תכנון, אופטימיזציה ויצור מקלט בעל רוחב סרט גדול אולטרא רחב

מאמר זה מציג התמודדות עם אתגר פיתוח מקלט RF שלם בעל רוחב סרט אולטרא גבוה – ultra-wideband

(), מהאנטנה ועד לממשק הספרתי. יוצגו שלבי פיתוח של המקלט ושלבי התכן של מעגל מודפס. תכנון קפדני של המעגל המודפס (layout) מאפשר את השגת הביצועים הנדרשים ללא צורך בהכנסת שינויים ותיקונים. הצלחת התכנון התאפשרה הודות לשימוש בסביבת תכנון מעגלי מיקרוגל – NI AWR Design Environment Microwave Office circuit design – של חברת נשיונל אינסטרומנטס (NI) וניצול היתרון הנובע מפיתוח כל המקלט על פלטפורמת פיתוח אחת. זמן הפיתוח הכולל, עד לקבלת אב הטיפוס המלא של מקלט ה-RF UWB המתואר באיור 1, נמשך שבעה חודשים.  התכנון החל בתכנון ואופטימיזציה של ביצועי המערכת ברמה גבוהה, לאחר מכן הוכן תרשים המעגל הסכימטי, עריכת מעגל מודפס בן שש שכבות מתכת, ולבסוף ביצוע אופטימיזצית התכן האלקטרומגנטי EM. המטרה היתה ליצור מקלט עם רגישות של -92dBm ופעולה בדפקים ברוחב סרט גדול מ-1GHz.

האנטנה
במקלט שולבה אנטנה שתוכננה ע”י חברת Cover Sistemi עבור התקן מכ”ם UWB. נעשה בה שימוש בקורן אליפטי לא סטנדרטי עם רפלקטור צף לצורך שיפור השבח. איור 2 מראה את האנטנה ועקום הקרינה שלה. איור 3 מראה את הספק המבוא המוחזר (S11) בכל תחום התדיריות המיועד.

ארכיטקטורת המקלט
עבור המקלט נבחרה ארכיטקטורת המרה מסוג I/Q direct ומיצוי אנליטי של האות בפס הבסיס. הארכיטקטורה כוללת את האנטנה ומסננים מעבירי פס, מגבר דל רעש (LNA), זוג של ממירים המוזנים ממתנד מקומי נצב (quadrature), מסנן מעביר נמוכים לפס הבסיס, מגבר וגלאי מרבע (squaring). הצימוד לדרגה הבאה נעשה באמצעות ממיר A/D ועיבוד ספרתי.

מגבר דל רעש
תכנון מעגלי הז”י להזנת המגבר בוצע בעזרת סימולטור AXIEM 3D planar. ליבת המגבר ומסנני ה-RF תוכננו באופן הדדי על מנת להשיג בו זמנית את השבח, ספרת הרעש ואת דחיית האות שמחוץ לפס על פי הנדרש. איור 4 מראה את הביצועים הלא לינאריים המתקבלים עבור שימוש בנתוני אמת עבור הכניסה.

הערבל
דרגת הממיר הנצב (I/Q downconverting) מבוססת על ממיר מסחרי רחב סרט, שהותאם למקלט על ידי מסנני כניסה מפוצלים. סימולצית EM () של הערבל מוצגת באיור 5.
סימולציה ואימות של המעגל השלם
המעגל הסופי עבר סימולציה בשלב שלאחר עריכת המעגל, כאשר כל דרגה מיוצגת על ידי מודל AXIEM תוך שימוש בשני תחומים שונים (RF/ZIF) עם מספר גדול מאוד של הרמוניות כנדרש במקרה של אותות UWB. נעשה שימוש גם ב-Multi-rate harmonic balance () על מנת לבצע את הסימולציה המלאה עד לממיר A/D, ולצורך זה יובאו נתונים של אותות משודרים. איור 6 מציג את התוצאות של הערכת SNR לא לינארי בתלות בהספק המבוא.

