多协议微型天线设计案例分析

设计多协议无线系统有两种基本方法——使用射频芯片、无源器件、滤波器和连接天线从头开始构建系统；或者使用将所有这些元素集成到一个完整系统中的无线模块。

从头开始构建还是使用模块？

从头开始构建系统的主要优势在于——从长远来看，如果体积足够大——单位成本会更低。然而，要真正在项目的整个生命周期内节省资金，包括设计成本、测试、处理认证问题以及额外的采购和制造复杂性，就必须达到极高的产量。

模组优势

出于这个原因，许多设计人员转向无线解决方案的模块，因为这些模块提供预先集成的组件，通常经过主要市场的认证，从而缩短了设计时间和成本。此外，最先进的无线模块将比分立设计可能能够实现的还要小。

随着无线解决方案变得越来越复杂、多样化和功能强大，越来越多的电子解决方案希望将它们集成起来，而通常一种无线电技术是不够的。这代表了一个额外的技术挑战，因为您不仅必须让每项工作独立完成，而且还要确保两者不会相互干扰。RF 系统可能具有复杂且不明显的相互作用。

单个设备中的多个无线电

多个无线电也增加了认证问题，因为如果将两个经过认证的模块化无线电组合到同一个单元中，则需要进行额外的测试。

预打包的多协议解决方案

为满足这一需求，出现了预封装多协议无线解决方案的新兴趋势。组合蓝牙和 Wi-Fi 模块已经很常见了一段时间，但由于它们使用相同的 2.4 GHz 频率，这些可能是最简单的无线电组合，可以轻松使用相同的天线。

集成不同的无线电——案例研究

在这里——作为一个例子——我们将看看在集成两个完全不同的无线电时所面临的挑战——一个 2.4 GHz 蓝牙（低能量）设备和一个亚千兆赫的 LoRa 无线电。挑战是将所有电子设备和两个天线集成到尽可能小的封装解决方案中。虽然这些特定无线电有一些特定方面，但对于不同的选择，整体设计方法将是相似的。

第一步——模块电子

第一步是布局解决方案的电子部分。选择系统级封装技术以最小化尺寸，允许 200µm 间距。如此紧密的间距会给射频串扰和干扰带来严重风险，这意味着需要复杂的设计周期。

使用硬性设计规则和最佳实践设计经验创建了初始布局。为了避免无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 中进行仿真（CST 或 ADS FEM 是类似的工具）。由于第三方组件的完整物理模型通常不可用，因此在适当位置使用 N 端口 S 参数模型（可以获得），它提供了组件射频性能的足够接近的近似值。

通过这种方式，可以创建系统射频部分的完整射频仿真，从而可以评估关键性能特征，例如回波损耗、谐波效应等。这样可以优化所需频段的性能，还可以通过分析谐波频率的带外和发射以及调整系统以遵守法规限制来避免以后的认证问题。

第二步——天线设计

设计任务的第二个主要部分是天线子系统的设计。这部分有两个主要挑战

设计一个工作在亚千兆赫频率的微型天线。

保证两种天线功能的共存。

LoRa 无线电的工作频率范围为 868 – 930 MHz（因国家/地区而异）。这转化为 32 cm 波长。对于天线，四分之一波长代表实现相干传输的临界长度。由于本案例的目标是将天线集成到最长尺寸不超过 2 厘米的模块化电子元件中，因此这是一项重大挑战。

2.4 GHz 天线对小型化的挑战较小，但对 subGiga 天线的物理要求却大不相同。

分析了两个关键选项；同一设备中的两个独立天线和一个带有双工器的单一多模设计来路由两个无线电。两者都考虑了不同的物理结构选项——基板上的简单走线、使用通过 SiP 包覆成型的垂直通孔的 3-D 结构，以及包含在 SIP 包覆成型中的单独 3-D 天线组件。

迭代方法

与电子产品一样，采用了一种迭代方法，结合了设计经验、使用 ANSYS HFSS 的 3-D 电磁仿真，并在连续的设计周期中进行了优化。在初始阶段考虑了几种替代拓扑，不同的选择逐渐减少到最终设计。

天线设计流程

天线设计

对于天线设计，3D 仿真的使用至关重要，因为设计、生产和测试真实天线样品的周期会令人望而却步，而且几乎肯定会导致非最佳设计。模拟是一种非常宝贵的工具，但它当然只能带您到此为止。一旦在仿真中达到最佳设计，就必须构建真实世界的原型，并测量性能。然后将真实世界测量和仿真的比较反馈到模型中，以改进模型并优化解决方案。通过这种方法，通常只需要两个构建周期即可完成设计。

显示天线仿真模型和“甜甜圈”辐射方向图的图表。

射频设计——黑魔法？

射频设计通常被称为“黑魔法”。事实上，它不是这样的——射频电子与任何其他类型一样，都遵循物理定律。然而，使它变得更加复杂的关键因素是——与正常的数字设计不同——一组拓扑连接（即原理图）不能简单地转换为任何等效的物理布局而不影响性能。

创建完整的解决方案

该解决方案结合了经验、最新的设计和仿真工具以及要优化的迭代。需要经验来确保起点可能足够接近最终要求。仿真工具允许人们以比构建原型快几个数量级的速度尝试设计选项。这允许快速多次迭代以确保第一次或第二次设计成功。

Nick Wood是超小型射频模块专家Insight SIP的销售和营销总监。Nick 在电子行业拥有 30 年的业绩记录。此前，他在 CERN 研究基础物理学，并在伦敦大学学院获得粒子物理学博士学位。

Chris Barratt是 Insight SiP 的首席技术官和创始人。在过去 40 年左右的时间里，他曾在 National Semiconductor、Thales、Tekelec、Schlumberger 和 Thorn EMI 等公司的研发部门担任过各种职务。他拥有剑桥大学的工程和电子学硕士学位，以及伦敦大学的医学电子学硕士学位。