【無線射頻工藝】-從設(shè)計輕松過渡到制造

1/1如何從設(shè)計輕松過渡到制造消費電子行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新熱潮使得消費者們對產(chǎn)品技術(shù)改進速度的期望達到一個前所未有的高度。不但產(chǎn)品變得越來越簡單，日益激烈的競爭也大大縮短了典型的設(shè)計周期。因此，假如一個企業(yè)能夠通過高效的設(shè)計和測試流程將一個產(chǎn)品從原理圖轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品，那么它就具有了行業(yè)的競爭優(yōu)勢。

雖然完善開發(fā)工藝往往需要企業(yè)進行變革，但工程師也可以實行一些有用的技巧來縮短產(chǎn)品上市時間。本文章不僅探討了如何通過簡潔的設(shè)計選擇來實現(xiàn)更佳的制造工藝，也爭論了如何慎重地選擇測試軟件和硬件。三個最重要的最佳實踐包括：

可制造性設(shè)計和調(diào)試

編寫可擴展且可復(fù)用的測試代碼

復(fù)制開發(fā)過程中各個階段的物理制造環(huán)境

為了了解從產(chǎn)品設(shè)計到產(chǎn)品測試的最佳實踐，我們必需考慮到生產(chǎn)測試目的往往與設(shè)計驗證目的大相徑庭。設(shè)計驗證測試是為了驗證產(chǎn)品在各種操作條件下滿意規(guī)格參數(shù)。而生產(chǎn)測試的目的是確保產(chǎn)品能夠正確組裝，并且各個組建能夠正常運作。盡管這兩個目的之間存在差異，工程師可以通過細心的設(shè)計將驗證測試開發(fā)應(yīng)用于制造中。請留意，盡管此處描述的最佳實踐特地應(yīng)用于射頻產(chǎn)品開發(fā)，但其中的原理適用于任何類型的商業(yè)產(chǎn)品設(shè)計。

可制造性設(shè)計

在很多企業(yè)中，開發(fā)小組往往到了設(shè)計周期的最終環(huán)節(jié)才會考慮生產(chǎn)測試。然而，為了在生產(chǎn)中也能夠利用設(shè)計階段的一些成果，設(shè)計人員必需從設(shè)計初期就預(yù)期生產(chǎn)測試可能存在的問題。許多時候，假如在設(shè)計過程早期就考慮生產(chǎn)測試，就可對測試信號/電路的布局和接入做出更加合適的決策，從而削減驗證和生產(chǎn)測試的總體成本。

例如，在產(chǎn)品的初始設(shè)計中添加高度集成的ASIC等掌握電路往往是特別困難的。這使得需要用昂貴的測試設(shè)備來仿真設(shè)備的運行環(huán)境從而導(dǎo)致更長的測試時間和更昂貴的測試成本。例如，手機芯片缺乏非信令模式將會大大增加產(chǎn)品的驗證時間。假如產(chǎn)品的初始設(shè)計沒有包含非信令模式，工程師將不得不以更昂貴的成原來測試無線電，同時基站的仿真進程也會大大減慢。因此，通過在產(chǎn)品的初始設(shè)計中添加關(guān)鍵掌握電路，工程師使用信號發(fā)生器和信號分析儀等成本較低的測試設(shè)備就能能夠縮短驗證所需要的時間。

削減潛在生產(chǎn)問題的一種最簡潔的方法是嚴格遵守設(shè)計規(guī)章，如元件間距、"排解區(qū)域'以及正確的焊盤外形，以防止消失元件'立起'。PCB制造商和芯片制造商通常會供應(yīng)設(shè)計規(guī)章檢查軟件，以確保設(shè)計的產(chǎn)品可實際投入制造。從最初的電路布局開頭就始終遵循這些設(shè)計準則是特別重要的。盡管設(shè)計人員通常趨向于到了后期設(shè)計才開頭重視設(shè)計規(guī)章，但這一延遲往往使得更轉(zhuǎn)變得更加難以實現(xiàn)。另一方面，從初始設(shè)計就開頭重視設(shè)計規(guī)章的工程師將會設(shè)計出更牢靠的產(chǎn)品，也更簡單從設(shè)計過渡到生產(chǎn)。

探測和調(diào)試

假如要在簡單的設(shè)計中確定潛在的制造問題，一個有用技巧是使用正確的調(diào)試和測試接口。工程師通?？梢酝ㄟ^兩種主要方法來提高其電路測試、調(diào)試或故障排解力量。一種方法是在產(chǎn)品設(shè)計中添加探針墊片和各種測試接口。另一種方法是在進行初始設(shè)計的同時開發(fā)生產(chǎn)級測試夾具，以確保更多的可重復(fù)驗證測量。

