【導(dǎo)讀】本文是系列博客中的上篇，介紹 Wi-Fi 前端設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)。下篇將探討共存和干擾問題。對于無線接入點(diǎn)或用戶端設(shè)備 (CPE)，很難在獲得 FCC 認(rèn)證前充分考慮熱管理及受影響的參數(shù)。為了避免由于干擾、共存或射頻前端 (RFFE) 線性造成需要在最后時(shí)刻更改設(shè)計(jì)的麻煩，一定要記得使用組件熱參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這篇博文解釋了 Wi-Fi 前端設(shè)計(jì)面臨的最大熱量難題。
提高智能家居能力
目前，每個家庭平均會有 12 個客戶端或物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 產(chǎn)品互相通信，但這一數(shù)字在未來幾年還會增加。Intel 認(rèn)為，到 2020 年，家庭客戶端數(shù)量將增加到 50 個；而 Gartner 預(yù)測，到 2020 年，全球?qū)⒂?204 億臺設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)。
在如今的無線家庭中，通信運(yùn)營商和零售商通常會提供一個大型無線路由器，使用原始功率來實(shí)現(xiàn)整個家庭的覆蓋。但隨著家用設(shè)備的急劇增長和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，單路由器模式越來越難以滿足智能家居的需求。
因此，新的應(yīng)用模式正在不斷發(fā)展。消費(fèi)者發(fā)現(xiàn)在家中布置更多路由器或節(jié)點(diǎn)，有助于家庭路由器/調(diào)制解調(diào)器提供更多的客戶端和數(shù)據(jù)回程服務(wù)。這種新的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)模型通過企業(yè)級系統(tǒng)使用一些辦公總部、醫(yī)院和大學(xué)校園中采納的技術(shù)，來確保整個家庭的無線能力。
物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)
由于這種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用，加之設(shè)備集成了更多的標(biāo)準(zhǔn)和功能，因而，接入點(diǎn)內(nèi)的射頻復(fù)雜性增加也就不足為奇了。
物聯(lián)網(wǎng)帶來了一些挑戰(zhàn)：
● 無線廣播需求增加?，F(xiàn)今的接入點(diǎn)不僅整合了 Wi-Fi 功能，還支持 Zigbee、藍(lán)牙、藍(lán)牙低功耗 (BLE)、線程和窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT)。運(yùn)營商也在想盡辦法覆蓋之前沒有接入網(wǎng)絡(luò)的家庭。運(yùn)營商支持的 LTE-M（LTE 的機(jī)對機(jī)版）就是進(jìn)入一些 Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)的例子。
● 每個家庭中的用戶增多。家庭中不再只有一臺或兩臺電腦和幾部電話。今天，數(shù)臺電腦、電視、智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、安全網(wǎng)絡(luò)、無線設(shè)備等都要連接到 Wi-Fi 和互聯(lián)網(wǎng)。
● 額外的 Wi-Fi 頻段。裝置不再只有一個 2.4 GHz 頻段和一個 5 GHz 頻段?，F(xiàn)在，最多有八個獨(dú)立的 2.4 GHz 和八個 5 GHz 路徑。這種改變使我們在 Wi-Fi 接入點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)內(nèi)擁有了 MIMO（多輸入/多輸出）和多用戶 MIMO (MU-MIMO) 路徑。
● 縮小尺寸和擴(kuò)展功能。Wi-Fi 制造商正在將 Wi-Fi 裝置做得更小、更時(shí)尚、更具裝飾性，而且不會那么突兀。他們還生產(chǎn)一些可適應(yīng)各種氣候或添加了多種功能的裝置，例如夜燈功能。
下面的框圖對新舊接入點(diǎn)進(jìn)行了比較，凸顯了如今 RFFE 設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。
運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱
Wi-Fi 前端設(shè)計(jì)中的所有這些變化都增加了 RF 鏈的數(shù)量，并成為了接入點(diǎn)整體熱量的禍?zhǔn)?。裝置溫度的增加也加劇了 RF 調(diào)諧難題，特別是當(dāng)盒子的尺寸相同或更小時(shí)。
在 Wi-Fi 領(lǐng)域，工程師需要解決的一個最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)就是產(chǎn)品溫度。在今天的產(chǎn)品中，如果靜放在 25°C 的室溫環(huán)境下，部件的平均溫度會達(dá)到 60°C 或更高。在設(shè)計(jì)的早期階段考慮這一問題非常重要，有助于最大限度地減少重新設(shè)計(jì)或額外的成本。
熱量對 RF 前端的功能和覆蓋范圍帶來了哪些挑戰(zhàn)
溫度會影響三個 RFFE 組件：
1. 功率放大器
2. RF 開關(guān)和低噪聲放大器 (LNA)
3. 濾波器
我們來了解下每種類別的熱挑戰(zhàn)和 Wi-Fi 的設(shè)計(jì)考量.
