多協(xié)議微型無(wú)線(xiàn)集成指南

2021-03-01

設計多協(xié)議無(wú)線(xiàn)系統有兩種基本方法：使用RF芯片，無(wú)源元件，濾波器和連接天線(xiàn)從頭開(kāi)始構建系統?；蚴褂脤⑺羞@些元素集成到完整系統中的無(wú)線(xiàn)模塊。

從頭開(kāi)始構建還是使用模塊？

從頭開(kāi)始構建系統的主要優(yōu)點(diǎn)是-從長(cháng)遠來(lái)看，并且具有足夠的體積-單位成本會(huì )更低。但是，要真正在項目的整個(gè)生命周期中節省資金，包括設計成本，測試，處理認證問(wèn)題以及額外的采購和制造復雜性，必須達到極高的產(chǎn)量。

模塊優(yōu)勢

因此，許多設計師轉向無(wú)線(xiàn)解決方案模塊，因為這些模塊提供了預先集成的組件，這些組件通常已通過(guò)主要市場(chǎng)的認證，從而縮短了設計時(shí)間和成本。另外，最先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)模塊將比可能要實(shí)現的分立設計更小。

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)解決方案變得越來(lái)越復雜，多樣化和功能強大，越來(lái)越多的電子解決方案希望將它們集成在一起，并且通常一種無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是不夠的。這代表了另一項技術(shù)挑戰，因為您不僅必須獨自完成每個(gè)工作，而且還必須確保兩者不會(huì )相互干擾。射頻系統可能具有復雜且不明顯的相互作用。

單個(gè)設備中的多個(gè)無(wú)線(xiàn)電

多個(gè)無(wú)線(xiàn)電還增加了認證問(wèn)題，因為如果兩個(gè)認證的模塊化無(wú)線(xiàn)電組合到同一單元中，則需要進(jìn)行額外的測試。

預包裝的多協(xié)議解決方案

為了滿(mǎn)足這種需求，預包裝的多協(xié)議無(wú)線(xiàn)解決方案出現了新的趨勢。組合使用藍牙和Wi-Fi模塊已經(jīng)有一段時(shí)間了，但是由于它們使用相同的2.4 GHz頻率，因此它們可能是組合起來(lái)最簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)電，可以輕松使用同一根天線(xiàn)。

集成不同的收音機–案例研究

在此（作為示例），我們將探討集成兩個(gè)截然不同的無(wú)線(xiàn)電設備（2.4 GHz藍牙（低能耗）設備和千兆赫茲LoRa無(wú)線(xiàn)電設備）所面臨的挑戰。挑戰在于將所有電子設備和兩個(gè)天線(xiàn)都集成到最小的封裝解決方案中。盡管這些特定的收音機有一些特定的方面，但是對于不同的選擇，總體設計方法將是相似的。

第一步–模塊電子

第一步是布置解決方案的電子部分。選擇了系統級封裝技術(shù)以最小化尺寸，允許200μm的間距。如此緊密的間隔會(huì )給RF串擾和干擾帶來(lái)嚴重的風(fēng)險，這意味著(zhù)需要復雜的設計周期。

使用硬性設計規則和最佳實(shí)踐設計經(jīng)驗創(chuàng )建了初始布局。為了避免無(wú)休止的原型制造周期，使用了基于仿真的迭代方法。在Ansys HFSS中模擬了基板（PCB）的3-D布局（CST或ADS FEM是類(lèi)似的工具）。由于通常無(wú)法獲得第三方組件的完整物理模型，因此就可以使用N端口S參數模型（可以獲?。?，該模型可以提供組件的RF性能的足夠接近的近似值。

這樣，可以創(chuàng )建系統射頻部分的完整射頻仿真，因此可以評估關(guān)鍵的性能特征，例如回波損耗，諧波效應等。這樣可以?xún)?yōu)化所需頻帶中的性能，并且還可以通過(guò)分析諧波頻率外的頻帶和發(fā)射并調整系統以遵守法規限制來(lái)避免以后的認證問(wèn)題。

第二步–天線(xiàn)設計

設計任務(wù)的第二個(gè)主要部分是天線(xiàn)子系統的設計。這部分有兩個(gè)主要挑戰

設計一種微型天線(xiàn)，使其能夠在亞千兆赫頻率下工作。

確保兩個(gè)天線(xiàn)功能的共存。

LoRa無(wú)線(xiàn)電工作在868 – 930 MHz范圍內（因國家而異）。這轉化為32厘米波長(cháng)。對于天線(xiàn)，四分之一波長(cháng)代表實(shí)現相干傳輸的關(guān)鍵長(cháng)度。由于在這種情況下的目的是將天線(xiàn)集成到最長(cháng)尺寸不超過(guò)2厘米的模塊化電子組件中，因此這是一個(gè)巨大的挑戰。

2.4 GHz天線(xiàn)在小型化方面所面臨的挑戰較少，但其物理要求與subGiga天線(xiàn)卻大不相同。

分析了兩個(gè)關(guān)鍵選項；同一設備內的兩個(gè)獨立天線(xiàn)，以及帶有雙工器的單個(gè)多模設計，可路由兩個(gè)無(wú)線(xiàn)電。對于這兩種方法，都考慮了不同的物理結構選項–在基板上的簡(jiǎn)單走線(xiàn)，使用通過(guò)SiP包覆成型的垂直過(guò)孔的3-D結構以及包含在SIP包覆成型中的單獨的3-D天線(xiàn)組件。

迭代方法

與電子設備一樣，采用了一種迭代方法，結合了設計經(jīng)驗，使用ANSYS HFSS進(jìn)行的3-D電磁仿真以及在連續的設計周期中進(jìn)行優(yōu)化。在初始階段考慮了幾種替代拓撲，逐漸將不同的選擇縮減為最終設計。

天線(xiàn)設計

對于天線(xiàn)設計，使用3-D仿真至關(guān)重要，因為設計，生成和測試實(shí)際天線(xiàn)樣本的周期會(huì )令人望而卻步，幾乎可以肯定會(huì )導致設計不理想。模擬是一種無(wú)價(jià)的工具，但是當然它只能帶您走遠。一旦在仿真中達到最佳設計，就必須構建一個(gè)真實(shí)世界的原型，并測量性能。然后將實(shí)際測量結果和模擬結果的比較反饋到模型中，以完善模型并優(yōu)化解決方案。通過(guò)這種方法，通常只需要兩個(gè)構建周期即可完成最終設計。

該圖顯示了天線(xiàn)仿真模型和“甜甜圈”輻射方向圖。

射頻設計–黑魔法？

射頻設計通常被稱(chēng)為“黑魔法”。實(shí)際上，這不是什么事情–射頻電子產(chǎn)品與其他任何類(lèi)型的電子產(chǎn)品一樣都遵守物理定律。但是，使其變得更加復雜的關(guān)鍵因素是，與常規的數字設計不同，拓撲連接集（即原理圖）不能簡(jiǎn)單地轉換為任何等效的物理布局，而不會(huì )影響性能。

創(chuàng )建完整的解決方案

該解決方案是經(jīng)驗，最新設計和仿真工具以及優(yōu)化迭代的結合。需要經(jīng)驗，以確保起點(diǎn)可能足夠接近最終需求。仿真工具允許人們以比構建原型快幾個(gè)數量級的速度來(lái)嘗試設計選項。這樣可以進(jìn)行快速多次迭代，以確保首次或第二次設計成功。