在開發(fā)過程中，工程師常常使用手動探針來排解電路故障。但是，手動探針常常會產(chǎn)生測量誤差，并且可能會導(dǎo)致工程師對電路性能作出不正確的假設(shè)。在設(shè)計和制造時，為工程師供應(yīng)產(chǎn)品性能的具體信息是至關(guān)重要的。因此，設(shè)計人員必需考慮如何以可重復(fù)的方式來探測系統(tǒng)的性能，同時對電路的阻抗影響最小。在設(shè)計初期考慮探測需求可關(guān)心確保電路布局和元器件的放置便利工程師進行正確的性能探測。

工程師由于成本緣由往往不情愿使用板卡間連接器。假如工程師考慮到衰減因素，并使用正確的探針和焊盤圖案，則探針可作為一個可行的解決方案。對于低頻率（低于100MHz）應(yīng)用，設(shè)計者常常使用"彈簧'式探針來測量特定PCB印制線的信號。這些探針因其彈簧機械作用（類似于彈簧單高蹺）而得名，與合適的探針墊片一起使用時效果特別好。但是對于RF頻率應(yīng)用，彈簧式探針及焊盤墊很簡單受到一系列高頻相關(guān)寄生行為的影響，這些行為可能會影響阻抗匹配和插入損耗等電氣性能。

針對射頻和微波頻率有幾種探測解決方案，一種行之有效的解決方案是利用寬帶同軸探針。同軸探針，如圖所示的EverettCharlesK-50L，具有SMA連接器，便于連接至頻譜分析儀或功率計。雖然探針和探針焊盤墊可用于很多狀況，但射頻工程師通常不情愿使用探針墊片，由于它們可能會產(chǎn)生破壞性電容，降低電路的性能。一個常見的解決方法是依據(jù)實際的電路板印制線來設(shè)計探針墊片。例如，設(shè)計者假如知道之后會用到RF探針，就可以針對這種探針進行電路板的幾何外形（例如印制線寬和接地層間距）設(shè)計，而無需特定幾何外形的焊盤墊。在某些狀況下，可以使用表面組裝元件焊盤作為探針墊，從而讓工程師能夠在元器件拆除的狀況下通過匹配的接口探測電路。

圖1.EverettCharles同軸探針的原理圖。

另一種適用于驗證和生產(chǎn)測試的有效解決方案是使用帶有集成開關(guān)的同軸連接器。在該方法中，單刀雙擲開關(guān)通過連接探針的機械作用進行驅(qū)動。因此，當探針未連接時，該開關(guān)自動連線至一個接線端，探針接合時，則連接至另一個接線端。這一集成的連接器/開關(guān)探針最初是針對手機行業(yè)而設(shè)計，用于斷開天線，以通過連接器來測量RF功率?，F(xiàn)在，射頻工程師有了各種頻率在12GHz及以上的高性能設(shè)備可供選擇。

最佳電路布局實踐

可制造性設(shè)計中一個重要卻往往被忽視的因素是關(guān)鍵電路的隔離，如圖2所示的典型接收器的結(jié)構(gòu)圖。為了充分確定單個元器件的性能，設(shè)計人員必需能夠?qū)⒎糯笃骱突祛l器隔離開以及將混頻器與本地振蕩器隔離開。假如合成器沒有通過任何接口直接連接到混頻器來隔離放大器和混頻器，會使合成器潛在故障問題的排查變得更加困難。通過將這些接口分別以及單獨測試每個部分，工程師可以使用更簡單的元器件來精確?????地進行故障排解。分別重要接口有若干個種方法。其中一種方法是通過物理方式來隔開每個子組件的布局，然后通過SMA等同軸連接器來連接它們。但是，SMA連接器往往會增加設(shè)計尺寸和成本。集成開關(guān)/連接器組件（例如以上所述的組件）供應(yīng)了一個很好的解決方案，由于它們能夠很好地連接放大器、混頻器和本地振蕩器，而幾乎不會產(chǎn)生任何插入損耗。

圖2.典型的收發(fā)儀架構(gòu)。

通過可復(fù)用測試代碼來關(guān)聯(lián)測量數(shù)據(jù)

測試工程師常常面臨的另一個問題是將生產(chǎn)數(shù)據(jù)與驗證測試過程中獲得的測量結(jié)果關(guān)聯(lián)起來。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)之所以困難有幾個緣由，包括不同測試設(shè)備的使用、測試夾具的影響以及物理環(huán)境的轉(zhuǎn)變。其中最簡單解決的一個問題是驗證和工程生產(chǎn)測試使用不同測量算法造成的誤差。

