Guide d'intégration sans fil miniature multiprotocole

Il existe deux approches de base pour concevoir un système sans fil multiprotocole :construire le système à partir de zéro avec une puce RF, des passifs, des filtres et connecter une antenne ; ou utilisez un module sans fil qui intègre tous ces éléments dans un système complet.

Créer à partir de zéro ou utiliser un module ?

Le principal avantage de construire un système à partir de zéro est qu'à long terme et avec un volume suffisant, le coût unitaire sera inférieur. Cependant, pour vraiment économiser de l'argent sur l'ensemble du cycle de vie d'un projet, y compris les coûts de conception, les tests, la gestion des problèmes de certification et la complexité supplémentaire d'approvisionnement et de fabrication, il est nécessaire d'atteindre des volumes extrêmement élevés.

Avantages du module

Pour cette raison, de nombreux concepteurs se tournent vers les modules pour les solutions sans fil, car ceux-ci offrent des composants pré-intégrés, normalement certifiés pour les principaux marchés, et réduisent ainsi le temps et le coût de conception. De plus, les modules sans fil les plus avancés seront plus petits que ce qu'une conception discrète est susceptible de réaliser.

Alors que les solutions sans fil sont devenues de plus en plus sophistiquées, diversifiées et capables, de plus en plus de solutions électroniques cherchent à les intégrer, et souvent un seul type de technologie radio ne suffit pas. Cela représente un défi technique supplémentaire, car vous devez non seulement faire fonctionner chacun de manière autonome, mais également vous assurer que les deux n'interfèrent pas l'un avec l'autre. Les systèmes RF peuvent avoir des interactions complexes et non évidentes.

Plusieurs radios dans un seul appareil

Les radios multiples augmentent également les problèmes de certification, car deux radios modulaires certifiées nécessitent des tests supplémentaires si elles sont combinées dans la même unité.

Solutions multiprotocoles pré-packagées

Pour répondre à ce besoin, il existe une tendance émergente aux solutions sans fil multiprotocoles préemballées. Les modules combinés Bluetooth et Wi-Fi sont courants depuis un certain temps, mais comme ils utilisent la même fréquence de 2,4 GHz, ce sont peut-être les radios les plus simples à combiner, capables d'utiliser facilement la même antenne.

Intégration de différentes radios – étude de cas

Ici - à titre d'exemple - nous examinerons les défis liés à l'intégration de deux radios assez différentes - un appareil Bluetooth (Low Energy) 2,4 GHz et une radio LoRa sub-gigahertz. Le défi consistait à intégrer toute l'électronique et les deux antennes dans la solution la plus compacte possible. Bien qu'il existe des aspects spécifiques à ces radios particulières, l'approche de conception globale serait similaire pour un choix différent.

Première étape – électronique du module

La première étape consistait à mettre en place la partie électronique de la solution. La technologie System-in-Package a été choisie pour minimiser la taille, permettant un espacement de 200 µm. Un espacement aussi étroit présente de sérieux risques de diaphonie RF et d'interférence, ce qui signifie qu'un cycle de conception complexe est requis.

Une mise en page initiale a été créée en utilisant à la fois des règles de conception strictes et une expérience de conception des meilleures pratiques. Pour éviter des cycles de fabrication de prototypes interminables, une approche itérative basée sur la simulation a été utilisée. Une disposition 3-D du substrat (PCB) est simulée dans Ansys HFSS (CST ou ADS FEM sont des outils similaires). Comme un modèle physique complet de composants tiers n'est généralement pas disponible, des modèles de paramètres S à port N (qui peuvent être obtenus) sont utilisés en place, ce qui fournit une approximation suffisamment proche des performances RF des composants.

De cette manière, une simulation RF complète de la partie RF du système pourrait être créée, de sorte que les caractéristiques de performance clés, telles que la perte de retour, les effets harmoniques, etc., pourraient être évaluées. Cela permet d'optimiser les performances dans les bandes de fréquences souhaitées et d'éviter les problèmes de certification ultérieurs en permettant l'analyse des émissions hors bande et aux fréquences harmoniques et le réglage du système pour respecter les limites réglementaires.

