Tippek a megfelelő online eszközök kiválasztásához – 4. rész

Rádiófrekvenciás tervezés

A megfelelő mérnöki eszközök kiválasztásáról szóló sorozatunk utolsó fejezetében a rádiófrekvenciás (RF) áramköröket tervező mérnökök előtt álló kihívásokat vesszük számba, és megmutatjuk, miként lehetnek segítségükre az ingyenesen elérhető online tervezőeszközök.

Kihívások az RF-tervezésben – az alapok

Az RF-áramkörök nagyon magas frekvencián (jellemzően 300 kHz és 300 Ghz között) működő analóg áramkörök. Például a Bluetooth^® 2,4 GHz-es, a Wi-Fi^® 2,4 és 5 GHz frekvenciákat használ. Azonban az 5G celluláris technológia sokkal magasabb (25…40 Ghz-es) frekvenciatartományban működik, ami nagyobb sávszélességet biztosít, azonban egyúttal új tervezési kihívásokat is felvet.
RF-frekvenciák esetében a tervező nem tekinthet úgy az áramköri lapra, mint csupán az alkatrészeket összekötő elemre. A magasabb frekvencia rövidebb hullámhosszt jelent, aminek mérete már az alkatrészek és a vezetékezés dimenzióihoz és távközeihez közelít. Ezért ezeknek a tényezőknek és magának a nyomtatott áramköri lapnak a fizikai hatásait is figyelembe kell venni.
Ebből eredően a terv elemzését gyakran nem elegendő csupán a feszültség és az áram, hanem az elektromágneses hullámok viselkedésének szempontjából is szükséges elvégezni. Ez egyre fontosabbá válik, ahogy a méretek egyre inkább a hullámhossz jelentős hányadát teszik ki.

Néhány figyelembe veendő tényező:

• Az impedanciaillesztés alapvető fontosságú az alkatrészek közötti hatékony jelátvitelhez. Például, ha egy meghajtó bemeneti impedanciája 50 ohm, akkor ezt fenn kell tartani a jelútvonalon és a jelet fogadó eszköz bemenetén egyaránt.
• Visszaverődések akkor keletkeznek, amikor az elektromágneses hullám folytonossági zavarral, például impedanciaváltozással találkozik. Ez csökkenti a fogadó eszközre átvitt teljesítményt, emellett pedig az átvitt és a visszavert jelek közötti interferencia állóhullámokat kelthet a vezetőben. Az interferenciacsúcsok elég nagy feszültséget hozhatnak létre ahhoz, hogy az kárt okozzon a vezetőkben vagy az alkatrészekben. Gondos impedancia­illesztéssel a visszaverődések minimalizálhatók.
• Az áthallás olyan jeleket takar, amik nem kívánt hatást kelthetnek az áramkör egyéb részeiben.
• Az áthallás minimalizálható a nyomtatott áramkörök megfelelő tervezésével. Például földelési síkok használatával és annak biztosításával, hogy a jelútvonalak ne párhuzamosan fussanak.
• Ezeken a frekvenciákon olyan egyéb veszteségek is fontosak, amik egyébként általában figyelmen kívül hagyhatók. Ilyen például a vezetők bőrhatása és a nyomtatott áramkör anyagában fellépő dielektromos veszteségek.
• Az antenna kialakítása fontos az RF-jelek hatékony viteléhez és vételéhez. Az antenna hosszának arányosnak kell lennie a hullámhosszal, ami megoldható külső antennával vagy a NYÁK-on elhelyezett nyomvonallal. Ez utóbbi, bár nem olyan hatékony, de kisebb és olcsóbb megoldás.

Rádiófrekvenciás egylapkás rendszerek vagy integrált modulok használata megoldást jelent számos tervezési problémára, azonban rendszerbe történő integrálásuk továbbra is kihívást jelent.

RF-rendszerek paraméterei

A szokásos paraméterek (tápfeszültség, áram stb.) mellett vannak egyéb, az RF-áramkörökre jellemző paraméterek is:

• Sávszélesség – az a frekvenciatartomány, amit az áramkör használni fog, ez határozza meg az adatátviteli sebességet.
• Jelteljesítmény – a TV- és mobiltelefon-tornyok nagy adóitól eltekintve ez általában viszonylag alacsony. Például a Wi-Fi jelteljesítménye 100 mW-ra van korlátozva, a mobiltelefonok kb. 15 mW-ot sugároznak, míg a Bluetooth teljesítménye akár csupán 1 mW is lehet.
• Jel-zaj arány (Signal to Noise – SNR) – a jel szintje a zajhoz (minden nem kívánt jelhez) képest. Ez lehet környezetből származó vagy belsőleg generált zaj.
• RF-interferencia (RFI) – az elektromágneses interferencia sugározhat és átvihető vezetékekből, beleértve a tápkábeleket is.
• Szabályozási követelmények – minden ország meghatározza a saját, átviteli teljesítményre és frekvenciákra vonatkozó szabványait.

