멀티프로토콜 미니어처 무선 통합 마스터하기: 설계 및 구현 가이드

멀티프로토콜 무선 시스템 설계는 일반적으로 두 가지 경로 중 하나를 따릅니다: 전용 RF 칩, 수동 구성요소, 필터, 안테나로 처음부터 구축하거나; 이미 이러한 요소들을 통합한 기성 무선 모듈을 선택하는 것입니다.

처음부터 구축할 것인가, 모듈을 사용할 것인가?

커스텀 빌드의 주요 이점은 매우 높은 볼륨에서 단위 비용이 낮다는 것입니다. 그러나 설계, 테스트, 인증, 조달, 제조 복잡성을 포함한 전체 프로젝트 라이프사이클에서 비용 이점을 달성하려면 일반적으로 대규모 볼륨 생산이 필요합니다.

모듈의 이점

모듈은 주요 시장에 대해 일반적으로 인증된 사전 통합된 구성요소를 함께 제공하기 때문에 많은 설계자가 이를 선택합니다. 모듈은 설계 시간을 단축하고, 비용을 줄이며, 종종 비교 가능한 개별 구현보다 더 작은 풋프린트를 제공합니다.

무선 솔루션은 점점 더 정교해지고, 다양해지고, 유능해지고 있습니다. 많은 애플리케이션에서 단일 무선 기술은 불충분하여, 여러 라디오를 통합하면서 간섭이 없도록 보장해야 할 필요가 생깁니다. RF 시스템은 복잡하고 비명백한 상호작용을 보일 수 있습니다.

단일 디바이스의 다중 라디오

하나 이상의 인증된 라디오를 추가하면 인증 복잡성도 증가합니다: 각 모듈러 라디오는 단일 유닛으로 결합될 때 추가 테스트를 요구할 수 있습니다.

사전 패키지된 멀티프로토콜 솔루션

이를 해결하기 위해 사전 패키지된 멀티프로토콜 무선 모듈의 가용성이 증가하는 추세입니다. 결합된 블루투스와 Wi-Fi 모듈은 오랫동안 일반적이었습니다. 2.4GHz 대역을 공유하기 때문에 종종 단일 안테나를 공유할 수 있습니다.

서로 다른 라디오 통합 – 사례 연구

예로, 2.4GHz 블루투스 저에너지 디바이스를 서브-기가헤르츠 로라(LoRa) 라디오와 통합하는 것을 살펴보았습니다. 과제는 전자장치와 두 안테나를 가능한 가장 작은 패키지에 맞추는 것이었습니다.

첫 번째 단계 – 모듈 전자장치

설계는 200µm 층간 간격을 목표로 하는 시스템-인-패키지(SiP) 아키텍처로 시작되었습니다. 이러한 타이트한 간격은 RF 크로스토크와 간섭 위험을 높여 엄격한 설계 주기가 필수적이었습니다.

초기 레이아웃은 엄격한 설계 규칙과 업계 모범 사례를 사용하여 생성되었습니다. 끝없는 프로토타입 제조를 피하기 위해 반복적 시뮬레이션-주도 접근법이 채택되었습니다. 3D PCB 모델이 Ansys HFSS(동등하게 CST 또는 ADS FEM)에서 시뮬레이션되었습니다. 서드파티 구성요소가 완전한 물리적 모델을 제공하는 경우가 드물기 때문에, N-포트 S-파라미터 모델이 대신 사용되어 RF 성능의 근사치를 제공했습니다.

완전한 RF 시뮬레이션으로 반사 손실, 고조파 함량, 대역외 방사와 같은 핵심 성능 지표를 평가할 수 있었습니다. 이를 통해 타겟 주파수 대역에 대한 최적화와 물리적 프로토타입 제작 전 규제 한계 준수를 보장할 수 있었습니다.

두 번째 단계 – 안테나 설계

안테나 서브시스템은 두 가지 주요 과제를 제시했습니다:

• 서브-기가헤르츠 작동을 위한 미니어처 안테나 생성
• 두 안테나 기능의 공존 보장

로라 라디오는 국가에 따라 868MHz와 930MHz 사이에서 동작하며, 이는 32cm 파장에 해당합니다. 2cm로 제한된 디바이스에서 1/4 파장을 달성하는 것은 상당한 엔지니어링 장애물입니다.

2.4GHz 안테나는 미니어처화가 더 쉽지만, 서브-기가 안테나와는 구별되는 물리적 요구사항을 가집니다.

두 가지 설계 전략이 평가되었습니다: (1) 동일한 디바이스 내 별도 안테나, (2) 두 라디오를 라우팅하기 위한 딥렉서(diplexer)가 있는 단일 멀티모드 안테나. 각 옵션은 세 가지 물리적 구성(기판 위 심플 트레이스, SiP 오버몰드를 통한 수직 비아를 사용하는 3D 구조, 오버몰드에 임베디드된 전용 3D 안테나 구성요소)에서 탐구되었습니다.

반복적 접근법

전자장치와 마찬가지로 안테나 설계는 설계 전문성, 3D 전자기 시뮬레이션, 연속적 최적화 주기를 결합한 반복적 프로세스를 따랐습니다. 여러 토폴로지가 처음 고려된 후 최종 솔루션으로 개선되었습니다.

안테나 설계

3차원 시뮬레이션은 필수적입니다. 물리적 안테나를 설계, 제작, 테스트하는 비용은 엄청날 것이며 최적 이하 결과를 낳을 가능성이 높습니다. 시뮬레이션 최적화 설계가 생성되면 프로토타입이 제작되고 측정됩니다. 측정된 데이터는 모델에 다시 피드백되어 시뮬레이션을 개선하고 수렴을 가속화합니다. 실제로 보통 두 번의 빌드-테스트 주기만으로 최종 설계에 도달합니다.

RF 설계 – 블랙 매직?

RF 엔지니어링은 종종 '블랙 매직'이라고 불리지만, 단순히 모든 전자공학을 지배하는 같은 물리 법칙을 따릅니다. 복잡성은 성능을 해치지 않으면서 회로도를 물리적 레이아웃으로 변환하는 데 있습니다. 디지털 로직과 달리 RF 토폴로지는 트레이스 지오메트리와 패러시틱에 매우 민감합니다.

완전한 솔루션 생성

최종 솔루션은 깊은 전문성, 최신 시뮬레이션 도구, 반복적 최적화의 결과입니다. 업계 경험에 기반한 강력한 시작점과 빠른 시뮬레이션 주기의 결합은 설계자가 최초 성공을 달성하거나, 최악의 경우 두 번째 재설계를 할 수 있게 합니다.

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닉 우드(Nick Wood)는 초소형 RF 모듈 전문 기업 인사이트 SiP(Insight SiP)의 영업 및 마케팅 디렉터입니다. 30년간의 전자 산업 경력과 CERN에서의 기초 물리학 연구, 유니버시티 칼리지 런던에서 입자 물리학 박사 학위를 보유하고 있습니다.

크리스 바랫(Chris Barratt)은 인사이트 SiP의 CTO이자 공동 창업자입니다. 지난 40년간 내셔널 세미컨덕터, 탈레스, 텔레크, 슐룸베르거, 손 EMI에서 R&D 역할을 맡았습니다. 케임브리지 대학교에서 공학 및 전자공학 MA, 런던 대학교에서 의료 전자공학 MSc를 취득했습니다.

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