이션을 위한 제품 라인을 구축해 왔습니다. 회사의 풍부하고 다양한 재고 부품은 각 고객의 고유한 요구 사항에 맞는 맞춤형 테스트 솔루션을 최단 2주의 납기 시간으로 개발하는 빌딩 블록 접근 방식을 가능하게 합니다. 테스트 엔지니어는 모든 실험실 환경에서 DUT와 테스트 장비 간의 신호 트래픽을 관리하기 위해 스위치, 분배기/결합기, 감쇠기, 증폭기 및 기타 많은 부품의 조합을 통합할 수 있습니다. 이 기사에서는 RF 스위치를 구성하여 대량 테스트 애플리케이션의 효율성을 개선하는 방법에 특히 초점을 맞출 것입니다.
스위치 매트릭스와 자동화된 신호 라우팅
실제 테스트 애플리케이션에서 사용되는 RF 및 마이크로파 스위치는 종종 신호 트래픽을 관리하고 자동화하기 위해 스위치 매트릭스로 함께 구성됩니다. 모든 테스트 신호가 스위치 매트릭스를 통과하므로 그 성능은 측정의 정확도, 반복성 및 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다. 특정 테스트 설정을 구축할 때 테스트 엔지니어는 가능한 가장 효율적인 방식으로 DUT를 적절히 테스트하는 데 집중해야 합니다. 주요 관심사는 사용된 테스트 솔루션이 필요한 전력 수준에서 올바른 신호를 DUT에 전달하고 테스트 포트 간의 격리가 측정 무결성을 유지하는 것입니다.
테스트 애플리케이션을 위한 RF 스위치의 주요 성능 파라미터는 다음과 같습니다:
- 격리도 – 스위치가 “온” 신호 포트에서 “오프” 포트로의 RF 누설을 억제하는 정도
- 삽입 손실 – 전송선을 따른 고유 손실로 인한 입력에서 출력까지의 감쇠
- 전력 처리 능력 – 스위치가 손상 없이 수신할 수 있는 최대 정격 RF 입력 전력
- 스위칭 시간 – 스위치가 한 상태에서 다른 상태로 전환하는 데 걸리는 시간, 일반적으로 밀리초에서 나노초 단위
- 스위치 수명 – 스위치가 고장 전까지 완료할 수 있는 스위칭 사이클 수
복잡하고 애플리케이션별 테스트 시스템을 위한 스위치 매트릭스 라우팅 및 성능을 결정하는 것은 매우 비용이 많이 들고 시간이 소요될 수 있으며, 특히 시스템 요구 사항이 특정 애플리케이션에 고유한 경향이 있기 때문입니다. 이 작업에서 고객을 지원하기 위해 Mini-Circuits는 신호 라우팅을 위한 고차 스위치 매트릭스를 포함한 광범위한 모듈식 및 완전 맞춤형 통합 솔루션을 제공합니다. 이러한 시스템에 기계식, 솔리드 스테이트 또는 MEMS 스위칭 중 어떤 것을 사용할지는 고객의 특정 시스템 요구 사항에 따라 결정됩니다.
기계식, 솔리드 스테이트 및 MEMS 스위치 비교: 주요 차이점
테스트 애플리케이션을 위한 스위치 매트릭스의 실제 예를 살펴보기 전에, 사용 가능한 여러 스위치 유형 간의 상대적인 장단점을 검토하는 것이 유익할 것입니다. RF 스위치는 전기-기계식, 솔리드 스테이트 및 MEMS의 세 가지 기본 설계 범주로 분류됩니다(그림 1).
