X-Microwave – nowa koncepcja prototypowania układów RF
| TechnikaProjektowanie układów wysokich częstotliwości z użyciem dostępnych na rynku płytek ewaluacyjnych jest czasochłonne i wymaga od inżynierów dużego doświadczenia. Mimo wysiłków, rezultat takich prac często nie zapewnia wydajności i oczekiwanych parametrów, tj. takich, gdy system zostanie zbudowany na pojedynczej płytce. Prototypowanie projektów RF za pomocą systemu modułowego X-Microwave może radykalnie skrócić wymagany czas i wymagane umiejętności potrzebne do wykonania aplikacji, umożliwiając zbudowanie i przetestowanie układu działającego do 60 GHz w ciągu jednego popołudnia. W tym artykule prezentujemy możliwości tej platformy.
Typowy schemat działań w tworzeniu prototypów układów w.cz. (RF) obejmuje zakup płytki ewaluacyjnej dla każdego z komponentów lub obwodów tworzących łańcuch sygnałowy i połączenie ich ze sobą kablami koncentrycznymi. Tworzy to, mniej więcej, odpowiednik systemu równoważnego koncepcyjnie temu, gdyby był on zbudowany z użyciem pojedynczej płytki z odpowiednim rozplanowaniem obwodów i elementów. Niemniej takie podejście może spowodować pojawienie się znacznych strat wtrąceniowych wywołanych obecnością długich ścieżek sygnałowych na płytkach oraz okablowania i złączy. Uruchomienie uzyskanego w ten sposób prototypu może być niełatwe i czasochłonne, a poza tym trzeba jeszcze spełnić specyficzne wymagania dotyczące napięcia zasilającego dla każdej płytki ewaluacyjnej. Często zdarza się również, że część RF wymaga zasilania z wielu napięć i z określonym sekwencjonowaniem kolejności załączania szyn zasilających, które w przypadku naruszenia protokołu mogą zniszczyć komponent. Same przewody zasilające i kable RF mogą też stworzyć duży problem, a jeśli dodatkowo którakolwiek płytka wymaga sterowania z użyciem interfejsu cyfrowego, sprawy jeszcze bardziej się komplikują. Jeśli cały system nie zadziała przy pierwszym włączeniu (to normalne!), szukanie usterki szybko zamienia się w ćwiczenie cierpliwości i wytrwałości. Innymi słowy – prototypowanie układów w.cz. to ból głowy dobrze znany inżynierom, na który jest remedium – platforma X-Microwave.
Wyobraź sobie: właśnie skończyłeś projekt układu RF. Wchodzisz do laboratorium, bierzesz części i w 60 minut masz gotowy do testowania prototyp. Podłączasz pojedyncze zasilanie 12 VDC, generator sygnałowy oraz analizator widma i od pierwszego włączenia wykonujesz pomiary parametrów z dokładnością do decybeli zgodną z symulacjami. Nie jesteś zadowolony z działania wzmacniacza? Wystarczy kolejne dziesięć minut, aby móc testować poprawiony projekt (rys. 1).
X-Microwave to modułowa platforma do prototypowania układów RF, która umożliwia budowę łatwo modyfikowalnych połączeń sygnałowych bez użycia akcesoriów. Połączenia sygnałowe składają się z bloków X-Microwave — standardowych płytek RF zawierających układ scalony, które można dobierać z bogatego zestawu komponentów obsługujących częstotliwości do 60 GHz. Łączenie takich modułów jest realizowane bez lutowania za pomocą śrubek i łączników. Tak wykonany łańcuch przetwarzania sygnału jest znacznie łatwiejszy do obsługi oraz sterowania niż zapewniają płytki ewaluacyjne. Do działania wymaga pojedynczego napięcia zasilania (12 V) oraz Raspberry Pi, FPGA lub innego sterownika. Modułowa konstrukcja X-Microwave zapewnia możliwość szybkich zmian konfiguracji, znacznie skraca czas uruchamiania i sprawia, że prototypowy układ jest niewielki i może być łatwo przenoszony.
Szczegóły rozwiązania X-Microwave
Projektanci mogą wykorzystać X-Microwave, aby zbudować prototyp o parametrach równoważnych temu, co zapewni docelowa pojedyncza płytka drukowana, która pojawia się w końcowej fazie projektu zachowując duże tempo pracy i swobodę modyfikacji układowych. Składa się ona z małych bloków z chipami, które można ze sobą łączyć, tworząc łańcuchy sygnałowe. Dostępny ich asortyment jest bardzo szeroki: od wzmacniaczy po mieszacze, przełączniki, pętle PLL i generatory VCO. Każdy taki blok składa się z pojedynczego układu scalonego (w obudowie lub jako struktura) z wymaganymi do działania podzespołami pasywnymi. X-Microwave gwarantuje dobre dopasowanie i zgodny ze specyfikacją projekt. Tor sygnałowy jest wykonany jako uziemione współpłaszczyznowe ścieżki mikropaskowe biegnące od układu scalonego do pól stykowych na krawędziach. Połączenia RF z sąsiednimi płytkami są realizowane bez lutowania jako połączenia ground-signal- ground (GSG) tj. łączniki. Przypominają one odcinki ścieżek na PCB, dzięki czemu parametry prototypu bazującego na X-Microwave znacznie dokładniej odzwierciedlają docelowe wartości. GSG dają małą tłumienność wtrąceniową wynoszącą zaledwie ułamki decybeli, a wraz ze wzrostem liczby komponentów w łańcuchu sygnałowym i potrzebą większej liczby połączeń, różnica w tłumieniu wtrąceniowym między X-Microwave i tradycyjnym podejściu układowym ze złączami SMA staje się jeszcze większa (rys. 2).
