Una guía para la integración inalámbrica en miniatura multiprotocolo

Hay dos enfoques básicos para diseñar un sistema inalámbrico multiprotocolo:construir el sistema desde cero con un chip de RF, pasivos, filtros y conectar una antena; o utilice un módulo inalámbrico que integre todos estos elementos en un sistema completo.

¿Construir desde cero o usar un módulo?

La principal ventaja de construir un sistema desde cero es que, a largo plazo y con suficiente volumen, el costo unitario será menor. Sin embargo, para realmente ahorrar dinero durante todo el ciclo de vida de un proyecto, incluido el costo de diseño, las pruebas, el manejo de problemas de certificación y la complejidad adicional de adquisición y fabricación, es necesario alcanzar volúmenes extremadamente altos.

Ventajas del módulo

Por esta razón, muchos diseñadores recurren a módulos para soluciones inalámbricas, ya que estos ofrecen componentes preintegrados, normalmente certificados para los principales mercados, y por lo tanto acortan el tiempo y costo de diseño. Además, los módulos inalámbricos más avanzados serán más pequeños de lo que probablemente pueda lograr un diseño discreto.

A medida que las soluciones inalámbricas se han vuelto cada vez más sofisticadas, diversas y capaces, más soluciones electrónicas buscan integrarlas y, a menudo, un tipo de tecnología de radio no es suficiente. Esto representa un desafío técnico adicional, ya que no solo debe hacer que cada uno funcione por sí solo, sino también asegurarse de que los dos no interfieran entre sí. Los sistemas de RF pueden tener interacciones complejas y no obvias.

Varias radios en un solo dispositivo

Varias radios también aumentan los problemas de certificación, ya que dos radios modulares certificadas necesitan pruebas adicionales si se combinan en la misma unidad.

Soluciones multiprotocolo preempaquetadas

Para satisfacer esta necesidad, existe una tendencia emergente de soluciones inalámbricas multiprotocolo preempaquetadas. Los módulos combinados de Bluetooth y Wi-Fi han sido comunes durante algún tiempo, pero como estos usan la misma frecuencia de 2.4 GHz, estos son quizás los radios más simples de combinar, fácilmente capaces de usar la misma antena.

Integración de diferentes radios:estudio de caso

Aquí, como un caso de ejemplo, veremos los desafíos en la integración de dos radios bastante diferentes:un dispositivo Bluetooth (de baja energía) de 2.4 GHz y una radio LoRa de subgigahercios. El desafío era integrar toda la electrónica y ambas antenas en la solución de paquete más pequeña posible. Si bien hay algunos aspectos específicos de estas radios en particular, el enfoque de diseño general sería similar para una opción diferente.

Primer paso:módulo electrónico

El primer paso fue diseñar la parte electrónica de la solución. Se eligió la tecnología de sistema en paquete para minimizar el tamaño, permitiendo un espacio de 200 µm. Un espacio tan reducido presenta serios riesgos de interferencia y diafonía de RF, lo que significa que se requiere un ciclo de diseño complejo.

Se creó un diseño inicial utilizando tanto reglas de diseño estrictas como la experiencia de diseño de mejores prácticas. Para evitar ciclos de fabricación de prototipos interminables, se utilizó un enfoque iterativo basado en la simulación. Se simula un diseño 3D del sustrato (PCB) en Ansys HFSS (CST o ADS FEM son herramientas similares). Como un modelo físico completo de componentes de terceros generalmente no está disponible, se utilizan modelos de parámetros S de puerto N (que se pueden obtener), que brindan una aproximación lo suficientemente cercana del rendimiento de RF de los componentes.

De esta manera, se podría crear una simulación de RF completa de la parte de RF del sistema, de modo que se pudieran evaluar las características clave de rendimiento, como la pérdida de retorno, los efectos armónicos, etc. Esto permite optimizar el rendimiento en las bandas de frecuencia deseadas y también evita problemas de certificación posteriores al permitir que se analicen emisiones fuera de banda y en frecuencias armónicas y que el sistema se sintonice para respetar los límites reglamentarios.

