設(shè)計(jì)多協(xié)議無線系統(tǒng)有兩種基本方法——使用射頻芯片、無源器件、濾波器和連接天線從頭開始構(gòu)建系統(tǒng)；或者使用將所有這些元素集成到一個(gè)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)勢(shì)在于——從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，如果體積足夠大——單位成本會(huì)更低。然而，要真正在項(xiàng)目的整個(gè)生命周期內(nèi)節(jié)省資金，包括設(shè)計(jì)成本、測(cè)試、處理認(rèn)證問題以及額外的采購(gòu)和制造復(fù)雜性，就必須達(dá)到極高的產(chǎn)量。

模組優(yōu)勢(shì)

出于這個(gè)原因，許多設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)向無線解決方案的模塊，因?yàn)檫@些模塊提供預(yù)先集成的組件，通常經(jīng)過主要市場(chǎng)的認(rèn)證，從而縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。此外，最先進(jìn)的無線模塊將比分立設(shè)計(jì)可能能夠?qū)崿F(xiàn)的還要小。

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起來，而通常一種無線電技術(shù)是不夠的。這代表了一個(gè)額外的技術(shù)挑戰(zhàn)，因?yàn)槟粌H必須讓每項(xiàng)工作獨(dú)立完成，而且還要確保兩者不會(huì)相互干擾。RF 系統(tǒng)可能具有復(fù)雜且不明顯的相互作用。

單個(gè)設(shè)備中的多個(gè)無線電

多個(gè)無線電也增加了認(rèn)證問題，因?yàn)槿绻麑蓚€(gè)經(jīng)過認(rèn)證的模塊化無線電組合到同一個(gè)單元中，則需要進(jìn)行額外的測(cè)試。

預(yù)打包的多協(xié)議解決方案

為滿足這一需求，出現(xiàn)了預(yù)封裝多協(xié)議無線解決方案的新興趨勢(shì)。組合藍(lán)牙和 Wi-Fi 模塊已經(jīng)很常見了一段時(shí)間，但由于它們使用相同的 2.4 GHz 頻率，這些可能是最簡(jiǎn)單的無線電組合，可以輕松使用相同的天線。

集成不同的無線電——案例研究

在這里——作為一個(gè)例子——我們將看看在集成兩個(gè)完全不同的無線電時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)——一個(gè) 2.4 GHz 藍(lán)牙（低能量）設(shè)備和一個(gè)亞千兆赫的 LoRa 無線電。挑戰(zhàn)是將所有電子設(shè)備和兩個(gè)天線集成到盡可能小的封裝解決方案中。雖然這些特定無線電有一些特定方面，但對(duì)于不同的選擇，整體設(shè)計(jì)方法將是相似的。

第一步——模塊電子

第一步是布局解決方案的電子部分。選擇系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)以最小化尺寸，允許 200μm 間距。如此緊密的間距會(huì)給射頻串?dāng)_和干擾帶來嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)，這意味著需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)周期。

使用硬性設(shè)計(jì)規(guī)則和最佳實(shí)踐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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?；?（PCB） 的 3D 布局在 Ansys HFSS 中進(jìn)行仿真（CST 或 ADS FEM 是類似的工具）。由于第三方組件的完整物理模型通常不可用，因此在適當(dāng)位置使用 N 端口 S 參數(shù)模型（可以獲得），它提供了組件射頻性能的足夠接近的近似值。

通過這種方式，可以創(chuàng)建系統(tǒng)射頻部分的完整射頻仿真，從而可以評(píng)估關(guān)鍵性能特征，例如回波損耗、諧波效應(yīng)等。這樣可以優(yōu)化所需頻段的性能，還可以通過分析諧波頻率的帶外和發(fā)射以及調(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(jì)

設(shè)計(jì)任務(wù)的第二個(gè)主要部分是天線子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這部分有兩個(gè)主要挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)一個(gè)工作在亞千兆赫頻率的微型天線。

保證兩種天線功能的共存。

LoRa 無線電的工作頻率范圍為 868 – 930 MHz（因國(guó)家/地區(qū)而異）。這轉(zhuǎn)化為 32 cm 波長(zhǎng)。對(duì)于天線，四分之一波長(zhǎng)代表實(shí)現(xiàn)相干傳輸?shù)呐R界長(zhǎng)度。由于本案例的目標(biāo)是將天線集成到最長(zhǎng)尺寸不超過 2 厘米的模塊化電子元件中，因此這是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

