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Mar 26, 2023

Der Aufstieg von Wireless unterstreicht die Bedeutung von Dual

Im Jahr 2021 ist mit drahtlosen Technologien in Mobiltelefonen zu rechnen.

Im Jahr 2021 ist mit drahtlosen Technologien in Mobiltelefonen, Computern und Audiozubehör zu rechnen. Allerdings halten HF-Designs auch in Industriebereichen Einzug, beispielsweise in der Automatisierung, der vorausschauenden Wartung und bei Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI).

Diese Anwendungen greifen häufig auf das 2,4-GHz-ISM-Band (Industrie, Wissenschaft, Medizin) zurück, bei dem es sich um eine uneingeschränkte, überausgelastete Legacy-Domäne für Wi-Fi 4 handelt. Leider bedeutet die Beliebtheit der Spektrumregion, dass Geräte, die dieses Legacy-System unterstützen, möglicherweise Kompromisse eingehen Vorteile, die 5-GHz-WLAN bietet.

Diese Woche kündigte u-blox eine neue Funkchipserie an, den MAYA-W1, der diese Bedenken berücksichtigt und eine monolithische Multifunklösung bietet. Diese Chips verfügen über ein 2,4-GHz- und 5-GHz-Radio und unterstützen den Bluetooth Classic-Modus und BLE (Bluetooth Low Energy).

Der 10,4 mm x 14,3 mm x 2,5 mm große monolithische Chip soll mit seinen drei Schnittstellenformatoptionen die Integration drahtloser Konnektivität in Anwendungen vereinfachen: eine eingebettete Antenne und U.FL-Anschlüsse oder Antennenstifte.

In der Pressemitteilung erklärt Stefan Berggren, Senior Product Marketing Manager bei u-blox: „Wi-Fi 4 ist weiterhin die am häufigsten verwendete Technologie in unseren Zielsegmenten, es bestehen jedoch Bedenken hinsichtlich einer Überlastung des 2,4-GHz-Bandes.“ Um dieses Problem zu lösen, verfügt MAYA-W1 über Dualband-Fähigkeit, was es zu einem Kandidaten für IoT-Anwendungen macht.

Wie genau funktionieren Geräte wie das MAYA-W1, um solchen eingebetteten Designs Dualband-Fähigkeit zu verleihen? Ingenieure könnten drei Faktoren berücksichtigen: Architektur, Antennengeometrien und HF-Frontend-Module.

Grundsätzlich können Dualband- (oder Multimode-)Funkgeräte in zwei oder mehr unterschiedlichen HF-Spektrumsbereichen betrieben werden. Der Betrieb in beiden Regionen ist entweder mit herkömmlichen Superheterodyn-Analogempfängern oder durch direkte Umwandlung der nativen GHz-Frequenzen in ein digitales Signal möglich.

Um eine moderne HF-Abtastung zu erreichen, müssen Entwickler eine direkte Umwandlung der empfangenen Frequenzen verwenden, ohne das Signal mit einem lokalen Oszillator (Superheterodyn) umzuwandeln.

Um die gefilterten und verstärkten Schaltkreise durch DSP-Anwendungen zu verarbeiten, muss ein Ingenieur dann einen Multi-Gigahertz-Durchsatz von High-End-ADCs verwenden. Dieser Durchsatz vereinfacht die HF-Architektur, die für die Ausführung von Multimode-Funkanwendungen erforderlich ist, erheblich, ohne die Komplexität der möglichen Modulationen einzuschränken.

Neben der Architektur sollten Designer auch berücksichtigen, wie Antennengeometrien den kohärent empfangbaren Energiebereich einschränken können. Um diese Einschränkung zu überwinden, können Ingenieure entweder mehrere Antennengeometrien in ihr Gerät einbauen oder eine „Multiband“-Antenne erstellen, die innerhalb der interessierenden Frequenzbereiche akzeptabel funktioniert.

Die Bruchteilbandbreite gibt an, wie breitbandig eine Antenne im Verhältnis zur Betriebsmittenfrequenz ist. Sie variiert zwischen 0 und 2, abhängig vom Ausmaß des oberen und unteren Band-Cutoffs.

Eine der beliebtesten Antennengeometrien für drahtlose Geräte ist heute die planare invertierte F-Antenne (PIFA).

PIFA erfreut sich zunehmender Beliebtheit, da es direkt auf eine Leiterplatte gedruckt werden kann. Darüber hinaus funktioniert es gut in einer Vielzahl von HF-Anwendungen, darunter GSM, Bluetooth, Wi-Fi und mehreren anderen Mobilfunkstandards.

Trotz des Erfolgs der PIFA-Antenne für den Einsatz im Mobilfunk- und Legacy-ISM-Band ist sie nicht für den gleichzeitigen Einsatz bei 5 GHz und 2,4 GHz geeignet. Entwickler müssen für das Wi-Fi 4-Dualband zwei Antennen verwenden, die dann für die Verarbeitung nach dem Empfang in eine einzige 50-Ω-Übertragungsleitung auf der Leiterplatte gediplext werden können.

Höhere Geschwindigkeiten und Bandbreiten mit 5-GHz-WLAN führen aufgrund von Übertragungsleitungseffekten zu einem komplexeren PCB-Design und erklären die verschiedenen FEM-Subsysteme.

Über die Antenne hinaus muss das RF-Frontend-Modul (FEM) eine komplexere Architektur unterstützen, um Dualband zu ermöglichen.

Bei der Vorauswahl (mittels eines Diplexers oder Multiplexers) handelt es sich um einen Prozess, mit dem die an der Antenne empfangenen Signale zur Abwärtskonvertierung und Verarbeitung in ihre jeweiligen Energiebänder aufgeteilt werden.

Der MAYA-W1 ist ein interessantes Beispiel dafür, wie diese drei Designprinzipien zusammenkommen, um Dualband-Fähigkeit zu bieten. u-blox gibt an, dass bei der Entwicklung des neuen Moduls die Designflexibilität im Vordergrund stand und sowohl Dual-Mode-Bluetooth (BLE und Classic) als auch Wi-Fi 4 angeboten werden. Zu diesem Zweck ist das Modul vorab in die MCUXpresso-Entwicklung von NXP integriert Umfeld.

Geräte mit Dualband-Fähigkeit werden unter anderem in den Bereichen Energiemanagement, Laden von Elektrofahrzeugen, Flottenmanagement, Telematik und professionelle Geräte immer nützlicher.

Haben Sie Erfahrung mit HF-Dualband-Bereichen, entweder im Design oder in der eingebetteten Programmierung? Lass es uns unten in den Kommentaren wissen.