Um guia para integração sem fio em miniatura multiprotocolo

Existem duas abordagens básicas para projetar um sistema sem fio multiprotocolo - construir o sistema do zero com um chip de RF, passivos, filtros e conectar uma antena; ou use um módulo sem fio que integre todos esses elementos em um sistema completo.

Construir do zero ou usar um módulo?

A principal vantagem de construir um sistema do zero é que - no longo prazo e com volume suficiente - o custo unitário será menor. No entanto, para realmente economizar dinheiro durante todo o ciclo de vida de um projeto, incluindo custo de design, testes, tratamento de problemas de certificação e complexidade adicional de aquisição e fabricação, é necessário atingir volumes extremamente altos.

Vantagens do módulo

Por esta razão, muitos projetistas recorrem a módulos para soluções wireless, já que estes oferecem componentes pré-integrados, normalmente certificados para os principais mercados, e assim encurtam o tempo e custo de projeto. Além disso, os módulos sem fio mais avançados serão menores do que um design discreto é capaz de atingir.

À medida que as soluções sem fio se tornam cada vez mais sofisticadas, diversificadas e capazes, mais soluções eletrônicas procuram integrá-las e, freqüentemente, um tipo de tecnologia de rádio não é suficiente. Isso representa um desafio técnico adicional, já que você não deve apenas fazer cada um funcionar por conta própria, mas também garantir que os dois não interfiram um com o outro. Os sistemas de RF podem ter interações complexas e não óbvias.

Vários rádios em um único dispositivo

Vários rádios também aumentam os problemas de certificação, pois dois rádios modulares certificados precisam de testes adicionais se combinados na mesma unidade.

Soluções multiprotocolo pré-embaladas

Para atender a essa necessidade, há uma tendência emergente de soluções sem fio multiprotocolo pré-embaladas. Módulos combinados de Bluetooth e Wi-Fi são comuns há algum tempo, mas como usam a mesma frequência de 2,4 GHz, talvez sejam os rádios mais simples de combinar, podendo usar facilmente a mesma antena.

Integrando diferentes rádios - estudo de caso

Aqui - como um exemplo de caso - veremos os desafios da integração de dois rádios bastante diferentes - um dispositivo Bluetooth de 2,4 GHz (baixa energia) e um rádio LoRa subgigahertz. O desafio era integrar todos os componentes eletrônicos e ambas as antenas no menor pacote de solução possível. Embora existam alguns aspectos específicos para esses rádios em particular, a abordagem geral do design seria semelhante para uma escolha diferente.

Primeira etapa - eletrônica do módulo

A primeira etapa foi fazer o layout da parte eletrônica da solução. A tecnologia System-in-package foi escolhida para minimizar o tamanho, permitindo espaçamento de 200 µm. Esse espaçamento apertado apresenta sérios riscos de interferência e diafonia de RF, o que significa que é necessário um ciclo de projeto complexo.

Um layout inicial foi criado usando regras rígidas de design e experiência de design de melhores práticas. Para evitar ciclos infinitos de fabricação de protótipos, foi usada uma abordagem iterativa baseada em simulação. Um layout 3-D do substrato (PCB) é simulado no Ansys HFSS (CST ou ADS FEM são ferramentas semelhantes). Como um modelo físico completo de componentes de terceiros normalmente não está disponível, modelos de parâmetro S de porta N (que podem ser obtidos) são usados ​​no local, o que fornece uma aproximação suficientemente próxima do desempenho de RF dos componentes.

Desta forma, uma simulação completa de RF da parte de RF do sistema pode ser criada, para que as principais características de desempenho, como perda de retorno, efeitos harmônicos e assim por diante, possam ser avaliadas. Isso permite que o desempenho nas bandas de frequência desejadas seja otimizado e também evita problemas de certificação posteriores, permitindo que fora de banda e emissões em frequências harmônicas sejam analisadas e o sistema ajustado para respeitar os limites regulamentares.

Segunda etapa - Projeto da antena

A segunda parte principal da tarefa de design foi o design do subsistema da antena. Havia dois desafios principais para esta parte

• Projetar uma antena em miniatura para funcionar em frequências sub-Gigahertz.
• Garantir a coexistência das duas funções de antena.

O rádio LoRa opera na faixa de 868 - 930 MHz (variando um pouco por país). Isso se traduz em comprimento de onda de 32 cm. Para uma antena, um quarto do comprimento de onda representa um comprimento crítico para obter uma transmissão coerente. Como o objetivo neste caso era integrar a antena em um componente eletrônico modular de não mais que 2 cm na dimensão mais longa, isso representa um desafio significativo.

A antena de 2,4 GHz apresenta menos desafios para a miniaturização, mas tem requisitos físicos bastante diferentes para a antena subGiga.

Duas opções principais foram analisadas; duas antenas separadas dentro do mesmo dispositivo e um único projeto multimodo com um diplexador para rotear os dois rádios. Para ambos, foram consideradas diferentes opções de estrutura física - um traço simples no substrato, uma estrutura 3-D usando vias verticais através do overmold do SiP e um componente de antena 3-D separado contido no overmold SIP.

Uma abordagem iterativa

Como com a eletrônica, uma abordagem iterativa foi adotada, combinando experiência de design, simulação eletromagnética 3-D usando ANSYS HFSS e otimizando em ciclos de design sucessivos. Várias topologias alternativas foram consideradas na fase inicial, com as diferentes escolhas sendo progressivamente reduzidas até um projeto final.

Design da antena

Para o projeto da antena, o uso da simulação 3-D é crítico, já que o ciclo para projetar, produzir e testar amostras reais da antena seria proibitivo e quase certamente levaria a um projeto não ideal. A simulação é uma ferramenta inestimável, mas é claro que ela só pode levar você até certo ponto. Uma vez que um projeto ideal é alcançado na simulação, um protótipo do mundo real deve ser construído e o desempenho medido. Comparações de medições e simulações do mundo real são então realimentadas no modelo para refiná-lo e otimizar a solução. Por este método, normalmente dois ciclos de construção são tudo o que é necessário para chegar a um projeto finalizado.

Design RF - magia negra?

O design de RF é freqüentemente referido como “magia negra”. Na verdade, não é isso - a eletrônica de radiofrequência obedece às leis da física tanto quanto qualquer outro tipo. No entanto, o fator chave que o torna mais complexo é que - ao contrário de um design digital normal - um conjunto topológico de conexões (ou seja, um esquema) não pode ser traduzido de forma simplista em qualquer layout físico equivalente, sem implicações de desempenho.

Crie a solução completa

A solução é uma combinação de experiência, ferramentas de design e simulação atualizadas e iterações para otimizar. A experiência é necessária para garantir que o ponto de partida esteja próximo o suficiente do que é necessário. As ferramentas de simulação permitem que se experimente opções de projeto em uma ordem de magnitude mais rápida do que construir protótipos. Isso permite várias iterações rápidas para garantir o sucesso do design na primeira ou na segunda vez.

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Nick Wood é diretor de vendas e marketing da Insight SIP, especialista em módulos de RF ultraminiatura. Nick tem um histórico de trinta anos na indústria de eletrônicos. Anteriormente, ele pesquisou física fundamental no CERN e obteve um PhD em física de partículas na University College London.



Chris Barratt é CTO e fundador da Insight SiP. Nos últimos 40 anos ou mais, ele teve várias funções em pesquisa e desenvolvimento com empresas incluindo National Semiconductor, Thales, Tekelec, Schlumberger e Thorn EMI. Ele tem um MA em engenharia e eletrônica pela University of Cambridge e um MSc em eletrônica médica pela University of London.

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