使用无线模块技术实现无线系统的小型化

有一种观点认为，使用无线模块可以帮助快速将产品推向市场并简化认证过程，但价格更高。

现代材料和设计现在可以帮助无线系统的小型化，优化天线设计和匹配无线电元件。即使可能会增加额外的尺寸，使用模块可以帮助隔离设计中的噪声敏感元素，从而提高系统的整体性能。最终，这可以导致更小的设计，因为它消除了对无线电前端的隔离的需要，这可能占用空间或在印刷电路板上需要更多层以提供隔离。虽然使设计更小，但这可能会花费更多。

在某些情况下，使用模块可能不会导致尺寸损失。事实上，将关键组件集成到模块本身的基板中可以减少占用空间，为无线系统的小型化提供更多好处。

对于某些应用，例如智能卡，模块是必不可少的，但是即使在这里，小型化也有创新。例如，英飞凌科技公司开发了一种“线圈模块”（CoM）封装技术，它认为这可以彻底改变双接口无线智能卡的设计和制造。

该技术简化并改进了电子识别的制造卡（eID），电子驾驶执照或带非接触式接口的健康保险卡。这些双接口卡构成了当今主要使用的基于接触的卡应用与新兴无线移动解决方案之间的桥梁。根据市场研究公司IHS的最新估计，政府和医疗保健双接口卡的数量将在2013年至2019年期间每年增长22％，而纯接触式卡则增长14％。

图1：英飞凌在RF芯片模块上使用线圈天线连接到智能卡上的天线。

设计是RF链路，而不是芯片模块和卡天线之间的通用机电连接，将模块电气耦合到卡上（参见图1）。这允许跳过在卡生产期间将芯片模块互连到卡天线的复杂过程。由于芯片模块和卡天线之间没有连接，这可能会因机械应力而受损，因此芯片模块比普通模块小20％，因此卡更坚固，更安全，因此可以提供额外的安全功能集成在卡中。 CoM技术还意味着带有集成天线的芯片和模块经过完美调整，无需卡制造商进行额外调整。

蓝牙

蓝牙模块的小型化正在推动无线技术应用于空间非常宝贵的越来越多的应用中。对于简单的蓝牙串行链路，无线模块可以采用小巧的六十球封装，尺寸仅为6.1 mm x 9.1 mm x 1.2 mm。德州仪器（TI）的LMX9830蓝牙串行端口模块是高度集成的蓝牙2.0基带控制器和2.4 GHz无线电，具有所需的所有硬件和固件，可提供从天线到蓝牙堆栈的完整下层和上层的完整解决方案，直至应用程序包括通用访问配置文件（GAP），服务发现应用程序配置文件（SDAP）和串行端口配置文件（SPP）。

图2：德州仪器（TI）LMX9830蓝牙串行链路模块的六十球封装。

不仅如此虽然很小，但附加软件还缩短了上市时间，因为该模块已预先认证为蓝牙集成组件，并包含可配置的服务数据库，以满足主机上其他配置文件的服务请求。

小型化源于TI CompactRISC 16位处理器架构和数字智能无线电技术的结合。片上ROM存储器中提供的固件提供完整的蓝牙（v2.0）堆栈，包括配置文件和命令接口，以及支持高达理论最大值的数据速率的点对点和点对多点链路管理RFComm为704 kbps，最多有7个有效蓝牙数据链路。

对于无线传感器，工业，医疗和汽车应用的更复杂模块，Panasonic的下一代智能手机兼容，即放即用PAN1322蓝牙模块集成了32位微控制器和蓝牙2.1 + EDR堆栈，串行端口配置文件（SPP），AT命令集API和陶瓷天线。

图3：Panasonic的PAN1322模块包含一个陶瓷天线。

这个成本计算的产品基于单个-chip解决方案，集成了ARM7TDMI处理器和蓝牙控制器，可使用安全简单配对（SSP）实现安全，可靠，高速的数据连接，无需手动创建密码。嵌入式串行端口配置文件（SPP）释放应用程序资源，而AT命令集API使用调制解调器命令创建简单的固件接口。板载天线消除了设计人员的2.4 GHz RF电路复杂性，全部采用15.6 mm x 8.7 mm x 2.8 mm模块，完全屏蔽以提高抗扰度。

无需外部元件，因为该模块还包括支持2.7至3.6 V电压的板载稳压器，并支持-40至+ 85°C的工业温度范围。

图4：在PAN1322中包含天线和稳压器消除了外部元件。

也许令人惊讶的是，软件架构的选择也可以帮助随着无线模块的小型化。

对于更复杂的蓝牙低功耗（BLE）和智能协议，Laird的BL600模块将Nordic Semiconductor nRF51822芯片组与RF集成在一起，提供低功耗和长无线范围，所有这些都在19 mm的紧凑空间内x 12.5毫米。虽然该模块包含支持BLE应用程序开发所需的所有硬件和固件，但是编程环境有助于进一步减小无线节点的整体尺寸。

Laird的事件驱动的smartBASIC编程语言显着简化了BLE集成，并允许模块的独立操作，从而可以通过任何接口连接传感器，而无需外部处理器，从而减小了节点的大小。一个简单的smartBASIC应用程序封装了传感器数据读取，写入和处理的完整端到端流程，然后使用BLE将其传输到任何蓝牙v4.0设备 - 智能手机，平板电脑，网关或计算机。最终，smartBASIC通过在模块内提供BLE专业知识，加速了初始开发，原型创建和批量生产。

图5：Laird BL600蓝牙智能模块比电池小。

Cellular

还有其他方法可以推动无线模块的小型化。使用陶瓷衬底似乎是一种昂贵的方法，但是这可以允许诸如电容器，电阻器甚至电感器的部件进入衬底的不同层。这使得滤波器可以轻松地包含在模块中，从而减小了整体尺寸，因为不需要外部分立元件。

陶瓷技术还可以通过其他方式帮助无线系统的小型化。对于使用MIMO（多输入，多输出）拓扑来提高性能的蜂窝系统，SAW滤波器的大小是关键考虑因素。因此，京瓷开发了一种用于分集的微型SAW滤波器模块，适用于需要小型化和低外形的通信终端。

图6：将分立元件集成到基板中该模块减小了京瓷SAW滤波器的尺寸。

模块尺寸为2.5 mm x 2.0 mm x 1.1 mm，采用小型SAW滤波器，将匹配电路和双工器集成到陶瓷基板中，支持通过专有的树脂模塑结构。具有低插入损耗和高衰减的滤波器特性来自匹配电路和双工器的设计，较小的尺寸来自将外部元件集成到陶瓷多层基板中。通过在安装有SAW滤波器，电容器或电感器的基板上涂覆树脂，该模块也变得更加坚固和可靠。

结论

模块可用于缩短无线系统的上市时间和资格认证时间，但凭借创新的设计技术，它们也被用作小型化的关键驱动力。减少无线链路的大小和复杂性正在将该技术推向越来越多的应用。通过几平方毫米的简单蓝牙模块，设计人员可以轻松实现无线连接，从而将其扩展到具有不同模块的更复杂设计。通过将天线和匹配电路集成到具有优化的硅控制器和电源管理的模块中，可以减小接口的整体尺寸。将外部元件集成到模块的基板中可以扩展这种小型化，从而进一步减小设计尺寸。