製作RF設計原型的較佳方式

2023-03-08
作者 Jacob Ciolfi,ADI核心應用助理工程師

目前基於評估板的RF設計原型製作需要大量的工程時間和資源,而結果可能仍然達不到最終系統在單一板上建構完成後會具有的性能…

目前基於評估板的RF設計原型製作需要大量的工程時間和資源,而結果可能仍然達不到最終系統在單一板上建構完成後會具有的性能。使用X-Microwave模組化系統製作RF設計原型,可明顯減少測試RF訊號鏈所需的時間和資源,只需一個下午就能建構和測試最高60GHz的乾淨、可修改、接近PCB的原型。本文將簡要介紹X-Microwave平台及其優勢,以及詳細的使用步驟。

簡介

對於RF設計,典型的原型製作經驗是如此:為訊號鏈中的每個元件購買評估板,使用RF線纜將這些板串在一起,粗略估計適當佈局的訊號鏈要是建構在單一生產PCB上會有怎樣的性能。由於評估板PCB佈線較長,並且涉及到大量佈線和連接器,因此此種方法會產生相當大的插入損耗。由此得到的原型的上線測試過程也可能令人沮喪且耗時,因為每個評估板都有特定的電壓要求。

RF元件需要多個具有特定電源軌上電時序電壓的情況也很常見,如果違反時序要求,元件可能會損壞。單是電源和RF線就可能造成巨大麻煩,如有電路板需要數位控制,事情會變得更加複雜。如果整個系統在首次開啟時沒能像預期的如此正常工作,那麼偵錯很快就會變成耐心和毅力的磨煉。原型設計是RF工程界眾所皆知的一個令人頭疼的問題,更快速、更簡單、更準確的原型解決方案是X-Microwave。

想像一個場景:你剛剛完成了RF訊號鏈的規劃。走進實驗室,拿起零件,在60分鐘內就在工作台上製作出原型。連接一個12VDC電源、訊號產生器和頻譜分析儀,首次通電後,就測量到類似PCB的性能,與模擬的差異在1dB以內。對放大器的性能不滿意?用內六角扳手花10分鐘就能換一個放大器,然後測試更新後的設計。

 

圖1:一個完整的X-Microwave原型,包括電源和數位控制,由FMC-XMW橋接板、X-Microwave訊號鏈和Raspberry Pi組成。

 

這就是X-Microwave提供的原型製作體驗,其是一種模組化RF原型製作平台,不到一個小時就能輕鬆建構可修改的訊號鏈,無需任何專用工具。這些訊號鏈由X-Microwave模組(可連接的單IC RF板)組成,其生態系統中的元件支援高達60GHz的頻率。RF連接處(即由六角螺釘固定的無焊觸點)穩定且易於安裝。相較於評估板,該訊號鏈的供電和數位控制要容易得多,控制板需要一個12VDC電源,驅動器可以是Raspberry Pi、FPGA或你選擇的其他驅動器。X-Microwave模組化設計可實現快速訊號鏈編輯,大幅縮短偵錯時間,並使原型保持精巧、乾淨和可攜。

X-Microwave解決方案

工程師可以利用X-Microwave獲得最終設計單PCB的性能,而原型製作的速度和可修改性則與評估板相當。X-Microwave原型由小型單IC模組組成,這些模組可以串在一起形成訊號鏈。從放大器到混頻器、開關、PLL和VCO,X-Microwave生態系統擁有成千上萬的RF模組,可支援各種完整的訊號鏈。

每個RF模組由單一RF IC (封裝元件或晶片)和實現最佳功能與匹配所需的周圍被動元件組成。X-Microwave特別注意RF佈局和設計,以確保元件性能盡可能接近產品手冊中的規格。在每個RF模組上,接地的共面波導佈線從IC延伸到模組邊緣上的測試接頭。在這些測試接頭與相鄰模組之間使用無焊接地-訊號-接地(GSG)互連實現RF連接,這些互連非常類似於連續PCB佈線,與評估板的大連接相比,X-Microwave原型的整體性能可以更準確的反映最終系統性能。X-Microwave的每個GSG跳線連接的插入損耗只有幾分之一dB,隨著訊號鏈中元件數量的增加和所需互連的變多,X-Microwave和SMA連結的評估板之間的插入損耗差異會變得更加明顯。

