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制作RF设计原型的更好方法--使用X-Microwave

关键词:X-Microwave RF设计 RF信号链

时间:2022-12-16 17:02:06      来源:ADI

对于RF设计,典型的原型制作经验是这样的:为信号链中的每个元器件购买评估板,使用RF线缆将这些板串在一起,粗略估计适当布局的信号链要是构建在单个生产PCB上会有怎样的性能。由于评估板PCB走线较长,并且涉及到大量布线和连接器,因此这种方法会产生相当大的插入损耗。由此得到的原型上线测试过程也可能令人沮丧且耗时,因为每个评估板都有特定的电压要求。

作者:ADI核心应用助理工程师Jacob Ciolfi

对于RF设计,典型的原型制作经验是这样的:为信号链中的每个元器件购买评估板,使用RF线缆将这些板串在一起,粗略估计适当布局的信号链要是构建在单个生产PCB上会有怎样的性能。由于评估板PCB走线较长,并且涉及到大量布线和连接器,因此这种方法会产生相当大的插入损耗。由此得到的原型上线测试过程也可能令人沮丧且耗时,因为每个评估板都有特定的电压要求。RF器件需要多个具有特定电源轨上电时序电压的情况也很常见,如果违反时序要求,器件可能会损坏。单单电源和RF线就可能造成巨大麻烦,如有电路板需要数字控制,事情会变得更加复杂。如果整个系统在首次开启时没能像预期的那样正常工作,那么调试很快就会变成耐心和毅力的磨炼。原型设计是RF工程界众所周知的一个令人头疼的问题,然而更快速、更简单、更准确的原型解决方案则是使用ADI的X-Microwave。

想象如下场景:您刚刚完成了RF信号链的规划。走进实验室,拿起零件,在60分钟内就在工作台上制作出原型。您连接一个12VDC电源、信号发生器和频谱分析仪,首次通电后,就测量到类似PCB的性能,与仿真的差异在1dB以内。对放大器的性能不满意?用内六角扳手花10分钟就能换一个放大器,然后测试更新后的设计。


图1.一个完整的X-Microwave原型,包括电源和数字控制,由FMC-XMW桥接板、X-Microwave信号链和Raspberry Pi组成。

这就是ADI的X-Microwave提供的原型制作体验,它是一种模块化RF原型制作平台,不到一个小时就能轻松构建可修改的信号链,无需任何专用工具。这些信号链由X-Microwave模块(可连接的单IC RF板)组成,其生态系统中的器件支持高达60GHz的频率。RF连接处(即由六角螺钉固定的无焊触点)稳定且易于安装。与评估板相比,该信号链的供电和数字控制要容易得多,控制板需要一个12VDC电源,驱动器可以是Raspberry Pi、FPGA或您选择的其他驱动器。X-Microwave模块化设计可实现快速信号链编辑,大幅缩短调试时间,并使原型保持紧凑、干净和便携。

X-Microwave解决方案

工程师可以利用ADI的X-Microwave获得最终设计单PCB的性能,而原型制作的速度和可修改性则与评估板相当。X-Microwave原型由小型单IC模块组成,这些模块可以串在一起形成信号链。从放大器到混频器、开关、PLL和VCO,X-Microwave生态系统拥有成千上万的RF模块,可支持各种完整的信号链。每个RF模块由单个RF IC(封装器件或裸片)和实现最佳功能与匹配所需的周围无源元件组成。X-Microwave特别注意RF布局和设计,以确保器件性能尽可能接近数据手册中的规格。在每个RF模块上,接地的共面波导走线从IC延伸到模块边缘上的测试接头。在这些测试接头与相邻模块之间使用无焊接地-信号-接地(GSG)互连实现RF连接。这些互连非常类似于连续PCB走线,与评估板的大连接相比,X-Microwave原型的整体性能可以更准确地反映最终系统性能。X-Microwave的每个GSG跳线连接的插入损耗只有几分之一dB,随着信号链中器件数量的增加和所需互连的增多,X-Microwave和SMA链接的评估板之间的插入损耗差异会变得更加明显。


