【導(dǎo)讀】對(duì)于RF設(shè)計(jì)，典型的原型制作經(jīng)驗(yàn)是這樣的：為信號(hào)鏈中的每個(gè)元器件購(gòu)買(mǎi)評(píng)估板，使用RF線(xiàn)纜將這些板串在一起，粗略估計(jì)適當(dāng)布局的信號(hào)鏈要是構(gòu)建在單個(gè)生產(chǎn)PCB上會(huì)有怎樣的性能。由于評(píng)估板PCB走線(xiàn)較長(zhǎng)，并且涉及到大量布線(xiàn)和連接器，因此這種方法會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的插入損耗。由此得到的原型上線(xiàn)測(cè)試過(guò)程也可能令人沮喪且耗時(shí)，因?yàn)槊總€(gè)評(píng)估板都有特定的電壓要求。RF器件需要多個(gè)具有特定電源軌上電時(shí)序電壓的情況也很常見(jiàn)，如果違反時(shí)序要求，器件可能會(huì)損壞。單單電源和RF線(xiàn)就可能造成巨大麻煩，如有電路板需要數(shù)字控制，事情會(huì)變得更加復(fù)雜。如果整個(gè)系統(tǒng)在首次開(kāi)啟時(shí)沒(méi)能像預(yù)期的那樣正常工作，那么調(diào)試很快就會(huì)變成耐心和毅力的磨煉。原型設(shè)計(jì)是RF工程界眾所周知的一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題，然而更快速、更簡(jiǎn)單、更準(zhǔn)確的原型解決方案則是使用ADI的X-Microwave。
想象如下場(chǎng)景：您剛剛完成了RF信號(hào)鏈的規(guī)劃。走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，拿起零件，在60分鐘內(nèi)就在工作臺(tái)上制作出原型。您連接一個(gè)12VDC電源、信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀，首次通電后，就測(cè)量到類(lèi)似PCB的性能，與仿真的差異在1dB以?xún)?nèi)。對(duì)放大器的性能不滿(mǎn)意？用內(nèi)六角扳手花10分鐘就能換一個(gè)放大器，然后測(cè)試更新后的設(shè)計(jì)。
圖1.一個(gè)完整的X-Microwave原型，包括電源和數(shù)字控制，由FMC-XMW橋接板、X-Microwave信號(hào)鏈和Raspberry Pi組成。
這就是ADI的X-Microwave提供的原型制作體驗(yàn)，它是一種模塊化RF原型制作平臺(tái)，不到一個(gè)小時(shí)就能輕松構(gòu)建可修改的信號(hào)鏈，無(wú)需任何專(zhuān)用工具。這些信號(hào)鏈由X-Microwave模塊（可連接的單IC RF板）組成，其生態(tài)系統(tǒng)中的器件支持高達(dá)60GHz的頻率。RF連接處（即由六角螺釘固定的無(wú)焊觸點(diǎn)）穩(wěn)定且易于安裝。與評(píng)估板相比，該信號(hào)鏈的供電和數(shù)字控制要容易得多，控制板需要一個(gè)12VDC電源，驅(qū)動(dòng)器可以是Raspberry Pi、FPGA或您選擇的其他驅(qū)動(dòng)器。X-Microwave模塊化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)快速信號(hào)鏈編輯，大幅縮短調(diào)試時(shí)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(shè)計(jì)單PCB的性能，而原型制作的速度和可修改性則與評(píng)估板相當(dāng)。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(hào)鏈。從放大器到混頻器、開(kāi)關(guān)、PLL和VCO，X-Microwave生態(tài)系統(tǒng)擁有成千上萬(wàn)的RF模塊，可支持各種完整的信號(hào)鏈。每個(gè)RF模塊由單個(gè)RF IC（封裝器件或裸片）和實(shí)現(xiàn)最佳功能與匹配所需的周?chē)鸁o(wú)源元件組成。X-Microwave特別注意RF布局和設(shè)計(jì)，以確保器件性能盡可能接近數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)格。在每個(gè)RF模塊上，接地的共面波導(dǎo)走線(xiàn)從IC延伸到模塊邊緣上的測(cè)試接頭。在這些測(cè)試接頭與相鄰模塊之間使用無(wú)焊接地-信號(hào)-接地(GSG)互連實(shí)現(xiàn)RF連接。這些互連非常類(lèi)似于連續(xù)PCB走線(xiàn)，與評(píng)估板的大連接相比，X-Microwave原型的整體性能可以更準(zhǔn)確地反映最終系統(tǒng)性能。X-Microwave的每個(gè)GSG跳線(xiàn)連接的插入損耗只有幾分之一dB，隨著信號(hào)鏈中器件數(shù)量的增加和所需互連的增多，X-Microwave和SMA鏈接的評(píng)估板之間的插入損耗差異會(huì)變得更加明顯。
圖2.X-Microwave信號(hào)鏈
RF模塊一起安裝在原型板上，SMA探頭模塊連接到信號(hào)鏈的末端，以使RF信號(hào)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(hù)模擬空腔效應(yīng)。
