DP16T switching matrix for microwave imaging applications

Yüksek lisans tezi olarak tasarladığım bu devrenin amacı, özellikle son yıllarda artan meme kanserini tespitte kullanılacak ucuz maliyetli, insan vücuduna hiçbir zararı olmayan elektromanyetik dalgaları kullanan ve hızlı bir uygulaması olacak bir medikal görüntüleme sisteminin önemli bir yapı taşı olacak olmasıdır. Halihazırda olan bir sistem bulunmakta, çeşitli yöntemler kullanılarak bu görüntüleme yapılmaktadır. Fakat bu sistemdeki en büyük problem maliyettir. Sistemde bilgisayarlar ve çok büyük ücretlere sahip vektör network analizörler kullanılmaktadır. Amacımız bu aletleri birer birer yerlerine koyulabilecek uygun ücretli devreler ile değiştirmektir. Böyle düşük maliyetli bir sistem bütün hastanelere yerleştirerek, kadınlarda meme kanserinde erken teşhis konulmasına yarayabilecektir. Sadece meme kanseri değil, bunun dışında birçok görüntüleme ve ayrı uygulama alanlarında kullanıbilecektir. Örneğin, hızla gelişmekte olan 5G ve 6G haberleşmelerinde aynı anda birden çok anten kullanımı gerekmektedir. Bu antenlerin hepsi sırayla aktif hale getirilerek kullanılabilir. Ayrıca devreyi 0.1-6GHz bandında tasarlamamız sayesinde bütün gerekli frekansları kapsayabilen bir devreye sahip oluyoruz.Devrenin çalışma prensibi SMA bağlantıları yardımıyla bağlanılan 16 adet anteni, sanki sadece 2 adet anten bağlanmış gibi kullanabilme özelliği sunmasıdır. Bu kullanımı sağlayabilmesi için 2x2 switch veya diğer adları ile transfer switch ve DP2T switchte denilen yapılar ve 1 sinyali 8 sinyal hattına çoklayabilecek switch yapıları kullanılmıştır. Projede tasarlanan devre tek başına çalışan bir devre değil, bir ara devredir. Anten ve 2 portlu bir ölçüm cihazı arasında köprü görevi kurmaktadır. 16 portu olan bir VNA ile 16 adet antene aynı anda ışıma yaptırım, yine bu antenler üzerinden ölçümler yapılarak bu sonuçlar s16p dosyası ve touchstone formatında kaydedilir. Bu dosya aslında 16 satır ve 16 sütundan oluşan bir matris dosyasıdır ve bu matrisler çok sayıda frekans değeri için hesaplanır. Sadece 2 adet portu olan bir VNA'nın oluşturabileceği dosya s2p dosyasıdır. İsminden anlaşılabileceği gibi sadece 4 elemandan oluşan bir matrisi oluşturabilir. Tasarladığımız devre sayesinde, fiziksel olarak tek tek antenlerin kablolarını söküp sırayla gerekli antenleri takıp s2p dosyalarını oluşturuyormuş gibi bir işlem yaparız. Her an için bu 16 antenden sadece 2 tanesinin sinyali bu iki VNA girişine ulaşabilir. S parametreleri böylece her ikili anten grubu için tek tek hesaplanır, bu da toplam 136 kere farklı ikili anten hesaplaması demektir. Matris simetrik olacağından ötürü 16x16=256 kere bu işlemi yapmaya gerek yoktur.Devre 10x10cm gibi küçük bir boyuta sahiptir. Giriş portları devrenin üst kısmında, çıkış portları ise yan kısımlarda yer almaktadır. İlk kısımda devrenin genel görünüm olarak nasıl olacağı tasarlanmıştır. Boyutunun değerleri ise PCB üreten firmalarda fiyatın bu büyüklüğün üzerinde olması nedeniyle çok artacağından, bu şekilde seçilmiştir. İlk olarak çeşitli olabilecek ve kullanılabilecek switch çeşitleri detaylıca incelenmiş ve üretmesi en sorunsuz yapı olan dizayn seçilmiştir. Bu yapıda kullanılar çipler ise bir sonraki aşamalarda seçilmiştir. Seçimler sonraki aşamada yapılmasına rağmen, ilk aşamalarda bunlar incelendi ve her duruma hazır olarak başlanıldı. Devrede kullanılacak switch tiplerinden ilki SP8T switch olarak seçilmiştir.Bu devre elemanı bir