Multiprotokoll-Miniatur-Funkintegration Wie unterschiedliche Funkgeräte in ein Gehäuse integriert werden können

Autor / Redakteur: Dr. Nick Wood und Chris Barratt* / Stefan Guggenberger

Durch eine ausgeklügelte Modulbauweise und Simulationen können verschiedene Funksysteme in einem Gerät kombiniert werden. Wie das geht, zeigt eine Fallstudie mit einem 2,4-GHz-Bluetooth-Gerät und einem Sub-Gigahertz-LoRa-Funkgerät.

Unterschiedliche Funkgeräte auf wenig Raum zu kombinieren ist herausfordernd, weil dadurch das Risiko von Interferenzen und Übersprechen erhöht wird. Um eine geeignete Lösung für diese Probleme zu finden, bietet sich der Einsatz von Simulationen an.
Unterschiedliche Funkgeräte auf wenig Raum zu kombinieren ist herausfordernd, weil dadurch das Risiko von Interferenzen und Übersprechen erhöht wird. Um eine geeignete Lösung für diese Probleme zu finden, bietet sich der Einsatz von Simulationen an.
(Bild: gemeinfrei // Unsplash)

Es gibt zwei grundsätzliche Herangehensweisen für die Entwicklung eines drahtlosen Systems: Das System von Grund auf aufbauen, mit einem HF-Chip, passiven Komponenten, Filtern und dem Anschluss einer Antenne, oder ein drahtloses Modul verwenden, das all diese Elemente in ein komplettes System integriert.

Von Grund auf aufbauen oder ein Modul verwenden?

Der Hauptvorteil, ein System von Grund auf neu zu bauen ist, dass - auf lange Sicht und bei ausreichender Stückzahl - die Stückkosten niedriger sein werden. Um jedoch über den gesamten Lebenszyklus eines Projekts hinweg Geld zu sparen, einschließlich der Kosten für die Konstruktion, das Testen, den Umgang mit Zertifizierungsfragen und die zusätzliche Komplexität bei der Beschaffung und Herstellung, müssen extrem hohe Stückzahlen erreicht werden.

Vorteile des modularen Aufbaus

Aus diesem Grund wenden sich viele Entwickler für drahtlose Lösungen Modulen zu, da diese vorintegrierten Komponenten bieten. Module sind in der Regel für die wichtigsten Märkte zertifiziert und verkürzen damit die Konstruktionszeit und -kosten. Außerdem sind die fortschrittlichsten drahtlosen Module kleiner, als es mit einem diskreten Design wahrscheinlich möglich wäre.

Da drahtlose Techniken immer ausgefeilter, vielfältiger und leistungsfähiger werden, verwenden viele Lösungen dafür Module. Oft ist dabei eine Art von Funktechnologie nicht ausreichend. Dies stellt eine zusätzliche technische Herausforderung dar. Man muss nicht nur dafür sorgen, dass jede Funktechnologie für sich allein funktioniert, sondern auch gegenseitige Stören vermeiden, denn Radio-Frequency (RF)-Systeme können komplexe und nicht offensichtliche Wechselwirkungen haben.

Multiprotokoll-Lösungen machen die Kombination mehrere Funkgeräte einfacher

Mehrere Funkgeräte erhöhen auch die Zertifizierungsprobleme, da zwei zertifizierte, modulare Funkgeräte zusätzliche Tests benötigen, wenn sie im selben Gerät kombiniert werden.

Um diesem Bedarf gerecht zu werden, gibt es einen aufkommenden Trend zu vorkonfektionierten Multiprotokoll-Funklösungen. Kombinierte Bluetooth- und WiFi-Module sind schon seit einiger Zeit üblich. Da diese die gleiche 2,4-GHz-Frequenz nutzen, sind dies vielleicht die am einfachsten zu kombinierenden Funkgeräte, die problemlos die gleiche Antenne verwenden können.

Fallstudie zur Integration verschiedener Funkgeräte

Hier - als Fallbeispiel - betrachten wir die Herausforderungen bei der Integration von zwei ganz unterschiedlichen Funkgeräten - einem 2,4-GHz-Bluetooth (Low Energy)-Gerät und einem Sub-Gigahertz-LoRa-Funk (LoRa steht für Long Range). Die Herausforderung bestand darin, die gesamte Elektronik und beide Antennen in eine möglichst kleine Gehäuselösung zu integrieren. Obwohl es einige spezifische Aspekte bei diesen speziellen Funkgeräten gibt, wäre der allgemeine Designansatz bei einer anderen Wahl ähnlich.

Erster Schritt - Modul-Elektronik

Der erste Schritt war das Layout des elektronischen Teils der Lösung. Um die Größe zu minimieren, wurde die System-in-Package-Technologie gewählt, die einen Abstand von 200 µm erlaubt. Solch enge Abstände stellen ein ernsthaftes Risiko für HF-Übersprechen (ungewollte Signalübetragung über ein anders Kabel) und Interferenzen (Überlagerung mehrerer Wellen) dar, so dass ein komplexer Designzyklus erforderlich ist.

Es wurde ein erstes Layout erstellt, das sowohl harte Designregeln als auch Best-Practice-Designerfahrungen nutzte. Um endlose Prototypen-Fertigungszyklen zu vermeiden, wurde ein iterativer Ansatz auf der Basis von Simulationen verwendet. Ein 3D-Layout des Substrats (PCB) wird in Ansys HFSS simuliert (CST oder ADS FEM sind ähnliche Tools). Da ein vollständiges physikalisches Modell der Komponenten von Drittanbietern in der Regel nicht verfügbar ist, werden stattdessen N-Tor-S-Parameter-Modelle (die beschafft werden können) verwendet, die eine hinreichend gute Annäherung an das HF-Verhalten der Komponenten bieten.