기계식 스위치
기계식 스위치는 최저 손실과 최고 격리도로 더 높은 RF 전력 수준을 지원하는 경향이 있습니다. 그러나 스위칭 시간이 느리고 크기가 크며 일반적으로 DC 전력 소비가 더 높습니다. 잘 설계된 기계식 스위치는 수백만 사이클 수준의 스위칭 수명으로 설계될 수 있지만, 이 한계도 대량 스위치 애플리케이션, 예를 들어 반도체 테스트에서는 빠르게 초과될 수 있습니다. 표 1은 TTL 기계식 스위치의 예를 보여줍니다. Mini-Circuits는 개별 DC 또는 TTL 제어 부품부터 이더넷 및 USB 제어가 가능한 완전 통합 테스트 랙까지 다양한 폼 팩터와 제어 옵션을 갖춘 기계식 스위치를 제공합니다.
| 모델명 | 스위치 타입 | 주파수 | 삽입 손실 (일반값) | 격리도 (일반값) | 전력 정격 (콜드 스위칭) |
|---|---|---|---|---|---|
| ZK-MSP8TA-12 | SP8T | DC–12 GHz | 0.4 dB | 90 dB | 20W |
| ZK-MSP6TA-12 | SP6T | DC–12 GHz | 0.25 dB | 90 dB | 20W |
| ZK-MSP4TA-18 | SP4T | DC–18 GHz | 0.5 dB | 80 dB | 20W |
| ZK-MSP2TA-18 | SPDT | DC–18 GHz | 0.3 dB | 80 dB | 20W |
솔리드 스테이트 스위치
반대로 솔리드 스테이트 스위치는 훨씬 빠른 스위칭 속도, 더 나은 반복성 및 상당히 긴 수명을 갖는 경향이 있습니다. 물리적으로 움직이는 부품이 없기 때문에 수명은 스위칭 사이클 수에 의해 제한되지 않고 대신 솔리드 스테이트 기술의 MTTF 고려 사항으로만 측정됩니다. 이러한 특성은 스위칭 속도가 테스트 처리량과 직접 관련되고 과도한 사용 시 스위치를 훨씬 덜 자주 교체해야 하므로 대량 생산 테스트 애플리케이션에 특히 바람직합니다. 동시에 더 낮은 전력 처리 능력과 더 낮은 격리도의 한계가 있습니다. 특히 격리도는 테스트 시스템에서 교정하기가 더 어렵기 때문에 자동화된 테스트에서 특히 중요한 파라미터입니다. 격리도가 낮은 스위치는 표류 신호가 측정 경로로 유입되어 측정의 무결성을 저하시킬 수 있습니다. 이로 인해 시스템 정확도가 손상되고 불확실성 및 타이밍 요구 사항을 결정하는 데 어려움이 생길 수 있습니다.
다행히 Mini-Circuits 엔지니어들은 넓은 대역폭에서 격리도 성능을 획기적으로 개선하고 낮은 격리도와 관련된 일부 문제를 해결하기 위해 솔리드 스테이트 스위치 설계를 혁신했습니다. Mini-Circuits는 현재 DC에서 67GHz까지의 주파수 범위와 일부 경우 110 dB까지의 격리도를 갖춘 다양한 비용 효율적인 USB 제어 솔리드 스테이트 스위치를 제공합니다.
최대 67 GHz까지 작동하는 eSB 및 RCS 시리즈는 V-band까지의 테스트를 지원하기 위해 개발되었습니다. 초고속 스위칭(100 ns 일반값)을 갖춘 PIN 다이오드 기반의 TTL 제어 솔리드 스테이트 스위치는 최대 18 GHz까지 작동하며 5G FR1 및 FR3 통신 테스트 요구 사항에 최적화되었습니다. 이러한 장점과 새로운 제품 혁신이 기계식 스위치의 전체 라인업 기능과 결합되어 엔지니어에게 풍부한 옵션을 제공합니다. 기본 테스트 설정에서 개별 부품을 사용하든 완전 통합된 맞춤형 솔루션을 소싱하든 상관없이 말입니다.