圖3.一個(gè)偏置和控制模塊（底部）連接到一個(gè)RF模塊（頂部）。未顯示原型板。
安裝在原型板底部的專(zhuān)用偏置和控制板提供電源和控制信號(hào)。每個(gè)有源RF X-Microwave模塊與專(zhuān)用的偏置和控制板配對(duì)，后者具有所需的電路來(lái)提供RF器件需要的穩(wěn)定電壓、上電時(shí)序和數(shù)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(guò)彈簧銷(xiāo)與上面的RF板進(jìn)行電氣連接。上電時(shí)序和偏置由這些專(zhuān)用模塊處理，原型設(shè)計(jì)人員可以專(zhuān)注于設(shè)計(jì)中真正重要的事情——RF性能。
X-Microwave原型的表現(xiàn)與最終設(shè)計(jì)更相似，而不是類(lèi)似于一串評(píng)估板，并且隨著RF鏈中器件數(shù)量的增加，這種差異變得更加明顯。利用X-Microwave原型驗(yàn)證設(shè)計(jì)后，您可以更有信心地開(kāi)展評(píng)估工作，最大限度地減少PCB迭代次數(shù)，加快開(kāi)發(fā)過(guò)程。
全部連接起來(lái)：RF信號(hào)鏈原型制作
使用ADI的X-Microwave創(chuàng)建RF設(shè)計(jì)類(lèi)似于設(shè)計(jì)任何其他RF信號(hào)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(lèi)型、規(guī)格和制造商進(jìn)行篩選。如果您正在瀏覽IC制造商的網(wǎng)站，X-Microwave生態(tài)系統(tǒng)支持的器件的網(wǎng)頁(yè)上通常會(huì)顯示X-Microwave橫幅。
圖4.HMC8402-DIE網(wǎng)頁(yè)上的X-Microwave橫幅
圖5.X-Microwave的參數(shù)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(kù)示例，器件可通過(guò)RF IC產(chǎn)品型號(hào)搜索
一旦選定了器件，下一步便是對(duì)建議的信號(hào)鏈進(jìn)行仿真。Keysight的Genesys?軟件是一種RF仿真工具，內(nèi)置了X-Microwave模型庫(kù)。這些X-Microwave模型對(duì)RF X-Microwave模塊進(jìn)行了從測(cè)試接頭到測(cè)試接頭的仿真，無(wú)需去除走線(xiàn)，與去除走線(xiàn)的IC仿真相比，X-Microwave板的仿真精度更高。豐富的X-Microwave庫(kù)為許多沒(méi)有直接來(lái)自IC制造商的Genesys模型的器件提供了模型。
在Genesys中運(yùn)行仿真并達(dá)到您滿(mǎn)意的性能后，就可以使用X-Microwave的布局工具了——不需要一小時(shí)您就能完成整個(gè)RF布局（包括添加電源?。Ｔ摬季止ぞ呖梢酝ㄟ^(guò)X-Microwave在線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)。RF工程師可以使用該布局工具來(lái)規(guī)劃原型板上信號(hào)鏈中的X-Microwave模塊的布局圖。布置好RF模塊后，只需單擊一個(gè)按鈕即可自動(dòng)添加偏置和控制板。信號(hào)鏈中使用的所有器件都會(huì)在右上角的物料清單(BOM)中實(shí)時(shí)更新，其中還有一個(gè)Export CSV（導(dǎo)出為CSV）按鈕。.csv文件包含一個(gè)BOM，當(dāng)您準(zhǔn)備好開(kāi)始采購(gòu)時(shí)，您可以將其發(fā)送給X-Microwave以獲得正式報(bào)價(jià)。
圖7.X-Microwave布局工具中的一個(gè)示例設(shè)計(jì)，顯示了規(guī)劃的信號(hào)鏈并突出展示了器件選擇器和BOM功能。
除了構(gòu)成信號(hào)鏈所需的RF模塊、偏置和控制板外，您還會(huì)注意到BOM上有幾個(gè)額外的零件，這些零件是電氣連接和機(jī)械安裝上述模塊所需要的。首先是原型板，它以?xún)煞N尺寸銷(xiāo)售——32 × 32和16 × 16，其中的32和16指的是X-Microwave網(wǎng)格單元或板上螺絲孔之間的間距。您還需要GSG跳線(xiàn)和錨點(diǎn)。GSG跳線(xiàn)是小型靈活的矩形電路，放置在相鄰RF模塊的測(cè)試接頭上以形成RF連接。錨點(diǎn)在GSG跳線(xiàn)兩端擰入，以將其固定到RF模塊，并確保電氣連接連續(xù)。
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(hào)源連接到信號(hào)鏈需要X-Microwave探頭。根據(jù)所用的頻率，有兩種不同的探頭可供選擇：2.92mm和1.85mm。據(jù)稱(chēng)，2.92mm探頭在50GHz范圍內(nèi)表現(xiàn)良好，而1.85mm探頭在X-Microwave的67GHz測(cè)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?？偣灿衅叻N不同的螺釘長(zhǎng)度可以使用，最短的用于安裝偏置和控制板，最長(zhǎng)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(nèi)六角扳手用于擰緊螺釘，鑷子用于將小物件放在小點(diǎn)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(xiàn)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(diǎn)（下）。
