RF модуль - RF module

RF-модуль (с линейкой для справки по размеру)

РЧ - модуль (короткий для модуля радиочастотного ) является (обычно) небольшим электронным устройством , используемым для передачи и / или приема радиосигналов между двумя устройствами. Во встроенной системе часто бывает желательно установить беспроводную связь с другим устройством . Эта беспроводная связь может осуществляться посредством оптической связи или посредством радиочастотной (RF) связи. Для многих приложений предпочтительной средой является ВЧ, поскольку она не требует прямой видимости. Радиочастотная связь включает в себя передатчик и приемник . Они бывают разных типов и ассортимента. Некоторые могут передавать до 500 футов. Радиочастотные модули обычно изготавливаются с использованием технологии RF CMOS .

Радиочастотные модули широко используются в электронном проектировании из-за сложности разработки радиосхем. Хорошая конструкция электронного радиоприемника, как известно, сложна из-за чувствительности радиосхем и точности компонентов и схем, необходимых для работы на определенной частоте. Кроме того, надежная цепь радиочастотной связи требует тщательного мониторинга производственного процесса, чтобы гарантировать, что производительность радиочастотного сигнала не пострадает. Наконец, радиосхемы обычно подчиняются ограничениям на излучаемое излучение и требуют проверки на соответствие и сертификации организацией по стандартизации, такой как ETSI или Федеральная комиссия связи США (FCC). По этим причинам инженеры-проектировщики часто проектируют схему для приложения, которое требует радиосвязи, а затем «вставляют» готовый радиомодуль, вместо того, чтобы пытаться создать дискретную конструкцию, экономя время и деньги на разработке.

Радиочастотные модули чаще всего используются в продуктах среднего и малого объема для потребительских приложений, таких как устройства открывания гаражных ворот, беспроводные системы сигнализации или мониторинга, промышленные пульты дистанционного управления , приложения для интеллектуальных датчиков и беспроводные системы домашней автоматизации . Иногда они используются для замены старых конструкций инфракрасной связи, поскольку они имеют то преимущество, что не требуют прямой видимости.

Несколько несущих частот обычно используются в коммерчески доступных радиочастотных модулях, в том числе в промышленных, научных и медицинских (ISM) радиодиапазонах, таких как 433,92 МГц, 915 МГц и 2400 МГц. Эти частоты используются из-за национальных и международных правил, регулирующих использование радио для связи. Устройства малого радиуса действия могут также использовать частоты, доступные для нелицензионных, например 315 МГц и 868 МГц.

Радиочастотные модули могут соответствовать определенному протоколу для радиочастотной связи, например Zigbee , Bluetooth Low Energy или Wi-Fi , или они могут реализовывать собственный протокол .

Типы радиомодулей

Термин «ВЧ-модуль» может применяться ко многим различным типам, формам и размерам небольших электронных сборочных плат . Его также можно применять к модулям с огромным разнообразием функций и возможностей. Радиочастотные модули обычно включают в себя печатную плату , схему передачи или приема, антенну и последовательный интерфейс для связи с главным процессором.

Здесь описаны наиболее стандартные, хорошо известные типы:

  • модуль передатчика
  • модуль приемника
  • модуль приемопередатчика
  • система на чип- модуле.

Модули передатчика

Модуль радиочастотного передатчика - это небольшой узел печатной платы, способный передавать радиоволны и модулировать эту волну для передачи данных. Модули передатчика обычно реализуются вместе с микроконтроллером, который предоставляет данные в модуль, которые могут быть переданы. Радиочастотные передатчики обычно подчиняются нормативным требованиям, которые диктуют максимально допустимую выходную мощность передатчика , гармоники и требования к границе полосы.

Приемные модули

Модуль РЧ-приемника принимает модулированный РЧ-сигнал и демодулирует его. Есть два типа радиочастотных приемных модулей: супергетеродинные приемники и супергенеративные приемники . Модули сверхрегенерации обычно имеют низкую стоимость и малую мощность, в них используется ряд усилителей для извлечения модулированных данных из несущей волны. Модули сверхрегенерации обычно неточны, поскольку их частота работы значительно зависит от температуры и напряжения питания. Супергетеродинные приемники имеют преимущество в производительности перед суперрегенеративными; они обеспечивают повышенную точность и стабильность в большом диапазоне напряжений и температур. Эта стабильность достигается за счет фиксированной конструкции кристалла, которая в прошлом имела тенденцию означать сравнительно более дорогой продукт. Однако достижения в конструкции микросхем приемника теперь означают, что в настоящее время существует небольшая разница в цене между супергетеродинными и сверхрегенеративными модулями приемника.

Модули приемопередатчиков

Модуль радиочастотного трансивера включает в себя как передатчик, так и приемник. Схема обычно предназначена для полудуплексной работы, хотя доступны полнодуплексные модули, как правило, по более высокой стоимости из-за дополнительной сложности.

Система на чипе (SoC) модуль

Модуль SoC - это то же самое, что и модуль приемопередатчика, но часто он состоит из встроенного микроконтроллера. Микроконтроллер обычно используется для обработки пакетов радиоданных или управления протоколом, например, модулем, совместимым с IEEE 802.15.4 . Этот тип модуля обычно используется для проектов, которые требуют дополнительной обработки для соответствия протоколу, когда разработчик не желает включать эту обработку в главный микроконтроллер.