 

圖2:X-Microwave訊號鏈。

 

RF模組一起安裝在原型板上,SMA探頭模組連接到訊號鏈的末端,以使RF訊號輸入和輸出電路板。 X-Microwave還有用於封閉RF模組的板壁和蓋片,支援用戶模擬空腔效應。

 

圖3:一個偏置和控制模組(底部)連接到一個RF模組(頂部),未顯示原型板。

 

安裝在原型板底部的專用偏置和控制板提供電源和控制訊號。每個主動RF X-Microwave模組與專用的偏置和控制板配對,後者具有所需的電路來提供RF元件需要的穩定電壓、上電時序和數位控制。偏置和控制板安裝到原型板的底部,位於其所支撐的RF板正下方,透過彈簧銷與上面的RF板進行電氣連接。上電時序和偏置由這些專用模組處理,原型設計人員可以專注於設計中真正重要的事情——RF性能。

X-Microwave原型的表現與最終設計更相似,而不是類似於一串評估板,並且隨著RF鏈中元件數量的增加,此種差異變得更加明顯。利用X-Microwave原型驗證設計後,可以更有信心的開展評估工作,大幅減少PCB演進次數,加快開發過程。

全部連接起來:RF訊號鏈原型製作

使用X-Microwave創建RF設計類似於設計任何其他RF訊號鏈。為了快速找到所需要的X-Microwave模組,X-Microwave提供了元件搜索功能,可以依照類型、規格和製造商進行篩選。如果你正在流覽IC製造商的網站,X-Microwave生態系統支援的元件的網頁上通常會顯示X-Microwave橫幅。

 

圖4:HMC8402-DIE網頁上的X-Microwave橫幅。

 

圖5:X-Microwave的參數搜索功能示例,依製造商排序。

 

圖6:Genesys元件選擇器中的X-Microwave庫示例,元件可透過RF IC產品型號搜索。

 

一旦選定了元件,下一步便是對建議的訊號鏈進行模擬。Keysight的Genesys軟體是一種RF模擬工具,內建X-Microwave模型庫。這些X-Microwave模型對RF X-Microwave模組進行了從測試接頭到測試接頭的模擬,相較於去除佈線的IC模擬,無需去除佈線使X-Microwave板的模擬精確度更高。豐富的X-Microwave庫為許多沒有直接來自IC製造商的Genesys模型的元件提供了模型。

在Genesys中執行模擬並達到滿意的性能後,就可以使用X-Microwave的佈局工具了——不需要1小時就能完成整個RF佈局(包括增加電源!)。該佈局工具可以透過X-Microwave線上瀏覽,RF工程師可以使用該佈局工具來規劃原型板上訊號鏈中的X-Microwave模組的佈局圖,佈置好RF模組後,只需按一下一個按鈕即可自動增加偏置和控制板。訊號鏈中使用的所有元件都會在右上角的物料清單(BOM)中即時更新,其中還有一個Export CSV (匯出為CSV)按鈕。.csv檔包含一個BOM,當你準備好開始採購時,可以將其發送給X-Microwave以獲得正式報價。

 

圖7:X-Microwave佈局工具中的一個示例設計,顯示了規劃的訊號鏈並展示了元件選擇器和BOM功能。

 

除了構成訊號鏈所需的RF模組、偏置和控制板外,你還會注意到BOM上有幾個額外的零件,這些零件是電氣連接和機械安裝上述模組所需要的。首先是原型板,其以兩種尺寸銷售——32 × 32和16 × 16,其中的32和16指的是X-Microwave網格單元或板上螺絲孔之間的間距。你還需要GSG跳線和錨點,GSG跳線是小型彈性的矩形電路,放置在相鄰RF模組的測試接頭上以形成RF連接,錨點在GSG跳線兩端鎖入,以將其固定到RF模組,並確保電氣連接連續。

