多協(xié)議微型天線設計案例分析

設計多協(xié)議無線系統(tǒng)有兩種基本方法——使用射頻芯片、無源器件、濾波器和連接天線從頭開始構建系統(tǒng)；或者使用將所有這些元素集成到一個完整系統(tǒng)中的無線模塊。

從頭開始構建還是使用模塊？

從頭開始構建系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于——從長遠來看，如果體積足夠大——單位成本會更低。然而，要真正在項目的整個生命周期內節(jié)省資金，包括設計成本、測試、處理認證問題以及額外的采購和制造復雜性，就必須達到極高的產量。

模組優(yōu)勢

出于這個原因，許多設計人員轉向無線解決方案的模塊，因為這些模塊提供預先集成的組件，通常經過主要市場的認證，從而縮短了設計時間和成本。此外，最先進的無線模塊將比分立設計可能能夠實現(xiàn)的還要小。

隨著無線解決方案變得越來越復雜、多樣化和功能強大，越來越多的電子解決方案希望將它們集成起來，而通常一種無線電技術是不夠的。這代表了一個額外的技術挑戰(zhàn)，因為您不僅必須讓每項工作獨立完成，而且還要確保兩者不會相互干擾。RF 系統(tǒng)可能具有復雜且不明顯的相互作用。

單個設備中的多個無線電

多個無線電也增加了認證問題，因為如果將兩個經過認證的模塊化無線電組合到同一個單元中，則需要進行額外的測試。

預打包的多協(xié)議解決方案

為滿足這一需求，出現(xiàn)了預封裝多協(xié)議無線解決方案的新興趨勢。組合藍牙和 Wi-Fi 模塊已經很常見了一段時間，但由于它們使用相同的 2.4 GHz 頻率，這些可能是最簡單的無線電組合，可以輕松使用相同的天線。

集成不同的無線電——案例研究

在這里——作為一個例子——我們將看看在集成兩個完全不同的無線電時所面臨的挑戰(zhàn)——一個 2.4 GHz 藍牙（低能量）設備和一個亞千兆赫的 LoRa 無線電。挑戰(zhàn)是將所有電子設備和兩個天線集成到盡可能小的封裝解決方案中。雖然這些特定無線電有一些特定方面，但對于不同的選擇，整體設計方法將是相似的。

第一步——模塊電子

第一步是布局解決方案的電子部分。選擇系統(tǒng)級封裝技術以最小化尺寸，允許 200μm 間距。如此緊密的間距會給射頻串擾和干擾帶來嚴重風險，這意味著需要復雜的設計周期。

使用硬性設計規(guī)則和最佳實踐設計經驗創(chuàng)建了初始布局。為了避免無休止的原型制造周期，使用了基于仿真的迭代方法。基板 （PCB） 的 3D 布局在 Ansys HFSS 中進行仿真（CST 或 ADS FEM 是類似的工具）。由于第三方組件的完整物理模型通常不可用，因此在適當位置使用 N 端口 S 參數(shù)模型（可以獲得），它提供了組件射頻性能的足夠接近的近似值。

通過這種方式，可以創(chuàng)建系統(tǒng)射頻部分的完整射頻仿真，從而可以評估關鍵性能特征，例如回波損耗、諧波效應等。這樣可以優(yōu)化所需頻段的性能，還可以通過分析諧波頻率的帶外和發(fā)射以及調整系統(tǒng)以遵守法規(guī)限制來避免以后的認證問題。

第二步——天線設計

設計任務的第二個主要部分是天線子系統(tǒng)的設計。這部分有兩個主要挑戰(zhàn)

設計一個工作在亞千兆赫頻率的微型天線。

保證兩種天線功能的共存。

LoRa 無線電的工作頻率范圍為 868 – 930 MHz（因國家/地區(qū)而異）。這轉化為 32 cm 波長。對于天線，四分之一波長代表實現(xiàn)相干傳輸?shù)呐R界長度。由于本案例的目標是將天線集成到最長尺寸不超過 2 厘米的模塊化電子元件中，因此這是一項重大挑戰(zhàn)。

2.4 GHz 天線對小型化的挑戰(zhàn)較小，但對 subGiga 天線的物理要求卻大不相同。

分析了兩個關鍵選項；同一設備中的兩個獨立天線和一個帶有雙工器的單一多模設計來路由兩個無線電。兩者都考慮了不同的物理結構選項——基板上的簡單走線、使用通過 SiP 包覆成型的垂直通孔的 3-D 結構，以及包含在 SIP 包覆成型中的單獨 3-D 天線組件。

迭代方法

與電子產品一樣，采用了一種迭代方法，結合了設計經驗、使用 ANSYS HFSS 的 3-D 電磁仿真，并在連續(xù)的設計周期中進行了優(yōu)化。在初始階段考慮了幾種替代拓撲，不同的選擇逐漸減少到最終設計。

天線設計流程

天線設計

對于天線設計，3D 仿真的使用至關重要，因為設計、生產和測試真實天線樣品的周期會令人望而卻步，而且?guī)缀蹩隙〞е路亲罴言O計。模擬是一種非常寶貴的工具，但它當然只能帶您到此為止。一旦在仿真中達到最佳設計，就必須構建真實世界的原型，并測量性能。然后將真實世界測量和仿真的比較反饋到模型中，以改進模型并優(yōu)化解決方案。通過這種方法，通常只需要兩個構建周期即可完成設計。

顯示天線仿真模型和“甜甜圈”輻射方向圖的圖表。

射頻設計——黑魔法？

射頻設計通常被稱為“黑魔法”。事實上，它不是這樣的——射頻電子與任何其他類型一樣，都遵循物理定律。然而，使它變得更加復雜的關鍵因素是——與正常的數(shù)字設計不同——一組拓撲連接（即原理圖）不能簡單地轉換為任何等效的物理布局而不影響性能。

創(chuàng)建完整的解決方案

該解決方案結合了經驗、最新的設計和仿真工具以及要優(yōu)化的迭代。需要經驗來確保起點可能足夠接近最終要求。仿真工具允許人們以比構建原型快幾個數(shù)量級的速度嘗試設計選項。這允許快速多次迭代以確保第一次或第二次設計成功。

Nick Wood是超小型射頻模塊專家Insight SIP的銷售和營銷總監(jiān)。Nick 在電子行業(yè)擁有 30 年的業(yè)績記錄。此前，他在 CERN 研究基礎物理學，并在倫敦大學學院獲得粒子物理學博士學位。

Chris Barratt是 Insight SiP 的首席技術官和創(chuàng)始人。在過去 40 年左右的時間里，他曾在 National Semiconductor、Thales、Tekelec、Schlumberger 和 Thorn EMI 等公司的研發(fā)部門擔任過各種職務。他擁有劍橋大學的工程和電子學碩士學位，以及倫敦大學的醫(yī)學電子學碩士學位。