Multiprotokoll Miniature Wireless Integration meistern: Design & Implementation Guide

Designing a Multiprotokoll Wireless System folgt typischerweise einem von zwei Pfaden: Building from Scratch mit einem dedizierten RF Chip, Passive Components, Filtern und einer Antenne; oder Selektieren eines Off-the-Shelf Wireless Modules, das diese Elemente bereits integriert.

Build from Scratch oder Module nutzen?

Der primäre Benefit eines Custom Builds ist niedrigerer Unit Cost bei sehr hohen Volumen. Jedoch, um einen Cost Advantage über den gesamten Project Lifecycle zu erreichen – Design, Testing, Zertifizierung, Procurement und Manufacturing Complexity – ist meist massive Volume Production required.

Module Vorteile

Weil Modules pre-integrierte Komponenten zusammenbringen, die typischerweise für Major Markets zertifiziert sind, optieren viele Designer für sie. Modules verkürzen Design Time, reduzieren Cost und bieten oft kleineren Footprint als vergleichbare Discrete Implementation.

Wireless Solutions werden zunehmend sophistizierter, diverser und fähiger. In vielen Applikationen ist eine Single Radio Technology insufficient, creating den Need, multiple Radios zu integrieren, während sichergestellt wird, dass sie nicht interferieren. RF Systems können komplexe, non-obvious Interaktionen exhibitieren.

Multiple Radios in einem einzelnen Device

Hinzufügen von mehr als einem zertifizierten Radio eskaliert auch Zertifizierungs-Komplexität: Jedes modulare Radio kann Additional Testing erfordern, wenn es in eine einzelne Unit kombiniert wird.

Pre-packaged Multiprotokoll Solutions

Um dies zu adressieren, ist ein wachsender Trend die Verfügbarkeit von Pre-packaged Multiprotokoll Wireless Modules. Kombinierte Bluetooth und Wi-Fi Modules waren für einige Zeit Common; weil sie das 2.4 GHz Band teilen, können sie oft eine Single Antenne teilen.

Integrating Different Radios – Case Study

Als Beispiel untersuchten wir die Integration eines 2.4 GHz Bluetooth Low Energy Devices mit einem Sub-Gigahertz LoRa Radio. Die Challenge war, die Electronics und beide Antennen in das kleinste mögliche Package zu fitten.

Erster Schritt – Module Electronics

Das Design begann mit einer System-in-Package (SiP) Architektur, targeting 200 µm Inter-Layer Spacing. Solch tight Spacing heightens das Risk von RF Crosstalk und Interference, so war ein rigoroser Design Cycle essenziell.

Ein Initial Layout wurde generiert using Hard Design Rules und Industry Best Practice. Um Endless Prototype Manufacturing zu vermeiden, wurde ein Iterativer Simulation-Driven Approach adopted. Ein 3-D PCB Model wurde in Ansys HFSS (equivalently CST oder ADS FEM) simuliert. Weil Third-Party Components selten Full Physical Models liefern, wurden N-Port S-Parameter Models stattdessen verwendet, offering eine Close Approximation von RF Performance.

Mit kompletter RF Simulation konnten Key Performance Metrics – Return Loss, Harmonic Content und Out-of-Band Emissions – evaluiert werden. Dies enabled Optimisation für Target Frequency Bands und sicherte Compliance mit Regulatory Limits vor jedem Physical Prototype Build.

Zweiter Schritt – Antennen Design

Das Antennen Subsystem präsentierte zwei Haupt Challenges:

• Creating a Miniature Antenne für Sub-Gigahertz Operation.
• Ensuring Coexistence der zwei Antennen Funktionen.

Der LoRa Radio operiert zwischen 868 MHz und 930 MHz, depending on Country, was einem 32 cm Wavelength entspricht. Ein Quarter-Wave Length in einem Device limitiert auf 2 cm zu erreichen, ist daher ein Significant Engineering Hurdle.

Die 2.4 GHz Antenne, während leichter zu miniaturisieren, hat distinkte Physical Requirements im Vergleich zur Sub-Gig Antenne.

Zwei Design Strategien wurden evaluiert: (1) Separate Antennen innerhalb desselben Devices, und (2) eine Single Multimode Antenne mit Diplexer, um die zwei Radios zu routen. Jede Option wurde in drei Physical Configurations exploriert – Simple Trace auf dem Substrate, eine 3-D Structure nutzend Vertical Vias durch den SiP Overmold, und eine Dedicated 3-D Antenna Component embedded im Overmold.

Ein Iterativer Approach

Wie die Electronics folgte das Antennen Design einem iterativen Process, der Design Expertise, 3-D Electromagnetic Simulation und Successive Optimisation Cycles kombinierte. Mehrere Topologien wurden initially considered und dann zu einer Final Solution verfeinert.

Antennen Design

Three-Dimensional Simulation ist indispensable; der Cost von Designing, Fabricating und Testing Physical Antennas wäre prohibitiv und würde wahrscheinlich Sub-Optimal Results yield. Einmal ein Simulation-Optimised Design produziert ist, wird ein Prototype fabricated und measured. Die Measured Data wird dann zurück in das Model gefeeded, refining die Simulation und accelerating Convergence. In Practice sind nur zwei Build-Test Cycles usually required, um ein Final Design zu erreichen.

RF Design – Black Magic?

RF Engineering wird oft „Black Magic“ genannt, aber es folgt einfach den gleichen Physical Laws, die alle Electronics govern. Die Complexity liegt in Translating ein Schematic in ein Physical Layout ohne Compromising Performance; anders als Digital Logic, sind RF Topologien hochsensitiv zu Trace Geometry und Parasitics.

Create the Full Solution

Die Final Solution ist das Resultat von Deep Expertise, Up-to-Date Simulation Tools und Iterativer Optimisation. Ein Strong Starting Point, informed by Industry Experience, kombiniert mit Rapid Simulation Cycles, erlaubt Designern, First-Time Success zu erreichen oder, at Worst, einen Second-Time Redesign.

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Nick Wood ist Sales und Marketing Director bei Insight SiP, dem Ultra-Miniature RF Module Specialist. Mit einem Thirty-Year Track Record in der Electronics Industry, führte Nick zuvor Fundamental Physics Research at CERN durch und earned a PhD in Particle Physics von University College London.

Chris Barratt ist CTO und Co-Founder von Insight SiP. Über die Past Four Decades hat er R&D Roles bei National Semiconductor, Thales, Tekelec, Schlumberger und Thorn EMI gehalten. Er hält einen MA in Engineering und Electronics von University of Cambridge und einen MSc in Medical Electronics von University of London.

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