 

圖8:X-Microwave探頭,有2.92mm或1.85mm可選(圖中所示為2.92mm)。

 

將外部RF訊號源連接到訊號鏈需要X-Microwave探頭。根據所用的頻率,有兩種不同的探頭可供選擇:2.92mm和1.85mm。據稱,2.92mm探頭在50GHz範圍內表現良好,而1.85mm探頭在X-Microwave的67GHz測試上限之上仍能工作。你還需要螺絲釘以將所有東西安裝到原型板上,總共有七種不同的螺絲釘長度可以使用,最短的用於安裝偏置和控制板,最長的用於安裝上方有蓋片的X-Microwave板壁邊緣。最後是連接所有零件的工具——1/16英吋內六角扳手用於鎖緊螺絲釘,鑷子用於將小物件放在小點上。一旦RF、偏置和控制模組到貨,就可以按照使用X-Microwave線上佈局工具製作的佈局圖組裝電路板。

 

圖9:GSG安置步驟(上),GSG和錨點(下)。

 

現在,只需要為電路板供電並接上數位控制就可以進行測試。要將電源和數位控制連接到偏置和控制板,AD-FMCXMWBR1-EBZ橋接板是不錯的選擇。其提供多達8條GPIO線、2條完整的SPI匯流排(每條匯流排有8條晶片選擇線),以及2條完整的I2C匯流排。

橋接板還提供兩種不同的數位控制模式:(1) Raspberry Pi,直接連接到橋接板,用簡單的幾行Python腳本就能驅動訊號鏈,或(2) FPGA,透過橋接板上的FMC連接器與X-Microwave訊號連結口,支援在製作硬體原型的同時開發和測試接近量產的軟體。連接到橋接板的單一12VDC電源為X-Microwave訊號鏈提供七個不同的電壓軌,其中三個可利用電位計進行調節。

其他一些設定(包括橋接板位準轉換器)可以透過跳線選擇。最後,橋接板僅用兩根線纜連接到X-Microwave原型,使得RF實驗室工作台上完全不是雜亂無章的樣子,這與通常狀態——迷宮般的香蕉線纜和鱷魚夾——形成鮮明對比。橋接板連接緊湊且乾淨的X-Microwave RF原型後,為數位控制和電源增加一個優雅的解決方案,使整體硬體解決方案尺寸最小化,非常易於攜帶,十分適合展示和旅行。展示X-Microwave原型所需的唯一額外設備是RF源和RF測量工具。

乾淨的實驗室工作台和模組化生態系統使得偵錯更快速、更高效,達成量產遇到的麻煩更少,所需的工程設計時間更短。

 

圖10:FMC-XMW橋接板AD-FMCXMWBR1-EBZ。

 

結論

傳統的RF原型製作往往耗費過多工程時間,也帶來相對挫折感,而X-Microwave (幾乎)解決了與常規評估板RF原型製作相關的痛點。X-Microwave是現今更快速、更準確的原型設計流程,最高支援60GHz,可實現更精巧且易於修改的設計以簡化訊號鏈偵錯和實驗。當與ADI的FMC-X-Microwave橋接板一起使用時,X-Microwave原型也非常方便攜帶,只需一個12VDC電源用於供電和一個Raspberry Pi進行數位控制,每個訊號鏈都能成為可以裝進小鞋盒的展示品,設定時間比載入投影片所需的時間還短。

比起目前原型製作實踐,實現此種性能水準所需成本更高是合乎情理的,但除了一次性啟動成本外,使用X-Microwave進行原型製作的成本常常與使用評估板建構系統的成本相當。即使不考慮工程時間縮短為最終效益帶來的好處,一些X-MWblocks實際上也比其對應的評估板方案更經濟。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年2月號

 

 

 

 

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