תכנון לוחות מעגלים מודפסים במהירות גבוהה (PCBs) עבור מערכות ניווט לווייני הוא אחד האתגרים המהנדסים התובעניים ביותר באלקטרוניקה המודרנית.מערכות אלה חייבות לפעול ללא פגם בסביבה הקשה של החלל, שבו טמפרטורות קיצוניות, קרינה ורטט הם איומים קבועים.באותו זמן, האותות שהם מטפלים בהם - לעתים קרובות בתדרים מעל 1 GHz עבור GPS, GLONASS, גלילאו, או BeiDou - יש צורך בטכניקות אבטחה מהירות, מאחורי שלמות אופטית, כלומר, כלומר, כלומר, עיצוב קריטי, יכולות לבדוק את הגמישות גבוהה, כלומר, כלומר, כלומר, תכונות אבטחה של מערכת ניווט, כלומר, כלומר, תכונות אבטחה גבוהה, מוטציות אבטחה של מערכת ניווט, מוטציות אבטחה של מערכת ניווט, עם מוטציות אבטחה גבוהה, כלומר, עם מוטציות אבטחה גבוהה.

אתגרים ספציפיים לניווט לווייני

מקלטי ניווט לווייניים חייבים לזהות ולעבד אותות חלשים מאוד מעשרת לווינים במסלול כדור הארץ בינוני.אות אלה מגיעות לרמות כוח נמוכות כמו --130 dBm, מה שהופך אותם רגישים מאוד לרעש והתערבות של ה- PCB עצמו.בנוסף, המערכת חייבת להתמודד עם מספר רב של להקות תדר במקביל - L2, L2, L5 עבור GPS, ומקבילותיהם עבור קבוצות כוכבים אחרות.

מעבר לאתגרים החשמליים, PCBs ממושמעים בחלל חייבים לשרוד אופניים תרמיים מ- −55 ° C ל- +125 ° C, שואב אבק החוצה גזינג, וקביעת קרינה.המצע חייב לא לרדת מתחת לתנאים אלה, ואת ההלמונים, סכיפות נחושת, ומסכות מכרה חייב להיות מוסמך עבור טיסה שטח.

מימון של תכנון PCB מהיר עבור מערכות ניווט

ביקורת: The Foundation of Signal Integrity

בתדרים המשמשים מערכות ניווט לווייניות (בדרך כלל 1.1-1.6 GHz), כל עקבות על פועל PCB כקו שידור. שמירה על אימפולס אופייני עקבי - בעיקר 50 ⁇ או 75 ⁇ - הוא קריטי למנוע השתקפות כי degrade את יחס האות-to-noise (Divers) לעומת זאת, מעבדים מועדים על בסיס רוחב, עובי, דיאלקטרי, ו- dielectric dielectric (D) לשימוש ב- 0, לעומת זאת, לעומת זאת, 0.

בלוחות מרוב שכבות, מבנים פסליין (חומר מוטבע בין שני מטוסים) מספקים בידוד טוב יותר ומוטציה מבוקרת אך דורשים יותר שכבות. עבור ניווט לווייני, עקבות RF קריטיים - כגון קו הזנה האנטנה או קלט LNA - לעתים קרובות מקוטב כמו פסים עם מטוסים על שני הצדדים.תצורה זו מפחיתה קרינה וצלב, שהוא חיוני כאשר אותות חלשים כמו .

Trace רוסינג: Minimizing Delay and Crosstalk

מקלטי ניווט פועלים עם דיוק תזמון ברמה גבוהה של ננו השני למגוון לוויינים.כל אי התאמה בין קצה החזית RF לבין מעבד הבסיס מציג עיכוב שלב שיכול לגרום שגיאות מיקום.מעצבים לעתים קרובות להתאים את אורך העקבים על זוגות שונים (למשל, עבור אותות I / Q) כדי בתוך שבריר של מ"מ.זה מושג על ידי הוספת קטעים נחשים או לי, אבל זה זהיר כדי להבטיח קוצר ראייה לא צריך ליצור מחסומים.

כדי למזער את הקרוסטור, יש לעגל עקבות מהירות גבוהה לפחות שלוש פעמים את הגובה הדיאלקטרי מן האותות הסמוכים. בערימה של 10layer עם 4 שכבות dielectric, כלומר שמירה על לפחות 12 mil Edge-to-edge-to-edge העטיפה בין רשתות קריטיות.Ring על שכבות שונות אפילו טוב יותר, אבל רק אם השכבות מופרדות על ידי מטוס.

