制作RF设计原型的更好方法--使用X-Microwave

对于RF设计，典型的原型制作经验是这样的：为信号链中的每个元器件购买评估板，使用RF线缆将这些板串在一起，粗略估计适当布局的信号链要是构建在单个生产PCB上会有怎样的性能。由于评估板PCB走线较长，并且涉及到大量布线和连接器，因此这种方法会产生相当大的插入损耗。由此得到的原型上线测试过程也可能令人沮丧且耗时，因为每个评估板都有特定的电压要求。RF器件需要多个具有特定电源轨上电时序电压的情况也很常见，如果违反时序要求，器件可能会损坏。单单电源和RF线就可能造成巨大麻烦，如有电路板需要数字控制，事情会变得更加复杂。如果整个系统在首次开启时没能像预期的那样正常工作，那么调试很快就会变成耐心和毅力的磨炼。原型设计是RF工程界众所周知的一个令人头疼的问题，然而更快速、更简单、更准确的原型解决方案则是使用ADI的X-Microwave。

想象如下场景：您刚刚完成了RF信号链的规划。走进实验室，拿起零件，在60分钟内就在工作台上制作出原型。您连接一个12VDC电源、信号发生器和频谱分析仪，首次通电后，就测量到类似PCB的性能，与仿真的差异在1dB以内。对放大器的性能不满意？用内六角扳手花10分钟就能换一个放大器，然后测试更新后的设计。

图1.一个完整的X-Microwave原型，包括电源和数字控制，由FMC-XMW桥接板、X-Microwave信号链和Raspberry Pi组成。

这就是ADI的X-Microwave提供的原型制作体验，它是一种模块化RF原型制作平台，不到一个小时就能轻松构建可修改的信号链，无需任何专用工具。这些信号链由X-Microwave模块（可连接的单IC RF板）组成，其生态系统中的器件支持高达60GHz的频率。RF连接处（即由六角螺钉固定的无焊触点）稳定且易于安装。与评估板相比，该信号链的供电和数字控制要容易得多，控制板需要一个12VDC电源，驱动器可以是Raspberry Pi、FPGA或您选择的其他驱动器。X-Microwave模块化设计可实现快速信号链编辑，大幅缩短调试时间，并使原型保持紧凑、干净和便携。

X-Microwave解决方案

工程师可以利用ADI的X-Microwave获得最终设计单PCB的性能，而原型制作的速度和可修改性则与评估板相当。X-Microwave原型由小型单IC模块组成，这些模块可以串在一起形成信号链。从放大器到混频器、开关、PLL和VCO，X-Microwave生态系统拥有成千上万的RF模块，可支持各种完整的信号链。每个RF模块由单个RF IC（封装器件或裸片）和实现最佳功能与匹配所需的周围无源元件组成。X-Microwave特别注意RF布局和设计，以确保器件性能尽可能接近数据手册中的规格。在每个RF模块上，接地的共面波导走线从IC延伸到模块边缘上的测试接头。在这些测试接头与相邻模块之间使用无焊接地-信号-接地(GSG)互连实现RF连接。这些互连非常类似于连续PCB走线，与评估板的大连接相比，X-Microwave原型的整体性能可以更准确地反映最终系统性能。X-Microwave的每个GSG跳线连接的插入损耗只有几分之一dB，随着信号链中器件数量的增加和所需互连的增多，X-Microwave和SMA链接的评估板之间的插入损耗差异会变得更加明显。

图2.X-Microwave信号链

RF模块一起安装在原型板上，SMA探头模块连接到信号链的末端，以使RF信号输入和输出电路板。X-Microwave还有用于封闭RF模块的板壁和盖片，支持用户模拟空腔效应。

图3.一个偏置和控制模块（底部）连接到一个RF模块（顶部）。未显示原型板。

安装在原型板底部的专用偏置和控制板提供电源和控制信号。每个有源RF X-Microwave模块与专用的偏置和控制板配对，后者具有所需的电路来提供RF器件需要的稳定电压、上电时序和数字控制。偏置和控制板安装到原型板的底部，位于其所支撑的RF板正下方，通过弹簧销与上面的RF板进行电气连接。上电时序和偏置由这些专用模块处理，原型设计人员可以专注于设计中真正重要的事情——RF性能。

X-Microwave原型的表现与最终设计更相似，而不是类似于一串评估板，并且随着RF链中器件数量的增加，这种差异变得更加明显。利用X-Microwave原型验证设计后，您可以更有信心地开展评估工作，最大限度地减少PCB迭代次数，加快开发过程。

全部连接起来：RF信号链原型制作

使用ADI的X-Microwave创建RF设计类似于设计任何其他RF信号链。为了快速找到所需要的X-Microwave模块，X-Microwave提供了器件搜索功能，您可以按照类型、规格和制造商进行筛选。如果您正在浏览IC制造商的网站，X-Microwave生态系统支持的器件的网页上通常会显示X-Microwave横幅。

图4.HMC8402-DIE网页上的X-Microwave横幅

图5.X-Microwave的参数搜索功能示例，按制造商排序

图6.Genesys器件选择器中的X-Microwave库示例，器件可通过RF IC产品型号搜索

一旦选定了器件，下一步便是对建议的信号链进行仿真。Keysight的Genesys®软件是一种RF仿真工具，内置了X-Microwave模型库。这些X-Microwave模型对RF X-Microwave模块进行了从测试接头到测试接头的仿真，无需去除走线，与去除走线的IC仿真相比，X-Microwave板的仿真精度更高。丰富的X-Microwave库为许多没有直接来自IC制造商的Genesys模型的器件提供了模型。

