Hãy tưởng tượng

Việc tạo nguyên mẫu dựa trên bảng đánh giá ngày nay cho một thiết kế RF cần một lượng thời gian và tài nguyên kỹ thuật đáng kể và kết quả vẫn có thể thiếu hiệu suất mà hệ thống cuối cùng sẽ có sau khi được xây dựng trên một bảng duy nhất. Tạo mẫu thiết kế RF với hệ thống mô-đun X-Microwave có thể giảm đáng kể thời gian và tài nguyên cần thiết để kiểm tra chuỗi tín hiệu RF bằng cách cho phép xây dựng và thử nghiệm các nguyên mẫu sạch, có thể sửa đổi, gần với PCB thông qua 60 GHz trong một buổi. Bài viết này cung cấp thông tin tổng quan về nền tảng X-Microwave và các ưu điểm của nó, cũng như hướng dẫn từng bước để bắt đầu.

Giới thiệu tổng quan

Trải nghiệm tạo nguyên mẫu điển hình cho một thiết kế RF bao gồm việc mua một bảng đánh giá (eval) cho từng thành phần trong chuỗi tín hiệu và sử dụng cáp RF để xâu chuỗi các bảng lại với nhau, tạo ra một ước tính gần đúng về cách thức hoạt động của chuỗi tín hiệu nếu nó được xây dựng trên một PCB sản xuất duy nhất sau khi được bố trí hợp lý. Phương pháp này có thể tích lũy tổn thất chèn đáng kể từ các dấu vết PCB của bảng eval dài cũng như hệ thống cáp và đầu nối rộng rãi. Nguyên mẫu kết quả cũng có thể gây khó chịu và tốn thời gian để đưa lên mạng do các yêu cầu điện áp cụ thể của từng bảng điện tử. Cũng không có gì lạ khi một bộ phận RF yêu cầu nhiều điện áp với trình tự đường ray điện cụ thể, nếu gây ra lỗi vi phạm nó có thể phá hủy bộ phận đó. Chỉ riêng dây nguồn và dây RF thôi cũng có thể tạo ra ổ chuột và nếu bất kỳ bo mạch nào cần điều khiển kỹ thuật số, mọi thứ sẽ trở nên phức tạp hơn. Nếu toàn bộ hệ thống không hoạt động trong lần đầu tiên bạn bật nó (như thể!), thì việc gỡ lỗi sẽ nhanh chóng biến thành một bài tập về tính kiên nhẫn và bền bỉ. Tạo nguyên mẫu là một vấn đề nổi tiếng là khá đau đầu trong thế giới kỹ thuật RF—giải pháp cho các nguyên mẫu nhanh hơn, dễ dàng hơn và chính xác hơn là X-Microwave.

Hãy tưởng tượng rằng: Bạn vừa lập xong kế hoạch cho chuỗi tín hiệu RF của mình. Bạn bước vào phòng thí nghiệm, lấy các bộ phận và tạo một nguyên mẫu trên băng ghế dự bị trong 60 phút. Bạn kết nối một nguồn cung cấp 12 VDC duy nhất, bộ tạo tín hiệu và bộ phân tích quang phổ, đồng thời bạn đang thực hiện các phép đo về hiệu suất giống như PCB trong phạm vi decibel của mô phỏng trong lần đầu tiên mà mọi thứ bạn bật nguồn. Không hài lòng với cách thức hoạt động của bộ khuếch đại? Mười phút với một phím hex và bạn đã hoán đổi nó cũng như đang thử nghiệm thiết kế cập nhật của mình.

 Hình 1. Một nguyên mẫu X-Microwave đầy đủ, bao gồm nguồn điện và điều khiển kỹ thuật số, bảng cầu nối FMC-XMW, chuỗi tín hiệu X-Microwave và Raspberry Pi.

