多協議微型無線集成指南

2021-03-01

設計多協議無線系統有兩種基本方法：使用RF芯片，無源元件，濾波器和連接天線從頭開始構建系統?；蚴褂脤⑺羞@些元素集成到完整系統中的無線模塊。

從頭開始構建還是使用模塊？

從頭開始構建系統的主要優點是-從長遠來看，并且具有足夠的體積-單位成本會更低。但是，要真正在項目的整個生命周期中節省資金，包括設計成本，測試，處理認證問題以及額外的采購和制造復雜性，必須達到極高的產量。

模塊優勢

因此，許多設計師轉向無線解決方案模塊，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主要市場的認證，從而縮短了設計時間和成本。另外，最先進的無線模塊將比可能要實現的分立設計更小。

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

單個設備中的多個無線電

多個無線電還增加了認證問題，因為如果兩個認證的模塊化無線電組合到同一單元中，則需要進行額外的測試。

預包裝的多協議解決方案

為了滿足這種需求，預包裝的多協議無線解決方案出現了新的趨勢。組合使用藍牙和Wi-Fi模塊已經有一段時間了，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最簡單的無線電，可以輕松使用同一根天線。

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截然不同的無線電設備（2.4 GHz藍牙（低能耗）設備和千兆赫茲LoRa無線電設備）所面臨的挑戰。挑戰在于將所有電子設備和兩個天線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以最小化尺寸，允許200μm的間距。如此緊密的間隔會給RF串擾和干擾帶來嚴重的風險，這意味著需要復雜的設計周期。

使用硬性設計規則和最佳實踐設計經驗創建了初始布局。為了避免無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是類似的工具）。由于通常無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，可以創建系統射頻部分的完整射頻仿真，因此可以評估關鍵的性能特征，例如回波損耗，諧波效應等。這樣可以優化所需頻帶中的性能，并且還可以通過分析諧波頻率外的頻帶和發射并調整系統以遵守法規限制來避免以后的認證問題。

第二步–天線設計

設計任務的第二個主要部分是天線子系統的設計。這部分有兩個主要挑戰

設計一種微型天線，使其能夠在亞千兆赫頻率下工作。

確保兩個天線功能的共存。

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

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

分析了兩個關鍵選項；同一設備內的兩個獨立天線，以及帶有雙工器的單個多模設計，可路由兩個無線電。對于這兩種方法，都考慮了不同的物理結構選項–在基板上的簡單走線，使用通過SiP包覆成型的垂直過孔的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，結合了設計經驗，使用ANSYS HFSS進行的3-D電磁仿真以及在連續的設計周期中進行優化。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。

天線設計

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

該圖顯示了天線仿真模型和“甜甜圈”輻射方向圖。

射頻設計–黑魔法？

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

創建完整的解決方案

該解決方案是經驗，最新設計和仿真工具以及優化迭代的結合。需要經驗，以確保起點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數量級的速度來嘗試設計選項。這樣可以進行快速多次迭代，以確保首次或第二次設計成功。