הקדמה

העלייה המהירה במספר ההתקנים המחוברים שמשמשים ביישומים אלחוטיים של הדור הבא, יוצרת דרישה לפתרונות בדיקה מהירים יותר, חדשניים יותר וכדאיים יותר מבחינת עלות. הצורך בהקטנת עלויות ובשיפור תפוקת הבדיקות, קיים בשלב אימות התכנון וכן בבדיקות ייצור בהיקף גדול. מהנדסי בדיקות מחפשים דרכים, שבאמצעותן ניתן יהיה להקטין את מספר החיבורים ביחידות הנמצאות בבדיקה (DUT) ולאפשר ביצוע בדיקה של יחידות מרובות במקביל, בעמדת בדיקה אחת. לתוצאה הזו אפשר להגיע לעתים קרובות, על ידי הגדרת התצורה של מתגי ת”ר (RF) במטריצת מיתוג, על מנת להפוך לאוטומטי את ניתוב אותות הבדיקה. מאמר זה יסקור כמה מבין ההבדלים החשובים שקיימים בין סוגי המתגים המשמשים ביישומי בדיקות. נדון בתצורות של מטריצות מיתוג ונתאר במפורט מטריצת מיתוג מהעולם הממשי, המשמשת ביישום בדיקה של התקני טלקום בכמויות ייצור גדולות.

 הבדלי התכנון העיקריים בין מתגים אלקטרוניים (מוליכים למחצה) לבין מתגים מכניים

את מתגי ת”ר אפשר למצוא בשתי קטגוריות תכנון בסיסיות: האחת במבנה אלקטרו-מכני והשנייה במבנה אלקטרוני (איור 1). כמה מבין פרמטרי הביצועים העיקריים של מתגי ת”ר, אשר משמשים ביישומי בדיקות, כוללים בידוד, הפסדי שילוב (insertion loss), טיפול בהספק (power handling), זמן מיתוג ואורך חיי המתג. בדרך כלל, מתגים מכניים תומכים בהספק גבוה יותר, הם בעלי הפסדים נמוכים יותר ובידוד טוב יותר. עם זאת, יש להם זמני מיתוג ארוכים יותר, הם גדולים יותר וההדירות שלהם מתחילה להיפגם לאחר כמה מיליונים של מחזורי מיתוג.

איור 1. מתג אלקטרו-מכני SP8T, דגם MSP8T–12D+ (משמאל) ומתג אלקטרוני SPDT כפול, דגם USB–2SP2T–DCH (מימין). אין תכנון של מתג יחיד שעומד בכל דרישות הבדיקות. לעתים קרובות יש צורך לערוך פשרות בתחום הביצועים, המהירות ובמספר מחזורי המיתוג.

לעומתם, מתגים במבנה אלקטרוני נוטים להיות בעלי מהירויות מיתוג מהירות יותר בהרבה והדירות טובה יותר במשך מספר רב יותר של מחזורי מיתוג. תכונות אלו רצויות במיוחד עבור יישומי בדיקה בייצור בכמויות גדולות, מפני שמהירות המיתוג עומדת ביחס ישיר לתפוקת הבדיקה, ולכן צריך יהיה להחליף את המתגים לעתים רחוקות יותר בהרבה בתנאי שימוש עמוסים. בה בעת, למתגים אלו יש מגבלות שבאות לידי ביטוי ביכולת טיפול בהספק נמוך בלבד ובבידוד פחות טוב. קשה יותר לכייל את הבידוד של מערכת הבדיקה, ולכן הוא מהווה פרמטר קריטי במיוחד בעריכת בדיקות אוטומטיות. מתגים עם בידוד גרוע יכולים לאפשר לאותות תועים להגיע אל תוך נתיב המדידה ולפגוע בשלמות הבדיקה. הפרעות אלו יכולות לגרוע מהדיוק ולהפוך למאתגר יותר את התהליך הכרוך בהגדרת חוסר ודאות וקביעת דרישות תזמונים.

באופן כללי, למתגים אלקטרוניים יש יתרונות רבים בעת שימוש ביישומי בדיקה בהיקף גדול. בהמשך נתאר בקצרה את ההשפעה שיש להבדלי התכנון בין שני סוגי המתגים על פרמטרי הביצועים העיקריים של מערכי בדיקות.

