X-Microwave – az RF-tervek prototipizálásának legjobb módszere

A mai RF-tervezéshez szükséges, kiértékelőkártyán alapuló prototípusgyártás jelentős mértékű mérnöki időt és erőforrást igényel, és az eredmény még mindig nem biztos, hogy eléri azt a teljesítményt, amit az egyetlen kártyára épített végleges rendszer nyújt majd. Az RF-tervek X-Microwave moduláris rendszerrel történő prototipizálása drámaian csökkentheti az RF-jellánc teszteléséhez szükséges időt és erőforrásokat, mivel lehetővé teszi a tiszta, módosítható, közel PCB-alapú prototípusok építését és tesztelését 60 GHz-ig egyetlen délután alatt. Ez a cikk áttekintést nyújt az X-Microwave platformról és annak előnyeiről, valamint lépésről lépésre útmutatót ad a kezdéshez.

Egy RF-tervezés tipikus prototípusfejlesztési tapasztalata magában foglalja a jellánc minden egyes komponenséhez egy-egy kiér­tékelőkártya (evaluation board) megvásárlását, és a kártyák RF-kábelezéssel történő felfűzését, ami nagyjából megközelíti azt, hogy a jellánc hogyan működne, ha a megfelelő elrendezés után egyetlen gyártási NYÁK-ra épülne fel. Ez a módszer jelentős beiktatási veszteséget eredményezhet a hosszú PCB nyomvonalak, valamint a kiterjedt kábelezés és csatlakozók miatt. Az így kapott prototípus online üzembe helyezése is frusztráló és időigényes lehet az egyes kártyák sajátos feszültségigénye miatt. Az sem ritka, hogy egy RF-alkatrész többféle feszültséget igényel, speciális tápsín-sorrenddel, ami ha megsérül, tönkreteheti az alkatrészt. Csak a táp- és RF-vezetékek önmagukban is komoly gondot okozhatnak, és ha bármelyik kártyának digitális vezérlésre van szüksége, a dolgok tovább bonyolódnak. Ha az egész rendszer nem működik az első bekapcsoláskor, a hibakeresés gyorsan a türelem és a kitartás gyakorlatává degradálódik. A prototípusok készítése jól ismert fejfájás az RF mérnöki világban – a gyorsabb, egyszerűbb és pontosabb prototípusok megoldása az X-Microwave.

Képzelje csak el, hogy Ön épp most fejezte be az RF-jellánc tervezését. Besétál a laborba, felkapja az alkatrészeket, és 60 perc alatt elkészíti a prototípust. Egyetlen 12 VDC tápegységet, egy jelgenerátort és egy spektrumanalizátort csatlakoztat, és már az első bekapcsoláskor a PCB-szerű teljesítmény méréseivel egy decibelen belül van a szimulációkhoz képest. Elégedetlen az erősítő teljesítményével? Tíz perc egy hexakulccsal, és máris kicserélte, és tesztelheti a frissített tervét.

1. ábra Egy teljes X-Microwave prototípus, beleértve a tápellátást és a digitális vezérlést, amely egy FMC-XMW bridge-boardból, egy X-Microwave jelláncból és egy Raspberry Pi-ből áll

Ezt a prototípuskészítési élményt kínálja az X-Microwave, egy moduláris RF-prototípusgyártó platform, amely lehetővé teszi, hogy könnyen módosítható jelláncok épüljenek fel kevesebb mint egy óra alatt, speciális szerszámok nélkül. Ezek a jelláncok X-Microwave blokkokból – csatlakoztatható egyedi IC RF-lap­kákból – állnak, és az ökoszisztémában vannak olyan alkatrészek, amelyek már 60 GHz-es frekvenciákat is támogatnak. Az RF-csatlakozások, a hatlapú belső kulcsnyílású csavarokkal rögzített forrasztás nélküli érintkezők robusztusak és egyszerűen telepíthetők. A jelláncot sokkal egyszerűbb táplálni és digitálisan vezérelni, mint a kiértékelőkártyákat – a vezérlőkártya egyetlen 12 VDC tápellátást igényel, legyen az egy Raspberry Pi, FPGA, vagy más, tetszőlegesen választott meghajtó. Az X-Microwave moduláris kialakítása lehetővé teszi a jellánc gyors szerkesztését, jelentősen csökkentve a hibakeresési időt, kompakt, tiszta és hordozható marad a prototípus.