| 모델명 | Low (MHz) | High (GHz) | 스위치 타입 | 스위치 수 | 종단 | 손실 | 격리도 | 전환 시간 | 전력 | 제어 인터페이스 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| U2C-1SP2T-63VH | 10 | 6 | SP2T | 1 | 흡수형 | 4.0 dB | 110 dB | 700 ns | 36 dBm | USB + I2C + SPI |
| USB-SP4T-63 | 1 | 6 | SP4T | 1 | 흡수형 | 1.0 dB | 50 dB | 3 μs | 27 dBm | USB |
| USB-2SP2T-DCH | DC | 8 | SP2T | 2 | 흡수형 | 1.4 dB | 50 dB | 10 μs | 35 dBm | USB + 데이지 체인 |
| USB-1SP16T-83H | 1 | 8 | SP16T | 1 | 흡수형 | 7.5 dB | 100 dB | 5 μs | 30 dBm | USB + TTL + 데이지 체인 |
| USB-4SP2T-852H | 10 | 8.5 | SP2T | 4 | 흡수형 | 2.0 dB | 80 dB | 250 ns | 30 dBm | USB + 데이지 체인 |
| U2C-1SP4T-852H | 2 | 8.5 | SP4T | 1 | 흡수형 | 3.7 dB | 80 dB | 250 ns | 30 dBm | USB + I2C |
| USB-2SP4T-852H | 10 | 8.5 | SP4T | 2 | 흡수형 | 2.5 dB | 85 dB | 5 μs | 30 dBm | USB + 데이지 체인 |
| USB-1SP8T-852H | 10 | 8.5 | SP8T | 1 | 흡수형 | 4.0 dB | 80 dB | 250 ns | 30 dBm | USB + 데이지 체인 |
| USB-1SP2T-183 | 100 | 18 | SP2T | 1 | 흡수형 | 2.0 dB | 65 dB | 50 ns | 25 dBm | USB + 데이지 체인 |
| TTL-1SP4T-183 | 100 | 18 | SP4T | 1 | 흡수형 | 4.0 dB | 60 dB | 50 ns | 30 dBm | TTL |
| USB-1SP4T-183 | 100 | 18 | SP4T | 1 | 흡수형 | 4.0 dB | 65 dB | 20 ns | 25 dBm | USB + 데이지 체인 |
| TTL-1SP8T-183 | 100 | 18 | SP8T | 1 | 흡수형 | 5.7 dB | 60 dB | 50 ns | 30 dBm | TTL |
| USB-1SP8T-183 | 100 | 18 | SP8T | 1 | 흡수형 | 5.7 dB | 60 dB | 25 ns | 24 dBm | USB + 데이지 체인 |
| USB-1SP2T-34 | 100 | 30 | SP2T | 1 | 흡수형 | 2.8 dB | 60 dB | 5 ns | 24 dBm | USB + 데이지 체인 |
| USB-1SP4T-34 | 100 | 30 | SP4T | 1 | 흡수형 | 4.5 dB | 60 dB | 10 ns | 24 dBm | USB + 데이지 체인 |
| USB-1SP8T-34 | 100 | 30 | SP8T | 1 | 흡수형 | 5.0 dB | 80 dB | 25 ns | 24 dBm | USB + 데이지 체인 |
| USB-1SP2T-A44 | 100 | 43.5 | SP2T | 1 | 흡수형 | 3.5 dB | 50 dB | 10 ns | 24 dBm | USB + 데이지 체인 |
| eSB-1SP2T-A673 | 100 | 67 | SP2T | 1 | 흡수형 | 4.0 dB | 45 dB | 600 ns | 24 dBm | USB + 데이지 체인 |
| RCS-1SP2T-A673 | 100 | 67 | SP2T | 1 | 흡수형 | 4.5 dB | 45 dB | 600 ns | 24 dBm | LAN + USB + 데이지 체인 |
| eSB-1SP4T-A673 | 100 | 67 | SP4T | 1 | 흡수형 | 6.0 dB | 45 dB | 600 ns | 24 dBm | USB + 데이지 체인 |
| RCS-1SP4T-A673 | 100 | 67 | SP4T | 1 | 흡수형 | 6.5 dB | 45 dB | 600 ns | 24 dBm | LAN + USB + 데이지 체인 |
신기술: MEMS 스위치
스위칭 제품 포트폴리오를 완성하기 위해 Mini-Circuits는 최근 MEMS 기술을 사용한 스위치를 출시했습니다. MEMS(미세 전기-기계 시스템)는 솔리드 스테이트와 전기-기계식 스위치 유형 모두의 최상의 특성을 결합하는 것을 목표로 하는 새로운 기술입니다. 정밀 엔지니어링을 사용하여 기계식 스위치 토폴로지가 솔리드 스테이트 집적 회로처럼 작동하는 폼 팩터로 소형화됩니다.
