Panduan untuk integrasi nirkabel miniatur multiprotokol
Ada dua pendekatan dasar untuk merancang sistem nirkabel multiprotokol – membangun sistem dari awal dengan chip RF, pasif, filter, dan menghubungkan antena; atau gunakan modul nirkabel yang mengintegrasikan semua elemen ini ke dalam sistem yang lengkap.
Buat dari awal atau gunakan modul?
Keuntungan utama membangun sistem dari awal adalah – dalam jangka panjang, dan dengan volume yang cukup – biaya per unit akan lebih rendah. Namun, untuk benar-benar menghemat uang selama siklus hidup penuh suatu proyek, termasuk biaya desain, pengujian, penanganan masalah sertifikasi, dan pengadaan tambahan serta kompleksitas manufaktur, volume yang sangat tinggi perlu dicapai.
Kelebihan modul
Untuk alasan ini, banyak desainer beralih ke modul untuk solusi nirkabel, karena ini menawarkan komponen pra-integrasi, biasanya disertifikasi untuk pasar utama, dan dengan demikian mempersingkat waktu dan biaya desain. Selain itu, modul nirkabel tercanggih akan lebih kecil dari yang mungkin dapat dicapai oleh desain terpisah.
Karena solusi nirkabel menjadi semakin canggih, beragam dan mampu, lebih banyak solusi elektronik terlihat untuk mengintegrasikannya, dan seringkali satu jenis teknologi radio tidak cukup. Ini merupakan tantangan teknis tambahan, karena Anda tidak hanya harus membuat masing-masing bekerja sendiri, tetapi juga memastikan bahwa keduanya tidak saling mengganggu. Sistem RF dapat memiliki interaksi yang kompleks dan tidak jelas.
Beberapa radio dalam satu perangkat
Beberapa radio juga meningkatkan masalah sertifikasi, karena dua radio modular bersertifikat memerlukan pengujian tambahan jika digabungkan ke dalam unit yang sama.
Solusi multiprotokol pra-paket
Untuk memenuhi kebutuhan ini, muncul tren solusi nirkabel multiprotokol pra-paket. Gabungan modul Bluetooth dan Wi-Fi sudah umum untuk beberapa waktu, tetapi karena ini menggunakan frekuensi 2,4 GHz yang sama, ini mungkin radio paling sederhana untuk digabungkan, dengan mudah dapat menggunakan antena yang sama.
Mengintegrasikan radio yang berbeda – studi kasus
Di sini – sebagai contoh kasus – kita akan melihat tantangan dalam mengintegrasikan dua radio yang sangat berbeda – perangkat Bluetooth 2,4 GHz (Energi Rendah) dan radio LoRa sub-gigahertz. Tantangannya adalah mengintegrasikan semua elektronik dan kedua antena ke dalam solusi paket sekecil mungkin. Meskipun ada beberapa aspek khusus untuk radio khusus ini, pendekatan desain keseluruhan akan serupa untuk pilihan yang berbeda.
Langkah pertama – elektronik modul
Langkah pertama adalah menata bagian elektronik dari solusi. Teknologi sistem-dalam-paket dipilih untuk meminimalkan ukuran, memungkinkan jarak 200µm. Jarak yang sempit seperti itu menimbulkan risiko serius untuk crosstalk dan interferensi RF, yang berarti diperlukan siklus desain yang rumit.
Tata letak awal dibuat menggunakan aturan desain keras dan pengalaman desain praktik terbaik. Untuk menghindari siklus manufaktur prototipe tanpa akhir, pendekatan iteratif berdasarkan simulasi digunakan. Tata letak 3-D substrat (PCB) disimulasikan dalam Ansys HFSS (CST atau ADS FEM adalah alat serupa). Karena model fisik lengkap dari komponen pihak ketiga biasanya tidak tersedia, model parameter S-port N (yang dapat diperoleh) digunakan di tempat, yang memberikan perkiraan yang cukup dekat tentang kinerja RF komponen.
Dengan cara ini simulasi RF penuh dari bagian RF dari sistem dapat dibuat, sehingga karakteristik kinerja utama, seperti kerugian balik, efek harmonik, dan sebagainya, dapat dinilai. Hal ini memungkinkan kinerja di pita frekuensi yang diinginkan untuk dioptimalkan, dan juga menghindari masalah sertifikasi di kemudian hari dengan mengizinkan keluar dari pita dan emisi pada frekuensi harmonik untuk dianalisis dan sistem disetel untuk mematuhi batas peraturan.
