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无线技术的兴起凸显了双频无线电设计的重要性

2021年3月19日通过阿德里安·吉布尔斯

无线集成是大多数IOT设计的现实。设计师如何更加无缝地单一整合2.4 GHz和5 GHz?

到2021年,手机、电脑和音频配件的无线技术将成为标准。然而,射频设计也正在进入工业领域,例如自动化、预测性维护和人机界面(HMI)。

这些应用程序经常挖掘2.4 GHzISM(工业,科学,医疗)乐队,这是一个不受限制的,过度融合,Wi-Fi 4的传统领域.不幸的是,频段的普及意味着支持这一传统系统的设备可能会牺牲5ghz Wi-Fi带来的好处。

u-blox推进单片集成

本周,u-blox发布了一款新的无线芯片系列Maya-W1.,这解决这些问题并提供单片多无线电解决方案.这些芯片包含2.4 GHz和5 GHz收音机,支持蓝牙经典模式和BLE(蓝牙低能耗)

据说10.4 mm x 14.3 mm x 2.5 mm单片芯片以简化将无线连接的无线连接用三个接口格式选项:嵌入式天线和U.fl连接器或天线引脚。

Maya-W1家族的图像来自U-Blox的。

来自u-blox的MAYA-W1家族。图片由u-blox

在新闻发布会上,u-blox的高级产品营销经理Stefan Berggren解释说:“Wi-Fi - 4仍然是我们目标市场中使用最多的技术,但2.4 GHz频段的拥塞问题令人担忧。”为了克服这个问题,MAYA-W1集成了双频功能,使其成为物联网应用的竞争者。

像MAYA-W1这样的设备到底是如何将双频功能引入这种嵌入式设计的呢?工程师可能会考虑三个因素:架构、天线几何形状和射频前端模块。

双频应用的电子架构

基本上,双频(或多模)无线电可以在两个或多个不同的射频频谱区域内工作。在这两个地区开展业务都是可行的传统超外差模拟接收机或通过直接转换成数字信号从固有的GHz频率

为了完成现代的RF采样,设计人员必须使用从所接收的频率的直接转换,而无需将信号与本地振荡器(超差异)转换。

具有直接转换的频分双工接收机架构的示例。

具有直接转换的频分双工接收机架构的示例。图片由德州仪器公司

为了通过DSP应用来处理滤波和放大电路,工程师必须使用高端adc的千兆赫吞吐量。这个吞吐量极大地简化了运行多模式无线电应用所需的射频体系结构,而不限制可能的调制的复杂性。

天线几何形状确定“分数带宽”

除了结构之外,设计师还应该考虑天线的几何形状如何限制能量的相干可接收范围。为了克服这一限制,工程师可以在他们的设备中构建多个天线几何形状,或者产生一个“多波段”天线,在感兴趣的频率范围内可接受的工作。

分数带宽表示天线相对于操作的中心频率的宽带程度。它在0到2之间变化,具体取决于上部和下部带截止的程度。

今天无线设备最受欢迎的天线几何形状之一是平面倒F天线(PIFA)。

3d回报pifa天线,由学生设计在马来西亚大学的珍宝。

由学生设计的PIFA天线的3D翻译在马来西亚大学的学生佩斯利斯。图片由Munzer等人和MATEC Web of Conferences

PIFA的普及是因为它可以直接印刷在PCB上。此外,它在广泛的射频应用中功能良好,包括GSM、蓝牙、Wi-Fi和其他一些蜂窝标准。

尽管PIFA天线在蜂窝和遗留ISM频段中使用的成功,但不适合在5ghz和2.4 GHz同时使用.设计人员必须使用两个天线用于Wi-Fi 4双频带,然后可以在PCB上的单个50Ω传输线路流到接收处理。

由于传输线效应,5ghz Wi-Fi的更高速度和带宽导致更复杂的PCB设计,考虑到各种有限元子系统。

双频应用的复杂射频有限元

超越天线,RF前端模块(FEM)必须适应更复杂的架构以方便双频。

这幅图像是一个多路超外差无线电前端的例子。 

这幅图像是一个多路超外差无线电前端的例子。图片由弗吉尼亚科技

预选(通过使用双工器或多路复用器)是用于将在天线处接收的信号分离到它们各自的能带中的过程以进行下变频和处理。

嵌入式设计中的灵活性

MAYA-W1是一个有趣的例子,说明了这三个设计原则是如何结合在一起提供双频功能的。u-blox声称,它将设计灵活性作为开发新模块的重点,提供双模式蓝牙(BLE和Classic)和Wi-Fi 4。为此,该模块预先集成了NXP的MCUXpresso开发环境。

包括双频能力的设备在电源管理,EV充电,车队管理,远程信息处理和专业设备中越来越有用。


您是否在设计或嵌入式编程中使用了RF双频范围的任何经验?让我们在下面的评论中了解。