Руководство по многопротокольной миниатюрной беспроводной интеграции

Существует два основных подхода к проектированию многопротокольной беспроводной системы:построение системы с нуля с использованием радиочастотного чипа, пассивных элементов, фильтров и подключения антенны; или используйте беспроводной модуль, который объединяет все эти элементы в полную систему.

Создать с нуля или использовать модуль?

Основное преимущество построения системы с нуля состоит в том, что в долгосрочной перспективе и при достаточном объеме стоимость единицы будет ниже. Однако, чтобы действительно сэкономить деньги на протяжении всего жизненного цикла проекта, включая затраты на проектирование, тестирование, решение проблем с сертификацией, а также дополнительную сложность закупок и производства, необходимо достичь чрезвычайно больших объемов.

Преимущества модуля

По этой причине многие разработчики обращаются к модулям для беспроводных решений, поскольку они предлагают предварительно интегрированные компоненты, обычно сертифицированные для основных рынков, и, таким образом, сокращают время разработки и стоимость. Кроме того, самые современные беспроводные модули будут меньше, чем можно было бы достичь с помощью дискретной конструкции.

Поскольку беспроводные решения становятся все более сложными, разнообразными и функциональными, все больше электронных решений стремятся их интегрировать, и зачастую одного типа радиотехнологии недостаточно. Это представляет собой дополнительную техническую задачу, поскольку вы должны не только заставить работать каждый по отдельности, но и следить за тем, чтобы они не мешали друг другу. Радиочастотные системы могут иметь сложные и неочевидные взаимодействия.

Несколько радиомодулей на одном устройстве

Использование нескольких радиостанций также увеличивает проблемы с сертификацией, поскольку два сертифицированных модульных радиостанции требуют дополнительных испытаний, если они объединены в одно устройство.

Готовые многопротокольные решения

Для удовлетворения этой потребности появляется тенденция создания готовых многопротокольных беспроводных решений. Комбинированные модули Bluetooth и Wi-Fi были обычным явлением в течение некоторого времени, но, поскольку они используют одну и ту же частоту 2,4 ГГц, это, пожалуй, самые простые радиомодули для объединения, легко позволяющие использовать одну и ту же антенну.

Интеграция различных радиостанций - пример использования

Здесь - в качестве примера - мы рассмотрим проблемы интеграции двух совершенно разных радиомодулей - устройства Bluetooth 2,4 ГГц (с низким энергопотреблением) и радиомодуля LoRa субгигагерцового диапазона. Задача заключалась в том, чтобы объединить всю электронику и обе антенны в минимально возможное решение. Несмотря на то, что у этих конкретных радиостанций есть некоторые специфические особенности, общий подход к проектированию будет аналогичным для другого выбора.

Шаг первый - модульная электроника

Первым шагом была разводка электронной части решения. Для минимизации размера была выбрана технология «система в корпусе», допускающая расстояние 200 мкм. Такое малое расстояние представляет собой серьезный риск радиочастотных перекрестных помех и помех, а это означает, что требуется сложный цикл проектирования.

Первоначальный макет был создан с использованием как жестких правил проектирования, так и передового опыта проектирования. Чтобы избежать бесконечных циклов изготовления прототипов, был использован итерационный подход, основанный на моделировании. Трехмерный макет подложки (печатной платы) моделируется в ANSYS HFSS (CST или ADS FEM - аналогичные инструменты). Поскольку полная физическая модель сторонних компонентов, как правило, недоступна, используются модели S-параметров с N портами (которые могут быть получены), которые обеспечивают достаточно близкое приближение к характеристикам ВЧ компонентов.

Таким образом, можно создать полное РЧ-моделирование РЧ-части системы, чтобы можно было оценить ключевые характеристики производительности, такие как возвратные потери, гармонические эффекты и т. Д. Это позволяет оптимизировать производительность в желаемых полосах частот, а также позволяет избежать проблем с последующей сертификацией, позволяя анализировать внеполосные излучения и излучения на гармонических частотах, а также настраивать систему в соответствии с нормативными пределами.

