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Mar 26, 2023

L'ascesa del wireless evidenzia l'importanza del duale

In 2021, it's standard to expect wireless technologies in cell phones,

Nel 2021, è normale aspettarsi tecnologie wireless nei telefoni cellulari, nei computer e negli accessori audio. Tuttavia, i progetti RF si stanno facendo strada anche nei settori industriali, ad esempio nell’automazione, nella manutenzione predittiva e nelle interfacce uomo-macchina (HMI).

Queste applicazioni spesso sfruttano la banda ISM (industriale, scientifica, medica) da 2,4 GHz, che è un dominio legacy illimitato e sovrautilizzato per Wi-Fi 4. Sfortunatamente, la popolarità della regione dello spettro significa che i dispositivi che supportano questo sistema legacy potrebbero compromettere la vantaggi offerti dal Wi-Fi a 5 GHz.

Questa settimana, u-blox ha annunciato una nuova serie di chip radio, MAYA-W1, che affronta queste preoccupazioni e fornisce una soluzione multi-radio monolitica. Questi chip incorporano una radio da 2,4 GHz e 5 GHz e supportano la modalità Bluetooth Classic e BLE (Bluetooth a basso consumo energetico).

Si dice che il chip monolitico da 10,4 mm x 14,3 mm x 2,5 mm semplifichi l'integrazione della connettività wireless nelle applicazioni con le sue tre opzioni di formato di interfaccia: un'antenna incorporata e connettori U.FL o pin dell'antenna.

Stefan Berggren, Senior Product Marketing Manager di u-blox, spiega nel comunicato stampa: "Il Wi-Fi 4 continua ad essere la tecnologia più utilizzata nei nostri segmenti target, ma c'è preoccupazione per la congestione della banda a 2,4 GHz". Per superare questo problema, MAYA-W1 incorpora funzionalità dual-band, rendendolo un contendente per le applicazioni IoT.

Come funzionano esattamente i dispositivi come MAYA-W1 per portare la funzionalità dual-band in tali progetti embedded? Gli ingegneri potrebbero prendere in considerazione tre fattori: architettura, geometrie dell'antenna e moduli front-end RF.

Fondamentalmente, le radio dual-band (o multimodali) possono operare all'interno di due o più regioni distinte dello spettro RF. Il funzionamento in entrambe le regioni è possibile sia con ricevitori analogici supereterodina convenzionali sia attraverso la conversione diretta in un segnale digitale dalle frequenze GHz native.

Per realizzare il moderno campionamento RF, i progettisti devono utilizzare la conversione diretta dalle frequenze ricevute senza convertire il segnale con un oscillatore locale (supereterodina).

Per elaborare i circuiti filtrati e amplificati tramite applicazioni DSP, un ingegnere deve quindi utilizzare un throughput multi-gigahertz di ADC di fascia alta. Questo throughput semplifica notevolmente l'architettura RF richiesta per eseguire applicazioni radio multimodali senza limitare la possibile complessità delle modulazioni.

Oltre all’architettura, i progettisti dovrebbero anche considerare come le geometrie delle antenne possano limitare la gamma di energie ricevibili in modo coerente. Per superare questa limitazione, gli ingegneri possono costruire più geometrie di antenna nel proprio dispositivo o generare un'antenna "multi-banda" che funzioni in modo accettabile all'interno delle gamme di frequenza di interesse.

La larghezza di banda frazionaria rappresenta la larghezza di banda di un'antenna rispetto alla frequenza centrale di funzionamento. Varia tra 0 e 2, a seconda dell'entità del taglio della banda superiore e inferiore.

Una delle geometrie di antenna più popolari per i dispositivi wireless oggi è l'antenna F planare invertita (PIFA).

PIFA ha guadagnato popolarità perché può essere stampato direttamente su un PCB. Inoltre, funziona bene in un'ampia gamma di applicazioni RF, tra cui GSM, Bluetooth, Wi-Fi e molti altri standard cellulari.

Nonostante il successo dell'antenna PIFA per l'uso nella banda ISM cellulare e legacy, non è adatta per l'uso simultaneo a 5 GHz e 2,4 GHz. I progettisti devono utilizzare due antenne per il Wi-Fi 4 dual-band, che possono poi essere diplexate in un'unica linea di trasmissione da 50Ω sul PCB per l'elaborazione post-ricezione.

Velocità e larghezze di banda più elevate con il Wi-Fi a 5 GHz portano a una progettazione PCB più complessa a causa degli effetti della linea di trasmissione, che tengono conto dei vari sottosistemi FEM.

Oltre all'antenna, il modulo front-end RF (FEM) deve ospitare un'architettura più complessa per facilitare la doppia banda.