在 Wi-Fi 領(lǐng)域，工程師需要解決的一個最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)就是產(chǎn)品溫度。
#1：功率放大器怎么解決？
工程師經(jīng)常要平衡每個 RF 鏈路中的線性、功率輸出和效率。使用優(yōu)化的高線性功率放大器或前端模塊 (FEM) 可以優(yōu)化系統(tǒng)效率，減少整體發(fā)熱量。同時(shí)，也減少了系統(tǒng)處理效率低下的問題。
RF 工程師還應(yīng)考慮幾個影響功率放大器的 Wi-Fi 設(shè)計(jì)傾向：
時(shí)分雙工 (TDD) 的使用。Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)使用 TDD 意味著功率放大器會在操作期間打開和關(guān)閉脈沖，即交替發(fā)射與接收函數(shù)信號。這增加了功率放大器的瞬變，導(dǎo)致高溫出現(xiàn)。
更嚴(yán)苛的誤差矢量幅度 (EVM) 規(guī)范。EVM 是調(diào)制質(zhì)量和誤差性能的度量。在 802.11ac 中，EVM 規(guī)格為 -35dB，但在 Wi-Fi 的下一個標(biāo)準(zhǔn) 802.11ax 中，該規(guī)格增加到 -47dB，這對于 Wi-Fi 組件設(shè)計(jì)者來說更難以滿足。設(shè)計(jì)工程師必須設(shè)計(jì)高度線性的 FEM 以優(yōu)化 EVM，從而最終有助于降低產(chǎn)品的整體溫度。
更高的調(diào)制方案。為了實(shí)現(xiàn)更高的容量和數(shù)據(jù)速率，Wi-Fi 設(shè)計(jì)正在從 256 QAM 轉(zhuǎn)向 1024 QAM 調(diào)制方案。使用 1024 QAM 調(diào)制后，每個符號傳輸 10 位數(shù)據(jù)，而非 256 QAM 中的 8 位數(shù)據(jù)。但隨著數(shù)據(jù)速率的增加，RFFE 上的 EVM 成為主要關(guān)注點(diǎn)。在 1024 QAM 中星座點(diǎn)非常密集，處理器必須使用復(fù)雜的系統(tǒng)解碼以區(qū)分每個點(diǎn)。當(dāng)處理器高負(fù)荷工作時(shí)，裝置設(shè)備的熱量就會增加。
RFFE 性能對系統(tǒng)處理器總體電流消耗的影響。較差的 RF 前端性能意味著處理器將不得不高負(fù)荷工作，以滿足整個系統(tǒng)的要求。增加處理器的負(fù)荷也會增加系統(tǒng)硬件的熱量。
#2：RF 開關(guān)和低噪聲放大器 (LNA) 又如何呢？
在開關(guān)中，插入損耗也會產(chǎn)生過多的熱量。當(dāng)插入損耗增加并且信號強(qiáng)度降低時(shí)，功率放大器會高負(fù)荷工作以補(bǔ)償和推動更高的輸出，但這降低了效率。而效率降低意味著設(shè)備的熱量增多。使用高線性度的低損耗開關(guān)可保證整個頻段內(nèi)的插入損耗在規(guī)格范圍內(nèi)。
接收吞吐量高度依賴于 LNA 增益和噪聲系數(shù)。盡管 LNA 對發(fā)熱沒有顯著影響，但 LNA 上的熱量可能會嚴(yán)重影響吞吐量。熱量降低了噪聲系數(shù)，而且取決于電路設(shè)計(jì)和晶圓技術(shù)的選擇，對此的補(bǔ)償可能會導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員采取特定的解決方案。
#3：最后是濾波器
