多协议微型无线集成指南

设计多协议无线系统有两种基本方法——使用射频芯片、无源器件、滤波器和连接天线从头开始构建系统；或者使用将所有这些元素集成到一个完整系统中的无线模块。

从头开始构建还是使用模块？

从头开始构建系统的主要优点是——从长远来看，如果有足够的数量——单位成本会更低。但是，要在项目的整个生命周期（包括设计成本、测试、处理认证问题以及额外的采购和制造复杂性）真正节省资金，就必须达到极高的产量。

模块优势

出于这个原因，许多设计人员转向无线解决方案的模块，因为这些模块提供预集成组件，通常通过主要市场的认证，从而缩短设计时间和成本。此外，最先进的无线模块将比分立设计可能能够实现的更小。

随着无线解决方案变得越来越复杂、多样化和功能强大，越来越多的电子解决方案希望将它们集成在一起，而通常只有一种无线电技术是不够的。这代表了一个额外的技术挑战，因为您不仅必须让每个人独立工作，而且还要确保两者不会相互干扰。射频系统可能存在复杂且不明显的交互作用。

单个设备中的多个无线电

多个无线电也增加了认证问题，因为如果将两个经过认证的模块化无线电组合到同一个单元中，则需要额外的测试。

预先打包的多协议解决方案

为满足这一需求，出现了预封装多协议无线解决方案的新兴趋势。组合蓝牙和 Wi-Fi 模块已经很常见一段时间了，但由于它们使用相同的 2.4 GHz 频率，因此它们可能是最容易组合的无线电，可以轻松使用相同的天线。

集成不同的无线电——案例研究

在这里，作为示例，我们将探讨集成两种截然不同的无线电——2.4 GHz 蓝牙（低功耗）设备和亚千兆赫 LoRa 无线电所面临的挑战。面临的挑战是将所有电子设备和两个天线集成到尽可能小的封装解决方案中。虽然这些特定的无线电有一些特定的方面，但对于不同的选择，整体设计方法是相似的。

第一步——模块电子

第一步是布局解决方案的电子部分。选择系统级封装技术以最小化尺寸，允许 200 微米的间距。如此紧密的间距会给射频串扰和干扰带来严重风险，这意味着需要复杂的设计周期。

初始布局是使用硬设计规则和最佳实践设计经验创建的。为了避免无休止的原型制造周期，使用了基于模拟的迭代方法。在 Ansys HFSS（CST 或 ADS FEM 是类似工具）中模拟基板 (PCB) 的 3-D 布局。由于第三方组件的完整物理模型通常不可用，因此使用了 N 端口 S 参数模型（可以获得），它提供了组件射频性能的足够接近的近似值。

通过这种方式，可以创建系统射频部分的完整射频仿真，从而可以评估关键性能特征，例如回波损耗、谐波效应等。这允许优化所需频段的性能，并通过允许分析谐波频率的带外和发射并调整系统以遵守法规限制，从而避免以后的认证问题。

第二步——天线设计

设计任务的第二个主要部分是天线子系统的设计。这部分有两个主要挑战

• 设计可在亚千兆赫频率下工作的微型天线。
• 确保两种天线功能共存。

LoRa 无线电在 868 – 930 MHz 范围内运行（因国家/地区而异）。这转化为 32 cm 波长。对于天线，四分之一波长代表实现相干传输的关键长度。由于本案例的目标是将天线集成到最长尺寸不超过 2 厘米的模块化电子组件中，这是一个重大挑战。

2.4 GHz天线对小型化的挑战较小，但与subGiga天线的物理要求有很大不同。

分析了两个关键选项；同一设备内的两个独立天线和一个带有双工器的单一多模设计来路由两个无线电。对于这两者，都考虑了不同的物理结构选项——基板上的简单走线、使用垂直过孔穿过 SiP 包覆成型的 3-D 结构，以及包含在 SIP 包覆成型中的单独 3-D 天线组件。

迭代方法

与电子产品一样，采用迭代方法，结合设计经验、使用 ANSYS HFSS 的 3-D 电磁仿真，并在连续设计周期中进行优化。在初始阶段考虑了几种替代拓扑，不同的选择逐渐减少到最终设计。

天线设计

对于天线设计，3-D 仿真的使用至关重要，因为设计、生产和测试真实天线样本的周期会令人望而却步，并且几乎肯定会导致非最佳设计。模拟是一种非常宝贵的工具，但当然它只能带你走这么远。一旦在仿真中达到最佳设计，就必须构建真实世界的原型，并测量性能。然后将实际测量和模拟的比较反馈到模型中，以对其进行改进并优化解决方案。通过这种方法，通常需要两个构建周期才能完成设计。

射频设计——黑魔法？

RF 设计通常被称为“黑魔法”。事实上，它不是这样的——射频电子设备与任何其他类型的设备一样，都遵循物理定律。然而，使其变得更加复杂的关键因素是——与普通数字设计不同——拓扑连接集（即原理图）不能简单地转换为任何等效的物理布局，而不会对性能产生影响。

创建完整的解决方案

该解决方案结合了经验、最新的设计和仿真工具以及要优化的迭代。需要经验来确保起点可能足够接近最终要求。仿真工具允许人们以比构建原型快几个数量级的速度尝试设计选项。这允许快速多次迭代以确保第一次或第二次设计成功。

尼克伍德 是超小型 RF 模块专家 Insight SIP 的销售和营销总监。 Nick 在电子行业拥有三十年的业绩记录。此前他在欧洲核子研究中心研究基础物理学，并在伦敦大学学院获得粒子物理学博士学位。

克里斯·巴拉特 是 CTO 和 Insight SiP 的创始人。在过去 40 年左右的时间里，他在美国国家半导体、Thales、Tekelec、Schlumberger 和 Thorn EMI 等公司的研发中担任过各种角色。他拥有剑桥大学的工程和电子学硕士学位，以及伦敦大学的医学电子学硕士学位。

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