2.4 GHz 天線對(duì)小型化的挑戰(zhàn)較小，但對(duì) subGiga 天線的物理要求卻大不相同。

分析了兩個(gè)關(guān)鍵選項(xiàng)；同一設(shè)備中的兩個(gè)獨(dú)立天線和一個(gè)帶有雙工器的單一多模設(shè)計(jì)來路由兩個(gè)無線電。兩者都考慮了不同的物理結(jié)構(gòu)選項(xiàng)——基板上的簡(jiǎn)單走線、使用通過 SiP 包覆成型的垂直通孔的 3-D 結(jié)構(gòu)，以及包含在 SIP 包覆成型中的單獨(dú) 3-D 天線組件。

迭代方法

與電子產(chǎn)品一樣，采用了一種迭代方法，結(jié)合了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、使用 ANSYS HFSS 的 3-D 電磁仿真，并在連續(xù)的設(shè)計(jì)周期中進(jìn)行了優(yōu)化。在初始階段考慮了幾種替代拓?fù)?，不同的選擇逐漸減少到最終設(shè)計(jì)。

天線設(shè)計(jì)流程

天線設(shè)計(jì)

對(duì)于天線設(shè)計(jì)，3D 仿真的使用至關(guān)重要，因?yàn)樵O(shè)計(jì)、生產(chǎn)和測(cè)試真實(shí)天線樣品的周期會(huì)令人望而卻步，而且?guī)缀蹩隙〞?huì)導(dǎo)致非最佳設(shè)計(jì)。模擬是一種非常寶貴的工具，但它當(dāng)然只能帶您到此為止。一旦在仿真中達(dá)到最佳設(shè)計(jì)，就必須構(gòu)建真實(shí)世界的原型，并測(cè)量性能。然后將真實(shí)世界測(cè)量和仿真的比較反饋到模型中，以改進(jìn)模型并優(yōu)化解決方案。通過這種方法，通常只需要兩個(gè)構(gòu)建周期即可完成設(shè)計(jì)。

顯示天線仿真模型和“甜甜圈”輻射方向圖的圖表。

射頻設(shè)計(jì)——黑魔法？

射頻設(shè)計(jì)通常被稱為“黑魔法”。事實(shí)上，它不是這樣的——射頻電子與任何其他類型一樣，都遵循物理定律。然而，使它變得更加復(fù)雜的關(guān)鍵因素是——與正常的數(shù)字設(shè)計(jì)不同——一組拓?fù)溥B接（即原理圖）不能簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)換為任何等效的物理布局而不影響性能。

創(chuàng)建完整的解決方案

該解決方案結(jié)合了經(jīng)驗(yàn)、最新的設(shè)計(jì)和仿真工具以及要優(yōu)化的迭代。需要經(jīng)驗(yàn)來確保起點(diǎn)可能足夠接近最終要求。仿真工具允許人們以比構(gòu)建原型快幾個(gè)數(shù)量級(jí)的速度嘗試設(shè)計(jì)選項(xiàng)。這允許快速多次迭代以確保第一次或第二次設(shè)計(jì)成功。

Nick Wood是超小型射頻模塊專家Insight SIP的銷售和營(yíng)銷總監(jiān)。Nick 在電子行業(yè)擁有 30 年的業(yè)績(jī)記錄。此前，他在 CERN 研究基礎(chǔ)物理學(xué)，并在倫敦大學(xué)學(xué)院獲得粒子物理學(xué)博士學(xué)位。

Chris Barratt是 Insight SiP 的首席技術(shù)官和創(chuàng)始人。在過去 40 年左右的時(shí)間里，他曾在 National Semiconductor、Thales、Tekelec、Schlumberger 和 Thorn EMI 等公司的研發(fā)部門擔(dān)任過各種職務(wù)。他擁有劍橋大學(xué)的工程和電子學(xué)碩士學(xué)位，以及倫敦大學(xué)的醫(yī)學(xué)電子學(xué)碩士學(xué)位。