图2.X-Microwave信号链

RF模块一起安装在原型板上,SMA探头模块连接到信号链的末端,以使RF信号输入和输出电路板。X-Microwave还有用于封闭RF模块的板壁和盖片,支持用户模拟空腔效应。


图3.一个偏置和控制模块(底部)连接到一个RF模块(顶部)。未显示原型板。

安装在原型板底部的专用偏置和控制板提供电源和控制信号。每个有源RF X-Microwave模块与专用的偏置和控制板配对,后者具有所需的电路来提供RF器件需要的稳定电压、上电时序和数字控制。偏置和控制板安装到原型板的底部,位于其所支撑的RF板正下方,通过弹簧销与上面的RF板进行电气连接。上电时序和偏置由这些专用模块处理,原型设计人员可以专注于设计中真正重要的事情——RF性能。

X-Microwave原型的表现与最终设计更相似,而不是类似于一串评估板,并且随着RF链中器件数量的增加,这种差异变得更加明显。利用X-Microwave原型验证设计后,您可以更有信心地开展评估工作,最大限度地减少PCB迭代次数,加快开发过程。

全部连接起来:RF信号链原型制作

使用ADI的X-Microwave创建RF设计类似于设计任何其他RF信号链。为了快速找到所需要的X-Microwave模块,X-Microwave提供了器件搜索功能,您可以按照类型、规格和制造商进行筛选。如果您正在浏览IC制造商的网站,X-Microwave生态系统支持的器件的网页上通常会显示X-Microwave横幅。


图4.HMC8402-DIE网页上的X-Microwave横幅


图5.X-Microwave的参数搜索功能示例,按制造商排序


图6.Genesys器件选择器中的X-Microwave库示例,器件可通过RF IC产品型号搜索

一旦选定了器件,下一步便是对建议的信号链进行仿真。Keysight的Genesys®软件是一种RF仿真工具,内置了X-Microwave模型库。这些X-Microwave模型对RF X-Microwave模块进行了从测试接头到测试接头的仿真,无需去除走线,与去除走线的IC仿真相比,X-Microwave板的仿真精度更高。丰富的X-Microwave库为许多没有直接来自IC制造商的Genesys模型的器件提供了模型。

在Genesys中运行仿真并达到您满意的性能后,就可以使用X-Microwave的布局工具了——不需要一小时您就能完成整个RF布局(包括添加电源!)。该布局工具可以通过X-Microwave在线访问。RF工程师可以使用该布局工具来规划原型板上信号链中的X-Microwave模块的布局图。布置好RF模块后,只需单击一个按钮即可自动添加偏置和控制板。信号链中使用的所有器件都会在右上角的物料清单(BOM)中实时更新,其中还有一个Export CSV(导出为CSV)按钮。.csv文件包含一个BOM,当您准备好开始采购时,您可以将其发送给X-Microwave以获得正式报价。


图7.X-Microwave布局工具中的一个示例设计,显示了规划的信号链并突出展示了器件选择器和BOM功能。

除了构成信号链所需的RF模块、偏置和控制板外,您还会注意到BOM上有几个额外的零件,这些零件是电气连接和机械安装上述模块所需要的。首先是原型板,它以两种尺寸销售——32 × 32和16 × 16,其中的32和16指的是X-Microwave网格单元或板上螺丝孔之间的间距。您还需要GSG跳线和锚点。GSG跳线是小型灵活的矩形电路,放置在相邻RF模块的测试接头上以形成RF连接。锚点在GSG跳线两端拧入,以将其固定到RF模块,并确保电气连接连续。


