设计多协议无线系统有两种基本方法:使用RF芯片,无源元件,滤波器和连接天线从头开始构建系统。或使用将所有这些元素集成到完整系统中的无线模块。

从头开始构建还是使用模块?

从头开始构建系统的主要优点是-从长远来看,并且具有足够的体积-单位成本会更低。但是,要真正在项目的整个生命周期中节省资金,包括设计成本,测试,处理认证问题以及额外的采购和制造复杂性,必须达到极高的产量。

模块优势

因此,许多设计师转向无线解决方案模块,因为这些模块提供了预先集成的组件,这些组件通常已通过主要市场的认证,从而缩短了设计时间和成本。另外,最先进的无线模块将比可能要实现的分立设计更小。

随着无线解决方案变得越来越复杂,多样化和功能强大,越来越多的电子解决方案希望将它们集成在一起,并且通常一种无线电技术是不够的。这代表着另一项技术挑战,因为您不仅必须独自完成每个工作,而且还必须确保两者不相互干扰。射频系统可能具有复杂且不明显的相互作用。

单个设备中的多个无线电

多个无线电还会增加认证问题,因为如果将两个通过认证的模块化无线电组合到同一单元中,则需要进行额外的测试。

预包装的多协议解决方案

为了满足这种需求,预包装的多协议无线解决方案出现了新的趋势。组合使用蓝牙和Wi-Fi模块已经有一段时间了,但是由于它们使用相同的2.4 GHz频率,因此它们可能是组合起来最简单的无线电,可以轻松使用同一根天线。

集成不同的收音机–案例研究

这里– as an example case –我们将着眼于集成两个截然不同的无线电– 2.4 GHz蓝牙(低能耗)设备和亚千兆赫兹LoRa无线电的挑战。挑战在于将所有电子设备和两个天线都集成到最小的封装解决方案中。尽管这些特定的收音机有一些特定的方面,但是对于不同的选择,总体设计方法将是相似的。

第一步–模块电子

第一步是布置解决方案的电子部分。选择了系统级封装技术以最小化尺寸,允许200μm的间距。如此紧密的间隔会给RF串扰和干扰带来严重的风险,这意味着需要复杂的设计周期。

使用硬性设计规则和最佳实践设计经验创建了初始布局。为了避免无休止的原型制造周期,使用了基于仿真的迭代方法。在Ansys HFSS中模拟了基板(PCB)的3-D布局(CST或ADS FEM是类似的工具)。由于通常无法获得第三方组件的完整物理模型,因此就可以使用N端口S参数模型(可以获取),该模型可以提供组件的RF性能的足够接近的近似值。

这样,可以创建系统射频部分的完整射频仿真,因此可以评估关键的性能特征,例如回波损耗,谐波效应等。这样可以优化所需频带中的性能,并且还可以通过分析谐波频率下的带外和发射以及调整系统以符合法规限制来避免以后的认证问题。

第二步–天线设计

设计任务的第二个主要部分是天线子系统的设计。这部分有两个主要挑战

  • 设计一种微型天线,使其能够在亚千兆赫频率下工作。
  • 确保两个天线功能的共存。

LoRa无线电工作在868 – 930 MHz范围内(因国家而异)。这转化为32厘米波长。对于天线,四分之一波长代表实现相干传输的关键长度。由于在这种情况下的目的是将天线集成到最长尺寸不超过2厘米的模块化电子组件中,因此这是一个巨大的挑战。

2.4 GHz天线在小型化方面所面临的挑战较少,但其物理要求与subGiga天线却大不相同。

分析了两个关键选项;同一设备内的两个独立天线,以及带有双工器的单个多模设计,可路由两个无线电。对于这两种方法,都考虑了不同的物理结构选项–在基板上的简单走线,使用通过SiP包覆成型的垂直过孔的3-D结构以及包含在SIP包覆成型中的单独的3-D天线组件。

迭代方法

与电子设备一样,采用了一种迭代方法,结合了设计经验,使用ANSYS HFSS进行的3-D电磁仿真以及在连续的设计周期中进行优化。在初始阶段考虑了几种替代拓扑,逐渐将不同的选择缩减为最终设计。

天线设计的流程

天线设计

对于天线设计,使用3-D仿真至关重要,因为设计,生成和测试实际天线样本的周期将是禁止的,几乎可以肯定会导致设计不理想。模拟是一种无价的工具,但是当然它只能带您走远。一旦在仿真中达到最佳设计,就必须构建一个真实世界的原型,并测量性能。然后将实际测量结果和模拟结果的比较反馈到模型中,以完善模型并优化解决方案。通过这种方法,通常只需要两个构建周期即可完成最终设计。

该图显示了天线仿真模型和“甜甜圈”辐射方向图。

射频设计–黑魔法?

射频设计通常被称为“黑魔法”。实际上,这不是什么事情–射频电子产品与其他任何类型的电子产品一样,都遵守物理定律。但是,使其变得更复杂的关键因素是,与正常的数字设计不同,拓扑连接集(即原理图)不能简单地转换为任何等效的物理布局,而不会影响性能。

创建完整的解决方案

该解决方案是经验,最新设计和仿真工具以及优化迭代的结合。需要经验,以确保起点可能足够接近最终需求。仿真工具允许人们以比构建原型快几个数量级的速度来尝试设计选项。这样可以进行快速多次迭代,以确保首次或第二次设计成功。


尼克伍德洞察SiP

尼克·伍德 是以下公司的销售和市场总监 Insight SIP,超小型RF模块专家。尼克在电子行业拥有30年的往绩。此前,他在欧洲核子研究中心(CERN)研究了基础物理学,并从伦敦大学学院获得了粒子物理学博士学位。



克里斯·巴拉特(Chris Barratt)Insight SiP

克里斯·巴拉特(Chris Barratt) 是CTO,Insight SiP的创始人。在过去的40年左右的时间里,他曾在包括National Semiconductor,Thales,Tekelec,Schlumberger和Thorn EMI在内的公司从事研发工作。他拥有剑桥大学的工程和电子硕士学位,以及伦敦大学的医疗电子硕士学位。


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