Радиочастотный модуль - Википедия - RF module

RF-модуль (с линейкой для справки по размеру)

An RF модуль (Короче для радиочастотный модуль) представляет собой (обычно) небольшое электронное устройство, используемое для передачи и / или приема радиосигналов между двумя устройствами. В Встроенная система часто желательно общаться с другим устройством без проводов. Эта беспроводная связь может осуществляться через оптическая связь или через радиочастота (РФ) связь. Для многих приложений предпочтительной средой является RF, поскольку она не требует прямой видимости. Радиочастотная связь включает передатчик и приемник. Они бывают разных видов и диапазонов. Некоторые могут передавать до 500 футов. Радиочастотные модули обычно сфабрикованный с помощью RF CMOS технологии.

Радиочастотные модули широко используются в электронном проектировании из-за сложности проектирования радиосхем. Хорошая конструкция электронного радиоприемника, как известно, сложна из-за чувствительности радиосхем и точности компонентов и компоновки, 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 излучаемые излучения и требуют Тестирование на соответствие и сертификация стандартизация организация, такая как ETSI или США Федеральная комиссия связи (FCC). По этим причинам инженеры-проектировщики часто разрабатывают схему для приложения, которое требует радиосвязи, а затем «вставляют» готовый радиомодуль, а не пытаются дискретный дизайн, экономия времени и денег на разработке.

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

Несколько несущих частот обычно используются в коммерчески доступных радиочастотных модулях, в том числе в промышленные, научные и медицинские (ISM) радиодиапазоны например 433,92 МГц, 915 МГц и 2400 МГц. Эти частоты используются из-за национальных и международных правил, регулирующих использование радио для связи. Устройства ближнего действия также может использовать частоты, доступные для нелицензионных, например 315 МГц и 868 МГц.

Радиочастотные модули могут соответствовать определенному протоколу для радиочастотной связи, например: Зигби, Bluetooth с низким энергопотреблением, или же Вай фай, или они могут реализовать проприетарный протокол.

Типы радиомодулей

Термин RF-модуль может применяться ко многим различным типам, формам и размерам небольших электронных узлов. печатная плата. Его также можно применять к модулям с огромным разнообразием функций и возможностей. Радиочастотные модули обычно включают печатная плата, цепь передачи или приема, антенна, и Последовательный интерфейс для связи с главным процессором.

Здесь описаны наиболее стандартные, хорошо известные типы:

  • модуль передатчика
  • модуль приемника
  • модуль приемопередатчика
  • система на чипе модуль.

Модули передатчика

Модуль радиочастотного передатчика представляет собой небольшой Сборка печатной платы способен передавать радиоволны и модулирующий эта волна нести данные. Модули передатчика обычно реализуются вместе с микроконтроллер который будет предоставлять данные модулю, которые могут быть переданы. Радиопередатчики обычно подвергаются нормативные требования которые диктуют максимально допустимые выходная мощность передатчика, гармоники, и требования к краю ленты.

Приемные модули

Модуль РЧ-приемника принимает модулированный РЧ-сигнал, и демодулирует Это. Есть два типа радиоприемных модулей: супергетеродинные приемники и сверхрегенеративные приемники. Модули сверхрегенерации обычно имеют низкую стоимость и имеют малую мощность, в которых 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.[нужна цитата ] Супергетеродинные приемники имеют преимущество в производительности перед суперрегенеративными; они обеспечивают повышенную точность и стабильность на большом Напряжение и температурный диапазон. Эта стабильность достигается за счет фиксированной конструкции кристалла, которая в прошлом имела тенденцию означать сравнительно более дорогой продукт. Однако достижения в конструкции микросхем приемника в настоящее время означают, что в настоящее время разница в цене между супергетеродинными и супрегенеративными модулями приемника небольшая.

Модули приемопередатчиков

Модуль радиочастотного трансивера включает в себя как передатчик, так и приемник. Схема обычно предназначена для полудуплекс операция, хотя полнодуплексный модули доступны, как правило, по более высокой цене 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, таким как Модуль, совместимый с IEEE 802.15.4. Этот тип модуля обычно используется для проектов, требующих дополнительной обработки для соответствия протоколу, когда разработчик не желает включать эту обработку в микроконтроллер хоста.

Интерфейс главного микроконтроллера

Радиочастотные модули обычно взаимодействуют со встроенной системой, такой как микроконтроллер или микропроцессор. Протоколы связи включают UART, используется в Digi International модули X-Bee, Шина последовательного периферийного интерфейса используется в Анарен модули AIR и универсальная последовательная шина используется 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

Есть несколько видов цифровая модуляция сигнала методы, обычно используемые в модулях радиопередатчика 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, за счет увеличения мощности передатчика будет достигнуто большее расстояние 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, таких как описанные ранее.

Наконец, обозначенное удаленное расстояние любой конкретной системы обычно измеряется в конфигурации прямой видимости под открытым небом без каких-либо помех, но часто будут препятствия, такие как стены, пол или плотная конструкция, для поглощения радиоволн, 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)

Для подключения радиомодуля к устройству используются различные методы. печатная плата, либо с сквозная технология или же технология 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: наземная сетка (LGA) и зубчатые колодки. 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. Отверстия с зубчатым венцом 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, что используются в механизмах открывания ворот гаража.

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 регламента стран (FCC, CE, ICES, АНАТЕЛ 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.

Радиочастотный 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). Практический дизайн радиочастотной системы. 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.