一般來說，研發(fā)小組通常需要擁有性能特別高的設(shè)備才能確保儀器的規(guī)格限制不會影響驗證測試結(jié)果。而大規(guī)模生產(chǎn)作業(yè)所需的大量儀器而通常需要生產(chǎn)測試設(shè)備的成本能夠最優(yōu)化。然而，由于驗證測試和生產(chǎn)測試的需求不同，企業(yè)往往使用完全不同的測試設(shè)備因而導(dǎo)致了測量數(shù)據(jù)無法關(guān)聯(lián)等問題，另外還需要工程師花費額外的精力去編寫測試軟件。

由于測量算法之間的不同會導(dǎo)致測量結(jié)果的差異，提高驗證和生產(chǎn)測試相關(guān)性的一個最簡潔步驟是確保全部測量使用的是相同的測量算法。工程師可以通過一些方法來確保算法的標準化，如：

使用運行于PC（或PXI系統(tǒng)）而不是測試儀器上的軟件算法；

在驗證測試和生產(chǎn)測試使用中類似的測試設(shè)備（同一供應(yīng)商）；使用業(yè)界定義的測量，如依據(jù)IEEE標準定義的測量。

其中，確保測量算法標準化最簡潔的方法是在產(chǎn)品開發(fā)的各個階段使用來自同一供應(yīng)商的儀器。該方法還可關(guān)心工程師在生產(chǎn)測試階段更輕松地利用用于驗證測試的測試代碼。

將驗證測試代碼復(fù)用于制造測試

盡管將驗證測試代碼復(fù)用于生產(chǎn)中好像是一個顯而易見的最佳做法，但這對軟件架構(gòu)有特別要求。例如，想要在生產(chǎn)測試中利用設(shè)計驗證測試中的代碼，采納模塊化、分層式軟件架構(gòu)是至關(guān)重要的。在編程驗證測試所需的軟件時，工程師通常會為了盡快的寫出代碼而忽視代碼架構(gòu)或長期可支持性。但是，由于驗證測試所需的測量許多與工業(yè)測試是一樣的，因而確保驗證測試代碼的敏捷性是特別重要的。

編寫測試軟件代碼中一個簡潔的最佳方法是采納硬件抽象層。該方法是將對特定設(shè)備的底層驅(qū)動調(diào)用封裝在更高級的函數(shù)中。這種方法使得將來修改測試代碼、添加額外設(shè)備的工作變得更為簡潔，而不需要大范圍地重寫。如圖3所示，使用硬件抽象層需要測試代碼的架構(gòu)能夠讓特定儀器的驅(qū)動程序調(diào)用包含于該儀器產(chǎn)品系列的函數(shù)調(diào)用框架之中。雖然這需要更周全的前期設(shè)計，但使用硬件抽象層可提高測試代碼的復(fù)用率，最終削減測試軟件開發(fā)的時間。請留意，相比于其他本身具有層次性的編程語言，比如NILabVIEW系統(tǒng)設(shè)計軟件或其他類似的語言，硬件抽象層的層次性相對更為直接。

圖3.傳統(tǒng)方法與硬件抽象層方法比較。

請留意，圖3所示架構(gòu)中重要的一點是將配置待測設(shè)備的代碼和配置儀器的代碼分開。雖然待測設(shè)備的配置和儀器的配置通常并行進行，但最好還是將這兩個任務(wù)開來。在某些狀況下，尤其是測試速度成為最重要因素時，測試執(zhí)行軟件能夠自動配置兩個的函數(shù)調(diào)用，使其并行執(zhí)行。

驗證和制造物理環(huán)境的全都性

工程試驗室的物理環(huán)境通常與制造工廠的物理環(huán)境大相徑庭。盡管這好像違反常理，但制造工廠的環(huán)境變化往往遠多于試驗室。此外，溫度變化、電力質(zhì)量問題甚至是來自其他設(shè)備的虛假響應(yīng)都可能會影響測試結(jié)果。因此，最終一項最佳實踐就是確保驗證測試過程中的物理環(huán)境與生產(chǎn)工廠的物理環(huán)境完全全都。

雖然生產(chǎn)環(huán)境中存在各種會影響測試結(jié)果的挑戰(zhàn)，但溫度變化可能是最顯著的一個。在制造工廠中，高密度的電子設(shè)備會散發(fā)大量不斷變化的熱輻射。此外，其他的簡潔因素也可能影響局部環(huán)境溫度，比如測試設(shè)備位于空調(diào)出風口下方或者靠近門口。因此，雖然條件抱負的制造工廠可能在大范圍內(nèi)可以很好地掌握環(huán)境溫度，但要掌握待測設(shè)備的局部溫度還是特別困難的。這些溫度變化不僅會影響設(shè)備的精確?????性，還會在很大程度上影響待測設(shè)備的性能。