בדיקות סופיות ושלב היצור
המעגל המודפס תוכנן בעזרת Microwave Office, כך שהתכנון ותהליך הסימולציה בוצעו בסביבת התכן וכלי הפיתוח של NI AWR. שלבי קדם היצור תוכננו מראש על מנת למנוע דילוג על שלבים, והם כללו:
• בדיקת כללי תכן (DRC) על מנת לוודא שלא הופר אף כלל של ספקי המעגל המודפס
• השוואה בין עריכת המעגל המודפס לתרשים הסכימטי – (LVS)
• הכנת Gerber
• אימות נתונים לצורך קבלת אישור הלקוח עבור תהליכי היצור, הכנת BOM
• הכנת כיוונוני מכונת השמת רכיבים.
נשקלה האפשרות לבצע תכנון נוסף של המעגל הסכימטי והמעגל המודפס בעזרת כלי EDA אחר לצורך ייצור המעגל המודפס, אך תהליך כזה היה דורש זמן, הוא כרוך בהוצאה נוספת עבור רשיון שימוש בתוכנה (במקרה שהיה מתברר שיש צורך לרכוש את כלי התכן הנוסף). שיקול נוסף הוא הסיכוי להופעת שגיאה בעת יבוא ויצוא קבצי עריכת מעגל מודפס בין כלים שונים.
בדיקת כללי תכן (DRC) בוצעה בקלות לאור הנחיות יצרן המעגל המודפס והתייחסה לנקודות הבאות:
• מידות מינמליות של שכבות המתכת והמרווחים בינהן
• כיסוי ו-aspect ratio של חורי המעבר (via)
• מפתח מינימלי של מסיכות ההלחמה בסביבת המוליכים
• משחת הלחמה

בדיקת המעגל המודפס בהשוואה לתרשים הסכימטי (LVS) הבטיחה את החיבוריות בכל שכבה ובין השכבות באמצעות חורי מעבר, וחיבור הרכיבים לשכבה העליונה והתחתונה באמצעות פתחים במסיכת ההלחמה.

קבצי יצור: קבצי יצור Gerber/Drill הופקו ונשלחו ליצרן המעגל המודפס.
BOM וכיוונוני מכונות השמה – כיון שבמקלט יש למעלה מ-500 רכיבים התעוררה הסכנה שיצוא המטלה לכלי אחר עלול לגרום לשגיאות עקב אי תאימות בין קבצים. לכן הכנת רשימת הרכיבים וכיוונוני מכונות ההשמה תוכנת באופן ייעודי. קבצי ההשמה כללו את הנתונים הבאים: קוד זיהוי יעודי לרכיב (); נתוני זיהוי הרכיב, מתוך ספרית הספקים של AWR, לצורך ביצוע רכש); נתוני מיקום הרכיב על הלוח (ציר X, ציר Y, סיבוב (במעלות), והשכבה עליה יש להרכיב את הרכיב).

סיכום
תכנון מושלם של מקלט RF, על כל שלביו, מהאנטנה ועד לכניסת ממיר A/D בוצע תוך שמוש בסביבת התכן NI AWR. התכנון כלל הכנת תרשים סכימטי ועריכת המעגל המודפס, סימולצית EM (), סימולצית איזון הרמוניות. הכנת רשימת חומרים BOM ותכנות מכונות ההשמה לא כלול בכלי הזה, ולכן נדרש תכנות ייעודי שבוצע בעזרת הכלי Microwave Office. היתרון של ביצוע כל תהליך התכנון על פלטפורמה אחת, ריכוז מאמצי תכנון ומתן תשומת לב לפרטי עריכת המעגל המודפס אפשרו לקבל אב טיפוס שעבר את הבדיקה בהצלחה כבר בבדיקה הראשונה.

הכתבה נמסרה באדיבות חברת נשיונל אינסטרומנטס