Alati kiihtyvä IoT-kehitys vaatii suunnittelijoilta yhä vankempaa RF-tekniikan hallintaa. SoC-järjestelmäpiirien toimittajat tarjoavat avuksi valmiita referenssisuunnitelmia, joiden avulla IoT-laitteen radioliikenteen voi sujuvasti optimoida.

Artikkelin kirjoittaja Krisztián Kovács vastaa maailmanlaajuisesti Silicon Labsin IoT-tuotteiden sovelluskehityksestä ja asiakastuesta. Hän johtaa yhtiön Budapestissa sijaitsevaa tutkimus- ja kehityskeskusta.

Innovatiiviset teknologiat vauhdittavat esineiden internetin (IoT) kehitystä ja käyttöönottoa. Erityisen tärkeitä tässä ovat SoC-järjestelmäpiirit, jotka yhdistävät mikro-ohjainten suoritustehon ja langattomat verkkoyhteydet. Nykyaikaiset SoC-piirit (System-on-Chip) auttavat suunnittelijoita luomaan erittäin suorituskykyisiä verkkotuotteita ja saamaan uudet järjestelmät myös markkinoille entistä nopeammin ja edullisemmin.

Tuotesuunnittelijoiden on maksimoitava langattoman viestintäjärjestelmän suorituskyky - mitä tahansa protokollaa se käyttääkin – varmistamalla, että tuotteen radiotaajuuspiirit (RF) ja piirilevyn osien sijoittelu ovat täysin optimoituja.

Tämä ei ole helppo tehtävä, koska lähetettäviksi ja vastaanotettaviksi halutut RF-signaalit eivät todennäköisesti ole ainoita läsnä olevia radioaaltoja: esimerkiksi hakkuriteholähteet ja mikro-ohjainten kello-oskillaattorit voivat synnyttää ylimääräisiä RF-signaaleja. Huonosti suunniteltu laite saattaa haitata liikennöintiä halutulla tietoliikennekaistalla tai vaatia enemmän lähetystehoa häiriöiden kompensoimiseksi. Paristokäyttöisissä laitteissa jälkimmäinen vaihtoehto lyhentää akun toiminta-aikaa, mikä ei tietenkään ole toivottavaa. Lisäksi suuremman lähetystehon käyttö saattaa synnyttää vääriä radiosignaaleja, jotka voivat häiritä muiden laitteiden toimintaa tai olla ristiriidassa tietoliikennemääräysten kanssa.

Tästä syystä tuotteen valmistajan tulee ymmärtää joitakin keskeisiä tekijöitä, jotka varmistavat laadukkaan langattoman liikennöinnin, ja myös ne tavat, joilla laitteen osien sijoittelu voi vaikuttaa niihin. Tässä artikkelissa tarkastellaan joitakin parhaita käytäntöjä, jotka auttavat suunnittelijoita tarjoamaan optimaalista RF-suorituskykyä tuotteissaan. Referenssinä toimii piirilevy, joka on suunniteltu Silicon Labsin järjestelmäpiiriä EFR32 Wireless Gecko SoC varten.

Moni asia vaikuttaa RF-suorituskykyyn

Sillä, miten piirilevyn RF-osat sijoitellaan, saattaa olla valtava vaikutus laitteen RF-suorituskykyyn. Ensinnäkin kysymys on siitä, miten RF-komponentit on asemoitu levylle ja kuinka kaukana ne ovat muista komponenteista. Tämä saattaa vaikuttaa epätoivottujen signaalien kytkeytymiseen levyllä. Toiseksi asiaan vaikuttavat sekä RF-signaalien että muiden linjojen (erityisesti syöttötehon) kytkemistä varten piirilevyyn etsattujen kuparijohtimien mitat ja vetoreitit. Ja kolmas vaikuttava asia on käytettävän antennin tyyppi.

Muita tekijöitä ovat maatasojen metalloinnit sekä piirilevyn fyysiset ominaisuudet kuten paksuus, kerrosten määrä ja eristeaineen dielektrisyys. Tehomuuntimet, mikro-ohjainten kellopiirit ja muut vastaavat piirilevylle sijoitetut komponentit saattavat myös tuottaa ylimääräisiä häiriösignaaleja RF-spektriin ja heikentää näin radio-osan herkkyyttä. Tämän vuoksi suunnittelijoiden tulee käyttää suodinpiirejä haluttujen signaalien erottamiseksi epätoivotuista ja estettävä viimeksi mainittujen pääsy järjestelmän RF-polulle.