Шаг второй - конструкция антенны

Второй важной частью проектной задачи было проектирование антенной подсистемы. В этой части было две основных проблемы

• Разработка миниатюрной антенны для работы на частотах ниже гигагерца.
• Обеспечение сосуществования двух функций антенны.

Радио LoRa работает в диапазоне 868 - 930 МГц (несколько различаются по странам). Это соответствует длине волны 32 см. Для антенны четверть длины волны представляет собой критическую длину для достижения когерентной передачи. Поскольку целью в данном случае было интегрировать антенну в модульный электронный компонент размером не более 2 см в самом длинном измерении, это представляет собой серьезную проблему.

Антенна 2,4 ГГц менее проблематична для миниатюризации, но предъявляет совершенно другие физические требования к антенне субгигага.

Были проанализированы два ключевых варианта; две отдельные антенны в одном устройстве и одна многомодовая конструкция с диплексером для маршрутизации двух радиостанций. Для обоих рассматривались различные варианты физической структуры - простой след на подложке, трехмерная структура с использованием вертикальных переходных отверстий через формовку SiP и отдельный компонент трехмерной антенны, содержащийся в формовке из SIP.

Итерационный подход

Как и в случае с электроникой, был использован итеративный подход, сочетающий опыт проектирования, трехмерное электромагнитное моделирование с использованием ANSYS HFSS и оптимизацию в последовательных циклах проектирования. На начальном этапе было рассмотрено несколько альтернативных топологий, при этом различные варианты постепенно сокращались до окончательного проекта.

Конструкция антенны

Для конструкции антенны критически важно использование трехмерного моделирования, поскольку цикл разработки, производства и тестирования реальных образцов антенны будет непомерно высоким и почти наверняка приведет к неоптимальной конструкции. Симуляция - бесценный инструмент, но, конечно же, далеко не уедешь. После того, как при моделировании достигается оптимальный дизайн, необходимо построить реальный прототип и измерить производительность. Затем сравнения реальных измерений и моделирования возвращаются в модель для ее уточнения и оптимизации решения. При использовании этого метода обычно два цикла сборки - это все, что требуется для получения законченного проекта.

RF-дизайн - черная магия?

Радиочастотный дизайн часто называют «черной магией». По правде говоря, это не так - радиочастотная электроника подчиняется законам физики так же, как и любой другой тип. Однако ключевым фактором, усложняющим его, является то, что - в отличие от обычного цифрового проекта - топологический набор соединений (т.е. схема) не может быть упрощенно преобразован в любой эквивалентный физический макет без ущерба для производительности.

Создайте полное решение

Решение представляет собой сочетание опыта, современных инструментов проектирования и моделирования, а также итераций для оптимизации. Опыт необходим, чтобы гарантировать, что отправная точка, вероятно, будет достаточно близка к тому, что в конечном итоге требуется. Инструменты моделирования позволяют опробовать варианты дизайна на порядки быстрее, чем при создании прототипов. Это позволяет быстро выполнять несколько итераций, чтобы гарантировать успех дизайна в первый или второй раз.

---

Ник Вуд является директором по продажам и маркетингу Insight SIP, специалистом по сверхминиатюрным радиочастотным модулям. У Ника тридцатилетний опыт работы в электронной промышленности. Ранее он изучал фундаментальную физику в ЦЕРНе и получил докторскую степень по физике элементарных частиц в Университетском колледже Лондона.

Крис Барратт технический директор и основатель Insight SiP. За последние 40 лет он занимал различные должности в исследованиях и разработках в таких компаниях, как National Semiconductor, Thales, Tekelec, Schlumberger и Thorn EMI. Он имеет степень магистра инженерии и электроники Кембриджского университета и степень магистра медицинской электроники Лондонского университета.

---

Связанное содержание:

• Снижение сложности беспроводного подключения, сосуществование
• Решение проблем, связанных с проектированием беспроводной сети в автомобиле.
• Sierra Wireless продает автомобильные встраиваемые модули в пользу Fibocom Wireless
• Какая беспроводная технология выиграет битву за легкую WAN?
• Как повысить производительность беспроводной связи для мобильных устройств с небольшими печатными платами

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.