現(xiàn)在，您只需要為電路板供電并接上數(shù)字控制就可以進(jìn)行測(cè)試了。要將電源和數(shù)字控制連接到偏置和控制板，AD-FMCXMWBR1-EBZ 橋接板是不錯(cuò)的選擇。 它提供多達(dá)8條GPIO線(xiàn)、2條完整的SPI總線(xiàn)（每條總線(xiàn)有8條片選線(xiàn)），以及2條完整的I2C總線(xiàn)。橋接板還提供兩種不同的數(shù)字控制模式：(1) Raspberry Pi，直接連接到橋接板，用簡(jiǎn)單的幾行Python腳本就能驅(qū)動(dòng)信號(hào)鏈，或(2) FPGA，通過(guò)橋接板上的FMC連接器與X-Microwave信號(hào)鏈接口，支持在制作硬件原型的同時(shí)開(kāi)發(fā)和測(cè)試接近量產(chǎn)的軟件。連接到橋接板的單個(gè)12VDC電源為X-Microwave信號(hào)鏈提供七個(gè)不同的電壓軌，其中三個(gè)可利用電位計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。其他一些設(shè)置（包括橋接板電平轉(zhuǎn)換器）可以通過(guò)跳線(xiàn)選擇。最后，橋接板僅用兩根線(xiàn)纜連接到X-Microwave原型，使得RF實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上完全不是雜亂無(wú)章的樣子，這與通常狀態(tài)——迷宮般的香蕉線(xiàn)纜和鱷魚(yú)夾——形成鮮明對(duì)比。橋接板連接緊湊且干凈的X-Microwave RF原型后，為數(shù)字控制和電源添加一個(gè)優(yōu)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(shè)備是RF源和RF測(cè)量工具。
干凈的實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)和模塊化生態(tài)系統(tǒng)使得調(diào)試更快速、更高效，達(dá)成量產(chǎn)遇到的麻煩更少，所需的工程設(shè)計(jì)時(shí)間更短。
圖10.FMC-XMW橋接板AD-FMCXMWBR1-EBZ
結(jié)論
傳統(tǒng)上，RF原型制作耗費(fèi)了過(guò)多的工程時(shí)間，帶來(lái)過(guò)多挫敗感，而X-Microwave（幾乎）解決了與常規(guī)評(píng)估板RF原型制作相關(guān)的一切痛苦。X-Microwave是當(dāng)今更快速、更準(zhǔn)確的原型設(shè)計(jì)流程，最高支持60GHz，可實(shí)現(xiàn)更緊湊且易于修改的設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)化信號(hào)鏈調(diào)試和實(shí)驗(yàn)。當(dāng)與ADI的FMC-X-Microwave橋接板一起使用時(shí)，X-Microwave原型也非常便攜，只需一個(gè)12VDC電源用于供電和一個(gè)Raspberry Pi進(jìn)行數(shù)字控制，每個(gè)信號(hào)鏈都能成為可以裝進(jìn)小鞋盒的演示品，設(shè)置時(shí)間比加載幻燈片所需的時(shí)間還短。比起當(dāng)前原型制作實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)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(dòng)成本外，使用X-Microwave進(jìn)行原型制作的成本常常與使用評(píng)估板構(gòu)建系統(tǒng)的成本相當(dāng)。即使不考慮工程時(shí)間縮短給最終效益帶來(lái)的好處，一些X-MWblocks?實(shí)際上也比其對(duì)應(yīng)的評(píng)估板方案更經(jīng)濟(jì)。
致謝
感謝幫助我完成這個(gè)項(xiàng)目的許多優(yōu)秀的人，首先是Steve Ruscak和Jeff Stevens，他們?yōu)榇隧?xiàng)目提供了指導(dǎo)，并協(xié)助我完成文章的撰寫(xiě)。還要感謝我的RF導(dǎo)師在實(shí)驗(yàn)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(jiàn)和建議。
關(guān)于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車(chē)和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Jacob Ciolfi擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)輪崗培訓(xùn)計(jì)劃助理工程師，主要負(fù)責(zé)RF應(yīng)用。他擁有伍斯特理工學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位，于2021年加入ADI公司。在閑暇時(shí)間，Jake喜歡打排球、烹飪和旅行。
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