Signaalien erilaisten suodatustapojen ymmärtämiseksi suunnittelijoiden pitää myös ymmärtää RF-piirien toiminnot kattavasti. Integroidun piirin radio-osa koostuu lähettimestä (Tx) ja vastaanottimesta (Rx). Lähettimen tarkoituksena on siirtää mahdollisimman suuri osa halutusta lähetyssignaalista antenniin. RF-mikropiirin ja kuorman välissä käytetään impedanssinsovitusta, jolla varmistetaan, että suurin mahdollinen määrä tehoa saadaan säteilemään radiosignaalin perustaajuudella, ja samalla tehohäviöt saadaan mahdollisimman vähäisiksi. Tämä saadaan aikaan yhdistetyllä sovitus- ja suodatuspiirillä, joka koostuu rinnakkaiskapasitansseista ja sarjainduktansseista.

Kun toimitaan 2,4 gigahertsin taajuuksilla ja 13 dBm tehotasoilla, kannattaa tähän tarkoitukseen käyttää neliosaista tikapuuverkkoa (kuva 1). Alemmilla tehotasoilla kaksielementtinen LC-verkkokin saattaa riittää. Vastaanotossa Rx-osa saavuttaa maksimiherkkyytensä käyttämällä samaa impedanssinsovituspiiriä.

 

Kuva 1. 2,4 GHz lähettimen sovituspiiri koostuu neljästä elementistä.

Suunnittelussa huomioitavia tekijöitä

Monet SoC-piirien toimittajat tarjoavat referenssisuunnitelmia, jotka on luotu tarjoamaan optimaalista RF-suorituskykyä. Tähän liittyy kuitenkin ongelma: koko- ja muototekijöiden rajoitusten vuoksi valmista suunnitelmaa ei aina voi kopioida suoraan omaa tuotteeseensa. Toisaalta sen virittäminen saattaa vaikuttaa RF-suorituskykyyn. Suurilla taajuuksilla, joita tässä artikkelissa käsitellään, komponenttien välisten etäisyyksien ja piirilevyn johdinvetojen pituuden muuttaminen lisää riskejä synnyttämällä ylimääräisiä hajainduktansseja. Johdinliuskojen eristevälien muuttaminen tai eripaksuisen piirilevyn käyttäminen puolestaan voi synnyttää ylimääräisiä hajakapasitansseja. Lisäksi, jos muutetaan komponenttien asentoa toisiinsa nähden tai niiden välisiä etäisyyksiä, saatetaan aikaansaada epätoivottua signaalien kytkeytymistä vääriin paikkoihin. Myös komponentin tyypin tai fyysisen koon vaihtaminen saattaa synnyttää eri tyyppisiä hajasuureita.

Huono toteutus voi myös virittää sivuun optimoidun sovitus- ja suodatuspiirin sekä oskillaattorikiteen kuormapiirin. Tämän seurauksena lähettimen lähtöteho ja vastaanottimen herkkyys saattavat heikentyä, minkä lisäksi virrankulutus, häiriölähetteet ja taajuuserot eri piirilevyjen kesken voivat lisääntyä. Näitä tekijöitä voidaan arvioida mittaamalla kytkeytyvien ja säteilevien signaalien suuruudet.

On syytä pitää mielessä, että mikä tahansa koettu ongelma saattaa aiheutua myös muusta syystä kuin piirilevyn RF-osan toiminnasta. Kun tarkastellaan radiotaajuista säteilyä, on otettava huomioon koko piirilevysuunnitelma, sillä levyn maataso ja muut tekijät vaikuttavat lähetettävän signaalin tehoon, varsinkin jos käytetään monopoliantennia. Sekä levyn maatasojen muodostamat suojaukset että ei-RF-johdinliuskat vaikuttavat nekin säteilevien häiriöiden tasoon, joten aina pitää varmistaa, ettei häiriösäteily ylitä EMC-normien määräyksiä.

