Введение
В настоящее время активные фазированные антенные решетки строят на базе приёмопередающих модулей (ППМ), часто содержащих несколько конструктивно объединенных идентичных каналов. ППМ состоят из нескольких СВЧ блоков или узлов. Часто эти блоки разрабатываются на том же предприятии (фирме), в таком случае они отработаны хорошо. Если же некоторые или все блоки покупные, часто инженеры разработчики совершают ошибку - не тестируют каждый блок по отдельности. В этой статье я расскажу немного про ППМ, задачи, возникающие перед главным конструктором работы ( не только по СВЧ части), а главное - постараюсь убедить вас в том, что тестовые платы необходимы инженеру-разработчику.
Задача
Типовая блок-схема канала ППМ представлена на рисунке 1. Практически все ППМ построены подобным образом. В примере для экономии места и уменьшения стоимости ППМ с помощью переключателей реализована возможность использовать в модуле только один фазовращатели и один аттенюатор.
Каждый из блоков требует разных видов измерений. И даже если у вас есть даташит на покупную микросхему, например, фазовращатель, он ставится на плату, важен способ монтажа, элементы схемы управления, тип линий передачи, коаксиально-полосковый переход от кабеля на печатную плату ( а если усилитель, то тут ещё и схемы фильтрации питания). Каждый элемент следует исследовать и измерить его характеристики именно на той подложке, на которой будет в итоге изготовлена плата модуля, а также с теми же элементами схем питания и управления.
Кроме того, в процессе измерений может осуществляться дополнительная настройка и найдены оптимальные режимы работы, улучшено согласование и "почищен" спектр выходного сигнала.
Разработка
Сложность разработки СВЧ модулей состоит в том, что главному конструктору необходимо решать одновременно несколько задач, а именно:
Имитатор внешней системы управления необходим для отладки. Он формирует сигнал управления для ППМ, аналогичный тому, что будет в системе. На начальных этапах отладки, имитатор может быть прошит таким образом, чтобы посылать только нужные состояния / сигналы. Имитатор представляет собой плату в коробке, управление имитатором осуществляется с ноутбука по USB кабелю, выходные сигналы подаются на входы блока управления модулем.
К вспомогательным устройствам относятся: вентили,аттенюаторы, направленные ответвители, лабораторные усилители, адаптеры, радиаторы, фильтры, тестовые оснастки. Некоторое оборудование есть в любой СВЧ лаборатории, некоторое требует изготовления под заказ и/или проектирования, например вентили высокой мощности, стенды с принудительным воздушным охлаждением.
Этапы проектирования
Спроектированный и изготовленный кристалл или покупную корпусированную микросхему необходимо протестировать отдельно, не стоит сразу собирать все блоки на одну плату. Для тестирования используют тестовые платы или Evaluation board. Крупные производители микросхем типа Avago, Qorvo и тд предлагают купить у них такие борды с уже установленными компонентами (мне кажется это интересной темой, я думаю написать об этом статью). Можно купить, а лучше сделать свои, ведь материал СВЧ подложки будет другой, плюс всё равно делать для других микросхем или собственных кристаллов.
Тестовые платы изготавливаются на СВЧ подложке, с подводящими полосками такого же типа, как планируется использовать на плате всего модуля. Также на платах делают цепи питания / управления с фильтрующими компонентами. Мы делаем тестовые платы единого размера, со стандартным посадочным местом.
При этом делается тестовая плата с прямым печатным полоском, для оценки КСВ и потерь линии и КПП. Иногда такую плату называют калибровочной, хотя это не совсем верно.
Далее из таких оснасток с платами можно собрать части модуля для совместной отработки и оценки возможных влияний. Например, рассогласование на входе или выходе фазовращателя может привести к увеличению ошибок установки фазы, а наличие паразитных спектральных составляющих на выходе предварительного усилителя может нарушить корректную работу выходного усилителя мощности.
На этом этапе производится отработка совместной работы блоков СВЧ тракта, например быстродействия. С помощью многоканального осциллографа производится сравнение времени прохождения процессов переключения состояний аттенюатора и фазовращателя и вносятся необходимые корректировки.
Только после этого предлагается изготавливать плату, на которую будут установлены все кристаллы и компоненты.
Заключение
Продемонстрирован подход к разработке СВЧ тракта приёмопередающего модуля. Описаны этапы тестирования блоков СВЧ тракта.
Дисклеймер: В статье описан мой опыт, и я призываю коллег прислушаться, чтобы не было ситуации когда всё поставили, а ничего не работает и не понятно что не работает.