在我多年的制造閱歷中，我曾親自觀看過有的工廠將環(huán)境溫度掌握在1℃以內(nèi)，但特定測試站的局部溫度波動卻高達10℃。這里舉個例子說明溫度對測量質(zhì)量的影響，對于典型的高頻放大器，溫度每變化1℃，功率的變化可達0.03dB。儀器和簡單的設(shè)備通常在一個信號鏈中會用到多個放大器因而溫度變化導(dǎo)致的功率誤差將快速累加。假如要將輸出功率調(diào)整至功率放大器所需的較小范圍，如0.5分貝（或更?。瑒t如此大的溫度變化將會導(dǎo)致嚴峻的問題。

降低電磁設(shè)備造成的溫度變化的一個最好方法是確保良好的空氣流通。此外，每次進行RF測量時（無論是驗證階段還是制造階段）順便進行溫度測量是特別有好處的。尤其是在較大型的PCB設(shè)計中，板載溫度傳感器是監(jiān)測溫度的有效方法之一。通過監(jiān)測溫度，工程師可以將每次的RF測量與環(huán)境條件相關(guān)聯(lián)。因此，溫度數(shù)據(jù)通?？梢杂糜诮忉岒炞C和生產(chǎn)測試結(jié)果之間的差異。

夾具

另一種在驗證階段中重現(xiàn)制造環(huán)境的方法是使用標準化的夾具。對于很多企業(yè)，夾具通常到了產(chǎn)品開發(fā)過程的生產(chǎn)階段才會被重視。雖然夾具對測量性能可能會產(chǎn)生正面或負面的影響，但開發(fā)周期的早期階段使用符合制造要求的夾具是特別重要的。夾具的設(shè)計和制造應(yīng)當與早期設(shè)計或初始設(shè)計同時進行。

在特性描述階段，設(shè)計測試工程師往往會使用較差的布線解決方案，如使用很難反嵌的劣質(zhì)纜線或連接器。該階段假如使用用于生產(chǎn)測試的高質(zhì)量夾具，則有以下好處。首先，在驗證測試使用夾具可提高測量的可重復(fù)性和穩(wěn)定性，進而提高測量質(zhì)量。其次，也是更重要的一點，在驗證過程中使用質(zhì)量較好的夾具往往可以關(guān)心工程師更好地將驗證測試結(jié)果和生產(chǎn)測試結(jié)果關(guān)聯(lián)起來。如圖4所示的板卡級夾具。

圖4.板卡級驗證和制造測試夾具。

符合制造要求的夾具也使得工程師只需與操作人員進行少量的溝通就可測試DUT。常用的制造級夾具可為射頻/模擬測量、掌握I/O以及直流電源供應(yīng)可重復(fù)接口。此外，夾具還可以屏蔽電磁等重要環(huán)境干擾因素，同時具有更好的散熱效果。夾具還可最大程度削減人手的接觸該因素也會影響產(chǎn)品的熱特性。

電磁輻射

確保驗證和生產(chǎn)階段物理環(huán)境全都性的最終一個方法是測量和補償（假如有必要）電氣環(huán)境。一般狀況下，驗證明驗室的電氣干擾相對較少。由于試驗室中需要測試產(chǎn)品和電子設(shè)備都比制造工廠少，因而干擾因素也較少。在某些狀況下，假如驗證明驗室使用屏蔽性能好的外殼，可愛護DUT不受外界雜散輻射的影響。

進行驗證測試時，一個重要的最佳的方法是在試驗室里重現(xiàn)制造環(huán)境。例如，可以使用頻譜分析儀來測量電磁輻射干擾，然后在驗證明驗室中使用其他DUT來重現(xiàn)這一干擾。其他需要重現(xiàn)的干擾因素包括電源變化。在電源穩(wěn)定性更為重要的環(huán)境中使用制造設(shè)備時，對電源進行分析尤為重要。通過在驗證測試過程中仿真制造測試，工程師可以猜測測試系統(tǒng)的魯棒性，同時還可確定對測試限制的影響。這樣可以預(yù)防制造初期可能產(chǎn)生的測試問題。

結(jié)論

隨著電子行業(yè)的競爭日益激烈，更快速地從產(chǎn)品設(shè)計過渡到制造測試的力量已經(jīng)對于企業(yè)越來越重要。正如本文所述，工程師必需提高對可制造性設(shè)計、測試代碼開發(fā)以及制造環(huán)境條件的熟悉。在設(shè)計初期考慮這些因素將可關(guān)心工程師大幅提高效率，快速從