Ein Leitfaden zur Miniatur-Wireless-Integration mit mehreren Protokollen

Es gibt zwei grundlegende Ansätze zum Entwerfen eines drahtlosen Multiprotokollsystems – das System von Grund auf mit einem HF-Chip, Passiven, Filtern aufbauen und eine Antenne anschließen; oder verwenden Sie ein Funkmodul, das all diese Elemente in ein komplettes System integriert.

Neu erstellen oder ein Modul verwenden?

Der Hauptvorteil des Neuaufbaus eines Systems besteht darin, dass die Stückkosten langfristig und bei ausreichendem Volumen niedriger sind. Um jedoch über den gesamten Lebenszyklus eines Projekts, einschließlich Konstruktionskosten, Tests, Handhabung von Zertifizierungsproblemen und zusätzlicher Beschaffungs- und Fertigungskomplexität, wirklich Geld zu sparen, müssen extrem hohe Stückzahlen erreicht werden.

Modulvorteile

Aus diesem Grund setzen viele Konstrukteure auf Module für drahtlose Lösungen, da diese vorintegrierte Komponenten bieten, die normalerweise für die wichtigsten Märkte zertifiziert sind, und so Designzeit und -kosten verkürzen. Darüber hinaus sind die fortschrittlichsten drahtlosen Module kleiner, als ein diskretes Design wahrscheinlich erreichen kann.

Da drahtlose Lösungen immer ausgefeilter, vielfältiger und leistungsfähiger werden, versuchen immer mehr elektronische Lösungen, sie zu integrieren, und oft reicht eine Art von Funktechnologie nicht aus. Dies stellt eine zusätzliche technische Herausforderung dar, da Sie nicht nur jedes für sich alleine schaffen müssen, sondern auch darauf achten müssen, dass sich die beiden nicht gegenseitig stören. HF-Systeme können komplexe und nicht offensichtliche Wechselwirkungen aufweisen.

Mehrere Funkgeräte in einem einzigen Gerät

Mehrere Funkgeräte erhöhen auch die Zertifizierungsprobleme, da zwei zertifizierte modulare Funkgeräte zusätzliche Tests benötigen, wenn sie in derselben Einheit kombiniert werden.

Vorgefertigte Multiprotokolllösungen

Um diesen Bedarf zu decken, gibt es einen aufkommenden Trend zu vorgefertigten drahtlosen Multiprotokoll-Lösungen. Kombinierte Bluetooth- und Wi-Fi-Module sind seit einiger Zeit üblich, aber da diese dieselbe 2,4-GHz-Frequenz verwenden, sind dies vielleicht die am einfachsten zu kombinierenden Funkgeräte, die problemlos dieselbe Antenne verwenden können.

Integration verschiedener Funkgeräte – Fallstudie

Hier – als Beispielfall – betrachten wir die Herausforderungen bei der Integration von zwei recht unterschiedlichen Funkgeräten – einem 2,4-GHz-Bluetooth-Gerät (Low Energy) und einem Sub-Gigahertz-LoRa-Funkgerät. Die Herausforderung bestand darin, die gesamte Elektronik und beide Antennen in einer möglichst kleinen Gehäuselösung zu integrieren. Obwohl diese speziellen Funkgeräte einige spezifische Aspekte aufweisen, wäre der Gesamtentwurfsansatz für eine andere Wahl ähnlich.

Erster Schritt – Modulelektronik

Der erste Schritt war das Layout des elektronischen Teils der Lösung. Die System-in-Package-Technologie wurde gewählt, um die Größe zu minimieren und einen Abstand von 200 µm zu ermöglichen. Ein derart enger Abstand birgt ernsthafte Risiken für HF-Übersprechen und Interferenzen, was bedeutet, dass ein komplexer Designzyklus erforderlich ist.

Ein erstes Layout wurde unter Verwendung von harten Designregeln und Best-Practice-Designerfahrung erstellt. Um endlose Prototypenfertigungszyklen zu vermeiden, wurde ein iterativer Ansatz basierend auf Simulation verwendet. Ein 3D-Layout des Substrats (PCB) wird in Ansys HFSS simuliert (CST oder ADS FEM sind ähnliche Werkzeuge). Da in der Regel kein vollständiges physikalisches Modell von Drittanbieterkomponenten verfügbar ist, werden N-Port-S-Parameter-Modelle (die erhältlich sind) verwendet, die eine ausreichende Annäherung an die HF-Leistung von Komponenten bieten.

Auf diese Weise konnte eine vollständige HF-Simulation des HF-Teils des Systems erstellt werden, sodass die wichtigsten Leistungsmerkmale wie Rückflussdämpfung, harmonische Effekte usw. bewertet werden konnten. Dadurch kann die Leistung in den gewünschten Frequenzbändern optimiert und spätere Zertifizierungsprobleme vermieden werden, indem Außerband- und Emissionen bei harmonischen Frequenzen analysiert und das System auf die Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte abgestimmt werden können.