Đây là trải nghiệm tạo mẫu do X-Microwave cung cấp, một nền tảng tạo mẫu RF dạng mô-đun cho phép xây dựng các chuỗi tín hiệu có thể sửa đổi dễ dàng trong vòng chưa đầy một giờ mà không cần bất kỳ công cụ chuyên dụng nào. Các chuỗi tín hiệu này bao gồm các khối X-Microwave—bảng RF IC đơn có thể kết nối—và có các bộ phận trong hệ sinh thái hỗ trợ tần số lên đến 60 GHz. Các kết nối RF, các tiếp điểm không hàn được bảo đảm bằng các vít lục giác, chắc chắn và dễ lắp đặt. Chuỗi tín hiệu dễ cấp nguồn và điều khiển kỹ thuật số hơn nhiều so với bảng eval, yêu cầu một nguồn cung cấp 12 VDC duy nhất cho bảng điều khiển và Raspberry Pi, FPGA hoặc trình điều khiển khác mà bạn chọn. Thiết kế mô-đun X-Microwave cho phép chỉnh sửa chuỗi tín hiệu nhanh, giảm đáng kể thời gian gỡ lỗi và giữ cho nguyên mẫu nhỏ gọn và sạch sẽ.

Giải pháp X-Microwave 

Các kỹ sư có thể sử dụng X-Microwave để đạt được hiệu suất của một PCB đơn thiết kế cuối cùng với tốc độ tạo nguyên mẫu và khả năng sửa đổi của các bảng đánh giá. Nguyên mẫu X-Microwave được tạo thành từ các khối IC nhỏ, đơn lẻ có thể được xâu chuỗi lại với nhau để tạo ra chuỗi tín hiệu. Từ bộ khuếch đại đến bộ trộn, công tắc, PLL và VCO, hệ sinh thái X-Microwave có sẵn hàng nghìn khối RF để hỗ trợ nhiều chuỗi tín hiệu đầy đủ. Mỗi khối RF riêng lẻ bao gồm một IC RF duy nhất, có thể là một bộ phận được đóng gói hoặc khuôn, với các thụ động xung quanh cần thiết để có chức năng tối ưu và phù hợp. X-Microwave đặc biệt quan tâm đến bố cục và thiết kế RF để đảm bảo thiết bị hoạt động gần với thông số kỹ thuật của bảng dữ liệu nhất có thể. Trên mỗi khối RF, các dấu vết của ống dẫn sóng đồng phẳng được nối đất chạy từ IC để khởi chạy trên các cạnh của khối. Các kết nối RF được thực hiện từ các lần phóng này đến khối lân cận bằng cách sử dụng các kết nối nối đất-tín hiệu-mặt đất (GSG) không hàn. Các kết nối này gần giống với các dấu vết PCB liên tục, cho phép hiệu suất tổng thể của nguyên mẫu X-Microwave thể hiện hiệu năng hệ thống cuối cùng chính xác hơn nhiều so với kết nối lớn của các bảng đánh giá. Mỗi kết nối jumper GSG  (each have an insertion loss of just fractions of a decibel), của X-Microwave đều có suy hao chèn chỉ bằng một phần nhỏ của decibel và khi số lượng thành phần trong chuỗi tín hiệu tăng lên và cần nhiều kết nối hơn, sự khác biệt về suy hao chèn giữa các bảng đánh giá được liên kết với X-Microwave và SMA càng trở nên rõ nét hơn.

Hình 2. Một chuỗi tín hiệu X-Microwave.

Các khối RF được gắn với nhau trên một tấm protoplate, với các khối đầu dò SMA được gắn vào các đầu của chuỗi tín hiệu để đưa tín hiệu RF vào và ra khỏi bảng. X-Microwave cũng có sẵn các vách và nắp để bao kín các khối RF, cho phép bạn mô phỏng các hiệu ứng khoang.

Hình 3. Khối phân cực và điều khiển (dưới) kết nối với khối RF (trên). Một protoplate có thể không được hình dung.

Các bảng điều khiển và phân cực chuyên dụng được gắn ở dưới cùng của tấm protoplate cung cấp tín hiệu điều khiển và nguồn. Mỗi khối RF X-Microwave hoạt động riêng lẻ kết hợp với một bảng điều khiển và phân cực chuyên dụng có mạch cần thiết để cung cấp điện áp quy định, trình tự nguồn và điều khiển kỹ thuật số theo yêu cầu của thành phần RF. Bảng phân cực và bảng điều khiển gắn vào đáy của tấm nguyên mẫu ngay bên dưới bảng RF mà nó đang hỗ trợ, tạo kết nối điện với bảng RF phía trên bằng các chốt lò xo. Với trình tự năng lượng và độ lệch được xử lý bởi các khối chuyên dụng này, nhà thiết kế nguyên mẫu có thể thoải mái tập trung vào điều thực sự quan trọng trong thiết kế của họ— với hiệu suất RF.

