RF-Modul - RF module

RF-Modul (mit einem Lineal als Größenreferenz)

Ein HF-Modul (kurz für Hochfrequenzmodul ) ist ein (normalerweise) kleines elektronisches Gerät, das zum Senden und / oder Empfangen von Funksignalen zwischen zwei Geräten verwendet wird. In einem eingebetteten System ist es oft wünschenswert, drahtlos mit einem anderen Gerät zu kommunizieren . Diese drahtlose Kommunikation kann durch optische Kommunikation oder durch Hochfrequenzkommunikation (RF) erreicht werden. Für viele Anwendungen ist RF das Medium der Wahl, da keine Sichtverbindung erforderlich ist. Die HF-Kommunikation umfasst einen Sender und einen Empfänger . Sie sind von verschiedenen Arten und Bereichen. Einige können bis zu 500 Fuß übertragen. HF-Module werden typischerweise unter Verwendung der HF-CMOS- Technologie hergestellt.

HF-Module werden aufgrund der Schwierigkeit beim Entwurf von Funkschaltungen häufig im elektronischen Design verwendet. Ein gutes Design elektronischer Funkgeräte ist aufgrund der Empfindlichkeit von Funkschaltungen und der Genauigkeit von Komponenten und Layouts, die für den Betrieb auf einer bestimmten Frequenz erforderlich sind, notorisch komplex. Darüber hinaus erfordert eine zuverlässige HF-Kommunikationsschaltung eine sorgfältige Überwachung des Herstellungsprozesses, um sicherzustellen, dass die HF-Leistung nicht beeinträchtigt wird. Schließlich unterliegen Funkkreise normalerweise Grenzwerten für Strahlungsemissionen und erfordern Konformitätsprüfungen und -zertifizierungen durch eine Standardisierungsorganisation wie ETSI oder die US Federal Communications Commission (FCC). Aus diesen Gründen entwerfen Konstrukteure häufig eine Schaltung für eine Anwendung, die Funkkommunikation erfordert, und "setzen" dann ein vorgefertigtes Funkmodul ein, anstatt ein diskretes Design zu versuchen , was Zeit und Geld bei der Entwicklung spart.

HF-Module werden am häufigsten in Produkten mit mittlerem und geringem Volumen für Verbraucheranwendungen wie Garagentoröffner, drahtlose Alarm- oder Überwachungssysteme, industrielle Fernbedienungen , intelligente Sensoranwendungen und drahtlose Hausautomationssysteme verwendet . Sie werden manchmal verwendet, um ältere Infrarot- Kommunikationsdesigns zu ersetzen, da sie den Vorteil haben, dass kein Sichtlinienbetrieb erforderlich ist.

In kommerziell erhältlichen HF-Modulen werden üblicherweise mehrere Trägerfrequenzen verwendet, einschließlich solcher in industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen (ISM) Funkbändern wie 433,92 MHz, 915 MHz und 2400 MHz. Diese Frequenzen werden aufgrund nationaler und internationaler Vorschriften für die Verwendung von Funk für die Kommunikation verwendet. Geräte mit kurzer Reichweite können auch Frequenzen verwenden, die für nicht lizenzierte Geräte verfügbar sind, z. B. 315 MHz und 868 MHz.

RF-Module können einem definierten Protokoll für RF-Kommunikation wie ZigBee , Bluetooth Low Energy oder Wi-Fi entsprechen oder ein proprietäres Protokoll implementieren .

Arten von HF-Modulen

Der Begriff HF-Modul kann auf viele verschiedene Typen, Formen und Größen kleiner Leiterplatten für elektronische Baugruppen angewendet werden . Es kann auch auf Module mit einer Vielzahl von Funktionen und Fähigkeiten angewendet werden. HF-Module enthalten typischerweise eine Leiterplatte , eine Sende- oder Empfangsschaltung, eine Antenne und eine serielle Schnittstelle zur Kommunikation mit dem Host-Prozessor.

Die meisten bekannten Standardtypen werden hier behandelt:

Sendermodule

Ein HF-Sendemodul ist eine kleine Leiterplattenbaugruppe , die eine Funkwelle senden und diese Welle modulieren kann , um Daten zu übertragen. Sendermodule werden normalerweise zusammen mit einem Mikrocontroller implementiert , der dem Modul Daten liefert, die übertragen werden können. HF-Sender unterliegen normalerweise gesetzlichen Anforderungen , die die maximal zulässige Sendeleistung , die Oberwellen und die Bandkantenanforderungen vorschreiben .

