ピッカリング、航空宇宙ATEシステム向け18 GHz RFスイッチングマトリックスを開発

米国を拠点とするエンジニアリング会社が、ATEシステム向けに高信頼性のプログラム可能なRFスイッチングサブシステムを必要としたとき、彼らはPickering Interfacesに依頼しました。

 

レガシーを守る技術

航空宇宙および防衛分野において、レガシーシステムの維持管理に対する需要と市場は増加しています。これは驚くべきことではありません。なぜなら、今日使用されている一部のシステムは何十年も前に運用を開始したものだからです。しかし、故障する部品（長らく廃止されたもの）は、システムの保守、ひいては継続的な運用を危険にさらします。実際、多くの現代電子部品のライフサイクルが短縮されていることを考えると、新しいシステムであっても陳腐化の問題に直面する可能性があります。

したがって、システムの一部（PCBやライン交換可能ユニット、LRUなど）をリバースエンジニアリングし、形状・適合・機能を備えた代替品を作成する必要があることがよくあります。また、特に防衛分野においては、既存のシステムを近代化し、新しい機能や能力を追加する必要があることもよくあります。

この成長する市場に対応する企業の一つは米国に拠点を置いています。この企業は、民間および軍事のさまざまな機関を支援しており、専門的なエンジニアリングサービスの範囲には、自動テスト装置（ATE）システムの設計・構築も含まれています。最近、この企業は最大18 GHzで動作する複数のRF送受信（T/R）要素をテストするためのATE用プログラム可能なRFインターフェースユニット（RFIU）サブシステムを必要としました。

具体的には、スペクトラムアナライザや信号アナライザ、信号源などの最大4つのRF機器を同時に9つの異なるRF送受信素子に接続できるスイッチングマトリックスが必要でした。

機器および送受信（T/R）要素を接続しやすくするために、同社はマトリックスの入力および出力をMacPanelインターフェース上で表示することを望んでいました。同社はまた、C++で作成されたソフトウェアでマトリックスを制御し、RFIUの構成、すなわちどの入力がどの出力に接続されているかを明確に視覚的に示すことを望んでいました。

高い信頼性と再現性（振幅および位相の観点で）も重要な要件であり、Pickering Interfacesは提案を提出するよう依頼された複数の潜在的なサプライヤーの一つでした。

 

提案

Pickering Interfacesは、DCから光までのアプリケーション向けにスケーラブルなスイッチングおよびルーティングソリューションを設計および製造しています。これらのソリューションは、PXI、LXI、またはUSB通信インターフェースを介してホストコンピュータに接続されたテストシステムに容易に統合できます。

この場合、Pickeringが提案したターンキーソリューションは、複数の相互接続されたRFスイッチ（これによりスイッチングマトリックスが作成される）を含むLXIラックマウントエンクロージャであり、ATEのホストコントローラからEthernet/LAN経由で制御することができました。

スイッチングマトリックスに関して、ピッカリングは3つのオプションを提示しました：

 

1. DCから18 GHzまで対応可能な9 x 4マトリックスで、オプションで周波数を26.5 GHzまで拡張できます。このマトリックスは、4つのシングルポール・ダブルスロー（SPDT）スイッチと17のシングルポール・シックススロー（SP6T）スイッチを使用して構築されます。入力から出力への信号経路は、3つのRFスイッチを通過します。
2. DCから18 GHzに対応可能で、必要に応じて26.5 GHzまで拡張できる10 x 5のマトリックス。このマトリックスには5つのSPDTスイッチと20のSP6Tスイッチが必要です。再度述べると、入力から出力への信号経路は3つのRFスイッチを通過します。
3. 顧客がさらに大規模な拡張機能を望む場合に備えた、修正版アーキテクチャ（12 x 2 x 8）：最大12のT/Rおよび最大8つの機器まで対応可能ですが、同時に使用できるI/Oパス接続は2つのみです。入力から出力への信号経路は4つのRFスイッチを通過します。これはあくまで参考案として提案されたものであり、必要なハードウェア費用はオプション1および2とほぼ同等です。

ピカリングは、提案された3つのトポロジーそれぞれから期待される性能を例示するために、3つおよび4つの相互接続されたスイッチに関する一連のテストも実施しました。テスト結果は、図1に示されている電圧定在波比（VSWR）プロットの形で示されています。

