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2022-12-16 14:12:05
快資訊丨制作RF設計原型的更好方法--使用X-Microwave
2022-12-16 14:12:05 來源: 電子創新網
作者：ADI核心應用助理工程師Jacob Ciolfi
(資料圖片僅供參考)
對于RF設計，典型的原型制作經驗是這樣的：為信號鏈中的每個元器件購買評估板，使用RF線纜將這些板串在一起，粗略估計適當布局的信號鏈要是構建在單個生產PCB上會有怎樣的性能。由于評估板PCB走線較長，并且涉及到大量布線和連接器，因此這種方法會產生相當大的插入損耗。由此得到的原型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器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，器件可能會損壞。單單電源和RF線就可能造成巨大麻煩，如有電路板需要數字控制，事情會變得更加復雜。如果整個系統在首次開啟時沒能像預期的那樣正常工作，那么調試很快就會變成耐心和毅力的磨煉。原型設計是RF工程界眾所周知的一個令人頭疼的問題，然而更快速、更簡單、更準確的原型解決方案則是使用ADI的X-Microwave。
想象如下場景：您剛剛完成了RF信號鏈的規劃。走進實驗室，拿起零件，在60分鐘內就在工作臺上制作出原型。您連接一個12VDC電源、信號發生器和頻譜分析儀，首次通電后，就測量到類似PCB的性能，與仿真的差異在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，然后測試更新后的設計。
圖1.一個完整的X-Microwave原型，包括電源和數字控制，由FMC-XMW橋接板、X-Microwave信號鏈和Raspberry Pi組成。
這就是ADI的X-Microwave提供的原型制作體驗，它是一種模塊化RF原型制作平臺，不到一個小時就能輕松構建可修改的信號鏈，無需任何專用工具。這些信號鏈由X-Microwave模塊（可連接的單IC RF板）組成，其生態系統中的器件支持高達60GHz的頻率。RF連接處（即由六角螺釘固定的無焊觸點）穩定且易于安裝。與評估板相比，該信號鏈的供電和數字控制要容易得多，控制板需要一個12VDC電源，驅動器可以是Raspberry Pi、FPGA或您選擇的其他驅動器。X-Microwave模塊化設計可實現快速信號鏈編輯，大幅縮短調試時間，并使原型保持緊湊、干凈和便攜。
X-Microwave解決方案
工程師可以利用ADI的X-Microwave獲得最終設計單PCB的性能，而原型制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模塊組成，這些模塊可以串在一起形成信號鏈。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模塊，可支持各種完整的信號鏈。每個RF模塊由單個RF IC（封裝器件或裸片）和實現最佳功能與匹配所需的周圍無源元件組成。X-Microwave特別注意RF布局和設計，以確保器件性能盡可能接近數據手冊中的規格。在每個RF模塊上，接地的共面波導走線從IC延伸到模塊邊緣上的測試接頭。在這些測試接頭與相鄰模塊之間使用無焊接地-信號-接地(GSG)互連實現RF連接。這些互連非常類似于連續PCB走線，與評估板的大連接相比，X-Microwave原型的整體性能可以更準確地反映最終系統性能。X-Microwave的每個GSG跳線連接的插入損耗只有幾分之一dB，隨著信號鏈中器件數量的增加和所需互連的增多，X-Microwave和SMA鏈接的評估板之間的插入損耗差異會變得更加明顯。
圖2.X-Microwave信號鏈
RF模塊一起安裝在原型板上，SMA探頭模塊連接到信號鏈的末端，以使RF信號輸入和輸出電路板。X-Microwave還有用于封閉RF模塊的板壁和蓋片，支持用戶模擬空腔效應。
圖3.一個偏置和控制模塊（底部）連接到一個RF模塊（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信號。每個有源RF X-Microwave模塊與專用的偏置和控制板配對，后者具有所需的電路來提供RF器件需要的穩定電壓、上電時序和數字控制。偏置和控制板安裝到原型板的底部，位于其所支撐的RF板正下方，通過彈簧銷與上面的RF板進行電氣連接。上電時序和偏置由這些專用模塊處理，原型設計人員可以專注于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，而不是類似于一串評估板，并且隨著RF鏈中器件數量的增加，這種差異變得更加明顯。利用X-Microwave原型驗證設計后，您可以更有信心地開展評估工作，最大限度地減少PCB迭代次數，加快開發過程。
全部連接起來：RF信號鏈原型制作
使用ADI的X-Microwave創建RF設計類似于設計任何其他RF信號鏈。為了快速找到所需要的X-Microwave模塊，X-Microwave提供了器件搜索功能，您可以按照類型、規格和制造商進行篩選。如果您正在瀏覽IC制造商的網站，X-Microwave生態系統支持的器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，按制造商排序
圖6.Genesys器件選擇器中的X-Microwave庫示例，器件可通過RF IC產品型號搜索
一旦選定了器件，下一步便是對建議的信號鏈進行仿真。Keysight的Genesys?軟件是一種RF仿真工具，內置了X-Microwave模型庫。這些X-Microwave模型對RF X-Microwave模塊進行了從測試接頭到測試接頭的仿真，無需去除走線，與去除走線的IC仿真相比，X-Microwave板的仿真精度更高。豐富的X-Microwave庫為許多沒有直接來自IC制造商的Genesys模型的器件提供了模型。