מהירות מיתוג

אחד ההבדלים החשובים ביותר בין תכנון מתג מכני לתכנון מתג אלקטרוני טמון במהירות המיתוג. כאשר מצב מסוים מופעל במתג מכני, לשונית או עוגן (armature) מוליכים ייצרו מגע חשמלי, כדי לחבר את האות מהחיבור המשותף אל היציאה הפעילה. במצב זה, הלשונית יכולה לרטוט פעמיים או שלוש בטרם תתייצב במקומה, כאשר במהלך הזמן הזה, המגע החשמלי יתחבר ויתנתק במהירות כמה פעמים לפני שהחיבור יהיה יציב. “זמן ההתייצבות” הזה נחשב חלק מזמן המיתוג הכולל, לכן, בזמן למתג שנדרשות 8-9 מילי שניות כדי להחליף בין המצבים, זמן ההתייצבות יכול להוסיף לזמן המיתוג הכולל עוד 12-15 מילי שניות.

מתגים אלקטרוניים מסתמכים על שינוי בשדה החשמלי, במקום על חלקים נעים וחיבורים מכניים. לכן, אין זמן התייצבות ומהירות המיתוג הכוללת מהירה יותר בהרבה – בסדרי גודל של מיקרו שניות וננו שניות במקום מילי שניות.

אורך חיי המתג

מאחר שהחיבור במתג המכני מסתמך על מגע מכני בין שני משטחים, שני המשטחים צריכים להיות מקבילים זה לזה ככל האפשר, על מנת להקטין את ההתנגדות. בזמן שהלשונית ומשטח המגע מתחברים ומתנתקים כמה פעמים במהלך זמן, משטחי המגע יכולים לשנות את צורתם, ויכול להיווצר בלאי של התחמצנות, שפוגם בחיבור החשמלי ומפחית את ביצועי המתג.

המתגים המכניים של Mini-Circuits משתמשים בטכנולוגיה הרשומה כפטנט על מנת להבטיח אורך חיי מתג שמגיע עד 10 מיליוני מחזורים, ובכך, הם מעניקים ללקוחות חיי שימוש ארוכים באופן יוצא דופן. המבנה הייחודי של דגמי המתג המכני של Mini-Circuits הופך את תהליך הניקוי של מכלול המגע של המתג למעשי מאוד ומאפשר את שיקום הביצועים והארכת אורך חיי המתג לכדי 100 מיליון מחזורים.

ועדיין, למתגים אלקטרוניים אין חלקים נעים והשחיקה המכנית של מגע חשמלי אינה מהווה בעיה. כתוצאה מכך, האורך הכולל של חיי המתג יהיה ארוך יותר מאורך החיים הכולל של המתג המכני הקשיח ביותר.

מתחי מעבר

רוב המתגים האלקטרו מכניים מורכבים מסליל ליצירת שדה מגנטי. כאשר מתח מוסר מהסליל, השדה קורס וגורם בכך ל”תופעת תחזיר” (flyback או kickback) של הזרם בכיוון ההפוך. תופעה זו יכולה ליצור מתח מעבר שמוסיף למערכת רעש ותופעות בלתי רצויות אחרות, ועלולה אף לגרום נזק לאלמנטים אחרים במעגל. זו הסיבה לכך שמתגים מכניים לעתים קרובות יהיו מצוידים בהתקן הגנה מפני נחשולי מתח מובנה או חיצוני.

למתגים אלקטרוניים אין שדה מגנטי ואין להם “תופעת תחזיר”. כתוצאה מכך, מתחי מעבר והצורך בהגנה חיצונית מפני נחשולי מתח אינם מהווים בעיה.

בידוד

בדרך כלל, מתגים מכניים מציעים בידוד ברמה גבוהה יותר מזו שקיימת במתגים אלקטרוניים. אחד החסרונות המסורתיים הקיימים בשימוש עם מתגים אלקטרוניים ביישומי בדיקות, הוא ההשפעה האפשרית של אותות תועים על אי הוודאות ועל הדיוק של המערכת. המבנה של מתגי מצב מוצק כולל, בדרך כלל, מתגים עם דיודת PIN או מתגים מסוג טרנזיסטורי FET. מתגי דיודת PIN מציעים ביצועי בידוד טובים יותר בתדירויות הגבוהות, אך יש להם בידוד גרוע יותר בתדירויות הנמוכות (בתדירות נמוכה מ- 40 מגה הרץ) בשל המגבלות המובנות של הטכנולוגיה.