Empfängermodule

Ein HF-Empfängermodul empfängt das modulierte HF-Signal und demoduliert es. Es gibt zwei Arten von HF-Empfängermodulen: Überlagerungsempfänger und überregenerative Empfänger . Superregenerative Module sind normalerweise kostengünstige und stromsparende Designs, bei denen eine Reihe von Verstärkern verwendet werden, um modulierte Daten aus einer Trägerwelle zu extrahieren. Superregenerative Module sind im Allgemeinen ungenau, da ihre Betriebsfrequenz mit der Temperatur und der Versorgungsspannung erheblich variiert. Superheterodyn-Empfänger haben einen Leistungsvorteil gegenüber Superregenerativen. Sie bieten eine erhöhte Genauigkeit und Stabilität über einen großen Spannungs- und Temperaturbereich. Diese Stabilität beruht auf einem festen Kristalldesign, das in der Vergangenheit tendenziell ein vergleichsweise teureres Produkt bedeutete. Fortschritte im Design von Empfängerchips führen jedoch dazu, dass derzeit nur ein geringer Preisunterschied zwischen Superheterodyn- und Superregenerativ-Empfängermodulen besteht.

Transceiver-Module

Ein HF-Transceiver-Modul enthält sowohl einen Sender als auch einen Empfänger. Die Schaltung ist typischerweise für den Halbduplexbetrieb ausgelegt , obwohl Vollduplexmodule verfügbar sind, typischerweise zu höheren Kosten aufgrund der zusätzlichen Komplexität.

System auf einem Chip (SoC) -Modul

Ein SoC-Modul ist dasselbe wie ein Transceiver-Modul, wird jedoch häufig mit einem integrierten Mikrocontroller hergestellt. Der Mikrocontroller wird normalerweise verwendet, um die Funkdatenpaketierung zu handhaben oder ein Protokoll wie ein IEEE 802.15.4-kompatibles Modul zu verwalten . Dieser Modultyp wird normalerweise für Designs verwendet, die eine zusätzliche Verarbeitung zur Einhaltung eines Protokolls erfordern, wenn der Designer diese Verarbeitung nicht in den Host-Mikrocontroller integrieren möchte.

Host-Mikrocontroller-Schnittstelle

HF-Module kommunizieren normalerweise mit einem eingebetteten System, beispielsweise einem Mikrocontroller oder einem Mikroprozessor. Zu den Kommunikationsprotokollen gehören UART , das in den X-Bee-Modulen von Digi International verwendet wird , Serial Peripheral Interface Bus, das in Anarens AIR-Modulen verwendet wird, und Universal Serial Bus, das in Roving Networks-Modulen verwendet wird. Obwohl das Modul möglicherweise ein standardisiertes Protokoll für die drahtlose Kommunikation verwendet, sind die über die Mikrocontroller-Schnittstelle gesendeten Befehle normalerweise nicht standardisiert, da jeder Anbieter sein eigenes proprietäres Kommunikationsformat hat. Die Geschwindigkeit der Mikrocontroller-Schnittstelle hängt von der Geschwindigkeit des zugrunde liegenden RF-Protokolls ab: Hochgeschwindigkeits-RF-Protokolle wie Wi-Fi erfordern eine serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstelle wie USB, während Protokolle mit einer langsameren Datenrate wie Bluetooth Low Energy möglicherweise verwendet werden eine UART-Schnittstelle.

HF-Signalmodulation

Es gibt verschiedene Arten von digitalen Signalmodulationsmethoden , die üblicherweise in HF-Sende- und Empfängermodulen verwendet werden:

Die detaillierte Beschreibung, Vor- und Nachteile sind in den oben verlinkten Artikeln aufgeführt.

Hauptfaktoren, die die Leistung des HF-Moduls beeinflussen

Wie bei jedem anderen HF-Gerät hängt die Leistung eines HF-Moduls von einer Reihe von Faktoren ab. Zum Beispiel wird durch Erhöhen der Sendeleistung eine größere Kommunikationsentfernung erreicht. Dies führt jedoch auch zu einem höheren Stromverbrauch des Sendegeräts, was bei batteriebetriebenen Geräten zu einer kürzeren Lebensdauer führt. Durch die Verwendung einer höheren Sendeleistung wird das System anfälliger für Interferenzen mit anderen HF-Geräten und kann je nach Gerichtsbarkeit möglicherweise dazu führen, dass das Gerät illegal wird. Dementsprechend erhöht eine Erhöhung der Empfängerempfindlichkeit auch die effektive Kommunikationsreichweite, kann jedoch möglicherweise zu Fehlfunktionen aufgrund von Störungen durch andere HF-Geräte führen.