Bloki RF składające się na platformę są montowane płycie bazowej razem z sondami pomiarowymi z gniazdami SMA. Częścią X-Microwave są ponadto ścianki i pokrywy, co pozwala symulować efekty wnęki (rys. 3).
Płytki zasilania i sterujące są zamontowane na spodzie płyty bazowej. Każdy blok RF wchodzący w skład X-Microwave jest połączony z odpowiadającymi mi płytkami zasilania i sterowania wymaganych do pracy przez część RF. Są one mocowane do dolnej części płyty bazowej bezpośrednio pod blokami RF, a połączenie elektryczne realizowane jest za pomocą kontaktów sprężynowych. Dzięki odpowiedniej kolejności załączania napięć zasilania, projektant prototypów może skupić się na tym, co naprawdę liczy się w jego projekcie — wydajności.
Prototypowanie łańcucha sygnału RF
Tworzenie projektu układu RF za pomocą bloków X-Microwave nie jest skomplikowane. Aby szybko znaleźć potrzebny komponent dostępna jest funkcja wyszukiwania oraz filtrowania według typu, specyfikacji i producenta. Dodatkowo katalog układów scalonych ADI zawiera symbole graficzne w tych pozycjach, które są dostępne w platformie (rys. 4, 5, 6).
z listą posortowaną według producenta
Po wybraniu interesującego komponentu następnym krokiem jest symulacja proponowanego rozwiązania. Do tego celu służy oprogramowanie Keysight Genesys, które ma wbudowaną bibliotekę z modelami układów X-Microwave uwzględniające wpływ połączeń. Jest też dostępna obszerna biblioteka X-Microwave z modelami wielu części przygotowanych przez producenta, które nie mają modeli Genesys.
Po symulacjach i osiągnięciu satysfakcjonującego działania, w kolejnym kroku wykorzystuje się narzędzie do planowania (tworzenia layoutu) w X-Microwave. Jest ono dostępne online i umożliwia stworzenie mapy rozmieszczenia bloków X-Microwave na płycie bazowej. Po rozmieszczeniu płytki zasilania i sterowania są dodawane automatycznie. Wszystkie użyte komponenty są wyszczególniane w pliku BOM, który można wyeksportować jako CSV i wysłać do wyceny (rys. 7).
Genesys
Oprócz bloków RF, płytek zasilania i sterujących na całość rozwiązania składają się też płytki bazowe potrzebne do realizacji połączeń elektrycznych i mocowania mechanicznego. Są one sprzedawane w dwóch rozmiarach: 32×32 i 16×16. Liczby te odnoszą się do rastra otworów na śruby. Niezbędne są ponadto jumpery, łączniki GSG i zaciski tj. małe, elastyczne, prostokątne zaciski, które są umieszczane w poprzek sąsiednich bloków RF w celu utworzenia połączenia. Zaciski są wkręcane w płytkę i dociskają łączniki GSG do połączeń w blokach, aby zapewnić pewne połączenie elektryczne (rys. 8).
Podłączenie zewnętrznego źródła sygnału RF do układu realizowane jest za pomocą sondy X-Microwave. Dostępne są dwa typy: 2,92 mm i 1,85 mm, w zależności od częstotliwości. 2,92 mm nadaje się do 50 GHz, a 1,85 mm na jeszcze wyższe zakresy. Aby całość zmontować na płycie bazowej niezbędne są jeszcze śruby: najkrótsze do mocowania płytek zasilających i sterujących, najdłuższe do montażu ścianek i pokryw. Przydatne będą również narzędzia – klucz imbusowy 1/16" i pęseta do manipulowania drobiazgami (rys. 9).
Przed wykonaniem testów całość trzeba połączyć i zasilić. Najlepiej użyć płytki mostka AD-FMCXMWBR1-EBZ, który daje do ośmiu linii GPIO, ma dwie magistrale SPI z ośmioma liniami wyboru chipów każda oraz dwie magistrale I²C. Umożliwia on ponadto użycie do sterowania komputera Raspberry Pi i wykorzystanie do sterowania skryptów napisanych w Pythonie lub układu FPGA komunikującego się przez złącze FMC. Zasilacz 12 VDC zapewnia siedem odrębnych szyn napięciowych dla komponentów, z których trzy można regulować za pomocą potencjometrów. Inne ustawienia, w tym działanie przesuwników poziomów, można ustawić za pomocą jumperów. Płytkę mostka łączy się z układem prototypowym tylko dwoma kablami, co zapewnia porządek na stole laboratoryjnym. Jedynym dodatkowym wyposażeniem wymaganym do uruchomienia prototypu jest źródło sygnału RF (generator) i narzędzia pomiarowe RF (np. analizator widma). Brak dziesiątek kabli koncentrycznych, krokodylków, sond szpilkowych umożliwia szybsze i bardziej produktywne uruchamianie i pozwala lepiej skoncentrować się na pracy (rys. 10).
Podsumowanie
Platforma X-Microwave to rozwiązanie (prawie) wszystkich dolegliwości pracy nad projektem układu w.cz. z użyciem płytkek ewaluacyjnych. Jest to obecnie najszybszy i najdokładniejszy sposób na prototypowanie układów działających do 60 GHz, zapewniający kompaktowe rozmiary, prostotę modyfikacji i eksperymentowania. Prototypy takie są również przenośne i do pracy wymagają tylko jednego zasilacza 12 VDC. Całość mieści się w pudełku po butach i daje się zmontować w kilkanaście minut. Na razie jest to rozwiązanie droższe w sensie materiałowym, jednak w ostatecznym rozrachunku koszt prototypowania z X-Microwave jest porównywalny z kosztem budowy systemu na płytkach ewaluacyjnych, z uwagi na zysk czasowy.
Jacob Ciolfi, Associate Engineer, Analog Devices
Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com