למתגים מסוג טרנזיסטורי FET יש בידוד טוב בתדירויות הנמוכות, אך בתדירויות הגבוהות, הביצועים שלהם ירודים בגלל הקיבול שבין חיבור source לחיבור drain של טרנזיסטורי FET במצב סגור. כיום, מתכנני מתגים מנסים ליצור תכנונים היברידיים שמשפרים את התכונות הרצויות, הן של מתגים מסוג טרנזיסטורי FET וגם של מתגי דיודת PIN.

המהנדסים בחברת Mini-Circuits המציאו תכנוני מתגים אלקטרוניים שמשפרים באופן קיצוני את ביצועי הבידוד על פני רוחבי פס רחבים, ועוקפים כמה מבין האתגרים הקשורים לבידוד נמוך. חברת Mini-Circuits מציעה כיום מבחר רחב של מתגים אלקטרוניים מבוקרי חיבור USB שאפשר לקבלם בעלות שוק כדאית, עם טווח תדרים שמשתרע מזרם ישר (DC) עד 8 ג’יגה הרץ, ועם בידוד שמתפרש בין 50 dB עד 110 dB. לעת עתה, הדגמים האלו מחזיקים ביתרונות של חיי מיתוג ארוכים ומהירויות מיתוג שמוגדרות במונחים של מיקרו-שניות (ואף ננו שניות), ולא במונחים של מילי שניות. גודל הפרופיל הנמוך הקומפקטי שלהם, עוזר אף הוא להקטין את הגודל הכולל של מערכת הבדיקה. טבלה 1 שמופיעה בהמשך מתארת את הביצועים של כמה מדגמי המתגים האלקטרוניים שלנו.

טבלה 1. דוגמאות נבחרות של חברת Mini-Circuits עבור מתגים אלקטרוניים לביצועים גבוהים. הדגמים של Mini-Circuits מציעים טווח רחב של הגדרות מתגים, ממשקי בקרה ופרמטרים של ביצועים.

מספר הדגם	U2C-1SP2T-63VH	USB-2SP2T-DCH	USB-4SP2T-63H	SPI-SP10T-63
טווח תדרים	10 עד 6000 מגה הרץ	DC עד 8000 מגה הרץ	10 עד 6000 מגה הרץ	1 עד 6000 מגה הרץ
סוג המתג	SPDT	Dual SPDT	Quad SPDT	SP10T
בידוד	110 dB	50 dB עד 4 ג’יגה הרץ	65 dB	80 dB
זמן מיתוג*	700 ננו שנייה	14 מיקרו שנייה	250 ננו שנייה	6 מיקרו שנייה
הפסדי שילוב	5.0 dB	1.5 dB	2.8 dB	5.0 dB
טיפול בהספק	+33 dBm	+35 dBm	+ 30 dBm	+27 dBm

* מוגדר ללא השהיות תקשורת. מפרט זמן המיתוג מייצג את זמן ההפרעות של נתיבי אות ת”ר במהלך מיתוג.

 דוגמה מהעולם הממשי – מטריצת מיתוג לבדיקת מערכות תקשורת

מתגי ת”ר ומתגי גלי מיקרו שמשמשים ביישומי בדיקה בעולם הממשי, לעתים קרובות מחוברים יחד בתוך מטריצת מיתוג, כדי לנהל את תעבורת האותות ולהפוך אותה לאוטומטית. מאחר שכל אותות הבדיקה עוברים דרך מטריצת המיתוג, הביצועים שלה משפיעים ישירות על הדיוק, על ההדירות שלה ועל היעילות בביצוע המדידות. כאשר פורשים מערך בדיקה מסוים, מהנדסי הבדיקה צריכים להקפיד שהיחידות בבדיקה יעברו את הבדיקה בצורה תקינה, בדרך היעילה ביותר האפשרית. בראש ובראשונה יש להקפיד שפתרון הבדיקה שאותו פורשים יעביר את האות הנכון, ברמת ההספק הרצויה, אל ההתקן הנמצא בבדיקה, ושהבידוד בין חיבורי הבדיקה ישמור על שלמות המדידה. קביעת הניתוב של מטריצת המיתוג וקביעת הביצועים עבור מערכות בדיקה מורכבות, ייחודיות ליישום, יכולה להיות יקרה מאוד וצורכת זמן רב. יתר על כן, דרישות המערכת נוטות להיות ייחודיות ליישום מסוים, ולא קיים פתרון חד משמעי שמתאים לכולם. על מנת לתמוך בלקוחות בביצוע משימה זו, מציעה חברת Mini-Circuits טווח רחב של פתרונות מובנים מודולריים ומותאמים באופן אישי במלואם, לרבות מטריצת מיתוג מסדר גבוה עבור ניתוב אותות. ההחלטה אם מערכות אלו ישלבו מיתוג מכני או מיתוג אלקטרוני במערכת מסוימת, תיקבע בהתבסס על דרישות המערכת הייחודיות שלך

