Multiprotocol miniatuur draadloze integratie meesteren: ontwerp & implementatiegids

Het ontwerpen van een multiprotocol draadloos systeem volgt doorgaans een van twee paden: vanaf nul bouwen met een dedicate RF-chip, passieve componenten, filters en een antenne; of een off-the-shelf draadloze module selecteren die deze elementen al integreert.

Vanaf nul bouwen of een module gebruiken?

Het primaire voordeel van een custom build is een lagere unit-kostprijs bij zeer hoge volumes. Echter, om een kostenvorteil over de gehele projectlevenscyclus – ontwerp, testen, certificering, inkoop en productiecomplexiteit – te bereiken, is meestal massive volumeproductie vereist.

Module-voordelen

Omdat modules voorgeïntegreerde componenten bundelen die doorgaans gecertificeerd zijn voor de grote markten, kiezen veel ontwerpers ervoor. Modules verkorten ontwerptijd, verlagen kosten en bieden vaak een kleinere voetafdruk dan een vergelijkbare discrete implementatie.

Draadloze oplossingen worden steeds sophistieker, diverser en capabeler. In veel toepassingen is een enkele radiotechnologie onvoldoende, wat de noodzaak creëert om meerdere radio’s te integreren terwijl ze niet interfereren. RF-systemen kunnen complexe, niet-voor-de-hand-liggende interacties vertonen.

Meerdere radio’s in een enkel apparaat

Het toevoegen van meer dan één gecertificeerde radio verhoogt ook de certificeringscomplexiteit: elke modulaire radio kan extra testen vereisen wanneer gecombineerd in een enkele eenheid.

Pre-packaged multiprotocol-oplossingen

Om dit aan te pakken, is een groeiende trend de beschikbaarheid van pre-packaged multiprotocol draadloze modules. Gecombineerde Bluetooth- en Wi‑Fi-modules zijn al enige tijd gebruikelijk; omdat ze het 2,4 GHz-band delen, kunnen ze vaak een enkele antenne delen.

Verschillende radio’s integreren – case study

Als voorbeeld onderzochten we de integratie van een 2,4 GHz Bluetooth Low Energy-apparaat met een sub-gigahertz LoRa-radio. De uitdaging was om de elektronica en beide antennes in het kleinst mogelijke pakket te passen.

Eerste stap – module-elektronica

Het ontwerp begon met een system-in-package (SiP) architectuur, gericht op 200 µm inter-laag-afstand. Zulke strakke spacing verhoogt het risico op RF-crosstalk en interferentie, dus een rigoureuze ontwerpcyclus was essentieel.

Een initiële layout werd gegenereerd met harde ontwerp-regels en industry best practices. Om oneindige prototype-productie te vermijden, werd een iteratieve simulatie-gedreven benadering gehanteerd. Een 3D PCB-model werd gesimuleerd in Ansys HFSS (equivalent CST of ADS FEM). Omdat derde-partij-componenten zelden volledige fysieke modellen leveren, werden N-port S-parameter-modellen gebruikt, wat een nauwkeurige benadering van RF-prestaties bood.

Met een complete RF-simulatie konden kernprestatiemetriche – return loss, harmonische inhoud en out-of-band emissies – geëvalueerd worden. Dit stelde optimalisatie voor de doel-frequentiebanden en naleving van regelgevende limieten voor elke fysieke prototype bouw in.

Tweede stap – antenne-ontwerp

Het antenne-subsysteem presenteerde twee hoofduitdagingen:

• Een miniatuur antenne creëren voor sub-gigahertz operatie.
• Co-existentie van de twee antenne-functies waarborgen.

De LoRa-radio werkt tussen 868 MHz en 930 MHz, afhankelijk van het land, wat overeenkomt met een 32 cm golflengte. Een kwart-golflengte bereiken in een apparaat beperkt tot 2 cm is dus een significante engineering-hurdle.

De 2,4 GHz-antenne, hoewel eenvoudiger te miniaturiseren, heeft afwijkende fysieke eisen ten opzichte van de sub-gig-antenne.

Twee ontwerpstrategieën werden geëvalueerd: (1) afzonderlijke antennes binnen hetzelfde apparaat, en (2) een enkele multimode-antenne met een diplexer om de twee radio’s te routeren. Elke optie werd verkend in drie fysieke configuraties – simpele trace op het substraat, een 3D-structuur met verticale via’s door de SiP-overmold, en een dedicate 3D-antenne-component in de overmold ingesloten.

Een iteratieve benadering

Net als de elektronica, volgde het antenne-ontwerp een iteratief proces dat ontwerpexpertise, 3D-electromagnetische simulatie en opeenvolgende optimalisatiecycli combineerde. Verschillende topologieën werden initieel overwogen en vervolgens verfijnd tot een finale oplossing.

Antenna-ontwerp

Driedimensionale simulatie is onmisbaar; de kosten van ontwerpen, fabriceren en testen van fysieke antennes zouden verbodzaam zijn en waarschijnlijk sub-optimale resultaten opleveren. Een keer een simulatie-geoptimaliseerd ontwerp geproduceerd, wordt een prototype gefabriceerd en gemeten. De gemeten data wordt teruggevoerd in het model, wat de simulatie verfijnt en convergentie versnelt. In de praktijk zijn meestal slechts twee build-test-cycli nodig om een definitief ontwerp te bereiken.

RF-ontwerp – zwarte magie?

RF-engineering wordt vaak “zwarte magie” genoemd, maar het volgt gewoon dezelfde fysieke wetten die alle elektronica regeren. De complexiteit ligt in het vertalen van een schema naar een fysieke layout zonder prestaties in te boeten; in tegenstelling tot digitale logica, zijn RF-topologieën zeer gevoelig voor spoor-geometrie en parasitaire effecten.

De volledige oplossing creëren

De finale oplossing is het resultaat van diepgaande expertise, up-to-date simulatietools en iteratieve optimalisatie. Een sterk startpunt, geïnformeerd door industrie-ervaring, gecombineerd met snelle simulatiecycli, stelt ontwerpers in staat om first-time success te behalen of, op het ergste, een second-time redesign.

---

Nick Wood is Sales and Marketing Director bij Insight SiP, de ultra-miniature RF-module specialist. Met een dertigjarige track record in de elektronica-industrie, voerde Nick eerder fundamenteel fysica-onderzoek uit bij CERN en behaalde een PhD in deeltjesfysica aan University College London.

Chris Barratt is CTO en medeoprichter van Insight SiP. Over de afgelopen vier decennia heeft hij R&D-rollen vervuld bij National Semiconductor, Thales, Tekelec, Schlumberger en Thorn EMI. Hij heeft een MA in engineering en elektronica van de University of Cambridge en een MSc in medische elektronica van de University of London.

---

Gerelateerde inhoud:

• Complexiteit van draadloze connectiviteit, co-existentie reduceren
• In-vehicle draadloze power-ontwerpuitdagingen ontwarren
• Sierra Wireless verkoopt automotive embedded modules aan Fibocom Wireless
• Welke draadloze technologie wint de lightweight WAN-strijd?
• Hoe betere draadloze prestaties voor mobiele apparaten met kleine PCB’s te krijgen

Voor meer Embedded, abonneer u op Embedded’s wekelijkse e-mailnieuwsbrief.