ПРОТОТИПИРОВАНИЕ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ

Проектирование высокочастотных схем с использованием оценочных плат занимает много времени и требует от инженеров большого опыта. Несмотря на усилия, результат такой работы часто не обеспечивает производительность и ожидаемые параметры, то есть когда схема строится на одной плате. Создание прототипов радиочастотных конструкций с помощью модульной системы X-Microwave может значительно сократить время и навыки, необходимые для выполнения приложения, позволяя построить и протестировать устройство с частотой до 60 ГГц за один день. Давайте рассмотрим возможности этой платформы.

Типичный рабочий процесс при создании прототипов высокочастотных схем включает приобретение оценочной платы для каждого из компонентов или цепей, составляющих сигнальную цепочку, и их соединение коаксиальными кабелями. Это создает эквивалент схемы, концептуально эквивалентной той, что была бы построена с использованием одной платы с соответствующим расположением схем и компонентов. Но такой подход может привести к значительным вносимым потерям, вызванным наличием длинных сигнальных путей на платах, а также кабелями и разъемами.

Запуск полученного прототипа может быть сложным и трудоемким, и необходимо соблюдать особые требования к источнику питания для каждой оценочной платы. Также часто бывает что ВЧ-часть требует питания от нескольких напряжений и с определенной последовательностью порядка включения шин питания, что в случае нарушения протокола может вывести из строя компонент. Сами по себе шнуры питания и радиочастотные кабели также могут создать большую проблему, а если какая-либо из плат требует управления цифровым интерфейсом, все становится еще сложнее. Если вся система дает сбой при первом включении, устранение неполадок быстро превращается в упражнение на терпение и упорность. Другими словами – прототипирование высокочастотных схем хорошо известная инженерам проблема, от которой есть лекарство – платформа X-Microwave.

ПРОТОТИПИРОВАНИЕ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ

X-Microwave — это модульная платформа для прототипирования радиочастот, которая позволяет создавать легко модифицируемые сигнальные соединения без использования аксессуаров. Сигнальные межсоединения состоят из блоков X-Microwave — стандартных плат ВЧ чипов, которые можно выбирать из широкого спектра компонентов, поддерживающих частоты до 60 ГГц. Соединение таких модулей осуществляется без пайки – с помощью винтов и разъемов. Такую цепочку обработки сигналов гораздо проще использовать и контролировать, чем это обеспечивают оценочные платы. Для работы требуется лишь одно напряжение питания 12 В и Raspberry Pi, FPGA или другой контроллер. Модульная конструкция X-Microwave обеспечивает быстрое изменение конфигурации и значительно сокращает время ввода в эксплуатацию.

Детали решения X-Microwave

Конструкторы могут использовать X-Microwave для создания прототипа с параметрами, эквивалентными тем, что будет обеспечивать целевая одиночная печатная плата, которая появляется на завершающем этапе проекта, сохраняя при этом высокую скорость работы и свободу модификаций схемы. Он состоит из небольших блоков микросхем, которые могут быть связаны вместе для формирования сигнальных цепочек. Их ассортимент очень широк: от усилителей до микшеров, переключателей, контуров ФАПЧ и генераторов ГУН. Каждый такой блок состоит из одной интегральной микросхемы (в корпусе или в виде конструкции) с необходимыми для работы пассивными компонентами.

ПРОТОТИПИРОВАНИЕ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ

Путь сигнала выполнен в виде заземленных компланарных микрополосковых дорожек, идущих от микросхемы к контактным площадкам по краям. ВЧ-соединения с соседними платами выполняются без пайки в виде соединений «земля-сигнал-земля» (GSG), то есть разъемов. Они напоминают участки дорожек на печатной плате, благодаря чему параметры прототипа намного точнее отражают целевые значения. GSG обеспечивают низкие вносимые потери, составляющие всего доли децибела, и по мере увеличения количества компонентов в сигнальной цепи и необходимости большего количества соединений разница во вносимых потерях между X-Microwave и традиционным подходом схемы SMA становится еще больше.

ПРОТОТИПИРОВАНИЕ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ

ВЧ-блоки, входящие в состав платформы, смонтированы на опорной плате вместе с тестовыми щупами с разъемами SMA. X-Microwave также включает стенки и крышки, что позволяет имитировать эффекты полости (рис. 3).