מטוסים ומגן

מטוסים קרקעיים לא מרופדים הם עמוד השדרה של כל PCB מהיר, המספק נתיב החזרה נמוך לסיגנל אותות ומגן נגד EMI. בלוחות ניווט לווייניים, כל שכבה שאינה בשימוש עבור routing צריכה להיות מטוס קרקעי. סטיץ דרך מצעים בין מטוסים קרקעיים במרווחים קבועים (כל λ/20, או כ 3 מ"מ ב 1.5GHz) מבטיח כי יש לפעול כמו שכבת RF לשימוש לעתים קרובות על פני השטח.

ניתן בדרך כלל להציב את ה- LNA, ערבוב, ואת IF אבץ שלבים. אלה יכולים להיות מוכרים על המטוס הקרקע עם ים רציף או באמצעות חללים לא יותר מ λ/10 בנפרד ( ⁇ 2 ס"מ ב 1.5 GHz) אפילו פער קטן יכול לשמש אנטנה חריץ, המאפשר התערבות במערכת.

עיצוב שכבתי

תכנון ערימה השכבה הוא פעולה איזון בין יושרת אות, יושרה כוח, ומיומנות.ערימה טיפוסית של 12 שכבות עבור מקלט ניווט לווייני עשוי לכלול:

  • שכבה 1: למעלה (RF רכיבים, microstrip עקבות)
  • שכבת קרקע 2: מטוס קרקע (סולם, לא פיצולים)
  • שכבת רדיו 3: אותות RF (stripline)
  • שכבה 4: מטוס קרקע
  • שכבה 5: חסימה דיגיטלית (בסיס, שליטה)
  • שכבה 6: מטוס כוח (1.8V, 3.3V)
  • שכבה 7: מטוס קרקע
  • שכבה 8: חסימה דיגיטלית
  • שכבה 9: מטוס קרקע
  • שכבה 10: Analog routing (IF, DC הטיה)
  • שכבה 11: מטוס קרקע
  • שכבה 12: מטה (קישורים, נקודות מבחן)

עובי טרום-preg בין שכבות נבחר להשיג את החסימה הרצויה.לדוגמה, רצועה 50 ⁇ על שכבה 3 דורשת גובה דיאלקטרי מסוים למטוסים הקרקע מעל (layer 2) ומתחת (layer 4), שימוש במחסנים לא-סימטריים יכול לגרום דף מלחמה בלוחות מזהמים חלל, כך מבנים סימטריים מועדפים.

בחירת חומרים עבור מהירות PCB גבוהה-Qualified

הבחירה של חומר תת-סטריט היא אחת ההחלטות החשובות ביותר בעיצוב PCB מהיר עבור ניווט לווייני.חומר חייב להיות קבוע דיאלקטרי יציב על פני תדירות, טמפרטורה ולחות; אובדן נמוך שיזוף כדי לשמור על כוח אות; מוליכות תרמית גבוהה כדי לנתק חום ממרכיבים; והתנגדות לקרינה ויציאה גזים.

חומרים פופולריים כוללים:

  • (FLT:0)Rogers ROAVE4000 סדרה 1 (למשל, RO4350B): Woven זכוכית-reinforced hydrocarbon קרמיקה להלומות עם יציבות תרמית טובה ואובדן נמוך.הם משמשים נרחב בתקשורת לוויינית מסחרית אבל דורשים טיפול זהיר כדי להימנע מדמי שרף במהלך התרגיל.
  • (FLT:0) ,Taconic RFIR-35FLT:1: דומה ל-RO4350B אך מעט נמוך יותר, מתאים ללוחות מרוב שכבות עם סעיפים RF ודיגיטליים מעורבים.
  • (ב) [ה][דרוש מקור]] ב[[1924]]]] ו[[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] ו[[1924]]]]]]]]
  • (בקיצור:0) ,FLT:1 (למשל, DuPont Kapton): לפעמים בשימוש עבור חלקים גמישים או לוחות גמישים קשיחים, אם כי אובדן גבוה יותר הופך אותו פחות מתאים לגמר החזית RF.