Nguyên mẫu X-Microwave hoạt động giống với thiết kế cuối hơn là một chuỗi bảng đánh giá và sự khác biệt này trở nên rõ ràng hơn khi số lượng thành phần trong chuỗi RF tăng lên. Bằng cách chứng minh thiết kế với nguyên mẫu X-Microwave, bạn có thể tự tin hơn rất nhiều trong quá trình đánh giá của mình, giảm thiểu việc lặp lại PCB và đẩy nhanh quá trình phát triển nghiên cứu.

Kết hợp tất cả lại với nhau: Tạo nguyên mẫu chuỗi tín hiệu RF của bạn

Tạo thiết kế RF bằng X-Microwave tương tự như thiết kế bất kỳ chuỗi tín hiệu RF nào khác. Để nhanh chóng tìm thấy khối X-Microwave bạn cần, X-Microwave có chức năng tìm kiếm thành phần có thể lọc theo loại, thông số kỹ thuật và nhà sản xuất. Nếu bạn đang tìm kiếm trên trang web của nhà sản xuất vi mạch, biểu ngữ X-Microwave là điển hình trên các trang web dành cho các bộ phận được hệ sinh thái hỗ trợ từ Analog Devices.

Hình 4. Biểu ngữ X-Microwave trên HMC8402-DIE webpage.

Hình 5. Một ví dụ về tính năng tìm kiếm tham số của X-Microwave, được sắp xếp theo nhà sản xuất.

Hình 6. Một ví dụ về thư viện X-Microwave trong chọn bộ phận của Genesys, với các bộ phận có thể tìm kiếm theo bộ phận IC RF.

Khi bạn đã chọn các bộ phận của mình, bước tiếp theo là mô phỏng chuỗi tín hiệu được đề xuất. Phần mềm Genesys® của Keysight, một công cụ mô phỏng RF, có một thư viện tích hợp với các mẫu X-Microwave. Các mô hình X-Microwave này mô phỏng các khối RF X-Microwave từ lần khởi chạy này đến lần khởi chạy khác mà không loại bỏ dấu vết, cải thiện độ chính xác mô phỏng của bo mạch X-Microwave so với các mô phỏng IC không nhúng. Thư viện X-Microwave mở rộng cung cấp các mẫu cho nhiều bộ phận không có mẫu Genesys trực tiếp từ nhà sản xuất IC.

Sau khi chạy mô phỏng và đạt được hiệu suất mà bạn hài lòng trong Genesys, đã đến lúc chuyển sang công cụ bố cục của X-Microwave—nơi bạn có thể hoàn thành toàn bộ bố cục RF (bao gồm cả việc thêm nguồn!) trong vòng chưa đầy một giờ. Công cụ bố trí có thể được truy cập trực tuyến thông qua X-Microwave. Các kỹ sư RF có thể sử dụng công cụ bố trí để lập sơ đồ vị trí của các khối X-Microwave trong chuỗi tín hiệu trên tấm nguyên mẫu. Sau khi bạn đặt các khối RF, hãy tự động thêm bảng điều khiển và bảng điều khiển chỉ bằng một nút bấm. Tất cả các thành phần được sử dụng trong bản cập nhật chuỗi tín hiệu đều nằm trong bảng hóa đơn nguyên vật liệu (BOM) ở phía trên bên phải, nơi bạn cũng có thể tìm thấy nút Xuất CSV. Tệp .csv chứa BOM mà bạn có thể gửi tới X-Microwave để nhận báo giá chính thức khi bạn sẵn sàng chuyển sang đặt hàng.

Hình 7. Một thiết kế mẫu trong công cụ bố trí của X-Microwave hiển thị chuỗi tín hiệu đã lên kế hoạch và làm nổi bật chọn bộ phận và chức năng BOM.