在Genesys中運行仿真并達到您滿意的性能后，就可以使用X-Microwave的布局工具了——不需要一小時您就能完成整個RF布局（包括添加電源！）。該布局工具可以通過X-Microwave在線訪問。RF工程師可以使用該布局工具來規劃原型板上信號鏈中的X-Microwave模塊的布局圖。布置好RF模塊后，只需單擊一個按鈕即可自動添加偏置和控制板。信號鏈中使用的所有器件都會在右上角的物料清單(BOM)中實時更新，其中還有一個Export CSV（導出為CSV）按鈕。.csv文件包含一個BOM，當您準備好開始采購時，您可以將其發送給X-Microwave以獲得正式報價。
圖7.X-Microwave布局工具中的一個示例設計，顯示了規劃的信號鏈并突出展示了器件選擇器和BOM功能。
除了構成信號鏈所需的RF模塊、偏置和控制板外，您還會注意到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塊所需要的。首先是原型板，它以兩種尺寸銷售——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。您還需要GSG跳線和錨點。GSG跳線是小型靈活的矩形電路，放置在相鄰RF模塊的測試接頭上以形成RF連接。錨點在GSG跳線兩端擰入，以將其固定到RF模塊，并確保電氣連接連續。
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信號源連接到信號鏈需要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范圍內表現良好，而1.85mm探頭在X-Microwave的67GHz測試上限之上仍能工作。您還需要螺釘以將所有東西安裝到原型板上。總共有七種不同的螺釘長度可以使用，最短的用于安裝偏置和控制板，最長的用于安裝上方有蓋片的X-Microwave板壁邊緣。最后是連接所有部件的工具——1/16英寸內六角扳手用于擰緊螺釘，鑷子用于將小物件放在小點上。一旦RF、偏置和控制模塊到貨，就可以按照您使用X-Microwave在線布局工具制作的布局圖組裝電路板了。
圖9.GSG安置步驟（上）。GSG和錨點（下）。
現在，您只需要為電路板供電并接上數字控制就可以進行測試了。要將電源和數字控制連接到偏置和控制板，AD-FMCXMWBR1-EBZ 橋接板是不錯的選擇。 它提供多達8條GPIO線、2條完整的SPI總線（每條總線有8條片選線），以及2條完整的I2C總線。橋接板還提供兩種不同的數字控制模式：(1) Raspberry Pi，直接連接到橋接板，用簡單的幾行Python腳本就能驅動信號鏈，或(2) FPGA，通過橋接板上的FMC連接器與X-Microwave信號鏈接口，支持在制作硬件原型的同時開發和測試接近量產的軟件。連接到橋接板的單個12VDC電源為X-Microwave信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。其他一些設置（包括橋接板電平轉換器）可以通過跳線選擇。最后，橋接板僅用兩根線纜連接到X-Microwave原型，使得RF實驗室工作臺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。橋接板連接緊湊且干凈的X-Microwave RF原型后，為數字控制和電源添加一個優雅的解決方案，使整體硬件解決方案尺寸最小化，非常便攜，十分適合演示和旅行。展示X-Microwave原型所需的唯一額外設備是RF源和RF測量工具。
干凈的實驗室工作臺和模塊化生態系統使得調試更快速、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
傳統上，RF原型制作耗費了過多的工程時間，帶來過多挫敗感，而X-Microwave（幾乎）解決了與常規評估板RF原型制作相關的一切痛苦。X-Microwave是當今更快速、更準確的原型設計流程，最高支持60GHz，可實現更緊湊且易于修改的設計以簡化信號鏈調試和實驗。當與ADI的FMC-X-Microwave橋接板一起使用時，X-Microwave原型也非常便攜，只需一個12VDC電源用于供電和一個Raspberry Pi進行數字控制，每個信號鏈都能成為可以裝進小鞋盒的演示品，設置時間比加載幻燈片所需的時間還短。比起當前原型制作實踐，實現這種性能水平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進行原型制作的成本常常與使用評估板構建系統的成本相當。即使不考慮工程時間縮短給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。
致謝
感謝幫助我完成這個項目的許多優秀的人，首先是Steve Ruscak和Jeff Stevens，他們為此項目提供了指導，并協助我完成文章的撰寫。還要感謝我的RF導師在實驗室提供的寶貴幫助，感謝Wesley Harris和Sydney Wells在成文的早期提出的建議，感謝Carolyn Reistad的寶貴意見和建議。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關于作者
Jacob Ciolfi擔任現場輪崗培訓計劃助理工程師，主要負責RF應用。他擁有伍斯特理工學院電氣和計算機工程學士學位，于2021年加入ADI公司。在閑暇時間，Jake喜歡打排球、烹飪和旅行。
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