다중 프로토콜 미니어처 무선 통합 가이드

다중 프로토콜 무선 시스템을 설계하는 데에는 두 가지 기본 접근 방식이 있습니다. 하나는 RF 칩, 수동 소자, 필터를 사용하여 처음부터 시스템을 구축하고 안테나를 연결하는 것입니다. 또는 이러한 모든 요소를 ​​완전한 시스템으로 통합하는 무선 모듈을 사용하십시오.

처음부터 빌드하거나 모듈을 사용하시겠습니까?

처음부터 시스템을 구축할 때의 주요 이점은 장기적으로 충분한 양으로 단가가 낮아진다는 것입니다. 그러나 설계 비용, 테스트, 인증 문제 처리, 추가적인 조달 및 제조 복잡성을 포함하여 프로젝트의 전체 수명 주기 동안 비용을 진정으로 절약하려면 매우 많은 양에 도달해야 합니다.

모듈 장점

이러한 이유로 많은 설계자들은 일반적으로 주요 시장에 대해 인증된 사전 통합 구성 요소를 제공하여 설계 시간과 비용을 단축하는 무선 솔루션용 모듈로 눈을 돌립니다. 또한 가장 진보된 무선 모듈은 개별 설계로 달성할 수 있는 것보다 작을 것입니다.

무선 솔루션이 점점 더 정교해지고 다양해지며 기능이 향상됨에 따라 더 많은 전자 솔루션이 이를 통합하려고 하며 한 가지 유형의 무선 기술로는 충분하지 않은 경우가 많습니다. 이것은 각각의 작업을 자체적으로 수행해야 할 뿐만 아니라 두 작업이 서로 간섭하지 않도록 해야 하기 때문에 추가적인 기술적 문제를 나타냅니다. RF 시스템은 복잡하고 명확하지 않은 상호 작용을 가질 수 있습니다.

단일 기기의 여러 라디오

두 개의 인증된 모듈식 라디오가 동일한 장치에 결합되는 경우 추가 테스트가 필요하기 때문에 여러 라디오는 인증 문제를 증가시킵니다.

사전 패키지된 다중 프로토콜 솔루션

이러한 요구를 충족하기 위해 사전 패키지된 다중 프로토콜 무선 솔루션의 새로운 추세가 있습니다. 결합된 Bluetooth 및 Wi-Fi 모듈은 한동안 일반적이었지만 동일한 2.4GHz 주파수를 사용하므로 결합하기 가장 간단한 라디오이며 동일한 안테나를 쉽게 사용할 수 있습니다.

다양한 라디오 통합 – 사례 연구

예를 들어 2.4GHz Bluetooth(저에너지) 장치와 기가헤르츠 미만의 LoRa 라디오라는 두 개의 완전히 다른 라디오를 통합할 때의 문제를 살펴보겠습니다. 문제는 모든 전자 장치와 두 안테나를 가능한 한 가장 작은 패키지 솔루션에 통합하는 것이었습니다. 이러한 특정 라디오에는 몇 가지 특정 측면이 있지만 다른 선택에 대해 전체 디자인 접근 방식은 비슷할 것입니다.

첫 번째 단계 – 모듈 전자 장치

첫 번째 단계는 솔루션의 전자 부품을 배치하는 것이었습니다. 시스템 인 패키지 기술은 크기를 최소화하기 위해 선택되어 200µm 간격을 허용합니다. 이러한 좁은 간격은 RF 누화 및 간섭에 대한 심각한 위험을 나타내며, 이는 복잡한 설계 주기가 필요함을 의미합니다.

초기 레이아웃은 엄격한 설계 규칙과 모범 사례 설계 경험을 모두 사용하여 만들었습니다. 끝없는 프로토타입 제조 주기를 피하기 위해 시뮬레이션을 기반으로 하는 반복적인 접근 방식이 사용되었습니다. 기판(PCB)의 3D 레이아웃은 Ansys HFSS에서 시뮬레이션됩니다(CST 또는 ADS FEM은 유사한 도구임). 일반적으로 타사 구성 요소의 전체 물리적 모델을 사용할 수 없기 때문에 N-포트 S-파라미터 모델(얻을 수 있음)이 제자리에 사용되어 구성 요소의 RF 성능에 충분히 근접한 근사값을 제공합니다.

이러한 방식으로 시스템의 RF 부분에 대한 전체 RF 시뮬레이션을 생성할 수 있으므로 반사 손실, 고조파 효과 등과 같은 주요 성능 특성을 평가할 수 있습니다. 이를 통해 원하는 주파수 대역에서 성능을 최적화할 수 있으며, 대역 외 및 고조파 주파수에서 방출을 분석하고 규제 제한을 준수하도록 시스템을 조정하여 이후 인증 문제를 방지할 수 있습니다.

