Содержание
Для системных интеграторов, занимающихся разработкой радиочастотных систем, самой большой проблемой зачастую является не сам выбор микросхем, а тот факт, что После того как вы всё собрали, система просто отказывается работать.
Проведите тестирование каждой микросхемы по отдельности — показатели выглядят неплохо. LNA (усилители с низким уровнем шума) показывает коэффициент шума 0,8 дБ. Усилитель мощности обеспечивает выходную мощность 20 Вт. У микшера потери при преобразовании составляют 6 дБ. Но как только вы размещаете их на одной плате, затягиваете винты, закрываете экранирующую крышку и проводите повторное измерение — коэффициент усиления падает на 3 дБ, повсюду появляются паразитные излучения, а приемник время от времени входит в состояние насыщения.
В чём заключается проблема?
Все дело в слове интеграция. Интеграция — это не просто пайка микросхем на печатную плату. Это означает обеспечение их правильной работы без взаимных помех в одном физическом пространстве, в условиях одного и того же температурного поля и в одной и той же электромагнитной среде.
В этой статье не рассматривается сам процесс проектирования микросхем. Вместо этого в ней, с точки зрения системной интеграции, рассматриваются инженерные проблемы, которые никогда не фигурируют в технических характеристиках, но обязательно возникают в реальных проектах.
1. Нагрев: невидимый враг производительности
Крупнейшим источником тепла в радиочастотном входном блоке обычно является усилитель мощности. Усилитель мощности, обеспечивающий выходную мощность 20 Вт с КПД 50%, выделяет ещё 20 Вт тепла. Если эти 20 Вт не удается своевременно отвести, температура перехода микросхемы быстро повышается.
Повышение температуры оказывает системное воздействие на радиочастотные микросхемы:
- Внутренние ёмкости GaAs-HEMT значительно изменяются в зависимости от температуры — коэффициент усиления падает, а частотная характеристика смещается.
- GaN-HEMT способен выдерживать более высокие температуры, при этом колебания его параметров в диапазоне от –40 °C до 150 °C значительно меньше, однако плотность теплового потока у него выше. При одинаковых размерах кристалла GaN генерирует более сконцентрированное тепло.
- Точка смещения усилителя мощности изменяется в зависимости от температуры. Без температурной компенсации в цепи смещения усилитель мощности может перейти из класса AB в класс B или даже в класс C, что приведет к ухудшению линейности.
Технические меры противодействия:
Во-первых, При размещении микросхем необходимо учитывать распределение источников тепла. Разместите усилитель мощности (PA) на краю модуля, рядом с каналом отвода тепла; разместите низкошумный усилитель (LNA) в самой прохладной зоне. Это не просто предположение — такие выводы сделаны на основе результатов теплового моделирования.
Во-вторых, тепловой путь должен быть как можно короче. A просто умереть непосредственно припаянный эвтектическим способом к медной подложке имеет тепловое сопротивление на порядок ниже, чем готовое устройство в корпусе, установленное на печатной плате. Именно поэтому в системах с высокой удельной мощностью часто отдают предпочтение «голым» кристаллам и самостоятельно занимаются микросборкой, вместо того чтобы использовать готовые компоненты в корпусах.
В-третьих, Тепловое моделирование необходимо провести на раннем этапе. Не стоит ждать, пока плата вернется в исходное состояние, а усилитель мощности не перейдет в режим термического отключения, прежде чем устанавливать радиаторы. Еще на этапе проектирования необходимо рассчитать распределение мощности, траектории воздушного потока и теплопроводящие материалы.
В-четвёртых, Схему температурной компенсации нельзя исключить. Простой термистор в сочетании с несколькими резисторами и конденсаторами позволяет автоматически регулировать напряжение смещения при изменении температуры. Попытка сэкономить несколько центов на этой схеме обойдется вам потерей стабильности выходного сигнала во всем диапазоне температур.
2. Электромагнитная совместимость: борьба с собственными сигналами
Наиболее коварной проблемой в системах РЧ является самоинтерференция – ваши собственные сигналы, создающие взаимные помехи.