Segundo paso:diseño de la antena

La segunda parte importante de la tarea de diseño fue el diseño del subsistema de antena. Había dos desafíos principales en esta parte

• Diseñar una antena en miniatura para que funcione en frecuencias sub-Gigahercios.
• Asegurar la coexistencia de las dos funciones de la antena.

La radio LoRa opera en el rango de 868 a 930 MHz (difiere un poco según el país). Esto se traduce en una longitud de onda de 32 cm. Para una antena, un cuarto de longitud de onda representa una longitud crítica para lograr una transmisión coherente. Como el objetivo en este caso era integrar la antena en un componente electrónico modular de no más de 2 cm en la dimensión más larga, esto representa un desafío importante.

La antena de 2,4 GHz presenta un desafío menor para la miniaturización, pero tiene requisitos físicos bastante diferentes a los de la antena subGiga.

Se analizaron dos opciones clave; dos antenas separadas dentro del mismo dispositivo y un solo diseño multimodo con un diplexor para enrutar las dos radios. Para ambos, se consideraron diferentes opciones de estructura física:una traza simple en el sustrato, una estructura 3-D que usa vías verticales a través del sobremolde del SiP y un componente de antena 3-D separado contenido dentro del sobremolde SIP.

Un enfoque iterativo

Al igual que con la electrónica, se adoptó un enfoque iterativo, combinando experiencia de diseño, simulación electromagnética 3-D usando ANSYS HFSS, y optimizando en sucesivos ciclos de diseño. Se consideraron varias topologías alternativas en la fase inicial, y las diferentes opciones se redujeron progresivamente hasta un diseño final.

Diseño de antena

Para el diseño de antenas, el uso de simulación 3D es fundamental, ya que el ciclo para diseñar, producir y probar muestras de antenas reales sería prohibitivo y casi con certeza conduciría a un diseño no óptimo. La simulación es una herramienta invaluable pero, por supuesto, solo puede llevarlo tan lejos. Una vez que se llega a un diseño óptimo en la simulación, se debe construir un prototipo del mundo real y medir el rendimiento. Luego, las comparaciones de las mediciones y la simulación del mundo real se retroalimentan en el modelo para refinarlo y optimizar la solución. Con este método, normalmente dos ciclos de construcción son todo lo que se requiere para llegar a un diseño terminado.

Diseño de RF:¿magia negra?

El diseño de RF a menudo se conoce como "magia negra". En realidad, no es tal cosa:la electrónica de radiofrecuencia obedece a las leyes de la física tanto como cualquier otro tipo. Sin embargo, el factor clave que lo hace más complejo es que, a diferencia de un diseño digital normal, un conjunto topológico de conexiones (es decir, un esquema) no se puede traducir de manera simplista en ningún diseño físico equivalente sin implicaciones de rendimiento.

Cree la solución completa

La solución es una combinación de experiencia, diseño actualizado y herramientas de simulación e iteraciones para optimizar. La experiencia es necesaria para garantizar que el punto de partida esté lo suficientemente cerca de lo que se requiere en última instancia. Las herramientas de simulación permiten probar opciones de diseño a un ritmo de varios órdenes de magnitud más rápido que la construcción de prototipos. Esto permite múltiples iteraciones rápidas para garantizar el éxito del diseño por primera o segunda vez.

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Nick Wood es director de ventas y marketing de Insight SIP, el especialista en módulos de RF ultraminiatura. Nick tiene una trayectoria de treinta años en la industria de la electrónica. Anteriormente, investigó física fundamental en el CERN y obtuvo un doctorado en física de partículas de la University College London.

Chris Barratt es CTO y fundador de Insight SiP. Durante los últimos 40 años más o menos, ha desempeñado diversas funciones en investigación y desarrollo en empresas como National Semiconductor, Thales, Tekelec, Schlumberger y Thorn EMI. Tiene una maestría en ingeniería y electrónica de la Universidad de Cambridge y una maestría en electrónica médica de la Universidad de Londres.

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