Az X-Microwave megoldás

A mérnökök az X-Microwave segítségével a végső tervezet egyetlen nyomtatott áramköri lapjának teljesítményét a prototípuskészítés sebességével és a kiértékelőlapok módosíthatóságával érhetik el. Az X-Microwave prototípus kis, egyetlen IC-t tartalmazó blokkokból épül fel, amelyek egymásra fűzhetők egy jellánc létrehozásához. Az erősítőktől a keverőkig, kapcsolókig, PLL-ekig és VCO-kig az X-Microwave ökoszisztémában több ezer RF-blokk áll rendelkezésre a különböző teljes jelláncok támogatásához. Minden egyes RF-blokk egyetlen RF IC-ből (akár tokozott alkatrészből, akár chipből) áll az optimális működéshez és illesztéshez szükséges környező passzívokkal. Az X-Microwave különös gondot fordít az RF elrendezésre és tervezésre annak érdekében, hogy az eszköz a legmesszemenőbbekig teljesítse az adatlapi specifikációkat. Minden RF-blokkban földelt koplanáris hullámvezető nyomvonalak futnak az IC-től a blokk szélein lévő bevezetésekig. Az RF-kapcsolatok ezekből a bevezetésekből a szomszédos blokkhoz forrasztás nélküli föld-jel-föld (GSG) összeköttetésekkel készülnek. Ezek az összeköttetések nagyon hasonlítanak a folyamatos NYÁK-nyomvona­lakhoz, így az X-Microwave prototípus általános teljesítménye sokkal pontosabban reprezentálja a rendszer végső teljesítményét, mint a kiértékelőlapok nagyszámú összeköttetése. Az X-Microwave GSG-átvezetők összeköttetéseinek mindegyike csak a decibel töredékének megfelelő beillesztési veszteséggel rendelkezik, és ahogy a jelláncban lévő alkatrészek száma növekszik, és több összeköttetésre van szükség, a beillesztési veszteségben az X-Microwave-vel és az SMA-val kapcsolatos kiértékelő­kártyák közötti különbség még hangsúlyosabbá válik.

2. ábra Egy X-Microwave jellánc

Az RF-blokkok egy protoboard-ra vannak felszerelve, a jellánc végeihez SMA-szondablokkok vannak csatlakoztatva, hogy az RF-jelet be- és kivezessék a táblából. Az X-Microwave falakat és fedeleket is kínál az RF-blokkok körülzárásához, lehetővé téve az üreghatások szimulálását.

3. ábra Egy előfeszítő- és vezérlőblokk (alul), amely egy RF-blokkhoz (felül) csatlakozik. A protoboard nem látható a képen

A protoboard aljára szerelt külön előfeszítő- és vezérlőkártyák biztosítják a tápellátást és a vezérlőjeleket. Minden egyes aktív RF X-Microwave blokk egy külön előfeszítési és vezérlőpanellel párosul, amely rendelkezik a szabályozott feszültségek, valamint  a tápellátás szekvenciája és az RF-komponens által megkövetelt digitális vezérléshez szükséges áramkörökkel. Az előfeszítő- és vezérlőlap közvetlenül a protoboard aljához, az általa támogatott RF-lapka alá csatlakozik, és rugós csapokkal elektromos kapcsolatot létesít a fenti RF-lappal. Mivel a tápellátás folytonosságáról és az előfeszítésről ezek a dedikált blokkok gondoskodnak, a prototípus tervezője szabadon összpontosíthat arra, ami igazán számít a terve­zésében – az RF teljesítményre.

Az X-Microwave prototípusok lényegesen jobban hasonlítanak a végtervhez, mint a kiértékelőkártyák sora, és ez a különbség még hangsúlyosabbá válik, ahogy az RF-láncban lévő alkatrészek száma növekszik. Ha a tervezést egy X-Microwave prototípussal hozzák létre, sokkal magabiztosabbak lehetnek az értékelésben, minimalizálva a NYÁK-iterációk számát és felgyorsítva a fejlesztési folyamatot.

Az RF-jellánc prototípusának megalkotása

Az X-Microwave segítségével történő RF-tervezés hasonló bármely más RF-jellánc tervezéséhez. A szükséges X-Microwave blokk gyors megtalálásához az X-Microwave rendelkezik egy alkatrészkereső funkcióval, amely típus, specifikáció és gyártó szerint szűrhető. Ha az IC-gyártó webhelyén keresnek, az ökoszisztéma által támogatott alkatrészek weboldalain jellemzően egy X-Microwave banner látható.