Типичный радиочастотный входной блок одновременно содержит:
- Сильные сигналы из цепи передачи (десятки ватт)
- Крошечные сигналы из цепи приема (микроватты или даже нановатты)
- Сигналы локального генератора (непрерывная волна, мощность которой нельзя игнорировать)
- Цифровые управляющие сигналы (прямоугольные импульсы с большим количеством гармоник)
- Пульсации и помехи на шинах питания
Все эти сигналы распространяются на одной и той же плате и внутри одной и той же резонаторной камеры. Сильные сигналы могут проникать в цепь приема через подложку, посредством пространственного излучения или по путям передачи мощности в режиме общего сигнала, что приводит к насыщению приемника. Сигналы локальной частоты (LO) могут просачиваться в антенный разъем, превращаясь в излучаемые паразитные сигналы, которые приводят к неудачным результатам испытаний на электромагнитную совместимость (ЭМС).
Распространенные пути проникновения и меры противодействия:
Кондуктивная связь – через плоскости питания и заземления. Решением является использование отдельных доменов питания: следует применять разные LDO для секций передачи и приема, а также соединять цифровые и аналоговые заземления в одной точке.
Радиационная связь – через электромагнитное поле в космосе. Решением является разделение резонатора на отсеки: необходимо выделить отдельные экранированные отсеки для передачи, приема и локального осциллятора, а также использовать проходные фильтры для изоляции между отсеками.
Связь с подложкой – через диэлектрические слои. Решением является правильное планирование структуры слоев: необходимо обеспечить непрерывные опорные заземляющие плоскости для трасс радиочастотных сигналов и защитить чувствительные сигналы с помощью защитных трасс.
Опыт компании STARDL в области радиочастотной изоляции в значительной степени связан с решением именно этих задач. В радиолокационной системе с фазированной антенной решеткой, в которой сотни каналов приёма-передачи расположены в непосредственной близости друг от друга, каждый канал обеспечивает значительную мощность передачи, в то время как приёмник должен сохранять чрезвычайно высокую чувствительность — создание стабильной системы в таких условиях требует обширных знаний и опыта в области проектирования систем изоляции.
3. Заземление: самая простая концепция, самая сложная инженерная задача
Заземление может быть самое основное и самое недооцененное проблема в области радиотехники.
В низкочастотных цепях заземление означает просто подключение к опорной точке “0 В” — при этом не имеет значения, в каком направлении протекает ток. Однако в радиочастотных цепях заземление заключается в текущие пути возврата.
Характеристическое сопротивление радиочастотных сигналов составляет 50 Ом, и обратный путь должен проходить в непосредственной близости от пути прохождения сигнала. Если обратный путь слишком длинный или сопротивление заземления слишком высокое, образуется большая петля, которая действует как антенна, излучая и улавливая помехи.
Распространенные ошибки при заземлении:
Разделенные заземляющие плоскости. Некоторые разработчики разделяют аналоговую и цифровую массы и соединяют их в одной точке. В радиочастотных схемах эта “единственная точка” может превратиться в узловую точку с высоким импедансом, что приведет к проникновению цифровых помех в аналоговую область через заземляющую плоскость. Более надежным подходом является использование непрерывной заземляющей плоскости, разделение схемы по функциональным блокам и избегание разветвления заземления.
Чрезмерное сопротивление переходного отверстия. Заземляющая площадка радиочастотного чипа должна соединяться с заземляющей плоскостью через переходные отверстия. Если переходных отверстий слишком мало или они слишком малы, импеданс заземления возрастает, что приводит к ухудшению коэффициента усиления и изоляции. Практическое правило: используйте как можно больше заземляющих переходных отверстий с максимальным диаметром, допускаемым компоновкой, размещая их везде, где позволяет место.
Большая площадь грунтовой петли. Расстояние между сигнальной трассой и обратной линией заземления должно быть как можно меньше. Одно из ключевых отличий микрополосковой линии от копланарного волновода заключается в способе управления обратным трактом.