Lopuksi kannattaa vielä muistaa, että vaikka referenssisuunnitelmia käytettäisiin täsmälleen SoC-piirivalmistajien suositusten mukaisesti, tarvitaan lisäksi piirilevyn muiden, referenssin ulkopuolelle jäävien osien huolellista suunnittelua. Niiden vaikutukset RF-osan toimintaan on syytä käydä tarkasti läpi.

Parhaat menetelmät käyttöön

Ellei valmista referenssisuunnitelmaa voida käyttää alkuperäisessä muodossaan, seuraavien käytännön ohjeiden seuraaminen parantaa onnistumisen mahdollisuuksia.

Sovituspiirin ensimmäisen elementin tulisi sijaita mahdollisimman lähellä RF-mikropiirin Tx-lähtönastaa. Myös muiden komponenttien tulisi olla liki toisiaan. Elementtejä yhdistävän johdinliuskan leveyden tulisi olla sama kuin komponenttien juotospisteiden leveys. 0402-koteloiduilla pintaliitoskomponenteilla tämä on yleensä 0,5 mm.

Kuva 2. Tässä 2,4 GHz EFR32-piirilevyn tärkeimmät elementit on esitetty korostettuina.

On tärkeää sijoittaa ohituskondensaattorit oikein kullekin syöttönastalle. Kapasitanssiltaan pienimmät kondensaattorit tulee sijoittaa lähimmäksi IC-piirin nastoja käyttäen vahvaa maadoitusta ja useita läpivientejä maatasoon. Käyttämällä ohituskondensaattoreita, joiden kapasitanssi on luokkaa 100 nF, voidaan vaimentaa kellosignaalit aina useisiin kymmeniin megahertseihin asti. Ellei näin tehdä, nämä signaalit voivat synnyttää harmonisia kerrannaistaajuuksia, jotka voivat aiheuttaa häiriöitä radioyhteyden kantoaaltotaajuudella.

Kapasitanssiltaan suurimmat kondensaattorit (jotka suodattavat hakkuriteholähteiden häiriöitä) voivat sijaita kauempana tehonsyöttönastoista. Ja paristokäyttöisissä laitteissahan niitä ei tarvita lainkaan.

Oskillaattorin kvartsikiteen tulisi sijaita mahdollisimman lähellä RF-mikropiiriä. Sen kotelo kannattaa kytkeä usean läpiviennin kautta maatasoon. Kiteen ja VDD-syöttölinjojen väliin on syytä sijoittaa piirilevylle maadoitusliuska suojaksi.

On olennaista, että maadoitukset hoidetaan oikein. Kondensaattorien maanastojen lähellä kulkevia johdinliuskoja kannattaa vahvistaa sekä käyttää lähellä näitä nastoja ylimääräisiä läpivientejä kytkettyinä piirilevyn pohjakerroksen tai sisempien kerrosten maatasoihin.

Samoin kannattaa käyttää useita läpivientejä RF-mikropiirin alle jätettävään maatasolätkään, joka toimii myös jäähdytyslevynä. Kuvan 2 esimerkissä 7 x 7 millimetrin IC-kotelolla on 25 läpivientiä, joiden halkaisija on 0,25 mm. Ideaalitapauksessa maatasolätkän maadoitukset on kytketty piirilevyn ylimmän kerroksen maatasoon käyttämällä kulmittaisia johdinvetoja IC:n kattaman alueen nurkkien kautta. Joskus signaalit saattavat myös kytkeytyä lähistöllä olevien suodinkondensaattorien maanastojen kesken. Ongelma voidaan välttää, jos maadoitukset tehdään siirtolinjan vastakkaisilla puolilla.

Sovituspiirin alueella on liitostäplien ja läheisten maa-alueiden välillä oltava rakoa vähintään 0,5 mm, aivan kuten johdinvetojenkin välillä. Jos käytössä on nelikerroksinen piirilevy, ylempi sisäkerros (ylimmän kerroksen alapuolella) tulee täyttää sovituspiirin ja RF-piirin alapuolelta yhtenäisellä maadoitusalueella. Tx/Rx-sovituspiirin ja RF-piirin maadoitusläpivientien välisiä maavirtojen paluureittejä ei myöskään saa estää. Paluureitin RF-piirille tulee olla vapaa.