girişten alınan sinyali 8 adet çıkış portundan istenilen çıkışa iletmesini sağlayan bir yapıdır. İkinci tip switch DP2T adıyla bilinen diğer adıda transfer switch olan eleman tipi seçilmiştir. Bu yapı ise 2 adet giriş portundan alınan sinyalleri istenilen 2 çıkıştan ayarlanılabilecek şekilde iletir. SP8T yapısından 2 adet kullanılacak ve devrenin 2 çıkış portundan önce yer alacaktır. DP2T switch yapıları is 16 adet antenin bağlandığı giriş portlarının ucuna 8 adet olacak şekilde konulacaktır. Devrede giriş ve çıkış portları toplam 16 adettir, bu nedenle devremize çok sayıda konnektör gereklidir. En çok yaygın olarak kullanılan RF konnektörleri olan 50 ohm değerli ve en az 6GHz'e kadar uyumlu olan SMA konnektörler seçilmiştir. Dizayn kısmına göre 16 adet SMA devreye dik şekilde yerleştirilecek, 2 adet ise devrenin sağ ve sol uçlarında bulunacaktır. Devrenin dizaynı ve gerekli elemanlarının belirlenmesinin ardından yapılacak işlem bu devre elemanlarının seçimidir, çeşitli güvenilir üreticiler ve aradığımız tipteki elemanlar incelenmiş ve seçimler yapılmıştır. Bu seçimler yapılırken fiyatları ve performansları en önemli iki etmen olarak göz önüne alınmıştır. Devredeki SMA'ler Cinch Connectivity Solutions Johnson adlı üretici firmadaki uyumlu konnektörlerden seçilmiştir. Bunun dışındaki devre switchlerinden ilki olan SP8T switch Analog Devices firmasının ürettiği HMC321A kodlu ürün seçilmiştir. Tranfer switch is Macom firmasının uygun fiyatlı ve yüksek performanslı üretimi seçilmiştir. Bunun dışında devrede bu yapıların dijital kontrolünü gerçekleştirmesi adına bir mikrodenetleyiciye ihtiyaç vardır. Bu görevi yapması gereken işlemcide 24 adet genel amaçlı kullanım pini olması gerekmektedir. STM32F4 Discovery adı verilen evaluation board şeklinde satılan mikroişlemci kullanılmaya karar verildi. Devreye bunu doğrudan lehimlemek yerine, header lehimlenecek ve doğrudan tak-çıkar şeklinde bir yapı tasarlanacak.Her eleman seçildikten sonraki adım şematik ve PCB tasarımını yapmak oldu. Şematik çizimi elektronik devreleri bilgisayarda çizmemizi sağlayan bir program yardımı ile yapıldı. Bu programın en iyi tarafı çizilen şematiğin bağlantılarını ve yapısını olduğu şekilde PCB çizim kısmına aktarabilmesidir. Öncelikle seçilen bütün elemanların bu programda şematik ve PCB kütüphanesi oluşturuldu. Bunun için çeşitli websitelerinde hazır olarak verilen yapılar ve tek tek el ile çizilen yapılar kullanıldı. Ayrıca 3D görünümleride eklenerek, son durumda üretilecek olan PCB'nin prototibide görülebilecek hale gelmiş oldu. Bu kütüphanelerin çizimlerini yapabilmek için üreticilerin sunmuş olduğu datasheetler ve bütün gerekli dökümanlar detaylı şekilde incelendi. Bütün bu tasarımların hazır olması bize çok büyük kolaylık sunuyor. Bütün elemanlar gerekli yerlere yerleştirilerek gerekli işlemleri tamamladık.Bu devre bir yüksek frekans devresi olduğundan dolayı, klasik bir elektronik devresi gibi sadece bağlantıları yaparak işlemleri bitiremiyoruz. PCB tasarımını yaparken transmisyon hatlarından, materyal kalınlığına kadar her uzunluk büyük önem taşır. Bu ölçümleride yapabilmek adına elektromanyetik simülasyon programları kullanıldı. Gerekli hat kalınlığını devrede kullanılan switch IC'lerinin bacak kalınlığı ile yakın bir kalınlıkta olması gerekiyor. Bunun nedeni ise, bağlantılardan oluşabilecek yansımayı minimuma indirmektir. Bundan ötürü hat kalınlığını 0.38mm seviyelerine düşürdük. Bu ölçümü çeşitli hesaplama araçları