图8.X-Microwave探头,有2.92mm或1.85mm可选(图中所示为2.92mm)。

将外部RF信号源连接到信号链需要X-Microwave探头。根据所用的频率,有两种不同的探头可供选择:2.92mm和1.85mm。据称,2.92mm探头在50GHz范围内表现良好,而1.85mm探头在X-Microwave的67GHz测试上限之上仍能工作。您还需要螺钉以将所有东西安装到原型板上。总共有七种不同的螺钉长度可以使用,最短的用于安装偏置和控制板,最长的用于安装上方有盖片的X-Microwave板壁边缘。最后是连接所有部件的工具——1/16英寸内六角扳手用于拧紧螺钉,镊子用于将小物件放在小点上。一旦RF、偏置和控制模块到货,就可以按照您使用X-Microwave在线布局工具制作的布局图组装电路板了。


图9.GSG安置步骤(上)。GSG和锚点(下)。

现在,您只需要为电路板供电并接上数字控制就可以进行测试了。要将电源和数字控制连接到偏置和控制板,AD-FMCXMWBR1-EBZ 桥接板是不错的选择。 它提供多达8条GPIO线、2条完整的SPI总线(每条总线有8条片选线),以及2条完整的I2C总线。桥接板还提供两种不同的数字控制模式:(1) Raspberry Pi,直接连接到桥接板,用简单的几行Python脚本就能驱动信号链,或(2) FPGA,通过桥接板上的FMC连接器与X-Microwave信号链接口,支持在制作硬件原型的同时开发和测试接近量产的软件。连接到桥接板的单个12VDC电源为X-Microwave信号链提供七个不同的电压轨,其中三个可利用电位计进行调节。其他一些设置(包括桥接板电平转换器)可以通过跳线选择。最后,桥接板仅用两根线缆连接到X-Microwave原型,使得RF实验室工作台上完全不是杂乱无章的样子,这与通常状态——迷宫般的香蕉线缆和鳄鱼夹——形成鲜明对比。桥接板连接紧凑且干净的X-Microwave RF原型后,为数字控制和电源添加一个优雅的解决方案,使整体硬件解决方案尺寸最小化,非常便携,十分适合演示和旅行。展示X-Microwave原型所需的唯一额外设备是RF源和RF测量工具。

干净的实验室工作台和模块化生态系统使得调试更快速、更高效,达成量产遇到的麻烦更少,所需的工程设计时间更短。


图10.FMC-XMW桥接板AD-FMCXMWBR1-EBZ

结论

传统上,RF原型制作耗费了过多的工程时间,带来过多挫败感,而X-Microwave(几乎)解决了与常规评估板RF原型制作相关的一切痛苦。X-Microwave是当今更快速、更准确的原型设计流程,最高支持60GHz,可实现更紧凑且易于修改的设计以简化信号链调试和实验。当与ADI的FMC-X-Microwave桥接板一起使用时,X-Microwave原型也非常便携,只需一个12VDC电源用于供电和一个Raspberry Pi进行数字控制,每个信号链都能成为可以装进小鞋盒的演示品,设置时间比加载幻灯片所需的时间还短。比起当前原型制作实践,实现这种性能水平所需成本更高是合乎情理的,但除了一次性启动成本外,使用X-Microwave进行原型制作的成本常常与使用评估板构建系统的成本相当。即使不考虑工程时间缩短给最终效益带来的好处,一些X-MWblocks®实际上也比其对应的评估板方案更经济。

致谢

感谢帮助我完成这个项目的许多优秀的人,首先是Steve Ruscak和Jeff Stevens,他们为此项目提供了指导,并协助我完成文章的撰写。还要感谢我的RF导师在实验室提供的宝贵帮助,感谢Wesley Harris和Sydney Wells在成文的早期提出的建议,感谢Carolyn Reistad的宝贵意见和建议。

关于作者

Jacob Ciolfi担任现场轮岗培训计划助理工程师,主要负责RF应用。他拥有伍斯特理工学院电气和计算机工程学士学位,于2021年加入ADI公司。在闲暇时间,Jake喜欢打排球、烹饪和旅行。

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