マルチプロトコルミニチュアワイヤレス統合のガイド
マルチプロトコルワイヤレスシステムを設計するには、2つの基本的なアプローチがあります。RFチップ、パッシブ、フィルターを使用してシステムをゼロから構築し、アンテナを接続します。または、これらすべての要素を完全なシステムに統合するワイヤレスモジュールを使用します。
ゼロから構築しますか、それともモジュールを使用しますか？
システムをゼロから構築する主な利点は、長期的には十分な量があれば、単価が低くなることです。ただし、設計コスト、テスト、認証問題の処理、追加の調達と製造の複雑さなど、プロジェクトのライフサイクル全体で真にコストを節約するには、非常に大量に到達する必要があります。
モジュールの利点
このため、多くの設計者はワイヤレスソリューション用のモジュールを利用しています。これらのモジュールは、通常は主要市場で認定された事前統合コンポーネントを提供し、設計時間とコストを削減します。さらに、最先端のワイヤレスモジュールは、ディスクリート設計で実現できる可能性が高いものよりも小さくなります。
ワイヤレスソリューションがますます洗練され、多様で有能になるにつれて、より多くの電子ソリューションがそれらを統合しようとしています。多くの場合、1つのタイプの無線テクノロジーでは不十分です。これは、それぞれを独自に機能させるだけでなく、2つが互いに干渉しないようにする必要があるため、追加の技術的な課題を表します。 RFシステムは、複雑で非自明な相互作用を持つ可能性があります。
1つのデバイスに複数の無線機
2つの認定されたモジュラー無線機を同じユニットに組み合わせる場合は追加のテストが必要になるため、複数の無線機も認定の問題を増やします。
事前にパッケージ化されたマルチプロトコルソリューション
このニーズを満たすために、事前にパッケージ化されたマルチプロトコルワイヤレスソリューションの新たなトレンドがあります。 BluetoothモジュールとWi-Fiモジュールの組み合わせは以前から一般的でしたが、これらは同じ2.4 GHz周波数を使用するため、おそらく最も簡単に組み合わせることができ、同じアンテナを簡単に使用できます。
さまざまなラジオの統合–ケーススタディ
ここでは、例として、2.4 GHz Bluetooth（Low Energy）デバイスとサブギガヘルツのLoRa無線の2つのまったく異なる無線を統合する際の課題について説明します。課題は、すべての電子機器と両方のアンテナを可能な限り最小のパッケージソリューションに統合することでした。これらの特定の無線機にはいくつかの特定の側面がありますが、全体的な設計アプローチは、別の選択肢でも同様です。
最初のステップ–モジュールの電子機器
最初のステップは、ソリューションの電子機器部分をレイアウトすることでした。サイズを最小限に抑え、200µmの間隔を可能にするために、システムインパッケージテクノロジーが選択されました。このような狭い間隔は、RFクロストークと干渉の深刻なリスクをもたらします。つまり、複雑な設計サイクルが必要になります。
初期レイアウトは、ハードデザインルールとベストプラクティスのデザインエクスペリエンスの両方を使用して作成されました。無限のプロトタイプ製造サイクルを回避するために、シミュレーションに基づく反復アプローチが使用されました。基板（PCB）の3Dレイアウトは、Ansys HFSSでシミュレートされます（CSTまたはADS FEMは同様のツールです）。サードパーティコンポーネントの完全な物理モデルは通常利用できないため、コンポーネントのRFパフォーマンスの十分に近い近似値を提供するNポートSパラメータモデル（取得可能）が適切に使用されます。
このようにして、システムのRF部分の完全なRFシミュレーションを作成できるため、反射減衰量、高調波効果などの主要なパフォーマンス特性を評価できます。これにより、目的の周波数帯域でのパフォーマンスを最適化できます。また、高調波周波数での帯域外および放射を分析し、規制の制限を尊重するようにシステムを調整できるため、後の認証の問題を回避できます。
2番目のステップ–アンテナの設計
設計タスクの2番目の主要な部分は、アンテナサブシステムの設計でした。この部分には2つの主要な課題がありました
- サブギガヘルツ周波数で動作するミニチュアアンテナの設計。
- 2つのアンテナ機能の共存を保証します。
LoRa無線は、868〜930 MHzの範囲で動作します（国によって多少異なります）。これは、32cmの波長に相当します。アンテナの場合、1/4波長は、コヒーレント伝送を実現するための重要な長さを表します。この場合の目的は、アンテナを最長寸法が2cm以下のモジュール式電子部品に統合することであったため、これは重大な課題となります。
2.4 GHzアンテナは、小型化の難しさは少ないですが、subGigaアンテナとはまったく異なる物理的要件があります。
2つの重要なオプションが分析されました。同じデバイス内の2つの別々のアンテナと、2つの無線をルーティングするためのダイプレクサーを備えた単一のマルチモード設計。どちらの場合も、さまざまな物理構造オプションが検討されました。基板上の単純なトレース、SiPのオーバーモールドを通る垂直ビアを使用した3D構造、およびSIPオーバーモールド内に含まれる個別の3Dアンテナコンポーネントです。
反復的なアプローチ
エレクトロニクスと同様に、設計経験、ANSYS HFSSを使用した3D電磁シミュレーション、および連続する設計サイクルでの最適化を組み合わせた反復アプローチが採用されました。初期段階ではいくつかの代替トポロジが検討され、さまざまな選択肢が徐々に最終的な設計に絞り込まれました。
アンテナのデザイン
アンテナの設計では、3Dシミュレーションの使用が重要です。これは、実際のアンテナサンプルを設計、生成、およびテストするサイクルが法外であり、ほぼ確実に最適でない設計につながるためです。シミュレーションは非常に貴重なツールですが、もちろん、これまでのところしか理解できません。シミュレーションで最適な設計に到達したら、実際のプロトタイプを作成し、パフォーマンスを測定する必要があります。次に、実際の測定値とシミュレーションの比較がモデルにフィードバックされ、モデルが改良され、ソリューションが最適化されます。この方法では、通常、完成した設計に到達するために必要なのは2サイクルのビルドだけです。
RF設計–黒魔術？
RF設計は、しばしば「黒魔術」と呼ばれます。実のところ、それはそのようなことではありません–無線周波数電子機器は、他のタイプと同じように物理法則に従います。ただし、それをより複雑にする主な要因は、通常のデジタル設計とは異なり、トポロジ接続のセット（つまり、回路図）を、パフォーマンスに影響を与えることなく、同等の物理レイアウトに単純に変換できないことです。
完全なソリューションを作成する
ソリューションは、経験、最新の設計およびシミュレーションツール、および最適化のための反復の組み合わせです。開始点が最終的に必要なものに十分に近いことを確認するには、経験が必要です。シミュレーションツールを使用すると、プロトタイプを作成するよりも桁違いに高速に設計オプションを試すことができます。これにより、迅速な複数回の反復が可能になり、1回目または2回目の設計を確実に成功させることができます。
ニックウッド 超小型RFモジュールのスペシャリストであるInsightSIPのセールスおよびマーケティングディレクターです。 Nickは、エレクトロニクス業界で30年の実績があります。以前、彼はCERNで基礎物理学を研究し、ロンドン大学ユニバーシティカレッジで素粒子物理学の博士号を取得しました。
クリス・バレット CTOであり、InsightSiPの創設者です。過去40年ほどの間、彼はNational Semiconductor、Thales、Tekelec、Schlumberger、ThornEMIなどの企業で研究開発にさまざまな役割を果たしてきました。ケンブリッジ大学で工学と電子工学の修士号を取得し、ロンドン大学で医用電子工学の修士号を取得しています。
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