MEM-SP4T-A18은 최대 18 GHz까지 작동하는 SP4T 흡수형 스위치입니다. MEMS 기술은 1 GHz 및 30 dBm 전력에서 기존 기계식 스위치보다 몇 자릿수 더 긴 스위치 수명(300억 스위칭 사이클)으로 DC 통과 및 광대역 동작을 가능하게 합니다. 그림 2는 MEM-SP4T-A18의 일반적인 전력 및 수명 감소 곡선을 보여줍니다.
기타 장점으로는 빠른 스위칭 시간(15 us), 우수한 선형성(90dB IP3) 및 25W CW 전력 정격(1 GHz에서 콜드 스위칭)이 있으며, 모두 매우 낮은 DC 전력 소비를 갖습니다. MEMS 스위치는 매우 높은 스위치 수명이 필요한 애플리케이션에 원활한 전환을 허용하기 위해 일반적인 기계식 스위치와 동일한 풋프린트로 개발되었습니다. 더 높은 스위치 밀도 모델이 로드맵에서 고려되고 있습니다.
사용 사례 1: 셀룰러 네트워크 테스트를 위한 고차 스위칭 시스템
첫 번째 실제 사용 사례에서 셀룰러 네트워크 사업자가 네트워크의 새로운 기지국(BTS) 장비를 검증하기 위한 테스트 설정을 구축하고 있었습니다. 테스트 시스템은 새로운 BTS 노드의 각 채널이 사양을 충족하는지 평가해야 했고, 새 장비가 기존의 이기종 장비와 부정적인 상호 작용 없이 함께 작동하는지 확인해야 했으며, 지원되는 핸드셋과 새 BTS 장비의 검증을 허용해야 했습니다.
이 기능을 위해 고객은 6개의 독립적인 테스트 스테이션을 20개의 기지국 채널 중 일부 또는 전체에 연결하는 신호 라우팅 시스템을 필요로 했습니다. 설정은 필요한 경우 여러 사용자가 동일한 BTS에 연결할 수 있어야 했지만, 어떤 테스트 스테이션이 어떤 BTS에 액세스할 수 있는지 제한하는 제어 메커니즘도 필요했습니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 Mini-Circuits는 20 x 6 논블로킹 전체 액세스 스위치 매트릭스인 ZT-20X6NB를 개발했습니다. 이 양방향 스위치 매트릭스는 600 MHz에서 6 GHz까지의 주요 전 세계 통신 대역을 커버하며, 포트 B1 – B6(그림 3 참조)를 포트 A1 – A20의 모든 조합에 연결하도록 프로그래밍할 수 있어 여러 입력 포트가 동시에 동일한 출력 포트로 라우팅될 수 있습니다. 유연성 때문에 이 논블로킹 구성은 이 고객이 구축하고 있던 것과 같은 다중 사용자, 다중 장치 테스트 시스템에 이상적입니다.
이 시스템은 모든 26개 RF 연결(N-타입)이 전면 패널에서 쉽게 접근할 수 있는 컴팩트한 5U 높이, 10인치 랙 마운트 가능 섀시로 설계되었습니다(그림 4). USB 및 이더넷 제어 인터페이스와 함께 내장 터치 스크린이 포함되어 사용자에게 다양한 제어 옵션을 제공합니다. 소프트웨어 지원은 네트워크 또는 USB 연결을 통한 원격 제어를 위한 Mini-Circuits의 사용자 친화적인 GUI 애플리케이션을 통해 제공됩니다. Windows 환경용 ActiveX 및 .NET API 객체와 HTTP / Telnet 지원은 대부분의 일반적인 프로그래밍 환경과의 호환성을 보장합니다.