Langkah kedua – Desain antena
Bagian utama kedua dari tugas desain adalah desain subsistem antena. Ada dua tantangan utama untuk bagian ini
Mendesain antena mini untuk bekerja pada frekuensi sub-Gigahertz.
Memastikan ko-eksistensi kedua fungsi antena.
Radio LoRa beroperasi pada kisaran 868 – 930 MHz (agak berbeda menurut negara). Ini berarti panjang gelombang 32 cm. Untuk antena, seperempat panjang gelombang mewakili panjang kritis untuk mencapai transmisi yang koheren. Karena tujuan dalam kasus ini adalah untuk mengintegrasikan antena ke dalam komponen elektronik modular tidak lebih dari 2cm dalam dimensi terpanjang, ini merupakan tantangan yang signifikan.
Antena 2,4 GHz menghadirkan lebih sedikit tantangan untuk miniaturisasi tetapi memiliki persyaratan fisik yang sangat berbeda dengan antena subGiga.
Dua pilihan kunci dianalisis; dua antena terpisah dalam perangkat yang sama dan desain multimode tunggal dengan diplexer untuk merutekan dua radio. Untuk keduanya, opsi struktur fisik yang berbeda dipertimbangkan – jejak sederhana pada substrat, struktur 3-D menggunakan vias vertikal melalui overmold SiP, dan komponen antena 3-D terpisah yang terkandung dalam overmold SIP.
Pendekatan berulang
Seperti halnya elektronik, pendekatan berulang diambil, menggabungkan pengalaman desain, simulasi elektromagnetik 3-D menggunakan ANSYS HFSS, dan mengoptimalkan dalam siklus desain yang berurutan. Beberapa topologi alternatif dipertimbangkan pada fase awal, dengan pilihan yang berbeda secara bertahap dikurangi hingga desain akhir.
Desain antena
Untuk desain antena, penggunaan simulasi 3-D sangat penting, karena siklus untuk merancang, memproduksi, dan menguji sampel antena nyata akan menjadi penghalang dan hampir pasti mengarah pada desain yang tidak optimal. Simulasi adalah alat yang sangat berharga tetapi tentu saja itu hanya dapat membawa Anda sejauh ini. Setelah desain yang optimal dicapai dalam simulasi, prototipe dunia nyata harus dibangun, dan kinerjanya diukur. Perbandingan pengukuran dan simulasi dunia nyata kemudian dimasukkan kembali ke dalam model untuk menyempurnakannya dan mengoptimalkan solusi. Dengan metode ini, biasanya hanya diperlukan dua siklus pembangunan untuk sampai pada desain yang telah selesai.
Desain RF – ilmu hitam?
Desain RF sering disebut sebagai "ilmu hitam". Sebenarnya tidak ada hal seperti itu – elektronik frekuensi radio mematuhi hukum fisika seperti halnya jenis lainnya. Namun, faktor kunci yang membuatnya lebih kompleks adalah – tidak seperti desain digital normal – rangkaian koneksi topologi (yaitu skema) tidak dapat diterjemahkan secara sederhana dalam tata letak fisik yang setara tanpa implikasi kinerja.
Buat solusi lengkap
Solusinya adalah kombinasi dari pengalaman, desain terkini dan alat simulasi serta iterasi untuk dioptimalkan. Pengalaman diperlukan untuk memastikan titik awal kemungkinan cukup dekat dengan apa yang pada akhirnya dibutuhkan. Alat simulasi memungkinkan seseorang untuk mencoba opsi desain pada tingkat yang lebih cepat daripada membangun prototipe. Hal ini memungkinkan beberapa iterasi yang cepat untuk memastikan keberhasilan desain pertama atau kedua.
Nick Wood adalah direktur penjualan dan pemasaran di Insight SIP, spesialis modul RF ultra-miniatur. Nick memiliki rekam jejak selama tiga puluh tahun di industri elektronik. Sebelumnya ia meneliti fisika dasar di CERN dan memperoleh gelar PhD dalam fisika partikel dari University College London.
Chris Barratt adalah CTO dan pendiri Insight SiP. Selama kurang lebih 40 tahun terakhir, ia memiliki berbagai peran dalam penelitian dan pengembangan dengan perusahaan termasuk National Semiconductor, Thales, Tekelec, Schlumberger dan Thorn EMI. Dia memiliki gelar MA dalam bidang teknik dan elektronik dari University of Cambridge, dan gelar MSc dalam bidang elektronik medis dari University of London.