Deuxième étape - Conception de l'antenne

La deuxième grande partie de la tâche de conception était la conception du sous-système d'antenne. Il y avait deux défis principaux à cette partie

• Concevoir une antenne miniature pour fonctionner à des fréquences inférieures au gigahertz.
• Assurer la coexistence des deux fonctions d'antenne.

La radio LoRa fonctionne dans la plage 868 – 930 MHz (différent quelque peu selon les pays). Cela se traduit par une longueur d'onde de 32 cm. Pour une antenne, un quart de longueur d'onde représente une longueur critique pour obtenir une transmission cohérente. Comme l'objectif dans ce cas était d'intégrer l'antenne dans un composant électronique modulaire de pas plus de 2 cm dans la dimension la plus longue, cela représente un défi important.

L'antenne 2,4 GHz présente moins de défi pour la miniaturisation mais a des exigences physiques assez différentes de l'antenne subGiga.

Deux options clés ont été analysées; deux antennes séparées dans le même appareil et une seule conception multimode avec un diplexeur pour acheminer les deux radios. Pour les deux, différentes options de structure physique ont été envisagées :une simple trace sur le substrat, une structure 3D utilisant des vias verticaux à travers le surmoulage du SiP et un composant d'antenne 3D séparé contenu dans le surmoulage SIP.

Une approche itérative

Comme pour l'électronique, une approche itérative a été adoptée, combinant une expérience de conception, une simulation électromagnétique 3D à l'aide d'ANSYS HFSS et une optimisation dans des cycles de conception successifs. Plusieurs topologies alternatives ont été envisagées dans la phase initiale, les différents choix étant progressivement réduits à une conception finale.

Conception de l'antenne

Pour la conception de l'antenne, l'utilisation de la simulation 3D est essentielle, car le cycle de conception, de production et de test d'échantillons d'antenne réels serait prohibitif et conduirait presque certainement à une conception non optimale. La simulation est un outil inestimable, mais bien sûr, cela ne peut vous mener que jusqu'à présent. Une fois qu'une conception optimale est atteinte dans la simulation, un prototype du monde réel doit être construit et les performances mesurées. Des comparaisons de mesures et de simulations du monde réel sont ensuite réinjectées dans le modèle pour l'affiner et optimiser la solution. Par cette méthode, normalement deux cycles de construction sont tout ce qui est nécessaire pour arriver à une conception finie.

Design RF – magie noire ?

La conception RF est souvent appelée « magie noire ». En vérité, il n'en est rien – l'électronique à radiofréquence obéit aux lois de la physique autant que tout autre type. Cependant, le facteur clé qui le rend plus complexe est que, contrairement à une conception numérique normale, un ensemble topologique de connexions (c'est-à-dire un schéma) ne peut pas être traduit de manière simpliste dans une disposition physique équivalente sans incidence sur les performances.

Créer la solution complète

La solution est une combinaison d'expérience, d'outils de conception et de simulation à jour et d'itérations à optimiser. L'expérience est nécessaire pour s'assurer que le point de départ est susceptible d'être suffisamment proche de ce qui est finalement requis. Les outils de simulation permettent d'essayer des options de conception à des ordres de grandeur plus rapides que la construction de prototypes. Cela permet des itérations multiples rapides pour assurer le succès de la conception pour la première ou la deuxième fois.

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Nick Wood est directeur commercial et marketing chez Insight SIP, le spécialiste des modules RF ultra-miniatures. Nick a trente ans d'expérience dans l'industrie électronique. Auparavant, il a fait des recherches en physique fondamentale au CERN et a obtenu un doctorat en physique des particules de l'University College London.

Chris Barratt est CTO et fondateur d'Insight SiP. Au cours des 40 dernières années environ, il a occupé divers postes en recherche et développement au sein de sociétés telles que National Semiconductor, Thales, Tekelec, Schlumberger et Thorn EMI. Il est titulaire d'une maîtrise en ingénierie et électronique de l'Université de Cambridge et d'une maîtrise en électronique médicale de l'Université de Londres.

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