두 번째 단계 – 안테나 설계

설계 작업의 두 번째 주요 부분은 안테나 하위 시스템의 설계였습니다. 이 부분에는 두 가지 주요 과제가 있었습니다.

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기가헤르츠 미만 주파수에서 작동하는 소형 안테나 설계

두 안테나 기능의 공존 보장.

LoRa 라디오는 868 – 930MHz 범위에서 작동합니다(국가마다 약간 다름). 이것은 32cm 파장으로 변환됩니다. 안테나의 경우 1/4 파장은 일관된 전송을 달성하기 위한 임계 길이를 나타냅니다. 이 경우의 목적은 안테나를 가장 긴 치수가 2cm 이하인 모듈식 전자 부품에 통합하는 것이었기 때문에 이는 상당한 도전을 의미합니다.

2.4GHz 안테나는 소형화에 대한 어려움이 적지만 subGiga 안테나와 물리적 요구 사항이 상당히 다릅니다.

두 가지 주요 옵션이 분석되었습니다. 동일한 장치 내의 두 개의 개별 안테나와 두 개의 라디오를 라우팅하는 다이플렉서가 있는 단일 다중 모드 설계. 두 가지 모두 서로 다른 물리적 구조 옵션이 고려되었습니다. 기판의 단순한 트레이스, SiP 오버몰드를 통한 수직 비아를 사용하는 3D 구조, SIP 오버몰드 내에 포함된 별도의 3D 안테나 구성 요소입니다.

반복적 접근

전자 제품과 마찬가지로 설계 경험, ANSYS HFSS를 사용한 3D 전자기 시뮬레이션, 연속적인 설계 주기의 최적화를 결합하는 반복적인 접근 방식을 취했습니다. 초기 단계에서 여러 대체 토폴로지가 고려되었으며, 최종 디자인으로 점차 축소되었습니다.

안테나 디자인

안테나 설계의 경우 실제 안테나 샘플을 설계, 생산 및 테스트하는 주기가 끔찍하고 거의 확실하게 최적 설계가 아닌 3D 시뮬레이션을 사용하는 것이 중요합니다. 시뮬레이션은 귀중한 도구이지만 물론 여기까지만 할 수 있습니다. 시뮬레이션에서 최적의 설계에 도달하면 실제 프로토타입을 만들고 성능을 측정해야 합니다. 그런 다음 실제 측정 및 시뮬레이션의 비교를 모델에 피드백하여 모델을 개선하고 솔루션을 최적화합니다. 이 방법을 사용하면 일반적으로 두 번의 빌드 주기만 있으면 완성된 디자인에 도달할 수 있습니다.

RF 설계 – 흑마술?

RF 설계는 ​​종종 "블랙 매직"이라고 합니다. 사실 그것은 그런 것이 아닙니다. 무선 주파수 전자 장치는 다른 유형과 마찬가지로 물리 법칙을 따릅니다. 그러나 이를 더 복잡하게 만드는 핵심 요소는 일반 디지털 설계와 달리 토폴로지 연결 집합(예:회로도)을 성능에 영향을 미치지 않고 동등한 물리적 레이아웃으로 단순하게 변환할 수 없다는 것입니다.

전체 솔루션 만들기

솔루션은 경험, 최신 설계 및 시뮬레이션 도구, 최적화를 위한 반복의 조합입니다. 시작점이 궁극적으로 필요한 것에 충분히 가깝도록 하려면 경험이 필요합니다. 시뮬레이션 도구를 사용하면 프로토타입을 제작하는 것보다 훨씬 빠른 속도로 설계 옵션을 시도할 수 있습니다. 이를 통해 첫 번째 또는 두 번째 디자인 성공을 보장하기 위해 신속하게 여러 번 반복할 수 있습니다.

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닉 우드 초소형 RF 모듈 전문업체 Insight SIP의 영업 및 마케팅 이사입니다. Nick은 전자 산업에서 30년의 실적을 가지고 있습니다. 이전에 그는 CERN에서 기본 물리학을 연구하고 University College London에서 입자 물리학 박사 학위를 취득했습니다.

크리스 배럿 CTO이자 Insight SiP의 설립자입니다. 지난 40여년 동안 그는 National Semiconductor, Thales, Tekelec, Schlumberger 및 Thorn EMI를 비롯한 회사와 함께 연구 개발 분야에서 다양한 역할을 수행했습니다. 그는 케임브리지 대학교에서 엔지니어링 및 전자공학 석사 학위를, 런던 대학교에서 의료 전자공학 석사 학위를 받았습니다.

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