4. Развязка: целостность питания — первая линия защиты
К РЧ-микросхемам предъявляются гораздо более строгие требования к источнику питания, чем к цифровым микросхемам. Цифровые схемы обычно могут работать при напряжении в пределах ±5%, однако пульсации напряжения питания на РЧ-микросхеме напрямую модулируются на РЧ-сигнал, вызывая появление побочных сигналов.
Выбор развязывающего конденсатора заключается в следующем: не просто “чем больше, тем лучше”.”
Для фильтрации шума на разных частотах требуются разные значения ёмкости:
- Конденсаторы емкостью порядка 100 пФ имеют резонансные частоты в сотнях МГц и обеспечивают фильтрацию высокочастотных помех
- от 1 нФ до 10 нФ, для шума в средней полосе частот
- от 100 нФ до 1 мкФ, для подавления низкочастотных помех
- Конденсаторы емкостью свыше 10 мкФ, предназначенные для покрытия пиковых потребностей в токе
Как правило, требуются комбинации в пределах трёх порядков величины – например, 100 пФ, включенный параллельно с 1 нФ, 100 нФ и 10 мкФ. Расположение имеет значение: конденсаторы меньшей ёмкости следует размещать ближе всего к выводам микросхемы, а конденсаторы большей ёмкости можно располагать чуть дальше.
Кроме того, РЧ-усилители мощности, работающие в импульсном режиме, потребляют динамический ток, который в мгновение ока скачет от миллиампер до нескольких ампер. Если развязка в цепи питания недостаточна, напряжение питания колеблется вслед за изменениями тока, что приводит к изменению фазы выходного сигнала в зависимости от амплитуды (преобразование AM/PM) и ухудшению линейности.
5. Фактор, который часто упускают из виду: соединительные кабели
S-параметры, указанные в технических паспортах, измеряются на пробной станции на уровне пластины — щупы соприкасаются непосредственно с контактными площадками микросхемы. Однако на вашей печатной плате сигналы проходят через соединительные провода, выводы корпуса и дорожки печатной платы — на каждом этапе возникают паразитные элементы.
Золотая соединительная проволока диаметром 1 мм имеет индуктивность около 1 нГн при частоте 10 ГГц, что соответствует реактивному сопротивлению примерно 63 Ом. – уже близок к системному импедансу 50 Ом. Один только этот провод нарушает условия согласования.
Большая часть оптимизации, проводимой компанией STARDL в продуктах с «голым кристаллом», сосредоточена на уровне межсоединений. «Голый кристалл» подключается напрямую к подложке или микрополосковым линиям с помощью соединительных проволок, что позволяет снизить паразитные эффекты, возникающие при использовании промежуточной упаковки. Однако это также означает, что — Пользователи «голых» микросхем должны обладать возможностями микросборки, включая крепление микросхем, проволочную сварку, эвтектическую пайку и другие процессы.
Реальность инженерного дела
Интеграция входного каскада РЧ-цепи, по сути, заключается в аккуратное и оптимальное размещение на ограниченном пространстве группы микросхем, каждая из которых выделяет тепло, излучает шум, чувствительна к помехам и подвержена взаимной связи.
Выбор микросхем — это лишь первый шаг. Даже правильный выбор микросхем не гарантирует, что система будет работать надлежащим образом. Как отводить тепло, как проложить цепи заземления, как обеспечить изоляцию, как разместить развязывающие конденсаторы — именно эти “грязные и кропотливые” задачи являются решающими факторами, определяющими надежность работы системы.
Ассортимент интегральных схем STARDL для радиочастотного и микроволнового диапазонов — от отдельных кристаллов до готовых устройств в корпусах и силовых устройств на основе GaN, охватывающий диапазон частот от постоянного тока до 50 ГГц — по сути представляет собой “основные строительные блоки” для системной интеграции. Но материалы — это всего лишь материалы. А вот сможете ли вы их эффективно использовать, зависит от глубины вашего понимания этих инженерных вопросов.