사용 사례 2: 빠른 처리량 요구 사항을 위한 솔리드 스테이트 스위칭 통합
600 MHz에서 6 GHz까지의 통신 테스트 애플리케이션을 지원하는 또 다른 예를 살펴보겠습니다. 그림 5는 8 x 24 스위치 매트릭스 서브어셈블리를 강조합니다. 이 유닛은 신호 컨디셔닝을 위한 프로그래머블 감쇠기도 포함한 더 큰 24 x 48 시스템의 일부였습니다. 이 경우 스위치 매트릭스는 최대 12 dB의 경로 손실을 제공하고 테스트 포트 간에 120 dB의 격리도를 제공해야 했습니다. 목표는 30 밀리초 미만의 DUT 테스트 시간이라는 처리량 요구 사항을 충족하는 것이었습니다.
설계 요구 사항을 충족하기 위해 시스템은 기계식과 솔리드 스테이트 스위치의 조합을 활용했습니다. 8포트 측은 0.2 dB 삽입 손실과 90 dB 격리도를 제공하는 기계식 SP4T 스위치(MSP4TA-18+)를 사용했습니다. MSP4TA의 20 밀리초 스위칭 속도는 신호 라우팅 계획의 이 단계에서 필요한 전체 테스트 시간을 충족합니다.
그림 5는 SP4T 스위치 너머의 정교한 스위칭 네트워크를 보여줍니다. 이 신호 라우팅을 달성하면서도 테스트 시간 요구 사항을 충족하기 위해 SPI 제어 RF SP10T 솔리드 스테이트 스위치(SPI-SP10T-63)가 사용되었습니다. 이 모델의 6 마이크로초 스위칭 속도로 모든 솔리드 스테이트 스위칭 경로는 기계식 스위치가 단일 사이클을 수행하는 데 걸리는 시간보다 짧은 시간에 순환될 수 있습니다. 또한 80 dB 격리도와 +27 dBm 전력 처리 능력을 제공하여 이 통신 애플리케이션의 요구 사항을 충족합니다. 이 예의 구성은 두 스위칭 유형의 장점을 모두 활용하며 다양한 테스트를 수행할 수 있게 합니다.
40 GHz까지 확장
위의 사례는 복잡한 테스트 요구 사항을 위한 맞춤형 RF 스위치 매트릭스를 구축하는 Mini-Circuits의 역량 중 단 두 가지 예에 불과합니다. 5G 테스트 및 기타 고주파 테스트 요구 사항을 지원하기 위해 Mini-Circuits는 26.5 및 40 GHz까지의 작동 주파수 범위를 가진 기계식 스위치도 제공하며, 이는 유사한 방식으로 구성할 수 있습니다.
업계가 점점 더 많은 수와 다양한 무선 장치를 개발하기 위해 노력함에 따라 RF 테스트를 위한 빠르고 효율적이며 비용 효율적인 솔루션에 대한 필요성도 그에 맞게 계속 증가할 것입니다. 이러한 추세를 염두에 두고 이 기사에서는 맞춤형 스위치 매트릭스가 테스트 엔지니어가 테스트 설정의 효율성을 최적화하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지에 대한 개요를 제공했습니다. Mini-Circuits는 최대 40 GHz까지 작동하는 시스템뿐만 아니라 감쇠 제어, 증폭, 신호 분배 등과 같은 다른 기능을 통합하는 시스템에 대해 많은 고객과 성공적으로 협력해 왔습니다.
업계가 점점 더 많은 수와 다양한 무선 장치를 개발하기 위해 노력함에 따라 RF 테스트를 위한 빠르고 효율적이며 비용 효율적인 솔루션에 대한 필요성도 그에 맞게 계속 증가할 것입니다. 이러한 추세를 염두에 두고 이 기사에서는 맞춤형 스위치 매트릭스가 테스트 엔지니어가 테스트 설정의 효율성을 최적화하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지에 대한 개요를 제공했습니다. Mini-Circuits는 최대 40 GHz까지 작동하는 시스템뿐만 아니라 감쇠 제어, 증폭, 신호 분배 등과 같은 다른 기능을 통합하는 시스템에 대해 많은 고객과 성공적으로 협력해 왔습니다.
고객은 아래 링크에서 Mini-Circuits의 전체 테스트 솔루션 포트폴리오를 보고 자체 모듈식 테스트 시스템을 온라인으로 구성할 수 있습니다.
Mini-Circuits 테스트 솔루션 링크
https://www.minicircuits.com/products/PortableTestEquipment.html