Een gids voor multiprotocol miniatuur draadloze integratie

Er zijn twee basisbenaderingen voor het ontwerpen van een draadloos multiprotocol-systeem:bouw het systeem vanaf de grond op met een RF-chip, passives, filters en sluit een antenne aan; of gebruik een draadloze module die al deze elementen integreert in een compleet systeem.

Vanaf het begin bouwen of een module gebruiken?

Het belangrijkste voordeel van het helemaal opnieuw bouwen van een systeem is dat - op de lange termijn en met voldoende volume - de eenheidskosten lager zullen zijn. Om echter echt geld te besparen over de volledige levenscyclus van een project, inclusief ontwerpkosten, testen, afhandeling van certificeringskwesties en extra inkoop- en fabricagecomplexiteit, is het noodzakelijk om extreem hoge volumes te bereiken.

Modulevoordelen

Om deze reden wenden veel ontwerpers zich tot modules voor draadloze oplossingen, omdat deze vooraf geïntegreerde componenten bieden, normaal gecertificeerd voor de belangrijkste markten, en dus de ontwerptijd en -kosten verkorten. Bovendien zullen de meest geavanceerde draadloze modules kleiner zijn dan een discreet ontwerp waarschijnlijk zal kunnen bereiken.

Omdat draadloze oplossingen steeds geavanceerder, diverser en capabeler zijn geworden, proberen meer elektronische oplossingen ze te integreren, en vaak is één type radiotechnologie niet genoeg. Dit vormt een extra technische uitdaging, omdat je niet alleen elk afzonderlijk moet laten werken, maar er ook voor moet zorgen dat de twee elkaar niet hinderen. RF-systemen kunnen complexe en niet voor de hand liggende interacties hebben.

Meerdere radio's in één apparaat

Meerdere radio's verhogen ook de certificeringsproblemen, aangezien twee gecertificeerde modulaire radio's extra moeten worden getest als ze in dezelfde eenheid worden gecombineerd.

Voorverpakte multiprotocol-oplossingen

Om aan deze behoefte te voldoen, is er een opkomende trend van voorverpakte draadloze multiprotocol-oplossingen. Gecombineerde Bluetooth- en Wi-Fi-modules zijn al een tijdje gebruikelijk, maar omdat deze dezelfde 2,4 GHz-frequentie gebruiken, zijn dit misschien de eenvoudigste radio's om te combineren, die gemakkelijk dezelfde antenne kunnen gebruiken.

Verschillende radio's integreren – casestudy

Hier - als voorbeeldgeval - zullen we kijken naar de uitdagingen bij het integreren van twee heel verschillende radio's - een 2,4 GHz Bluetooth-apparaat (Low Energy) en een sub-gigahertz LoRa-radio. De uitdaging was om alle elektronica en beide antennes te integreren in de kleinst mogelijke pakketoplossing. Hoewel er enkele specifieke aspecten zijn aan deze specifieke radio's, zou de algehele ontwerpbenadering vergelijkbaar zijn voor een andere keuze.

Eerste stap – module-elektronica

De eerste stap was het inrichten van het elektronicagedeelte van de oplossing. Er is gekozen voor System-in-package-technologie om de grootte te minimaliseren, waardoor een tussenruimte van 200 µm mogelijk is. Dergelijke kleine afstanden vormen ernstige risico's voor RF-overspraak en interferentie, wat betekent dat een complexe ontwerpcyclus vereist is.

Een eerste lay-out is gemaakt met behulp van zowel harde ontwerpregels als de beste ontwerpervaring. Om eindeloze productiecycli van prototypes te vermijden, werd een iteratieve benadering op basis van simulatie gebruikt. Een 3D-layout van het substraat (PCB) wordt gesimuleerd in Ansys HFSS (CST of ADS FEM zijn vergelijkbare tools). Aangezien een volledig fysiek model van componenten van derden doorgaans niet beschikbaar is, worden N-poort S-parametermodellen (die kunnen worden verkregen) gebruikt, die een voldoende nauwkeurige benadering geven van de RF-prestaties van componenten.

Op deze manier kon een volledige RF-simulatie van het RF-gedeelte van het systeem worden gecreëerd, zodat de belangrijkste prestatiekenmerken, zoals retourverlies, harmonische effecten, enzovoort, konden worden beoordeeld. Hierdoor kunnen de prestaties in de gewenste frequentiebanden worden geoptimaliseerd en worden latere certificeringsproblemen vermeden doordat out-of-band en emissies op harmonische frequenties kunnen worden geanalyseerd en het systeem kan worden afgestemd om de wettelijke limieten te respecteren.

Tweede stap – antenne-ontwerp

Het tweede grote onderdeel van de ontwerptaak ​​was het ontwerp van het antennesubsysteem. Er waren twee belangrijke uitdagingen voor dit deel

• Een miniatuurantenne ontwerpen die werkt op sub-Gigahertz-frequenties.
• Zorgen voor het naast elkaar bestaan ​​van de twee antennefuncties.