kullanarak karşılaştırması yapılarak hesapladık. Ayrıca devredeki groundlarımız klasik mikroşerit transmisyon hatları tasarımı ile yapmak yerine günümüzde neredeyse bütün firmaların evaluation devrelerini üretme şekli olan CPWG yapısı kullanarak tasarladık. Bu yapının özelliği, sadece tek bir layer ground olmasının yanında aynı zamanda sinyal hatlarının olduğu bölümde her yeri kaplayan ve alt katmanlardaki ground ile birleştiren deliklerin kullanılmasıdır. Bu yöntem ile izolasyon mükemmel hale getirilip girişim minimuma indirilmiştir. Bütün bu tasarımım ardından devre üretime hazırdır, fakat devrede girişim ve elektromanyetik yansımaların ne seviyede olduğu ve herhangi düzeltmeye gerek olup olmadığı ölçülmelidir. Bunu ölçmemizin yolu bahsettiğimiz gibi elektromanyetik simülasyon programları kullanmaktır. Bu amaç için kullanabileceğimiz en iyi program seçildi ve tüm gerekli simülasyonlar yapıldı. Öncelikle PCB olarak tasarlıdığımız devre ortak bir dosya türüne çevrildi ve bu EM simülasyon programına aktarıldı. Devredeki elemanlar aktarılamayacağından dolayı bunlar kaldırıldı ve en önemli kısım olan sinyal hatlarının simülasyonları yapıldı. Fakat biz yine de bu devrede bulunan switch ve diğer elemanların simülasyonlarını yapmalıyız. Bunun içinde aynı EM simülasyon programının şematik görünümlü yapısında, elemanlarımızın üreticileri tarafından verilen s-parametre dosyaları kullanılarak buraya aktarıldı ve devrenin tamamını içerecek şekilde bir simülasyon yapıldı. Sonuçlar ve bu sonuçların açıklamalarını yaptık. Beklediğimizden daha iyi sonuçlar elde ettik, yansıma katsayısı ve dönüş kaybına baktığımızda, 2GHz frekansında yansımadan dolayı sadece %3 kayıp olduğunu gördük, bu değerde -15dB'e tekabül etmektedir. Bunun dışında izolasyonun en kötü değeri aynı frekans için -30dB mertebelerinde, ve aynı hat üzerindeki kaybın ise -2.6dB seviyelerinde olduğunu gördük. Bu kayıpların en büyük sebepleri ise malzeme olarak FR4 kullanılması ve satın alınan switchlerin halihazırda kayıplarının fazla olmasından kaynaklanmaktadır. Devrede hiçbir sorun olmadığından bir sonraki aşamaya geçebiliriz. Dijital kontrol devresinin programlaması kısmına geçmeden önce gerekli PCB üretim dosyaları oluşturularak üreticiye gönderilmiş ve devrenin üretimine geçilmiştir. Ayrıca dizgi el ile yapılacağından bir adet stencil siparişi verilmiştir. Devre üretildiği sırada biz seçilen mikroişlemci için gerekli hazırlıkları ve kodlamaları tamamladık. Bizim için gerekli olan dijital kontrol için bir bilgisayarda oluşturduğumuz kullanıcını gerekli bilgileri girerek devreyi kontrol edebileceği bir yapı oluşturmayı hedefledik. Bu yapı için gerekli kısımlar sırasıyla, kontrol pinlerinin olması gereken değerleri tablo haline getirmek, ardından mikroişlemcinin çalıştıracağı kodu yazmak ve arayüzü oluşturmaktı. Bütün switchlerin kontrol mekanizmaları detaylıca incelendi ve gerekli gerilimlere önceden bakıldı ve aktif ve pasif hale getirilmesi gereken pinler bir excel tablosu haline getirildi. Her switchin aktif olduğu ve bu durumlarda hesaplanan s-parametreleri listesi güzel bir şekilde oluşturuldu. Hepsi ayrı bir durum olarak yazıldı, bu durumları işlemcide çalışacak kodun içine eksiksiz kusurda yazdık. Ayrıca bilgisayar ve işlemci arasında haberleşmeyi yapmak amacıyla UART haberleşmesini kullanmaya karar verdik. Mikroişlemciye gönderilecek olan tek bilgi case numarası adını verdiğimiz 3 basamaklı sadece 3byte'tan oluşan bilgiler oldu. Bu sayede gönderilen