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缩小UWB尺寸用来大批量普及

缩小UWB尺寸用来大批量普及 作者:Nick Wood 和 Christopher Barratt

UWB是在射频领域存在有些时间了的"灰姑娘"技术-看似从来没有收到无线俱乐部的一个正面的邀请,过去几十年中从来没有全速前进过.
然而蓝牙,WiFi,GPS和4G对手机的年轻人用户是出名的,甚至当讨论UWB这个缩写字的时候,行业专家可以给你一个奇怪的表情。
这个技术在1901年就有了,当Marconi用了火花隙射频发射机通过大西洋来发送Morse代码数据,所以这个技术并不新奇。目前的UWB使用了没有许可的频段在3-8Ghz之间,所以原理上讲,提供了一个很好的增加密集频谱来操作。不确定的就是到底该怎么运用它。
不同的用户案例都尝试过了,都没有发现任何的真实市场需求。广域网(WAN),高速WiFi,超快"非接触"数据传输所有都成为了应用。一些的半导体供应商(Staccato,Alereon,Wisair和其它)都加入此技术领域并寄予期望。
或许可能产品应用的多样性就是其中的一个问题,因为UWB不是一个标准,更多的只是一个无线传输而已。实际上,UWB是在更宽频带的一个技术用来传输信 息;原理上在适当的环境下,可以和其它用户分享频谱。更精密的术语,FCC和国际电信联盟无线电通信组(ITU-R)目前定义UWB作为一个天线传输,发 射信号带宽超过500Mhz以下或者20%的部分带宽。
最近又有了新一波的UWB兴趣,但这次的应用是在精密的距离测量和室内定位.真的很乐观,这次UWB找到了自己的一个细分市场。
当然,在错误的开始之后,存在相当程度的质疑,但是有好的理由这是此技术正确的使用场景。从开始讲,GPS的无处不在意味着定位方案很多,此概念被充分接受了,很多的软件和系统已经开发出来了。但是GPS有些时候不能提供足够的精度,当然在建筑内会停止工作。
还有其他的室内定位方案-比如使用蓝牙向标(beacon),或者WiFi接入点-但是老实讲,这些都不是很好地工作。这些方案是基于信号强度,而且太多 因素可以导致信号强度变化50%甚至更多(比如手机的位置朝向)。相反,UWB定位是基于飞行时间(ToF)测量,在非常窄的脉冲,所以能够达到高的精 度,且不受信号强度的影响。结果就是UWB的精度可以达到10cm,在测量范围50米内。而基于信号强度的方法努力达到精度大于+/-1米,在更短的测量 范围。
这个方法的另外一个优势就是在安全领域-另外一个当下火热的话题。很多汽车有无钥匙进入系统,有效地通过钥匙的信号强度来检测接近程度。Boris Danev和其同事已经证明(在一个实际的实验,不是理论的)这些系统能够用现有的电子线路,通过一个"中继攻击"非常容易被黑客攻击。一个UWB的系统 是能够抵抗这类攻击的,飞行时间的距离测量方法时非常难易捏造。同样地也适用于其他的无线进入系统。
这些概念比较有趣,但是为了执行方案,可行的技术是必要的。有幸地是有数个供应商在提供这个产品。在芯片层面,最高级的是爱尔兰供应商Decawave,其已经有了首款芯片在市场上,叫做DW1000,这个公司正在研发下一代芯片。但是,也有另外的供应商比如Bespoon和3DB技术也紧跟其后,更大的芯片供应商正在密切关注这个市场,一旦看见市场粘性的迹象形成就会进入。
可是,芯片自己不是完全足够的。客户需要一个完整的可工作的方案,且RF设计要求产生一个宽带传送,在一个广的频谱范围是非同寻常的。这个RF模块专家Insight SIP提供这个方案,提供一个完整功能的,认证了的模块,集成了天线,基于Decawave的芯片,当其它家的硅片成熟之后也会提供对应的模块。
Insight公司已经在UWB技术领域专研了数年,特别在处理富有挑战的天线问题,在如此宽的频带。UWB频谱分立成两个用于行业规定(无趣地命名 3-5Ghz为”低频带”和5-8Ghz为高频带)。不是所有的国家地区允许使用两个频带,所以,任何的方案用于全球市场必须足够灵活应对不同的需求来使 用任何一频段。
Insight公司开发了一系列的创新的微型天线直接嵌入在RF器件的上面,成为一个系统级封装(SiP)的模块。结合天线和电子到一个单一封装,使得UWB的应用变得像安装一个QFN芯片到PCB上面那么简单。
有些公司已经在开始尝试这个技术了,在汽车行业,仓库和资产管理。安全技术供应商Gemalto,在领导一个大的欧洲项目,使用技术综合安全数据交换达到准确的定位。
貌似还有少许的质疑到底哪个市场用得到这个技术-问题是市场到底有多大。芯片供应商最想进入的市场肯定是手机,这个可能还有很长的路要走,但是能够精确地 安全地定位手机可能会形成一些有趣的用户场景-比如支付,或者通过一个机场安检口,但肯定是没有将手机拿出你的口袋。过去的历史证明假如一个无线技术证明 有用的话,就会很快移植到手机当中。
在短期中,会是一个独立的方案来启动市场。无论如何,UWB回来了,带一个新的角色和新的活力,这个无线技术是本10年的下个五年需要关注的。
Insight公司研发了一个非常小的集成的SiP,包含了UWB,蓝牙和一个ARM Cortex M4处理器,加上UWB和蓝牙的天线在一个小的封装,尺寸只有9*19*1.5mm.

图1:ISP151001模块带了UWB收发器, 蓝牙和ARM Cortex M4处理器,内置天线尺寸是9*19*1.5mm
这个模块是基于Decawave的DW1000收发器芯片和Nordic的nRF52芯片.不带蓝牙功能的小尺寸的模块也有,尺寸是9*15*1.5mm.
ISP151001的外形如图2,比Decawave的参考设计的基于PCB的模块小了43%的尺寸,50%更薄,且只包含了收发器,天线和晶振.

图2:ISP151001 UWB带蓝牙模块的尺寸是9*19*1.5mm
完整方案的小尺寸,感谢非常密集的SiP装配在一个高端的SiP衬底上面.把这个结合到一个专利的IC天线设计,集成到封装作为金属屏蔽.图3显示了一个天线位置的模块外形.

图3:ISP151001模块的天线
此模块的应用领域:
1, 精密RTLS实时定位系统,用于医疗,消费,工业电子
2, 精密距离测量
3, 室内定位
4, 安全靠近检测
5, 医疗传感器
6, 运动 & 健身传感器
7, 尺寸要求严格的BLE从设备
8, UWB高级OOR传感器
9, 个人用户界面产品

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