La produzione di componenti a ritmi e volumi elevati richiede di poter verificare sempre più dispositivi in sempre meno tempo, per minimizzare il costo del loro collaudo. I tecnici quindi sono sempre alla ricerca di nuove modalità per ridurre il tempo della verifica, automatizzando il più possibile i sistemi di test. La sfida di aumentare ancora di più la produttività nella realizzazione in grande serie di componenti sofisticati sta crescendo in termini di complessità, dato che i dispositivi tendono ad avere un sempre maggior numero di porte e funzionalità. Alcuni esempi includono moduli di front-end a radiofrequenza, che supportano diverse bande operative nei telefoni cellulari, antenne Mimo e prodotti di interconnessione passivi per applicazioni digitali ad alta velocità, come connettori Rf e gruppi di cavi. Per poter collaudare i dispositivi multiporta, gli analizzatori di reti vettoriali sono stati espansi da due a quattro porte, e sono ora disponibili anche con configurazioni multiporta. Con multiporta si indica ogni dispositivo che richiede più di quattro porte per l’analisi di rete. Dato che il numero di parametri da misurare aumenta per i dispositivi multiporta, i produttori di dispositivi in grande serie cercano soluzioni di test che possano appunto eseguire misure multiporta per contribuire ad aumentare le velocità dei test e quindi, ridurre il costo del collaudo. Le soluzioni di test multiporta si sono evolute da semplici banchi di prova dotati di commutatori a soluzioni complete, realmente multiporta, che consentono di effettuare rapidamente misure più veloci e accurate. Verranno qui descritte quattro tipologie di soluzioni di test. La scelta fra di esse dipende dalle specifiche necessità in termini di prestazioni, velocità e vincoli di budget.
Banchi di test a deviatori/commutatori
Il semplice banco di test dotato di commutatori o di un albero di deviatori, esegue misure a due porte per ogni percorso afferente alla porta comune. Un analizzatore di reti tradizionale a 2 porte con una porta comune ed una porta dotata di deviatore può eseguire tutte le misure richieste. L’apparato più semplice di questo tipo contiene solo deviatori a radiofrequenza, organizzati in una matrice che consente di effettuare le connessioni desiderate. In un sistema a 24 porte con una ramificazione in due gruppi, ciascuno connesso ad un deviatore a 6 posizioni, sebbene vi siano 24 porte a disposizione, solo 12 cammini possono essere misurati da ciascuna delle 12 porte di ingresso, dato che non è possibile eseguire misure tra porte dello stesso gruppo. Di conseguenza, invece dei 276 cammini possibili, questo banco di misura ne ammette solo 144. Le prestazioni della misura sono determinate dal tipo di deviatore impiegato: elettromeccanico o a stato solido. Ciascun tipo di deviatore offre vantaggi per un tipo specifico di test. I deviatori a stato solido offrono un tempo di commutazione veloce e tempi di vita più lunghi, ideali per applicazioni di collaudo ad alti volumi e flussi. I deviatori elettromeccanici sono impiegati in applicazioni nelle quali i dispositivi operano a potenze maggiori di 1 watt, che tipicamente rappresenta il limite indicativo per i deviatori a stato solido.
Banchi di test a matrice completa
Un banco di test a matrice completa (cross-bar) utilizza una rete di connessione non bloccante, cioè consente di effettuare una connessione da ogni porta ad ogni porta. Il sistema di test completo impiega gruppi di alberi di deviatori 1:N connessi a deviatori 1:2 ad ogni porta, consentendo così di effettuare misure su qualsiasi cammino. Le porte non utilizzate devono quindi essere terminate: o internamente tramite il deviatore a N posizioni, oppure con un carico esterno tramite il deviatore a due posizioni. Anche in questo caso, le prestazioni della misura sono determinate dai deviatori e dalle perdite o dal disadattamento di ogni cammino. La configurazione a matrice di connessione completa, che combina un Vna con una rete di deviatori, rappresenta un’opzione di test a basso costo. Tuttavia, la riposta di ogni cammino è influenzata dal carico applicato ad ogni porta. Una taratura completa di una matrice N x N deve essere eseguita per correggere le imperfezioni di adattamento di ogni porta. Questa taratura è difficile da eseguire su questo tipo di matrici dato che il valore esatto del carico di terminazione varia ad ogni porta a seconda della configurazione dei deviatori delle altre porte. La combinazione di un Vna con i deviatori è una soluzione a basso costo per aumentare il numero di porte dell’analizzatore. Tuttavia, le perdite nei deviatori dopo l’accoppiatore direzionale, presente nell’analizzatore, peggiorano le prestazioni del sistema in termini di dinamica, rumore della traccia e stabilità in temperatura rispetto a un Vna singolo. Questo peggioramento è rilevante specialmente per applicazioni ad alta frequenza, sopra i 10 GHz.