Auf diese Weise kann eine vollständige HF-Simulation des HF-Teils des Systems erstellt werden, so dass die wichtigsten Leistungsmerkmale, wie Rückflussdämpfung und Oberwelleneffekte bewertet werden können. Dies ermöglicht die Optimierung der Leistung in den gewünschten Frequenzbändern und vermeidet auch spätere Zertifizierungsprobleme, da Out-of-Band- und Emissionen bei harmonischen Frequenzen analysiert und das System so abgestimmt werden kann, dass die gesetzlichen Grenzwerte eingehalten werden.

Zweiter Schritt - Antennenentwurf

So lief der Prozessablauf für den Antennenentwurf ab.
So lief der Prozessablauf für den Antennenentwurf ab.
(Bild: Insight SiP)

Der zweite große Teil der Designaufgabe war das Design des Antennen-Subsystems. In diesem Teil gab es zwei wesentliche Herausforderungen:

  • Der Entwurf einer Miniaturantenne für den Betrieb bei Sub-Gigahertz-Frequenzen.
  • Die Sicherstellung der Koexistenz der beiden Antennenfunktionen.

Dieses Modell der Antenne wurde mit einem Simulationstool erstellt.
Dieses Modell der Antenne wurde mit einem Simulationstool erstellt.
(Bild: Insight SiP)

Der LoRa-Funk arbeitet im Bereich 868 - 930 Mhz (je nach Land etwas unterschiedlich). Dies entspricht einer Wellenlänge von 32 cm. Für eine Antenne stellt eine Viertelwellenlänge eine kritische Länge dar, um eine kohärente Übertragung zu erreichen. Da das Ziel in diesem Fall war, die Antenne in eine modulare, elektronische Komponente zu integrieren, die in der längsten Abmessung nicht mehr als 2 cm misst, stellt dies eine große Herausforderung dar.

Die 2,4-GHz-Antenne stellt eine geringere Herausforderung für die Miniaturisierung dar, hat aber ganz andere physikalische Anforderungen als die Sub-Giga-Antenne.

Nachdem das Modell der Antenne erstellt wurde, kann auch ein Donut-Abstrahlungsdiagramm simuliert werden.
Nachdem das Modell der Antenne erstellt wurde, kann auch ein Donut-Abstrahlungsdiagramm simuliert werden.
(Bild: Insight SiP)

Zwei Hauptoptionen wurden analysiert: zwei getrennte Antennen innerhalb desselben Geräts und ein einzelnes Multimode-Design mit einem Diplexer, um die beiden Funkgeräte zu führen. Für beide wurden verschiedene physikalische Strukturoptionen in Betracht gezogen - eine einfache Leiterbahn auf dem Substrat, eine 3D-Struktur mit vertikalen Vias durch den Overmold des SIP und eine separate 3D-Antennenkomponente innerhalb des SIP-Overmolds.

Ein iterativer Ansatz fördert die beste Lösung zutage

Wie bei der Elektronik wurde ein iterativer Ansatz gewählt, der Design-Erfahrungen, elektromagnetische 3D-Simulationen mit Ansys HFSS und Optimierungen in aufeinanderfolgenden Design-Zyklen kombiniert. In der Anfangsphase wurden mehrere alternative Topologien in Betracht gezogen, wobei die verschiedenen Möglichkeiten nach und nach auf ein endgültiges Design reduziert wurden.

3D-Simulation macht Antennenentwurf möglich

Für das Antennendesign ist der Einsatz von 3D-Simulationen entscheidend, da der Zeitaufwand für den Entwurf, die Herstellung und den Test von realen Antennenmustern unerschwinglich wäre und mit ziemlicher Sicherheit zu einem nicht optimalen Design führen würde.

Die Simulation ist ein unschätzbares Werkzeug, aber sie kann natürlich nur bis zu einem bestimmten Punkt führen. Sobald ein optimales Design in der Simulation gefunden wurde, muss ein realer Prototyp gebaut und die Leistung gemessen werden. Die Vergleiche der realen Messungen und der Simulation werden dann wieder in das Modell eingespeist, um es zu verfeinern und die Lösung zu optimieren. Bei dieser Methode sind normalerweise nur zwei Bauzyklen erforderlich, um zu einem fertigen Design zu gelangen.

RF-Design - Schwarze Magie?

HF-Design wird oft als 'Schwarze Magie' bezeichnet. In Wahrheit ist das nicht der Fall - Hochfrequenzelektronik gehorcht den Gesetzen der Physik genauso wie jede andere Elektronik. Der Schlüsselfaktor, der sie komplexer macht, ist jedoch, dass - anders als bei einem normalen digitalen Design - ein topologischer Satz von Verbindungen (ein Schaltplan) nicht einfach in ein äquivalentes physikalisches Layout übersetzt werden kann, ohne dass dies Auswirkungen auf die Leistung hat.

Simulationen führen effizienter zur Lösung als Prototypen

Die Lösung ist eine Kombination aus Erfahrung, aktuellen Design- und Simulationstools und Iterationen zur Optimierung. Die Erfahrung ist notwendig, um sicherzustellen, dass der Ausgangspunkt wahrscheinlich nahe genug an dem liegt, was letztendlich benötigt wird. Die Simulationswerkzeuge erlauben es, Designoptionen mit einer Geschwindigkeit auszuprobieren, die um Größenordnungen schneller ist als der Bau von Prototypen. Dies ermöglicht schnelle, mehrfache Iterationen, um den Erfolg des Designs beim ersten oder zweiten Mal sicherzustellen.

* Dr. Nick Wood ist Direktor Vertrieb & Marketingund bei Insight SiP und Chris Barratt ist CTO bei SiP.

(ID:47569465)