図1. VSWRプロットは、アンテナや伝送線路のインピーダンスがどのように信号源と一致しているか、およびどれだけの信号が反射されるかを示すために使用されます。上図は、3つ（左）および4つ（右）の相互接続されたスイッチのVSWRプロットです。

オプション1は会社の即時の要件を満たしましたが、将来の拡張を見越して対応できることが望ましかったため、オプション2（10 x 5マトリックス）が選択されました。また、将来的な拡張が行われる前でも、未使用のスイッチポートは冗長性のレベルを提供します。すなわち、単一のスイッチが故障した場合でも、RFIUは最大4台の機器を最大9台のT/Rに接続するという観点で完全に機能し続けることができます。図2はトポロジーを示しています。

 

図2 – この10 x 5マトリックスは、顧客の即時の要件を満たしました。また、冗長性や5つ目の機器および10番目の送受信要素を追加する能力も提供します。なお、未使用の入力または出力には、50Ω終端へのプログラム可能な経路が必要であることも要件でした。

 

RFスイッチング・インターフェース・ユニット

顧客がモデル化されたRF特性およびシャーシの3Dモデルを承認した後、設計は承認され、RFIUはピッカリングの製造プロセスに組み込まれました。また、製品の合意されたライフサイクルにわたってCOTS部品（RFスイッチなど）の入手可能性を保証するピッカリングの厳格な陳腐化管理システムにも組み込まれました。このライフサイクルは場合によっては20年以上になることがあります。

RFIUは、注文後わずか数ヶ月で製造され、徹底的にテストされ、（技術文書とともに）納品されました。図3および図4は最終製品を示しています。

図3 – 左上はLXIシャーシの背面パネルです。これは、スイッチングマトリックスの入力および出力に簡単にアクセスできるという顧客の要望に応えています（15個のSMAコネクタを使用して実現）。シャーシはLXI Standard 1.5に準拠しており、1000Base-Tイーサネットインターフェース（標準のRJ-45コネクタ経由）と、ユニットのIPアドレスを表示するLCDディスプレイを備えています。

図3 – 右上はシャーシの前面パネルです。回路図内のLEDは、どのスイッチが閉じているか（通電経路）を示します。追加のLED（左下隅）はLXIイーサネットの状態を示します：状態には、電源投入中、通常動作状態、ネットワーク障害、ServerBridge障害、イーサネット変更通知が含まれます。

このハードウェアには、すべてのPickeringのLXI製品に共通のLAN通信インターフェースが付属していました。Pickeringはさらに以下を提供しました:

• ソフトフロントパネルのマニュアルプログラミングインターフェースは、Pickeringの全スイッチング製品で共通しており、C#を含むほとんどのアプリケーション開発環境に対応するソフトウェアドライバが含まれています（顧客のプログラミング要件を満たします）。
• スイッチパスマネージャー (SPM) アプリケーションプログラマインターフェース。これは図1に示されている10 x 5構成に特有のものです。SPM APIを通じた信号ルーティングは、接続されるテストシステムのエンドポイントを定義するだけで行われます。

要約

顧客は、ATE用に徹底的にテストされ文書化された、非常に信頼性が高く再現性のあるターンキーRFIUサブシステムを受け取りました。RFIUの中心にあるスイッチングマトリックスは、必要に応じてより多くのI/Oに対応でき、SPMの多用途性のおかげで、プログラミングも大幅に簡素化されています。

また、設計承認に至るまでに実施されたVSWRテストは、その後、エンジニアがPXIおよびLXIマイクロ波スイッチングシステムを簡単に設計、シミュレーション、モデリングできる無料のオンラインツールであるPickeringのマイクロ波スイッチ設計ツール（MSDT）でシミュレーションされ、その結果は非常によく一致しています。図5を参照してください。

図5: 10x5、18 GHzマトリックスのシミュレーションと実際のVSWR性能の比較。

 

MSDTの開始以来、ここで述べられたもののようなすべてのプロジェクトでは、設計が生産に移行する前に、顧客が性能シミュレーションと3Dモデルを承認する必要があります。生産前のRF（信号経路）特性評価テストは、依頼に応じて引き続き実施できます。

最後に、ピッカリングは最近、18 GHz、50 Ωの特性インピーダンスを持つ10 x 5マトリックスRFIUを標準のCOTS製品（部品番号60-891-048）として提供しています。これはLXI標準1.4準拠のマトリックスで、3Uフォームファクターであり、3年間の保証が付いています。

 

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