在Genesys中运行仿真并达到您满意的性能后，就可以使用X-Microwave的布局工具了——不需要一小时您就能完成整个RF布局（包括添加电源！）。该布局工具可以通过X-Microwave在线访问。RF工程师可以使用该布局工具来规划原型板上信号链中的X-Microwave模块的布局图。布置好RF模块后，只需单击一个按钮即可自动添加偏置和控制板。信号链中使用的所有器件都会在右上角的物料清单(BOM)中实时更新，其中还有一个Export CSV（导出为CSV）按钮。.csv文件包含一个BOM，当您准备好开始采购时，您可以将其发送给X-Microwave以获得正式报价。

图7.X-Microwave布局工具中的一个示例设计，显示了规划的信号链并突出展示了器件选择器和BOM功能。

除了构成信号链所需的RF模块、偏置和控制板外，您还会注意到BOM上有几个额外的零件，这些零件是电气连接和机械安装上述模块所需要的。首先是原型板，它以两种尺寸销售——32 × 32和16 × 16，其中的32和16指的是X-Microwave网格单元或板上螺丝孔之间的间距。您还需要GSG跳线和锚点。GSG跳线是小型灵活的矩形电路，放置在相邻RF模块的测试接头上以形成RF连接。锚点在GSG跳线两端拧入，以将其固定到RF模块，并确保电气连接连续。

图8.X-Microwave探头，有2.92mm或1.85mm可选（图中所示为2.92mm）。

将外部RF信号源连接到信号链需要X-Microwave探头。根据所用的频率，有两种不同的探头可供选择：2.92mm和1.85mm。据称，2.92mm探头在50GHz范围内表现良好，而1.85mm探头在X-Microwave的67GHz测试上限之上仍能工作。您还需要螺钉以将所有东西安装到原型板上。总共有七种不同的螺钉长度可以使用，最短的用于安装偏置和控制板，最长的用于安装上方有盖片的X-Microwave板壁边缘。最后是连接所有部件的工具——1/16英寸内六角扳手用于拧紧螺钉，镊子用于将小物件放在小点上。一旦RF、偏置和控制模块到货，就可以按照您使用X-Microwave在线布局工具制作的布局图组装电路板了。

图9.GSG安置步骤（上）。GSG和锚点（下）。

现在，您只需要为电路板供电并接上数字控制就可以进行测试了。要将电源和数字控制连接到偏置和控制板，AD-FMCXMWBR1-EBZ 桥接板是不错的选择。 它提供多达8条GPIO线、2条完整的SPI总线（每条总线有8条片选线），以及2条完整的I2C总线。桥接板还提供两种不同的数字控制模式：(1) Raspberry Pi，直接连接到桥接板，用简单的几行Python脚本就能驱动信号链，或(2) FPGA，通过桥接板上的FMC连接器与X-Microwave信号链接口，支持在制作硬件原型的同时开发和测试接近量产的软件。连接到桥接板的单个12VDC电源为X-Microwave信号链提供七个不同的电压轨，其中三个可利用电位计进行调节。其他一些设置（包括桥接板电平转换器）可以通过跳线选择。最后，桥接板仅用两根线缆连接到X-Microwave原型，使得RF实验室工作台上完全不是杂乱无章的样子，这与通常状态——迷宫般的香蕉线缆和鳄鱼夹——形成鲜明对比。桥接板连接紧凑且干净的X-Microwave RF原型后，为数字控制和电源添加一个优雅的解决方案，使整体硬件解决方案尺寸最小化，非常便携，十分适合演示和旅行。展示X-Microwave原型所需的唯一额外设备是RF源和RF测量工具。

干净的实验室工作台和模块化生态系统使得调试更快速、更高效，达成量产遇到的麻烦更少，所需的工程设计时间更短。

图10.FMC-XMW桥接板AD-FMCXMWBR1-EBZ

结论

传统上，RF原型制作耗费了过多的工程时间，带来过多挫败感，而X-Microwave（几乎）解决了与常规评估板RF原型制作相关的一切痛苦。X-Microwave是当今更快速、更准确的原型设计流程，最高支持60GHz，可实现更紧凑且易于修改的设计以简化信号链调试和实验。当与ADI的FMC-X-Microwave桥接板一起使用时，X-Microwave原型也非常便携，只需一个12VDC电源用于供电和一个Raspberry Pi进行数字控制，每个信号链都能成为可以装进小鞋盒的演示品，设置时间比加载幻灯片所需的时间还短。比起当前原型制作实践，实现这种性能水平所需成本更高是合乎情理的，但除了一次性启动成本外，使用X-Microwave进行原型制作的成本常常与使用评估板构建系统的成本相当。即使不考虑工程时间缩短给最终效益带来的好处，一些X-MWblocks®实际上也比其对应的评估板方案更经济。

致谢

感谢帮助我完成这个项目的许多优秀的人，首先是Steve Ruscak和Jeff Stevens，他们为此项目提供了指导，并协助我完成文章的撰写。还要感谢我的RF导师在实验室提供的宝贵帮助，感谢Wesley Harris和Sydney Wells在成文的早期提出的建议，感谢Carolyn Reistad的宝贵意见和建议。

关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2022财年收入超过120亿美元，全球员工2.4万余人。携手全球12.5万家客户，ADI助力创新者不断超越一切可能。

关于作者

Jacob Ciolfi担任现场轮岗培训计划助理工程师，主要负责RF应用。他拥有伍斯特理工学院电气和计算机工程学士学位，于2021年加入ADI公司。在闲暇时间，Jake喜欢打排球、烹饪和旅行。