נאס"א:0 â € ¢ תוכנית תוכנית â € 1 מספק נתונים בדיקות נרחב על חומרים PCB עבור שטח, כך מעצבים צריכים להתייעץ דוחות שלהם לפני סיום ברירה חומרית.בנוסף, IPC-6012DS שטח / תקן הסמכה של PCB צבאי קובע דרישות קפדניות עבור טוהר חומרי, נחושת סולדת נחושת, והתנגדות תרמית.

מיקום בולט ואסטרטגיות לניווט

מקום של רכיבים קריטיים חייב לעקוב אחר זרימת אות הגיונית: מפיץ אנטנה / מגבר נמוך / מגבר למטה מערבב / IF amplifier filter ; אנלוגי-ל-דיגיטלי מעבד בסיס דיגיטלי.כל שלב צריך להיות ממוקם כך כי עקבות ביניהם הם קצרים ו ישיר ככל האפשר. LNA חייב להיות ממוקם מיד ליד אנטנה המחבר כדי למזער את המספר של רעש מן האובדן המקומי (לדוגמא) כדי למנוע את הדליפה (LNA) מפולמוס המקומי.

מעגלים דיגיטליים (FPGAs, DSPs, זיכרון) יוצרים רעש מעבר גבוה כי יכול להתחבר לתוך קטע RF באמצעות מטוסים כוח וקרינה. חיוני ליצור הפרדה פיזית בין סעיף RF / אנלוג לבין החלק הדיגיטלי, לעתים קרובות על ידי הצבתם על קצה הפוך של הלוח. a קרקע - מזל במטוס הקרקע - יכול גם לבודד את הקרקע מן הקרקע דיגיטלית, אבל על ידי הילוך להיות מתפתל עם נקודה משותפת כדי למנוע חיבור קרקע אחת או מגשר.

עבור מקלטים מרוב פס, כל נתיב תדר (L1, L2, L5) צריך להיות מודרך על שכבת פס ייעודי שלה או לפחות עם אזורי שמירה נדיבים (L1, מסנן הרמוני ליד כל פלט ערבוב הוא חיוני כדי למנוע הרמוניות של הדבור מתערובת בחזרה לתוך להקות אחרות. קובצי Cookie ייעודיים (SAW או BAW) משמשים בדרך כלל, ואת המיקום שלהם צריך לאפשר עקבות קצרים, ישירות, כדי שילוב של IF.

סימבול ו-Verification

אין תכנון PCB מהיר עבור ניווט לווייני ניתן לסמוך ללא סימולציה יסודית.אלקטרומגנטי (EM) שדה פותרים משמשים לנתח עקבות כמו מבנים תלת-ממדיים וחיזוי S-parameters, crosstalk, ופליטות קורנות. Ansys HFSS, CST Studio Suite, ו- Keysight ADS הם כלים סטנדרטיים בתעשייה עבור סימולציה RF. במהלך שלב העיצוב, לחלץ את המודל S-parameter של עקבות קריטיים של דמות מחזורי של מחזור, והפסדים, כדי לאמת את הסימולטור, ולעמודת של מעגל זה, ולעמודי תיבות של סימולציה, כדי לשחזר את הסימולטורים, ולעמודת, כדי לאמת את הסימולטורים של סימולציה של סימולציה של סימולציה של מתחנן, כדי לשחזר את הסימולדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדק, ולעמודת, ולעמודת, ולעמודת, ול

סימולציה של איכויות חשובה באותה המידה.רשת העברת החשמל (PDN) חייבת להיות בעלת תנופה נמוכה על פני טווח התדירות של עניין (DC למספר GHz עבור מעגלים דיגיטליים, ולהקות צרות עבור RF) מעכבי יבול עם התדרים בעלי יכולת עצמית היישרות לתדירות התפעולית של המקלט ממוקמים ליד סיכות הכוח של LNA ומיקסר. A PDNedance פרופיל באמצעות תדרים רגישים כגון סימולציה או סימולציה לא יכול להבטיח את המעגל הפעילה.

סימולציה תרמית לא צריך להתעלם.בריק של החלל, העברת חום מוגבלת להתנהלות דרך הלוח וקרינה. טמפרטורות צומת בולט חייב להישאר בתוך הגבולות הדירוג שלהם (לעתים קרובות 125 מעלות צלזיוס לחלקים צבאיים / חלל) סימלו עם פלותר או Ansys Icepak יכול להנחות את המיקום של תרמי באמצעות רכיבים בעוצמה גבוהה כמו FPGAs ו-Reslimate.