Интерфейс главного микроконтроллера

Радиочастотные модули обычно взаимодействуют со встроенной системой, такой как микроконтроллер или микропроцессор. Протоколы связи включают в себя UART , используемый в модулях X-Bee компании Digi International, шину последовательного периферийного интерфейса, используемую в модулях Anaren AIR, и универсальную последовательную шину, используемую в модулях Roving Networks. Хотя модуль может использовать стандартизированный протокол для беспроводной связи, команды, отправляемые через интерфейс микроконтроллера, обычно не стандартизированы, поскольку у каждого поставщика есть свой собственный формат связи. Скорость интерфейса микроконтроллера зависит от скорости используемого базового RF-протокола: более высокоскоростные RF-протоколы, такие как Wi-Fi, требуют высокоскоростного последовательного интерфейса, такого как USB, тогда как протоколы с более низкой скоростью передачи данных, такие как Bluetooth Low Energy, могут использовать интерфейс UART.

Модуляция радиочастотного сигнала

Существует несколько типов методов цифровой модуляции сигналов, обычно используемых в модулях РЧ передатчика и приемника:

Подробное описание, преимущества и недостатки перечислены в ссылках выше.

Основные факторы, влияющие на производительность радиомодуля

Как и в случае любого другого ВЧ-устройства, производительность ВЧ-модуля будет зависеть от ряда факторов. Например, увеличивая мощность передатчика, можно достичь большего расстояния связи. Однако это также приведет к более высокому потреблению электроэнергии на передающем устройстве, что приведет к сокращению срока службы устройств с батарейным питанием. Кроме того, использование более высокой мощности передачи сделает систему более подверженной помехам с другими радиочастотными устройствами и может фактически привести к тому, что устройство станет незаконным в зависимости от юрисдикции. Соответственно, увеличение чувствительности приемника также увеличит эффективную дальность связи, но также потенциально может вызвать неисправность из-за помех от других радиочастотных устройств.

Производительность всей системы может быть улучшена за счет использования согласованных антенн на каждом конце линии связи, например, описанных ранее.

Наконец, обозначенное удаленное расстояние любой конкретной системы обычно измеряется в конфигурации прямой видимости на открытом воздухе без каких-либо помех, но часто будут препятствия, такие как стены, полы или плотная конструкция, которые поглощают радиоволны, поэтому эффективное рабочее расстояние в большинстве практических случаев будет меньше указанного.

Физическое соединение модуля

Физическое соединение модуля: массив наземной сети, сквозное отверстие и зубчатая доска (слева направо)

Различные методы используются для крепления ВЧ - модуля к печатной плате , либо с помощью отверстия технологии или технологии поверхностного монтажа . Технология сквозных отверстий позволяет вставлять или снимать модуль без пайки. Технология поверхностного монтажа позволяет прикрепить модуль к печатной плате без дополнительной сборки. Соединения для поверхностного монтажа, используемые в радиочастотных модулях, включают в себя массив наземной решетки (LGA) и зубчатые площадки. Пакет LGA позволяет использовать модули небольших размеров, так как все контактные площадки находятся под модулем, но соединения необходимо просвечивать рентгеновскими лучами для проверки возможности подключения. Кастеллированные отверстия позволяют оптически проверить соединение, но физически увеличивают площадь основания модуля для размещения контактных площадок.

Беспроводные протоколы, используемые в модулях RF

Радиочастотные модули, особенно модули SoC, часто используются для связи в соответствии с заранее определенным стандартом беспроводной связи, включая:

Однако радиочастотные модули также часто обмениваются данными с использованием проприетарных протоколов, таких как те, которые используются в механизмах открывания гаражных ворот.

Типичные области применения

Сертификация радиомодуля в случае интеграции конечного продукта

Окончательное соответствие продукта нормативным требованиям, основанное на интегрированном совместимом радиочастотном модуле (как и большинство современных устройств IoT), является распространенным недоразумением. Модуль, соответствующий основным требованиям нормативных документов страны ( FCC , CE , ICES , ANATEL и т. Д.) , Почти никогда не покрывает конечный продукт. Однако это не означает, что при интеграции совместимого радиомодуля требуется полное тестирование на соответствие. Интеграция совместимого модуля имеет множество преимуществ.

ВЧ-модуль важен в современном потребительском продукте, но также является лишь частью конечного продукта. Радиомодули развивались с годами. Встроенные регуляторы напряжения и встроенная антенна, как правило, стараются обеспечить неизменность радиопомех независимо от их хоста. Вы можете обратиться к большинству измерений радиочастотного спектра на модульном уровне для проверки соответствия при тестировании и сертификации вашего продукта в лаборатории EMC, RF, аккредитованной по стандарту ISO 17025.

В конце концов, это конечный продукт, который должен соответствовать правилам. Такие аспекты, как здоровье, безопасность и восприимчивость к излучению, не могут быть рассмотрены на модульном уровне.

внешняя ссылка

  • Ф. Иган, Уильям (2003). Практическое проектирование радиочастотных систем . Wiley-IEEE Press. ISBN 978-0-471-20023-9.
  • Файролл, Джон (2002). Введение в маломощное радио . RF Solutions Ltd. ISBN 978-0-9537231-0-2.