Menguasai Integrasi Nirkabel Miniatur Multiprotocol: Panduan Desain & Implementasi
Merancang sistem nirkabel multiprotocol biasanya mengikuti salah satu dari dua jalur: membangun dari nol dengan chip RF khusus, komponen pasif, filter, dan antena; atau memilih modul nirkabel siap pakai yang telah mengintegrasikan elemen-elemen ini.
Bangun dari nol atau gunakan modul?
Manfaat utama pembuatan kustom adalah biaya unit yang lebih rendah pada volume sangat tinggi. Namun, untuk mencapai keuntungan biaya di seluruh siklus hidup proyek—desain, pengujian, sertifikasi, pengadaan, dan kompleksitas manufaktur—biasanya diperlukan produksi massal volume besar.
Keuntungan Modul
Karena modul menggabungkan komponen yang telah terintegrasi sebelumnya yang biasanya telah disertifikasi untuk pasar utama, banyak desainer memilihnya. Modul memendekkan waktu desain, mengurangi biaya, dan seringkali menawarkan jejak yang lebih kecil dibandingkan implementasi diskrit yang sebanding.
Solusi nirkabel semakin canggih, beragam, dan mampu. Dalam banyak aplikasi satu teknologi radio tidak mencukupi, menciptakan kebutuhan untuk mengintegrasikan beberapa radio sambil memastikan mereka tidak saling mengganggu. Sistem RF dapat menunjukkan interaksi yang kompleks dan tidak jelas.
Beberapa radio dalam satu perangkat
Menambahkan lebih dari satu radio yang disertifikasi juga meningkatkan kompleksitas sertifikasi: setiap radio modular mungkin memerlukan pengujian tambahan ketika digabungkan ke dalam satu unit.
Solusi multiprotocol terkemas sebelumnya
Untuk mengatasi ini, tren yang tumbuh adalah ketersediaan modul nirkabel multiprotocol terkemas sebelumnya. Modul gabungan Bluetooth dan Wi-Fi telah umum selama beberapa waktu; karena mereka berbagi band 2,4 GHz, mereka seringkali dapat berbagi satu antena.
Mengintegrasikan radio berbeda – studi kasus
Sebagai contoh, kami memeriksa integrasi perangkat Bluetooth Low Energy 2,4 GHz dengan radio LoRa sub-gigahertz. Tantangannya adalah menyesuaikan elektronik dan kedua antena dalam paket yang sem kecil mungkin.
Langkah pertama – elektronik modul
Desain dimulai dengan arsitektur system-in-package (SiP), menargetkan spasi antar-lapisan 200 µm. Spasi sempit seperti ini meningkatkan risiko crosstalk dan interferensi RF, jadi siklus desain yang ketat esensial.
Tata letak awal dihasilkan menggunakan aturan desain keras dan best practice industri. Untuk menghindari pembuatan prototipe berulang, pendekatan simulasi-driven iteratif diadopsi. Model PCB 3-D disimulasikan di Ansys HFSS (setara dengan CST atau ADS FEM). Karena komponen pihak ketiga jarang menyediakan model fisik lengkap, model S-parameter N-port digunakan sebagai gantinya, menawarkan perkiraan yang dekat dari performa RF.
Dengan simulasi RF lengkap, metrik performa kunci—return loss, konten harmonik, dan emisi luar band—dapat dievaluasi. Ini memungkinkan optimisasi untuk band frekuensi target dan memastikan kepatuhan terhadap batas regulasi sebelum prototipe fisik apa pun dibangun.
Langkah kedua – desain antena
Subsistem antena menyajikan dua tantangan utama:
Membuat antena miniatur untuk operasi sub-gigahertz.
Memastikan koeksistensi dari kedua fungsi antena.
Radio LoRa beroperasi antara 868 MHz dan 930 MHz, tergantung negara, yang sesuai dengan panjang gelombang 32 cm. Mencapai satu kuartal panjang gelombang dalam perangkat yang terbatas 2 cm adalah tantangan teknik yang signifikan.
Antenna 2,4 GHz, sambil lebih mudah untuk diminiaturkan, memiliki persyaratan fisik yang berbeda dibandingkan antena sub-gig.
Dua strategi desain dievaluasi: (1) antena terpisah dalam perangkat yang sama, dan (2) antena multimode tunggal dengan diplexer untuk merutekan kedua radio. Setiap opsi dieksplorasi dalam tiga konfigurasi fisik—jejak sederhana pada substrat, struktur 3-D menggunakan via vertikal melalui overmold SiP, dan komponen antena 3-D khusus yang terembed dalam overmold.
Pendekatan iteratif
Seperti elektronik, desain antena mengikuti proses iteratif yang menggabungkan keahlian desain, simulasi elektromagnetik 3-D, dan siklus optimisasi berurunan. Beberapa topologi awal dipertimbangkan dan kemudian diedit hingga solusi akhir.
Desain antena
Simulasi tiga dimensi tak tergantikan; biaya mendesain, memfabrikasi, dan menguji antena fisik akan prohibitif dan kemungkinan menghasilkan hasil yang tidak optimal. Setelah desain yang dioptimalkan simulasi dihasilkan, prototipe dibuat dan diukur. Data ukuran kemudian diumpankan kembali ke model, menyempurnakan simulasi dan mempercepat konvergensi. Praktiknya, hanya dua siklus build-test yang biasanya diperlukan untuk mencapai desain akhir.
Desain RF – sihir hitam?
Rekayasa RF sering disebut “sihir hitam,” tetapi itu cukup mengikuti hukum fisika yang sama yang mengatur semua elektronik. Kompleksitas terletak pada menerjemahkan skematik menjadi tata letak fisik tanpa mengorbankan performa; tidak seperti logika digital, topologi RF sangat sensitif terhadap geometri jejak dan parasitika.
Ciptakan solusi lengkap
Solusi akhir adalah hasil keahlian dalam, alat simulasi terbaru, dan optimisasi iteratif. Titik awal yang kuat, yang diinformasikan oleh pengalaman industri, digabungkan dengan siklus simulasi cepat, memungkinkan desainer untuk mencapai keberhasilan pada kali pertama atau, pada kasus terburuk, redesign pada kali kedua.
Nick Wood adalah Direktur Pemasaran dan Penjualan di Insight SiP, spesialis modul RF miniatur ultra. Dengan catatan tiga puluh tahun di industri elektronik, Nick sebelumnya melakukan penelitian fisika fundamental di CERN dan mendapatkan PhD fisika partikel dari University College London. Chris Barratt adalah CTO dan pendiri bersama Insight SiP. Selama empat dekade terakhir, ia telah menempati posisi R&D di National Semiconductor, Thales, Tekelec, Schlumberger, dan Thorn EMI. Ia memiliki MA teknik dan elektronika dari University of Cambridge dan MSc elektronika medis dari University of London.