Zweiter Schritt – Antennendesign

Der zweite große Teil der Designaufgabe war das Design des Antennen-Subsystems. In diesem Teil gab es zwei Hauptherausforderungen

• Entwurf einer Miniaturantenne für den Betrieb bei Sub-Gigahertz-Frequenzen.
• Sicherstellen der Koexistenz der beiden Antennenfunktionen.

Das LoRa-Funkgerät arbeitet im Bereich 868 – 930 MHz (je nach Land etwas unterschiedlich). Dies entspricht einer Wellenlänge von 32 cm. Für eine Antenne stellt eine Viertelwellenlänge eine kritische Länge dar, um eine kohärente Übertragung zu erreichen. Da das Ziel in diesem Fall darin bestand, die Antenne in ein modulares elektronisches Bauteil von maximal 2cm in der längsten Dimension zu integrieren, stellt dies eine große Herausforderung dar.

Die 2,4-GHz-Antenne stellt eine geringere Herausforderung für die Miniaturisierung dar, stellt jedoch ganz andere physikalische Anforderungen als die SubGiga-Antenne.

Zwei Schlüsseloptionen wurden analysiert; zwei separate Antennen innerhalb desselben Geräts und ein einziges Multimode-Design mit einem Diplexer zum Weiterleiten der beiden Funkgeräte. Für beide wurden verschiedene physikalische Strukturoptionen in Betracht gezogen – eine einfache Leiterbahn auf dem Substrat, eine 3D-Struktur mit vertikalen Vias durch das Overmold des SiP und eine separate 3D-Antennenkomponente, die innerhalb des SIP-Overmolds enthalten ist.

Ein iterativer Ansatz

Wie bei der Elektronik wurde ein iterativer Ansatz gewählt, der Konstruktionserfahrung, elektromagnetische 3-D-Simulation mit ANSYS HFSS und Optimierung in aufeinander folgenden Konstruktionszyklen kombiniert. In der Anfangsphase wurden mehrere alternative Topologien in Betracht gezogen, wobei die unterschiedlichen Entscheidungen nach und nach auf ein endgültiges Design reduziert wurden.

Antennendesign

Für das Antennendesign ist der Einsatz von 3D-Simulation entscheidend, da der Zyklus zum Entwerfen, Herstellen und Testen echter Antennenmuster unerschwinglich wäre und mit ziemlicher Sicherheit zu einem nicht optimalen Design führen würde. Simulation ist ein unschätzbares Werkzeug, aber es kann Sie natürlich nur bis zu einem gewissen Punkt bringen. Sobald in der Simulation ein optimales Design gefunden wurde, muss ein realer Prototyp gebaut und die Leistung gemessen werden. Vergleiche von realen Messungen und Simulationen werden dann in das Modell zurückgeführt, um es zu verfeinern und die Lösung zu optimieren. Bei dieser Methode sind normalerweise nur zwei Bauzyklen erforderlich, um zu einem fertigen Design zu gelangen.

RF-Design – schwarze Magie?

HF-Design wird oft als „schwarze Magie“ bezeichnet. In Wahrheit ist dies nicht der Fall – die Hochfrequenzelektronik gehorcht den Gesetzen der Physik genauso wie jede andere Art. Der entscheidende Faktor, der es komplexer macht, ist jedoch, dass – anders als bei einem normalen digitalen Design – ein topologischer Satz von Verbindungen (d

Erstellen Sie die vollständige Lösung

Die Lösung ist eine Kombination aus Erfahrung, aktuellen Design- und Simulationstools und Iterationen zur Optimierung. Die Erfahrung ist erforderlich, um sicherzustellen, dass der Ausgangspunkt wahrscheinlich nahe genug an dem liegt, was letztendlich erforderlich ist. Die Simulationstools ermöglichen es, Designoptionen um Größenordnungen schneller auszuprobieren als Prototypen zu bauen. Dies ermöglicht schnelle mehrere Iterationen, um den Designerfolg beim ersten oder zweiten Mal sicherzustellen.

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Nick Wood ist Vertriebs- und Marketingleiter bei Insight SIP, dem Spezialisten für Ultraminiatur-HF-Module. Nick hat eine 30-jährige Erfolgsgeschichte in der Elektronikindustrie. Zuvor hat er am CERN Grundlagenphysik geforscht und am University College London in Teilchenphysik promoviert.

Chris Barratt ist CTO und Gründer von Insight SiP. In den letzten 40 Jahren hatte er verschiedene Positionen in Forschung und Entwicklung bei Unternehmen wie National Semiconductor, Thales, Tekelec, Schlumberger und Thorn EMI inne. Er hat einen MA in Ingenieurwissenschaften und Elektronik von der University of Cambridge und einen MSc in Medizinelektronik von der University of London.

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