ניקח למשל, דוגמה ממשית שתומכת ביישומים של בדיקת טלקום מ- 600 מגה הרץ עד 6 ג’יגה הרץ. איור 2 מתאר תת מכלול של מטריצת מיתוג של 8 x 24. יחידה זו הייתה חלק ממערכות גדולות יותר, של 24 x 48 שכללו ייטוב (conditioning) אותות. במקרה זה, מטריצת המתגים הייתה צריכה לספק הפסד נתיב מרבי של 12 dB ולספק 120 dB של בידוד בין חיבורי הבדיקות. המטרה הייתה לעמוד בדרישות תפוקת זמן בדיקה של היחידות בבדיקה (DUT), שהוא פחות מ- 30 מילי שניות.

על מנת לעמוד בדרישות התכנון, המערכת ניצלה שילוב של מתגים מכניים ומתגים אלקטרוניים. בצד שבו קיימים 8 חיבורים אנו משתמשים במתגים מכניים מסוג SP4T (MSP4TA-18+), שמספקים הפסדי שילוב של 0.2 dB ובידוד של 90 dB. מהירות המיתוג של MSP4TA, שהיא 20 מילי שניות, עונה על זמן הבדיקה הכולל שנדרש בשלב זה מתוכנית ניתוב האותות.

איור 2 שבהמשך, מדגים את רשת המיתוג המשוכללת שמעבר למתגים מסוג SP4T. על מנת להשלים את ניתוב האותות ועדיין לעמוד בדרישות זמני הבדיקה, השתמשנו במתגים אלקטרוניים מבוקרי SPI מסוג ת”ר, דגם SP10T (SPI-SP10T-63). עם מהירות מיתוג של 6 מיקרו שנייה שיש לדגם הזה, אפשר להעביר את כל נתיבי המיתוג של מתגים אלקטרוניים במחזוריות, בפחות זמן מאשר מתג מכני שמבצע מחזור יחיד. כמו כן, המערך מאפשר בידוד של 80 dB וטיפול בהספקים של +27 dBm, שעונים על הדרישות עבור יישום טלקום זה. התצורה שבדוגמה זו מנצלת את היתרונות של שני סוגי המיתוג ומאפשרת את הביצוע של טווח רחב של בדיקות.

איור 2. תכנוני מטריצת המיתוג עברו שיפור באופטימיזציה על מנת לזכות ביתרונות של פרמטרי ביצועים ייחודיים של כל אחד מסוגי המתגים.

IV. עמידה בדרישות שלך

שעה שהתעשייה פועלת על מנת לפתח מספר רב יותר ומגוון רחב יותר של התקנים אלחוטיים, הצורך בפתרונות מהירים, יעילים וכדאיים מבחינת מחיר עבור בדיקות ת”ר ימשיך לגדול מבחינת מספר הסוגים. על רקע התהליך הזה שפועל ברקע, מאמר זה מספק סקירה של התכונות והיתרונות היחסיים של סוגי המתגים השונים, המשמשים לניתוב אותות במערכות בדיקת ת”ר. מתגים אלקטרוניים של חברת Mini-Circuits מציעים יתרונות של מיתוג מהיר ואורך חיים ארוך בצד בידוד גבוה במיוחד, שנחשב ייחודי בין המתגים ברמה זו. יחד עם הקו השלם של מתגים מכניים ומתגים אלקטרוניים שאנו מציעים, בפני מהנדסי הבדיקות עומד שפע של אפשרויות, בין אם הם משתמשים ברכיבים בדידים במערכי הבדיקות הפנימיים שלהם או אם הם מוציאים למיקור חוץ פתרון משולב במלואו.