4. ábra Az X-Microwave banner a HMC8402-DIE weboldalán

5. ábra Példa az X-Microwave paraméteres keresési funkciójára, gyártó szerint rendezve

6. ábra Egy példa egy X-Microwave könyvtárra a Genesys alkatrészválasztójában, az RF IC alkatrészszám alapján kereshető alkatrészekkel

Miután kiválasztották az alkatrészeket, a következő lépés a javasolt jellánc szimulálása. A Keysight Genesys^® szoftver egy RF- szimulációs eszköz, amely rendelkezik egy beépített könyvtárral, ami X-Microwave modelleket tartalmaz. Ezek az X-Microwave modellek az RF X-Microwave blokkokat indítástól-indításig szimulálják a nyomvonalak kibontása nélkül, ami javítja az X-Microwave lap szimulációs pontosságát a kibontott IC szimulációkhoz képest. A kiterjedt X-Microwave könyvtár számos olyan alkatrészhez nyújt modelleket, amelyekhez nem állnak rendelkezésre Genesys-modellek közvetlenül az IC gyártójától.

A szimulációk futtatása és a Genesysben elért elégedettséget hozó teljesítmény után ideje áttérni az X-Microwave elrendezési eszközére, ahol egy teljes RF elrendezés (beleértve a teljesítmény hozzáadását is!) kevesebb mint egy óra alatt elvégezhető. Az elrendezési eszköz online érhető el az X-Microwave-n keresztül. Az RF mérnökök az elrendezési eszközzel megtervezhetik az X-Microwave blokkok elhelyezési térképét a jelláncban a protokártyán. Miután elhelyezésre kerültek az RF-blokkok, egyetlen gombnyomással automatikusan hozzáadhatók az előfeszítő- és vezérlőlapok. A jelláncban használt összes alkatrész élőben frissül a jobb felső sarokban található anyagjegyzékben (BOM), ahol egy Export CSV gomb is található. A .csv fájl egy BOM-ot tartalmaz, amelyet elküldhetnek az X-Microwave-nek hivatalos árajánlatért, ha készen állnak a megrendelésre.

7. ábra Egy példaterv az X-Microwave layout eszközében, amely egy tervezett jelláncot mutat, és kiemeli az alkatrészválasztó és a BOM funkciót

A jellánc kialakításához szükséges RF-blokkok, előfeszítő- és vezérlőlapok mellett a BOM-on néhány további alkatrészt is észre lehet venni, amelyek a blokkok elektromos csatlakoztatásához és mechanikus rögzítéséhez szükségesek. Ezek közé tartozik például a protokártya, amely két méretben kapható – 32 × 32 és 16 × 16, ezek a számok a 32 és 16 az X-Microwave rácsegységekre vagy a lapon lévő csavarfuratok közötti távolságra utalnak. Szükség lesz továbbá GSG-átvezetőkre és az ún. horgonyokra. A GSG-átvezetők kis, rugalmas, téglalap alakú áramkörök, amelyeket a határos RF-blokkok bevezetésein keresztül helyeznek el, hogy RF-kapcsolatot alakítsanak ki. A horgonyokat a GSG-átvezetőkön keresztül csavarozzák be, hogy rögzítsék őket az RF-blokkokhoz, és biztosítsák a folyamatos elektromos kapcsolatot.

8. ábra X-Microwave szonda, amely 2,92 mm-es vagy 1,85 mm-es
(a képen 2,92 mm-es) kivitelben kapható

Külső RF-jelforrás csatlakoztatásához a jelláncba egy X-Microwave szonda szükséges. Kétféle szonda áll rendelkezésre, 2,92 mm-es és 1,85 mm-es, az alkalmazott frekvenciától függően. A 2,92 mm-es szonda 50 GHz-ig jó, míg az 1,85 mm-es szonda az X-Microwave 67 GHz-es tesztelési határértékénél magasabb teljesítményt nyújt. Csavarokra is szükség lesz, hogy mindent a protokártyához lehessen rögzíteni. Összesen legfeljebb hét különböző hosszúságú csavar használható, a legrövidebbtől – az előfeszítő- és vezérlőlapok rögzítéséhez – a leghosszabbig – az X-Microwave falszegélyek rögzítéséhez, fedéllel a tetején. Végül az összes darab összekapcsolásához szükségesek szerszámok – egy 1/16”-os hatlapos kulcs a csavarok meghúzásához, és egy csipesz az apró dolgok apró helyekre történő elhelyezéséhez. Miután megérkeztek az RF és az előfeszítő- és vezérlőblokkok, követni kell az X-Microwave online elrendező eszközzel készített térképet, hogy össze lehessen rakni a lapot.