Lopuksi tulee vielä tarkastella itse RF-lohkoa. Kun kytkeydytään levyn omaan antenniin, antenniliittimeen tai mihin tahansa RF-komponenttiin, tulee käyttää maadoitettuja 50 ohmin koplanaarisia siirtolinjoja. Nämä samantasoisista liuskajohdoista koostuvat siirtojohdot vähentävät epätoivottua RF-säteilyä. Sitä voidaan edelleen pienentää lisäämällä liitinrivien lähelle useita maadoitusläpivientejä. Kuvasta 3 käy ilmi, kuinka siirtojohtoja voidaan hyödyntää.

Kokonaisuus ratkaisee

Piirilevyn RF-osan lisäksi suorituskykyä voi parantaa monin tavoin. Ensinnäkin maatason metallointia kannattaa laajentaa RF-lohkon alueelta koko piirilevyn kattavaksi.

RF-jännitteiden pitäminen samantasoisina koko maatason kattamalla alueella tuottaa hyvän RF-maadoituksen. Tämä auttaa varmistamaan VDD-linjojen tehokkaan suodatuksen. Jos käytössä on monopolityyppinen antenni, tämä tarjoaa myös sille kunnollisen maatason. Kaikki piirilevyn tyhjät alueet kannattaa täyttää maafoliolla ja kytkeä ne sitten sekä pohjakerrokseen että ylimpään kerrokseen niin monella läpiviennillä kuin mahdollista.

Useita maadoitusläpivientejä kannattaa ottaa käyttöön myös maatasometalloinnin reuna-alueilla, erityisesti tehonsyöttölinjojen ympärillä (kuva 3) ja piirilevyn reunoilla. Tämä vaimentaa tehokkaasti harmonisten kerrannaistaajuuksien säteilyä, jota saattaa muuten syntyä reuna-alueilla.

Jos piirilevyssä on kerroksia kolme tai enemmän, kaikki johdinvedot (erityisesti syöttölinjat) kannattaa sijoittaa sisäkerrokseen. Näiden johdinliuskojen säteily voidaan minimoida sijoittamalla maatason yhtenäistä metallointia sekä ylimpään että alimpaan kerrokseen niin paljon kuin mahdollista. Ja lopuksi tulee mahdollisuuksien mukaan varmistaa, että tehonsyöttölinjat eivät kulje lähellä piirilevyn reunoja.

Kuva 3. Osien sijoittelukuvasta nähdään siirtojohtojen ja reuna-alueiden maadoitusläpivientien sijainti piirilevyllä.

RF-suunnittelun rooli kasvaa

Langattomat yhteydet muodostavat tärkeän osan nykyajan elämää – päivittäin käytettävästä kulutuselektroniikasta aina alati kasvavaan IoT-sektoriin. Esineiden internet on erityisen riippuvainen kyvystä lähettää dataa nettiin tehokkaasti (usein paikallisen liityntäpisteen kautta) käyttämällä pientä akkua teholähteenä.

Jotta tämä IoT-vetoinen verkottunut maailma olisi mahdollinen, suunnittelijat tarvitsevat vankkoja ja edullisia menetelmiä langattoman viestinnän järjestämiseen. Yksi parhaista tavoista on käyttää SoC-järjestelmäpiirejä, joista voi helposti rakentaa laajoja tuotekokonaisuuksia. Suunnittelun saaminen oikeisiin uomiin vaatii kuitenkin laitevalmistajilta huolellista keskittymistä laitteen piirilevyn RF-lohkon rakenteeseen ja osien sijoitteluun. Tämä suunnittelutyön alue on parasta aikaa nousemassa erittäin haastavaksi.

Hyvä lähtökohta on käyttää SoC-toimittajien valmiita referenssisuunnitelmia, mutta aina se ei ole kannattavaa. Suunnittelijoiden tulee siksi tuntea ja osata toteuttaa laitteen RF-suunnittelu parhaita käytäntöjä hyödyntäen. Tämä auttaa varmistamaan, että järjestelmän tietoliikenne saadaan suorituskyvyltään halutulle tasolle ja pysymään silti asetetuissa tehonkulutuksen rajoissa sekä viranomaisvaatimusten mukaisena.