TERVEZŐESZKÖZÖK RF-ÁRAMKÖRÖKHÖZ

A tervezőeszközök segítséget nyújtanak az áramkörökkel kapcsolatos számításokban, a NYÁK-elrendezés kialakításában és szimulációkban. A szimulátoroknak le kell modellezniük az áramkört, valamint az IC-csomagok és az összeköttetések elektromágneses hatásait.

Az Analog Devices tervezőeszközei

Az Analog Devices különböző eszközökkel rendelkezik (https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/rf-and-synthesis-tools.html), amelyek segítséget nyújthatnak egy RF-rendszer tervezésében.

Ilyen eszközök például:

• ADIsimPLL – PLL-szintetizátorok tervezése és szimulációja
  • PLL-paraméterek és frekvenciák beállítása és hurokszűrők optimalizálása
  • Az eredmények idő- és frekvenciatartományban egyaránt megtekinthetők

• ADIsimRF – Akár 50 fokozatú RF-jelláncok szimulációja
  • Széles körű választék RF- és vegyes jelű alkatrészekből
  • Erősítést, zajt, torzítást és energiafogyasztást számol
  • Minden fokozathoz energia, frekvencia és erősítés ábrázolása

• ADIsimSRD Design Studio – rövid hatótávú vezeték nélküli rendszerek létrehozása és optimalizálása
  • Hatótávolság-becslés és akkumulátor élettartam-számítása
  • Segítséget nyújt a kristály, az illesztőantenna és egyéb alkatrészek kiválasztásában
  • Rugalmas FFT-alapú spektrumanalizátor

• Kalkulátorok
  • RF-impedancia egy vonal komplex terheléshez való illesztéséhez
  • A teljesítménymérés és a jelerősség szabványos mértékegységei (VRMS, dBm, dBu, dBV) közötti átváltások

1. ábra ADIsimPLL – szimulálható az összes kulcsfontosságú, nemlineáris hatás, ami befolyással lehet a PLL teljesítményére, például a fáziszaj, N-töredékes zavarok és visszáram­impulzus (Forrás: Analog Devices)

2. ábra ADIsimPLL – Gyorsan változtatható PLL-paraméterek és -frekvenciák, hurokszűrők optimalizálása. Az eredmények idő- és frekvenciatartományban egyaránt megtekinthetők (Forrás: Analog Devices)

Qorvo tervezőeszközök és kalkulátorok

Az RF-alkatrészekre specializálódott Qorvo különböző eszközöket kínál az RF-tervezés támogatásához. Ezek közvetlenül kezelik a fent felsorolt problémák némelyikét. Ilyen funkció például a különböző impedanciájú forrás és terhelés illesztéséhez szükséges alkatrészigény kiszámítása vagy a teljesítményátvitel hatékonyságának kalkulálása visszaverődött állóhullámok esetén.
Más eszközök a szűrők tervezéséhez nyújtanak segítséget többfokozatú áramkörök, energiagazdálkodás és NYÁK-tervezés kiértékelésében. Táblázatok tartalmazzák a különböző egységek közötti átváltásokat, és adatokat biztosítanak számos különböző rádiókommunikációs szabványról.
A Qorvo alkatrészmodelleket is kínál, amelyek számos elterjedt szimulációs eszközzel használhatók.

Egyéb eszközök és kalkulátorok RF-tervezéshez

Ezen sorozat korábbi írásaiban tárgyalásra került például, hogy egy RF-rendszernek szűrőkre és megfelelően szabályozott tápegységekre van szüksége. A sorozat jelen, utolsó részében az RF-tervezés összetett problémáinak megoldásában segítséget nyújtó eszközökkel foglalkoztunk, ami az analóg tervezés egy kifejezetten speciális ágát érinti.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
Kövessen bennünket Twitteren:
https://twitter.com/MouserElecEU

Tippek a megfelelő online eszközök kiválasztásához – 3. rész (Tápegységek) 

Tippek a megfelelő online eszközök kiválasztásához – 2. rész (Analóg szűrők)

Tippek a megfelelő online eszközök kiválasztásához – 1. rész (Online kalkulátorok és tervezőeszközök)