9. ábra A GSG elhelyezési eljárás (fent), valamint a GSG és a horgony (lent)

A tesztelés előtt már csak a lapok tápellátása és a digitális vezérlés bekötése van hátra. A tápellátás és a digitális vezérlés csatlakoztatásához az előfeszítő- és vezérlőlapokhoz az AD-FMCXMWBR1-EBZ (Level Translator and Power Supply Kit) interfészkártya a legjobb megoldás. Ezen akár nyolc GPIO vonal, két teljes SPI busz egyenként nyolc chipkiválasztó vonallal, és két teljes I2C busz áll rendelkezésre. Az interfészkártya kétféle digitális vezérlési módot is lehetővé tesz: (1) az egyik egy Raspberry Pi közvetlenül a bridge-boardhoz csatlakoztatva, amely a láncot egy egyszerű, néhány soros Python szkript segítségével vezérli, a másik (2) egy FPGA, amely a kártya FMC csatlakozóján keresztül kapcsolódik az X-Microwave jellánchoz, lehetővé téve a hardveres prototípus mellett a gyártás­közeli szoftver fejlesztését és tesztelését. A bridge-boardhoz csatlakoztatott egyetlen 12 VDC tápegység hét különböző feszültségsávot biztosít az X-Microwave jellánc számára, amelyek közül három potméterekkel állítható. Néhány más beállítás, beleértve a bridge-board szintváltóit is, jumperek segítségével választható. Végül a bridge-board mindössze két kábellel csatlakozik az X-Microwave prototípushoz, így az RF-laboratóriumi padon határozottan kevés a rendetlenség – ez szöges ellentétben áll a szokásos banánkábelek és aligátorcsipeszek labirintusával. A bridge-board a már amúgy is kompakt és tiszta X-Microwave RF-prototípust egy elegáns megoldással egészíti ki a digitális vezérléshez és a tápellátáshoz, így a hard­veres megoldás mérete összességében minimális, ami rendkívül hordozható és jól használható bemutatókhoz és utazáshoz. Az X-Microwave prototípus bemutatásához csak egy RF-forrás és egy RF-mérőeszköz szükséges.

A tiszta laborpad és a moduláris ökoszisztéma gyorsabb és produktívabb hibakeresést tesz lehetővé, így kevesebb fejfájással és kevesebb mérnöki órával juthatnak el a gyártásig.

10. ábra FMC-XMW bridge-board, AD-FMCXMWBR1-EBZ

Következtetés

Az X-Microwave a megoldás (majdnem) mindenre, ami fájdalmas a hagyományos kiértékelőlapos RF-prototípusok készítésében, egy olyan művészetben, amely hagyományosan több mint a kellő mérnöki órát és frusztrációt igényelt. Az X-Microwave a mai 60 GHz-ig gyorsabb és pontosabb prototípuskészítési eljárás, amely kompaktabb és könnyebben módosítható terveket tesz lehetővé az egyszerű jellánc-hibakereséshez és kísérletezéshez. Az X-Microwave prototípusok az ADI FMC-X-Microwave bridge-boarddal együtt használva könnyedén hordozhatók is, mivel csak egyetlen 12 VDC tápegységet igényelnek a tápellátáshoz és egy Raspberry Pi-t a digitális vezérléshez, így minden jellánc egy olyan demó, amely elfér egy kis cipősdobozban, és rövidebb idő alatt felállítható, mint egy diakép betöltése. Ez a teljesítményszint érthető módon drágább lehet, mint a jelenlegi prototípusgyártási gyakorlatok, és mégis, az egyszeri indítási költségeket leszámítva, az X-Microwave-vel tör­ténő prototípusgyártás költségei gyakran hasonlók, mint a rendszer kiértékelőkártyákkal történő kiépítésének költségei. Egyes X-MWblock-ok^® valójában gazdaságosabbak, mint a kiértékelő­kártyás társaik, még mielőtt figyelembe vennénk a csökkentett mérnöki időből származó előnyöket.

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

Szerző: Jacob Ciolfi – központi alkalmazástechnikai mérnök, Analog Devices

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás, Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 0457 
www.arrow.com