Soluzioni con banchi di test estesi
I banchi di test estesi rappresentano una soluzione migliore per realizzare misure tarate tra NxN porte, comprendenti sia accoppiatori direzionali e deviatori. Il banco esteso allarga infatti la matrice di deviatori di generazione consentendo l’utilizzo di più uscite. Corrispondentemente, il numero di ingressi è incrementato collegando i ricevitori interni a più porte tramite deviatori. Inoltre, un accoppiatore di test in ingresso viene aggiunto ad ogni porta. La stabilità e le prestazioni della misura sono migliori rispetto alle soluzioni precedenti, perché tutte le commutazioni avvengono a monte dell’accoppiatore e la correzione vettoriale rimuove gli errori sistematici fino a tale accoppiatore. A valle di tali accoppiatori è possibile aggiungere ulteriori estensioni, in modo da incrementare ulteriormente a piacere il numero di cammini misurabili. Tuttavia la dinamica rimane limitata delle perdite dei deviatori.
Soluzioni realmente multiporta
Le soluzioni realmente multiporta non richiedono l’utilizzo di deviatori/commutatori esterni o di accoppiatori aggiuntivi per eseguire misure multiporta. Un esempio è l’analizzatore di reti vettoriale M937xA PXIe a due porte di Keysight, una soluzione realmente multiporta inserita in un cestello Pxi. Possono essere configurati fino a 16 moduli in un singolo cestello, consentendo l’esecuzione di misure con correzione completa fino a 26,5 GHz su dispositivi sotto esame con ben 32 porte. Ogni modulo ha una sorgente indipendente e ogni ingresso è dotato di ricevitori di test e di riferimento indipendenti. I ricevitori consentono la misura simultanea dei parametri S di tutti i percorsi. Le misure sono estremamente accurate e stabili, non essendo presente alcuna attenuazione dei segnali tra il dispositivo sotto esame e i ricevitori. Dato che il Vna Pxi realmente multiporta cattura i dati con molteplici ricevitori, uno per ogni porta di test, le misure possono essere completate molto più velocemente e con molte meno scansioni rispetto alle soluzioni basate sui deviatori. Le soluzioni realmente multiporta offrono un vantaggio evidente in termini di ottimizzazione dei tempi di verifica e quindi della produttività del collaudo.
Considerazioni su sistemi multisito
Le soluzioni di misura dette multisito offrono la possibilità di eseguire misure su diversi componenti in parallelo per incrementare ulteriormente la produttività del collaudo. I sistemi di test multisito possono essere realizzati impiegando diversi Vna in varie configurazioni, per consentire l’esecuzione di misure su diversi cammini di un singolo dispositivo, o su numerosi dispositivi in parallelo. Una soluzione di test multisito si basa su di un unico Pc di controllo su cui girano diverse istanze del software, una per ogni analizzatore. Ogni strumento viene quindi configurato e controllato in modo indipendente per lavorare simultaneamente con gli altri analizzatori che compongono il sistema di collaudo automatico. La configurazione multisito è particolarmente utile in un ambiente di produzione dove più di un operatore esegue simultaneamente i test di qualificazione. Ad esempio, un Vna a quattro porte configurato per un impianto a basso costo di accordo di filtri, può essere utilizzando contemporaneamente da quattro operatori. Anche altri fattori, come le potenzialità del Pc di controllo, la larghezza di banda a frequenza intermedia del Vna e la comunicazione tra i sistemi possono influenzare la velocità effettiva di un sistema di misura multisito. Il numero di core nel Pc dovrebbe uguagliare il numero di analizzatori nel sistema, per evitare l’impatto del calcolatore nella velocità di test. Larghezza di banda IF ridotte, ad esempio 1 kHz, non hanno effetto sulla velocità, mentre bande uguali o superiori a 100 kHz possono causare un rallentamento generale. Inoltre, la scelta di una connessione ad alta velocita assicura che la comunicazione tra processore e Vna non impatti negativamente sulla velocità del sistema di test. Protocolli di comunicazione veloci tra Pc e Vna, come quello offerto dalla configurazione Pxi, beneficiano di un bus Pxi ad alta velocità.
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