בדיקות והתאמה

לאחר ייצור, ה- PCB חייב לעבור בדיקות קפדניות לפני שניתן לשלב אותו בלוויינים.

  • (FLT:0) DomainTime Reflectometry (TDR)FirLT:1: כדי לאמת את דחיית העקבות הקריטיות. מדידות TDR צריכות להתאים את המטרה בתוך ±5% עבור 50 שורות ⁇ .
  • (FLT:0S-Parameter Measurementmentmentmentmentmentmentment: Using a וקטור Network Analysisr (VNA) לבדוק אובדן כניסה והפסד החזרה.עבור קדמית RF, אובדן החזרה צריך להיות טוב יותר מ- 15 dB על פני הלהקה, ואובדן החדירה מתחת ל-0.5 dB עבור השרידים הקצרים ביותר.
  • (FLT:0)EMI / EMC TestingFLT:1: הלוח ממוקם בחדר מוגן ופליטות נמדדים עם מנתח ספקטרום ואנטנות.
  • (FLT:0) סיקור מתח סביבתי של MIL-STD-810 או שווה ערך ל- Space Index: Thermal רכיבה, רטט ובדיקות של כוויות לפי תקני חלל MIL-STD-810 או שווה ערך.מבחנים אלה מזהים מפרקי מכר חלשים, להשחית את הדיכאון, וכישלונות הרכיב.

סוכנויות חלל כמו ESA ונאס"א יש סטנדרטים מפורטים של בדיקות PCB.ה-FLT:0NASA-STD-8739 סדרה 1 מכסה דרישות עבודה עבור מכרה, חיבורים מסוף ולוחות מחוספס מודפס.

מגמות עתידיות בעיצוב PCB המהיר לניווט לוויין

הדור הבא של מערכות ניווט לווייני ידרוש ביצועים גבוהים יותר.

  • (FLT:0) גבוה יותר FrequentienciesFLT:1: השימוש של L5 (1176 MHz) ואפילו אותות S-band או C-band עבור יישומים מתקדמים ידחוף עיצוב PCB לפעול מעל 2 GHz.זה דורש אפילו שליטה חזקה יותר וחומרים נמוכים יותר.
  • (FLT:0) מרבי-קונסטלציה, Multi-Frequencyאינטגרציה 1FIRLT: מקלטים מודרניים חייבים במקביל לעבד GPS, GLONASS, גלילאו, ו-BeiDou אותות על פני להקות תדירות מרובות.זה מכפיל את מספר שרשראות RF ואת המורכבות של שיבושים ובודדים.
  • (FLT:0) Advanced PackivingFLT:1: פתרונות System-in-package (SiP) משלבים את LNA, מסנן, ו- downconverter לתוך מודול יחיד, צמצום שטח לוח ופשטות routing. עם זאת, מודולים אלה עדיין זקוקים ל- PCB מתוכנן היטב עבור כוח, בקרה, ופלט IF.
  • (FLT:0)GaN ו- GaAs מכשירים 1FLT: גאליום ניטריד LNAs מציעים טווח דינמי גבוה יותר, אבל הם דורשים ניהול תרמי זהיר.אינטגרציה של GaAs או GaN באותו PCB כמו מעגלים דיגיטליים מציג אתגרים אינטגרציה heterogeneous.
  • (FLT:0)Machine Learning for Routing OptimizationFIRLT:1): כלים מונעים AI מופעלים EDA מתעוררים כי באופן אוטומטי למצוא פתרונות ניתוק אשר ממזערים את crosstalk ועיכוב, במיוחד במועצות מרובות שכבות צפופות.

מסקנה

עיצוב PCB מהיר עבור מערכות ניווט לווייני דורש הבנה עמוקה של התיאוריה האלקטרומגנטית, מדע החומרי והנדסת האמינות.מבקרת מוטציות ועקבות ניתוק למבחר חומרי וסימולציה קפדנית, כל החלטה משפיעה ישירות על ביצועי מקלט הניווט.כפי שלוויינים ממשיכים לתמוך בעמדה גלובלית, תזמון, תשתיות קריטיות, אשר מאפשרות להם לספק שלמות בלתי מתפשרת ועוצמה.