Die Leistung des Gesamtsystems kann verbessert werden, indem angepasste Antennen an jedem Ende der Kommunikationsverbindung verwendet werden, wie die zuvor beschriebenen.

Schließlich wird die gekennzeichnete Fernentfernung eines bestimmten Systems normalerweise in einer Open-Air-Sichtlinienkonfiguration ohne Störung gemessen, aber häufig gibt es Hindernisse wie Wände, Böden oder dichte Konstruktionen, um die Funkwellensignale zu absorbieren Der effektive Betriebsabstand ist in den meisten praktischen Fällen geringer als angegeben.

Physikalische Verbindung des Moduls

Physikalische Verbindung des Moduls: Landgitter-Array, Durchgangsloch und Castellated Boardlet (von links nach rechts)

Eine Vielzahl von Methoden wird verwendet, um ein HF-Modul an eine Leiterplatte anzuschließen , entweder mit Durchgangsbohrtechnologie oder Oberflächenmontagetechnologie . Durch die Durchgangsbohrtechnologie kann das Modul ohne Löten eingesetzt oder entfernt werden. Dank der Oberflächenmontagetechnologie kann das Modul ohne zusätzlichen Montageschritt an der Leiterplatte befestigt werden. Oberflächenmontierte Verbindungen, die in HF-Modulen verwendet werden, umfassen Land Grid Array (LGA) und Castellated Pads. Das LGA-Paket ermöglicht kleine Modulgrößen, da sich alle Pads unter dem Modul befinden, die Verbindungen jedoch geröntgt werden müssen, um die Konnektivität zu überprüfen. Castellated Holes ermöglichen die optische Überprüfung der Verbindung, vergrößern jedoch den Platzbedarf des Moduls, um die Pads aufzunehmen.

Drahtlose Protokolle, die in HF-Modulen verwendet werden

HF-Module, insbesondere SoC-Module, werden häufig zur Kommunikation gemäß einem vordefinierten Funkstandard verwendet, einschließlich:

HF-Module kommunizieren jedoch häufig auch über proprietäre Protokolle, wie sie beispielsweise in Garagentoröffnern verwendet werden.

Typische Anwendungen

RF-Modul-Zertifizierung bei endgültiger Produktintegration

Die endgültige Einhaltung gesetzlicher Vorschriften auf der Grundlage eines integrierten, konformen HF-Moduls (wie die meisten IoT-Geräte heutzutage) ist ein häufiges Missverständnis. Ein Modul, das den grundlegenden Anforderungen der Länderverordnung ( FCC , CE , ICES , ANATEL usw.) entspricht, deckt das Endprodukt kaum ab. Dies bedeutet jedoch nicht, dass bei der Integration eines kompatiblen HF-Moduls vollständige Konformitätstests erforderlich sind. Die Integration eines kompatiblen Moduls hat viele Vorteile.

Das RF-Modul ist für das heutige Verbraucherprodukt unverzichtbar, aber auch nur ein Teil des Endprodukts. Funkmodule haben sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt. Integrierte Antennen an Bord von Spannungsreglern versuchen im Allgemeinen sicherzustellen, dass die Funkphänomene unabhängig von ihrem Host gleich bleiben. Sie können sich bei der Prüfung und Zertifizierung Ihres Produkts in einem nach ISO 17025 akkreditierten EMV- und HF-Labor auf die meisten Messungen des HF-Spektrums auf modularer Ebene beziehen.

Am Ende ist es das Endprodukt, das den Vorschriften entsprechen muss. Aspekte wie Gesundheit, Sicherheit, Strahlenanfälligkeit können nicht modular abgedeckt werden.

Externe Links

  • F. Egan, William (2003). Praktisches RF-Systemdesign . Wiley-IEEE Press. ISBN 978-0-471-20023-9.
  • Fairall, John (2002). Eine Einführung in das Low-Power-Radio . RF Solutions Ltd. ISBN 978-0-9537231-0-2.