Платы питания и управления установлены на нижней стороне базовой платы. Каждый ВЧ-блок, входящий в состав X-Microwave, подключается к соответствующим платам питания и управления, необходимым для работы ВЧ-части. Они прикреплены к нижней части базовой платы непосредственно под радиочастотными блоками, а электрическое соединение осуществляется с помощью пружинных контактов. При правильной последовательности включения напряжения питания разработчик прототипа может сосредоточиться на том, что действительно имеет значение в его конструкции — производительности.

Прототип цепи радиочастотного сигнала

Создание макета ВЧ с использованием блоков X-Microwave не представляет сложности. Для быстрого поиска необходимого компонента предусмотрена функция поиска и фильтрация по типу, спецификации и производителю. Кроме того, каталог интегральных микросхем ADI содержит графические символы в тех позициях, которые доступны в платформе.

ПРОТОТИПИРОВАНИЕ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ

После выбора интересующего компонента следующим шагом является моделирование предлагаемого решения. Для этого используется программное обеспечение Keysight Genesys, имеющее встроенную библиотеку с моделями схем X-Microwave, учитывающими влияние соединений. Существует также обширная библиотека со многими моделями деталей, подготовленными производителем, которые не являются моделями Genesys.

После моделирования и достижения удовлетворительной производительности следующим шагом выступает использование инструмента планирования (компоновки). Он доступен онлайн и позволяет создать карту расположения блоков X-Microwave на базовой плате. После размещения питания и управления добавляются автоматически. Все используемые компоненты перечислены в файле спецификации, который можно экспортировать в формате CSV и отправить для коммерческого предложения.

Помимо ВЧ-блоков, силовых плат и плат управления, в комплексное решение также входят базовые платы, необходимые для электрических соединений и механического крепления. Они продаются в двух размерах: 32х32 и 16х16. Эти цифры относятся к сетке отверстий под винты. Также необходимы перемычки, разъемы GSG и зажимы, то есть небольшие гибкие прямоугольные зажимы, которые размещаются поперек соседних ВЧ-блоков для образования соединения. Зажимы вкручиваются в плату и прижимают разъемы GSG к соединениям в блоках для обеспечения надежного электрического соединения.

ПРОТОТИПИРОВАНИЕ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ

Внешний источник радиочастотного сигнала подключается к схеме с помощью зонда. Доступны два типа: 2,92 мм и 1,85 мм, в зависимости от частоты. Тип 2,92 мм подходит для 50 ГГц, а 1,85 мм — для еще более высокочастотных диапазонов. Для того, чтобы собрать все это дело на опорной плате, нужны саморезы: самые короткие для крепления силовой и управляющей плат, самые длинные для крепления стенок и крышек. Пригодятся и инструменты – шестигранный ключ на 1/16″ и пинцет для манипуляций с мелкими детальками.

ПРОТОТИПИРОВАНИЕ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ

Перед выполнением тестов все это должно быть подключено и запитано. Лучше всего использовать мостовую плату AD-FMCXMWBR1-EBZ, которая дает до восьми линий GPIO, имеет две шины SPI с восемью линиями выбора микросхем в каждой и две шины I2C. Это также позволяет использовать компьютер Raspberry Pi для управления и использования сценариев, написанных на Python, или FPGA, обменивающейся данными через разъем FMC. Источник питания 12 В постоянного тока обеспечивает 7 отдельных линий напряжения для компонентов, 3 из которых регулируются с помощью потенциометров. Другие настройки, включая работу переключателей уровня, можно установить с помощью перемычек.

ПРОТОТИПИРОВАНИЕ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ

Плата моста подключается к схеме прототипа всего двумя кабелями, что обеспечивает порядок на лабораторном столе. Единственное дополнительное оборудование, необходимое для запуска прототипа, — это источник ВЧ сигнала (генератор) и инструменты РЧ-измерения (например, анализатор спектра). А отсутствие десятков коаксиальных кабелей, зажимов типа «крокодил», штыревых щупов, позволяет быстрее и продуктивнее проводить ввод в эксплуатацию.

ПРОТОТИПИРОВАНИЕ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ

Таким образом, платформа X-Microwave — это решение многих проблем, связанных с работой над проектом высокочастотной схемы с помощью оценочных плат. В настоящее время это самый быстрый и точный способ создания прототипов систем, работающих на частоте до 60 ГГц, обеспечивающий компактность, простоту модификации и проведения экспериментов. Эти прототипы портативны и требуют для работы только один источник питания 12 В постоянного тока. Все это может быть собрано буквально за несколько минут.