Ngoài các khối RF, phân cực và bảng điều khiển cần thiết để tạo nên chuỗi tín hiệu, bạn sẽ nhận thấy một số bộ phận bổ sung trên BOM của mình được yêu cầu để kết nối điện và gắn các khối một cách cơ học. Đầu tiên, tấm protoplate—chúng được bán với hai kích cỡ, 32 × 32 và 16 × 16, trong đó 32 và 16 đề cập đến các đơn vị lưới X-Microwave hoặc khoảng cách giữa các lỗ vít trên bảng. Bạn cũng sẽ cần dây nhảy và neo GSG. Bộ nhảy GSG là các mạch nhỏ, linh hoạt, hình chữ nhật được đặt trên các bệ phóng của các khối RF giáp ranh để tạo thành kết nối RF. Các neo được vặn vào trên các bộ nhảy GSG để cố định chúng vào các khối RF cũng như đảm bảo kết nối điện liên tục.

Hình 8. Đầu dò X-Microwave, có sẵn là 2,92 mm hoặc 1,85 mm (hình minh họa là 2,92 mm).

Việc kết nối nguồn tín hiệu RF bên ngoài vào chuỗi tín hiệu yêu cầu đầu dò X-Microwave. Có sẵn hai đầu dò khác nhau, 2,92 mm và 1,85 mm, tùy thuộc vào tần số được sử dụng. 2,92 mm được quảng cáo là tốt cho đến 50 GHz, trong khi 1,85 mm được quảng cáo là hoạt động tốt hơn và vượt qua trần thử nghiệm 67 GHz của X-Microwave. Bạn cũng sẽ cần vít để gắn mọi thứ vào tấm protoplate. Có thể sử dụng tổng cộng tối đa bảy chiều dài vít khác nhau, từ chiều dài vít ngắn nhất để gắn bảng điều khiển và bảng điều khiển cho đến chiều dài vít dài nhất để gắn các cạnh tường X-Microwave có nắp ở trên. Cuối cùng, các công cụ cần thiết để kết nối tất cả các bộ phận—một chìa khóa hình lục giác 1/16″ để vặn chặt các vít và nhíp để đặt các vật nhỏ vào các điểm nhỏ. Sau khi các khối điều khiển và phân cực và điều khiển của bạn đến, hãy đi theo bản đồ mà bạn đã tạo bằng Công cụ bố cục trực tuyến X-Microwave để sắp xếp bảng của bạn lại với nhau.

Hình 9. Quy trình đặt GSG (trên cùng). GSG và mỏ neo minh hoạ (phía dưới).

Bây giờ, tất cả những gì bạn cần trước khi kiểm tra là cấp nguồn cho bảng và kết nối điều khiển kỹ thuật số. Để kết nối nguồn và điều khiển kỹ thuật số với các bảng phân cực và điều khiển, bảng mạch cầu AD-FMCXMWBR1-EBZ là lựa chọn tốt nhất của bạn. Nó cung cấp tối đa tám dòng GPIO, hai bus SPI đầy đủ với tám dòng chọn chip mỗi dòng và hai bus I2C đầy đủ. Bảng cầu nối cũng cung cấp hai chế độ điều khiển kỹ thuật số khác nhau: (1) Raspberry Pi được kết nối trực tiếp với bảng cầu nối, điều khiển chuỗi bằng thứ gì đó đơn giản như tập lệnh Python vài dòng hoặc (2) một FPGA, được giao tiếp với Chuỗi tín hiệu X-Microwave thông qua đầu nối FMC trên bo mạch cầu, cho phép phát triển và thử nghiệm phần mềm gần sản xuất cùng với nguyên mẫu phần cứng. Một nguồn cung cấp 12 VDC duy nhất được kết nối với bảng mạch cầu cung cấp bảy đường ray điện áp riêng biệt cho chuỗi tín hiệu X-Microwave, ba trong số đó có thể điều chỉnh được bằng chiết áp. Có thể chọn một số cài đặt khác, bao gồm bộ chuyển mức bảng cầu, bằng cách sử dụng bộ nhảy. Cuối cùng, bảng cầu kết nối với nguyên mẫu X-Microwave chỉ bằng hai dây cáp, dẫn đến sự lộn xộn rõ rệt trên băng ghế phòng thí nghiệm RF—một sự tương phản hoàn toàn với trạng thái thông thường của nó là một mê cung của dây cáp chuối và kẹp cá sấu. Bảng cầu nối sử dụng nguyên mẫu X-Microwave RF vốn đã nhỏ gọn và sạch sẽ, đồng thời bổ sung một giải pháp tinh tế cho điều khiển kỹ thuật số và cấp nguồn, tạo ra kích thước giải pháp phần cứng tối thiểu tổng thể cực kỳ di động và rất phù hợp cho các cuộc biểu tình và du lịch. Thiết bị bổ sung duy nhất cần thiết để trưng bày nguyên mẫu X-Microwave là nguồn RF và công cụ đo RF.