sayıya göre işlemci seçimi yaptı ve gerekli pinleri aktif hale getiriyordu. Gerekli kodlar işlemcide tamamlandıktan sonra arayüzü yapmak kalmıştı. Bunun içinde MATLAB'in bir yapısı olan AppDesigner kullanmayı seçtik. Herhangi lisans kullanmaya gerek olmadan yazılan programı bilgisayarımıza yükleyerek bu arayüzü kullanabiliyoruz. Bu şekilde arayüzümüz çeşitli özellikleri ile oluşturuldu. Burada portu seçip ona bağlanma ve gerekli s-parametrelerini hesaplamak için yazılan kodlar bulunuyor. Bununla birlikte bütün kısımlar tamamlandı ve sadece devrenin üretimi kalmış oldu.PCB tasarımı ile hazırlanan dosyalar üreticiye gönderilip devremiz üretildikten sonra, stencil yardımı ile devremiz temizlendikten sonra krem lehim ile lehim sürme işlemi yapıldı. Ardından devrede kullanılacak olan komponentler yerleştirildi ve devremiz bu kullanılan kurşunlu lehimin özelliklerine göre ayarlanmış 183C^o için ayarlanan fırında pişirildi ve devremiz tamamlandı. Ardından gerekli testler VNA yardımı ile yapıldı. In this project, a switching matrix is designed. The purpose of this switch is similar tomultiplexers. The goal is to create a switch, which will have 2 inputs and 16 outputs,where the inputs will be connected to all the outputs by using switch ICs. The reasonto design this circuit is, it is needed in a medical imaging system. This circuit is goingto be used in that imaging system to reduce cost. The system will be made in the future,but it has a working prototype already. For now the system uses a vector networkanalyzer with 24 ports. This kind of VNAs are very expensive, and for such imagingsystems it would increase the cost by a huge amount. This VNA is not irreplaceable,instead it can be replaced by a small 2 port VNA and a switching matrix which willwork as 2x16 switch or with the known abbreviation DP16T switch. It has beendecided that there will be this switching matrix in the foreseen imaging system. Afterthe decision is made, only thing there is left is, to make this circuit.Firstly researches have been made for this kind of switch. There are few DP16T switchproducts that are on sale. But there are many small switches such as DP2T or SP4Ts.By using these small switches, it is possible to create the required switching matrix.The design of this type of circuit is some kind of art. There are many choices to choosefrom. Firstly, possible designs are introduced and explained. After the detailedresearches, most suitable circuit design is chosen. With the design type is being chosen,schematic and PCB designs of the circuit is made using electronic design softwares.Every part of circuit is included in these designs, instead of overall view of design part.Since this circuit is a high frequency circuit which will be using the frequency bandbetween 0.1-6GHz, it is important to make electromagnetic simulations using anelectromagnetic simulation software for PCBs to create s-parameters. A detailedsimulation is made using the software. Every component and every part, which canaffect the behavior of the result has been included in these simulations. Afterconfirming there are no problems, and calculating required widths and thicknesses, thecircuit is ready to produce. Gerber and drill files are produced and they are given tothe manufacturer. PCB is produced, and components are bought. At the last steps,components are placed and soldered to PCB, and the required tests are made andcompared with the simulation results. 91