多(duō)协议微型无線(xiàn)集成指南

2021-03-01

设计多(duō)协议无線(xiàn)系统有(yǒu)两种基本方法：使用(yòng)RF芯片，无源元件，滤波器和连接天線(xiàn)从头开始构建系统。或使用(yòng)将所有(yǒu)这些元素集成到完整系统中的无線(xiàn)模块。

从头开始构建还是使用(yòng)模块？

从头开始构建系统的主要优点是-从長(cháng)遠(yuǎn)来看，并且具有(yǒu)足够的體(tǐ)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(lǐ)认证问题以及额外的采購(gòu)和制造复杂性，必须达到极高的产量。

模块优势

因此，许多(duō)设计师转向无線(xiàn)解决方案模块，因為(wèi)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，最先进的无線(xiàn)模块将比可(kě)能(néng)要实现的分(fēn)立设计更小(xiǎo)。

随着无線(xiàn)解决方案变得越来越复杂，多(duō)样化和功能(néng)强大，越来越多(duō)的電(diàn)子解决方案希望将它们集成在一起，并且通常一种无線(xiàn)電(diàn)技术是不够的。这代表了另一项技术挑战，因為(wèi)您不仅必须独自完成每个工作，而且还必须确保两者不会相互干扰。射频系统可(kě)能(néng)具有(yǒu)复杂且不明显的相互作用(yòng)。

单个设备中的多(duō)个无線(xiàn)電(diàn)

多(duō)个无線(xiàn)電(diàn)还增加了认证问题，因為(wèi)如果两个认证的模块化无線(xiàn)電(diàn)组合到同一单元中，则需要进行额外的测试。

预包装的多(duō)协议解决方案

為(wèi)了满足这种需求，预包装的多(duō)协议无線(xiàn)解决方案出现了新(xīn)的趋势。组合使用(yòng)蓝牙和Wi-Fi模块已经有(yǒu)一段时间了，但是由于它们使用(yòng)相同的2.4 GHz频率，因此它们可(kě)能(néng)是组合起来最简单的无線(xiàn)電(diàn)，可(kě)以轻松使用(yòng)同一根天線(xiàn)。

集成不同的收音机–案例研究

在此（作為(wèi)示例），我们将探讨集成两个截然不同的无線(xiàn)電(diàn)设备（2.4 GHz蓝牙（低能(néng)耗）设备和千兆赫兹LoRa无線(xiàn)電(diàn)设备）所面临的挑战。挑战在于将所有(yǒu)電(diàn)子设备和两个天線(xiàn)都集成到最小(xiǎo)的封装解决方案中。尽管这些特定的收音机有(yǒu)一些特定的方面，但是对于不同的选择，总體(tǐ)设计方法将是相似的。

第一步–模块電(diàn)子

第一步是布置解决方案的電(diàn)子部分(fēn)。选择了系统级封装技术以最小(xiǎo)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(yòng)硬性设计规则和最佳实践设计经验创建了初始布局。為(wèi)了避免无休止的原型制造周期，使用(yòng)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(wù)理(lǐ)模型，因此就可(kě)以使用(yòng)N端口S参数模型（可(kě)以获取），该模型可(kě)以提供组件的RF性能(néng)的足够接近的近似值。

这样，可(kě)以创建系统射频部分(fēn)的完整射频仿真，因此可(kě)以评估关键的性能(néng)特征，例如回波损耗，谐波效应等。这样可(kě)以优化所需频带中的性能(néng)，并且还可(kě)以通过分(fēn)析谐波频率外的频带和发射并调整系统以遵守法规限制来避免以后的认证问题。

第二步–天線(xiàn)设计

设计任務(wù)的第二个主要部分(fēn)是天線(xiàn)子系统的设计。这部分(fēn)有(yǒu)两个主要挑战

设计一种微型天線(xiàn)，使其能(néng)够在亚千兆赫频率下工作。

确保两个天線(xiàn)功能(néng)的共存。

LoRa无線(xiàn)電(diàn)工作在868 – 930 MHz范围内（因國(guó)家而异）。这转化為(wèi)32厘米波長(cháng)。对于天線(xiàn)，四分(fēn)之一波長(cháng)代表实现相干传输的关键長(cháng)度。由于在这种情况下的目的是将天線(xiàn)集成到最長(cháng)尺寸不超过2厘米的模块化電(diàn)子组件中，因此这是一个巨大的挑战。

2.4 GHz天線(xiàn)在小(xiǎo)型化方面所面临的挑战较少，但其物(wù)理(lǐ)要求与subGiga天線(xiàn)却大不相同。

分(fēn)析了两个关键选项；同一设备内的两个独立天線(xiàn)，以及带有(yǒu)双工器的单个多(duō)模设计，可(kě)路由两个无線(xiàn)電(diàn)。对于这两种方法，都考虑了不同的物(wù)理(lǐ)结构选项–在基板上的简单走線(xiàn)，使用(yòng)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天線(xiàn)组件。

迭代方法

与電(diàn)子设备一样，采用(yòng)了一种迭代方法，结合了设计经验，使用(yòng)ANSYS HFSS进行的3-D電(diàn)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為(wèi)最终设计。

天線(xiàn)设计

对于天線(xiàn)设计，使用(yòng)3-D仿真至关重要，因為(wèi)设计，生成和测试实际天線(xiàn)样本的周期会令人望而却步，几乎可(kě)以肯定会导致设计不理(lǐ)想。模拟是一种无价的工具，但是当然它只能(néng)带您走遠(yuǎn)。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(néng)。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(kě)完成最终设计。

该图显示了天線(xiàn)仿真模型和“甜甜圈”辐射方向图。

射频设计–黑魔法？

射频设计通常被称為(wèi)“黑魔法”。实际上，这不是什么事情–射频電(diàn)子产品与其他(tā)任何类型的電(diàn)子产品一样都遵守物(wù)理(lǐ)定律。但是，使其变得更加复杂的关键因素是，与常规的数字设计不同，拓扑连接集（即原理(lǐ)图）不能(néng)简单地转换為(wèi)任何等效的物(wù)理(lǐ)布局，而不会影响性能(néng)。

创建完整的解决方案

该解决方案是经验，最新(xīn)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(kě)能(néng)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(kě)以进行快速多(duō)次迭代，以确保首次或第二次设计成功。