RF 濾波器由于溫度變化而向左或向右漂移，如下面的 SAW 和 BAW 圖所示。這些移位可能會導(dǎo)致頻段邊緣的高插入損耗，進(jìn)而導(dǎo)致 RFFE 的增益或 POUT 響應(yīng)降低。如果濾波器漂移太多（如 SAW 圖所示），功率放大器會推動更多的功率輸出以補(bǔ)償插入損耗。這增加了電流并降低了系統(tǒng)效率。
使用具有高插入損耗的濾波器可以降低線性度并增加 RF 鏈OUT。Qorvo 的 LowDrift? 體聲波 (BAW) 濾波器的一大優(yōu)勢是其在溫度漂移方面的穩(wěn)定性。雙信器、帶通濾波器和共存濾波器采用 BAW 技術(shù)，具有較低的溫度漂移，有助于減少插入損耗，實(shí)現(xiàn)良好的產(chǎn)品散熱。
Read More Design Tips: Resolving Interference in a Crowded Wi-Fi Environment
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對功耗的設(shè)計(jì)考量：Qorvo 的方法
熱量會降低整個系統(tǒng)的性能（如吞吐量、范圍和干擾分辨率）。因此，通過選擇可減少熱量的 RFFE 組件來設(shè)計(jì)系統(tǒng)非常重要。在傳輸鏈中，重點(diǎn)應(yīng)該是平衡鏈路預(yù)算需求，如系統(tǒng)線性功率。
A隨著設(shè)備從 802.11ac 遷移到 802.11ax 能力，產(chǎn)品制造商必須專注于使用更高效的組件。Qorvo 要求旗下的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，在不增加功耗的情況下增加線性功率，設(shè)計(jì)出具有與前幾代產(chǎn)品相同功耗的更高吞吐量器件。例如，即將推出的 QPF4528 是一款 802.11ax 5 GHz FEM，可傳輸線性功率且能實(shí)現(xiàn) -47dB EVM，這高于當(dāng)前的 QPF4538，QPF4538 是 802.11ac 5 GHz FEM，可實(shí)現(xiàn) ?43dB EVM 并具有更低的最大功耗。
另一款整合了所有散熱功能的產(chǎn)品是 Qorvo 的 QPF7200，它是一個完全集成的前端模塊 (iFEM)，可減少重量和設(shè)計(jì)復(fù)雜性，同時(shí)降低系統(tǒng)發(fā)熱量。QPF7200 模塊：
● 包含一個高效的 2 GHz 功率放大器，以減少熱量
● 集成 FCC 帶緣 LowDrift BAW 濾波器，可抵抗溫度變化，并提供去除所需 RF 鏈數(shù)量的選項(xiàng)
● 包括一個 LTE Wi-Fi 共存濾波器，可以消除 LTE 設(shè)備（如電話或調(diào)制解調(diào)器）的干擾影響，避免吞吐量降低
在FCC認(rèn)證之前就應(yīng)考慮運(yùn)行溫度
有如此多的無線電和 RF 鏈擠壓在一起，因此與 RF 供應(yīng)商的合作就顯得尤為重要，這可以幫助您同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗和線性功耗預(yù)算。
盡管很多系統(tǒng)都是依據(jù)室溫設(shè)計(jì)和建模的，但捫心自問，如果運(yùn)行溫度達(dá)到的 60-70°C (140-158°F)，這些設(shè)備還怎么運(yùn)行下去？不要等到 FCC 認(rèn)證的時(shí)候才想起解決這個問題。
請繼續(xù)關(guān)注本博文系列的下篇，我們將在其中討論有關(guān)無線干擾/共存的 Wi-Fi 設(shè)計(jì)難題和解決方法。
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