Một bàn thí nghiệm sạch sẽ và hệ sinh thái mô-đun cho phép gỡ lỗi nhanh hơn và hiệu quả hơn, giúp bạn bắt tay vào sản xuất mà không phải đau đầu và ít giờ kỹ thuật hơn.

Hình 10. Một bo FMC-XMW bridge, AD-FMCXMWBR1-EBZ.

Kết luận

X-Microwave là giải pháp cho (hầu hết) mọi vấn đề khó khăn về tạo mẫu RF của bảng đánh giá thông thường, một nghệ thuật theo truyền thống đã chiếm nhiều hơn số giờ kỹ thuật và sự thất vọng. X-Microwave là quy trình tạo nguyên mẫu nhanh hơn và chính xác hơn đến 60 GHz ngày nay, cho phép các thiết kế nhỏ gọn hơn và dễ dàng sửa đổi để thử nghiệm và gỡ lỗi chuỗi tín hiệu đơn giản. Các nguyên mẫu X-Microwave cũng cực kỳ di động khi được sử dụng với bảng cầu nối FMC-X-Microwave của ADI, chỉ cần một nguồn cung cấp điện 12 VDC duy nhất và một Raspberry Pi để điều khiển kỹ thuật số, biến mỗi chuỗi tín hiệu thành một bản demo có thể nằm gọn trong một hộp đựng giày nhỏ và được thiết lập trong thời gian ngắn hơn thời gian tải một sàn trượt. Có thể hiểu rằng mức hiệu suất này đắt hơn so với các phương pháp tạo mẫu hiện tại, tuy nhiên, ngoại trừ chi phí khởi động một lần, việc tạo mẫu với X-Microwave thường có chi phí tương đương với chi phí xây dựng hệ thống với bảng đánh giá. Một số X-MWblocks® thực sự tiết kiệm hơn so với các đối tác bảng đánh giá của chúng, ngay cả trước khi xem xét các lợi ích mà việc giảm thời gian kỹ thuật mang lại cho bạn.

Sự nhìn nhận

Tôi muốn cảm ơn một số người trong số rất nhiều người tuyệt vời đã giúp tôi thực hiện dự án này, đầu tiên và quan trọng nhất là Steve Ruscak và Jeff Stevens vì sự hướng dẫn của họ về dự án và sự hỗ trợ của họ trong quá trình viết bài. Tôi cũng muốn cảm ơn những người cố vấn RF của tôi vì sự giúp đỡ vô giá của họ trong phòng thí nghiệm, Wesley Harris và Sydney Wells vì những gợi ý của họ ngay từ đầu trong quá trình định hình bài báo và Carolyn Reistad vì những lời khuyên và khuyến nghị quý giá của cô ấy.

Giới thiệu về tác giả

Jacob Ciolfi, Chuyên gia cấp cao ứng dụng trung tâm

Jacob Ciolfi là một kỹ sư liên kết trong chương trình đào tạo luân phiên tại hiện trường, chuyên về các ứng dụng RF. Anh gia nhập Analog Devices vào năm 2021 sau khi tốt nghiệp Học viện Bách khoa Worcester với bằng B.S. trong kỹ thuật điện và máy tính.

Tại Việt Nam hãy liên hệ:

1. Hanoi – Electronic Components Arrow Office – 9h Floor – Diamond Flower Tower, Hoang Dao Thuy Street, Thanh Xuan District, Hanoi, 100000, Vietnam

P + 84 24 7303 3886

F + 84 4 3943 7208

E sale.vietnam@arrowasia.com

www.Analog.com

2. Ho Chi Minh – Arrow Electronics Asia (S) Pte.Ltd, 3rd Floor, GTL Building, 17A Dang Chan Con Street, Ben Thanh Ward, District 1, HCMC, Vietnam, 700000

P +84 28 3823 4407

F +84 8 3528 5407

E sale.vietnam@arrowasia.com

www.Arrow.com