De LoRa-radio werkt in het bereik van 868 – 930 MHz (dit verschilt enigszins per land). Dit vertaalt zich naar een golflengte van 32 cm. Voor een antenne vertegenwoordigt een kwart golflengte een kritische lengte om coherente transmissie te bereiken. Aangezien het doel in dit geval was om de antenne te integreren in een modulaire elektronische component van niet meer dan 2 cm in de langste afmeting, vormt dit een grote uitdaging.

De 2,4 GHz-antenne vormt minder uitdaging voor miniaturisatie, maar heeft heel andere fysieke vereisten dan de subGiga-antenne.

Twee belangrijke opties werden geanalyseerd; twee afzonderlijke antennes binnen hetzelfde apparaat en een enkel multimode-ontwerp met een diplexer om de twee radio's te routeren. Voor beide werden verschillende fysieke structuuropties overwogen:een eenvoudig spoor op het substraat, een 3D-structuur met behulp van verticale via's door de overmold van de SiP en een afzonderlijke 3D-antennecomponent in de SIP-overmold.

Een iteratieve aanpak

Net als bij de elektronica is gekozen voor een iteratieve aanpak, waarbij ontwerpervaring, 3D-elektromagnetische simulatie met ANSYS HFSS en optimalisatie in opeenvolgende ontwerpcycli worden gecombineerd. In de beginfase werden verschillende alternatieve topologieën overwogen, waarbij de verschillende keuzes geleidelijk werden teruggebracht tot een definitief ontwerp.

Antenne-ontwerp

Voor het antenneontwerp is het gebruik van 3D-simulatie van cruciaal belang, aangezien de cyclus voor het ontwerpen, produceren en testen van echte antennemonsters onbetaalbaar zou zijn en vrijwel zeker zou leiden tot een niet-optimaal ontwerp. Simulatie is een hulpmiddel van onschatbare waarde, maar je kunt er natuurlijk maar zo ver mee komen. Zodra een optimaal ontwerp in simulatie is bereikt, moet een real-world prototype worden gebouwd en de prestaties worden gemeten. Vergelijkingen van real-world metingen en simulatie worden vervolgens teruggevoerd naar het model om het te verfijnen en de oplossing te optimaliseren. Bij deze methode zijn normaal gesproken twee bouwcycli voldoende om tot een voltooid ontwerp te komen.

RF-ontwerp – zwarte magie?

RF-ontwerp wordt vaak "zwarte magie" genoemd. In werkelijkheid is het niet zoiets - radiofrequentie-elektronica gehoorzaamt net zoveel als elk ander type aan de wetten van de fysica. De belangrijkste factor die het echter complexer maakt, is dat – in tegenstelling tot een normaal digitaal ontwerp – een topologische reeks verbindingen (d.w.z. een schema) niet simplistisch kan worden vertaald in een gelijkwaardige fysieke lay-out zonder gevolgen voor de prestaties.

Maak de volledige oplossing

De oplossing is een combinatie van ervaring, up-to-date ontwerp- en simulatietools en iteraties om te optimaliseren. De ervaring is nodig om ervoor te zorgen dat het startpunt waarschijnlijk dicht genoeg ligt bij wat uiteindelijk nodig is. Met de simulatietools kan men ontwerpopties uitproberen met een snelheid die orden van grootte sneller is dan het bouwen van prototypes. Dit maakt snelle meerdere iteraties mogelijk om een ​​eerste of tweede ontwerpsucces te garanderen.

Nick Wood is verkoop- en marketingdirecteur bij Insight SIP, de specialist in ultraminiatuur RF-modules. Nick heeft een trackrecord van dertig jaar in de elektronica-industrie. Eerder deed hij onderzoek naar fundamentele fysica bij CERN en behaalde hij een doctoraat in deeltjesfysica aan University College London.

Chris Barratt is CTO en oprichter van Insight SiP. De afgelopen 40 jaar heeft hij verschillende rollen vervuld in onderzoek en ontwikkeling bij bedrijven als National Semiconductor, Thales, Tekelec, Schlumberger en Thorn EMI. Hij heeft een MA in engineering en elektronica van de Universiteit van Cambridge en een MSc in medische elektronica van de Universiteit van Londen.

Verwante inhoud:

• De complexiteit van draadloze connectiviteit, co-existentie verminderen
• Uitdagingen voor draadloos stroomontwerp in voertuigen oplossen
• Sierra Wireless verkoopt automotive embedded modules aan Fibocom Wireless
• Welke draadloze technologie zal de lichtgewicht WAN-strijd winnen?
• Hoe krijg ik betere draadloze prestaties voor mobiele apparaten met kleine PCB's