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行業(yè)資訊
多協(xié)議微型無線集成指南
設(shè)計多協(xié)議無線系統(tǒng)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(gòu)建系統(tǒng)。或使用將所有這些元素集成到完整系統(tǒng)中的無線模塊。
從頭開始構(gòu)建還是使用模塊？
從頭開始構(gòu)建系統(tǒng)的主要優(yōu)點是-從長遠(yuǎn)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(jié)省資金，包括設(shè)計成本，測試，處理認(rèn)證問題以及額外的采購和制造復(fù)雜性，必須達(dá)到極高的產(chǎn)量。
模塊優(yōu)勢
因此，許多設(shè)計師轉(zhuǎn)向無線解決方案模塊，因為這些模塊提供了預(yù)先集成的組件，這些組件通常已通過主要市場的認(rèn)證，從而縮短了設(shè)計時間和成本。另外，最先進(jìn)的無線模塊將比可能要實現(xiàn)的分立設(shè)計更小。
隨著無線解決方案變得越來越復(fù)雜，多樣化和功能強(qiáng)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(shù)是不夠的。這代表了另一項技術(shù)挑戰(zhàn)，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(tǒng)可能具有復(fù)雜且不明顯的相互作用。
單個設(shè)備中的多個無線電
多個無線電還增加了認(rèn)證問題，因為如果兩個認(rèn)證的模塊化無線電組合到同一單元中，則需要進(jìn)行額外的測試。
預(yù)包裝的多協(xié)議解決方案
為了滿足這種需求，預(yù)包裝的多協(xié)議無線解決方案出現(xiàn)了新的趨勢。組合使用藍(lán)牙和Wi-Fi模塊已經(jīng)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(jī)–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(shè)備（2.4 GHz藍(lán)牙（低能耗）設(shè)備和千兆赫茲LoRa無線電設(shè)備）所面臨的挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)在于將所有電子設(shè)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(jī)有一些特定的方面，但是對于不同的選擇，總體設(shè)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(tǒng)級封裝技術(shù)以最小化尺寸，允許200μm的間距。如此緊密的間隔會給RF串?dāng)_和干擾帶來嚴(yán)重的風(fēng)險，這意味著需要復(fù)雜的設(shè)計周期。
使用硬性設(shè)計規(guī)則和最佳實踐設(shè)計經(jīng)驗創(chuàng)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(shù)模型（可以獲取），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(chuàng)建系統(tǒng)射頻部分的完整射頻仿真，因此可以評估關(guān)鍵的性能特征，例如回波損耗，諧波效應(yīng)等。這樣可以優(yōu)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(fā)射并調(diào)整系統(tǒng)以遵守法規(guī)限制來避免以后的認(rèn)證問題。
第二步–天線設(shè)計
設(shè)計任務(wù)的第二個主要部分是天線子系統(tǒng)的設(shè)計。這部分有兩個主要挑戰(zhàn)
設(shè)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(nèi)（因國家而異）。這轉(zhuǎn)化為32厘米波長。對于天線，四分之一波長代表實現(xiàn)相干傳輸?shù)年P(guān)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(zhàn)。
2.4 GHz天線在小型化方面所面臨的挑戰(zhàn)較少，但其物理要求與subGiga天線卻大不相同。
分析了兩個關(guān)鍵選項；同一設(shè)備內(nèi)的兩個獨立天線，以及帶有雙工器的單個多模設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)備一樣，采用了一種迭代方法，結(jié)合了設(shè)計經(jīng)驗，使用ANSYS HFSS進(jìn)行的3-D電磁仿真以及在連續(xù)的設(shè)計周期中進(jìn)行優(yōu)化。在初始階段考慮了幾種替代拓?fù)洌饾u將不同的選擇縮減為最終設(shè)計。
對于天線設(shè)計，使用3-D仿真至關(guān)重要，因為設(shè)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(dǎo)致設(shè)計不理想。模擬是一種無價的工具，但是當(dāng)然它只能帶您走遠(yuǎn)。一旦在仿真中達(dá)到最佳設(shè)計，就必須構(gòu)建一個真實世界的原型，并測量性能。然后將實際測量結(jié)果和模擬結(jié)果的比較反饋到模型中，以完善模型并優(yōu)化解決方案。通過這種方法，通常只需要兩個構(gòu)建周期即可完成最終設(shè)計。
該圖顯示了天線仿真模型和“甜甜圈”輻射方向圖。
射頻設(shè)計–黑魔法？
射頻設(shè)計通常被稱為“黑魔法”。實際上，這不是什么事情–射頻電子產(chǎn)品與其他任何類型的電子產(chǎn)品一樣都遵守物理定律。但是，使其變得更加復(fù)雜的關(guān)鍵因素是，與常規(guī)的數(shù)字設(shè)計不同，拓?fù)溥B接集（即原理圖）不能簡單地轉(zhuǎn)換為任何等效的物理布局，而不會影響性能。
創(chuàng)建完整的解決方案
該解決方案是經(jīng)驗，最新設(shè)計和仿真工具以及優(yōu)化迭代的結(jié)合。需要經(jīng)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(gòu)建原型快幾個數(shù)量級的速度來嘗試設(shè)計選項。這樣可以進(jìn)行快速多次迭代，以確保首次或第二次設(shè)計成功。