【導讀】本文是系列博客中的上篇，介紹 Wi-Fi 前端設計面臨的挑戰。下篇將探討共存和干擾問(wèn)題。對于無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)或用戶(hù)端設備 (CPE)，很難在獲得 FCC 認證前充分考慮熱管理及受影響的參數。為了避免由于干擾、共存或射頻前端 (RFFE) 線(xiàn)性造成需要在最后時(shí)刻更改設計的麻煩，一定要記得使用組件熱參數進(jìn)行設計。這篇博文解釋了 Wi-Fi 前端設計面臨的最大熱量難題。
提高智能家居能力
目前，每個(gè)家庭平均會(huì )有 12 個(gè)客戶(hù)端或物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 產(chǎn)品互相通信，但這一數字在未來(lái)幾年還會(huì )增加。Intel 認為，到 2020 年，家庭客戶(hù)端數量將增加到 50 個(gè)；而 Gartner 預測，到 2020 年，全球將有 204 億臺設備連接網(wǎng)絡(luò )。
在如今的無(wú)線(xiàn)家庭中，通信運營(yíng)商和零售商通常會(huì )提供一個(gè)大型無(wú)線(xiàn)路由器，使用原始功率來(lái)實(shí)現整個(gè)家庭的覆蓋。但隨著(zhù)家用設備的急劇增長(cháng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，單路由器模式越來(lái)越難以滿(mǎn)足智能家居的需求。
因此，新的應用模式正在不斷發(fā)展。消費者發(fā)現在家中布置更多路由器或節點(diǎn)，有助于家庭路由器/調制解調器提供更多的客戶(hù)端和數據回程服務(wù)。這種新的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )模型通過(guò)企業(yè)級系統使用一些辦公總部、醫院和大學(xué)校園中采納的技術(shù)，來(lái)確保整個(gè)家庭的無(wú)線(xiàn)能力。
物聯(lián)網(wǎng)挑戰
由于這種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )模型的應用，加之設備集成了更多的標準和功能，因而，接入點(diǎn)內的射頻復雜性增加也就不足為奇了。
物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)了一些挑戰：
● 無(wú)線(xiàn)廣播需求增加?，F今的接入點(diǎn)不僅整合了 Wi-Fi 功能，還支持 Zigbee、藍牙、藍牙低功耗 (BLE)、線(xiàn)程和窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT)。運營(yíng)商也在想盡辦法覆蓋之前沒(méi)有接入網(wǎng)絡(luò )的家庭。運營(yíng)商支持的 LTE-M（LTE 的機對機版）就是進(jìn)入一些 Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)的例子。
● 每個(gè)家庭中的用戶(hù)增多。家庭中不再只有一臺或兩臺電腦和幾部電話(huà)。今天，數臺電腦、電視、智能手機、可穿戴設備、安全網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)設備等都要連接到 Wi-Fi 和互聯(lián)網(wǎng)。
● 額外的 Wi-Fi 頻段。裝置不再只有一個(gè) 2.4 GHz 頻段和一個(gè) 5 GHz 頻段?，F在，最多有八個(gè)獨立的 2.4 GHz 和八個(gè) 5 GHz 路徑。這種改變使我們在 Wi-Fi 接入點(diǎn)或節點(diǎn)內擁有了 MIMO（多輸入/多輸出）和多用戶(hù) MIMO (MU-MIMO) 路徑。
● 縮小尺寸和擴展功能。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(huì )那么突兀。他們還生產(chǎn)一些可適應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 設計的復雜程度。
運轉發(fā)熱
Wi-Fi 前端設計中的所有這些變化都增加了 RF 鏈的數量，并成為了接入點(diǎn)整體熱量的禍首。裝置溫度的增加也加劇了 RF 調諧難題，特別是當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(gè)最關(guān)鍵的設計挑戰就是產(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(huì )達到 60°C 或更高。在設計的早期階段考慮這一問(wèn)題非常重要，有助于最大限度地減少重新設計或額外的成本。
熱量對 RF 前端的功能和覆蓋范圍帶來(lái)了哪些挑戰
溫度會(huì )影響三個(gè) RFFE 組件：
1. 功率放大器
2. RF 開(kāi)關(guān)和低噪聲放大器 (LNA)
3. 濾波器
我們來(lái)了解下每種類(lèi)別的熱挑戰和 Wi-Fi 的設計考量.
在 Wi-Fi 領(lǐng)域，工程師需要解決的一個(gè)最關(guān)鍵的設計挑戰就是產(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(gè) RF 鏈路中的線(xiàn)性、功率輸出和效率。使用優(yōu)化的高線(xiàn)性功率放大器或前端模塊 (FEM) 可以?xún)?yōu)化系統效率，減少整體發(fā)熱量。同時(shí)，也減少了系統處理效率低下的問(wèn)題。
RF 工程師還應考慮幾個(gè)影響功率放大器的 Wi-Fi 設計傾向：
時(shí)分雙工 (TDD) 的使用。Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )使用 TDD 意味著(zhù)功率放大器會(huì )在操作期間打開(kāi)和關(guān)閉脈沖，即交替發(fā)射與接收函數信號。這增加了功率放大器的瞬變，導致高溫出現。
更嚴苛的誤差矢量幅度 (EVM) 規范。EVM 是調制質(zhì)量和誤差性能的度量。在 802.11ac 中，EVM 規格為 -35dB，但在 Wi-Fi 的下一個(gè)標準 802.11ax 中，該規格增加到 -47dB，這對于 Wi-Fi 組件設計者來(lái)說(shuō)更難以滿(mǎn)足。設計工程師必須設計高度線(xiàn)性的 FEM 以?xún)?yōu)化 EVM，從而最終有助于降低產(chǎn)品的整體溫度。
更高的調制方案。為了實(shí)現更高的容量和數據速率，Wi-Fi 設計正在從 256 QAM 轉向 1024 QAM 調制方案。使用 1024 QAM 調制后，每個(gè)符號傳輸 10 位數據，而非 256 QAM 中的 8 位數據。但隨著(zhù)數據速率的增加，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，處理器必須使用復雜的系統解碼以區分每個(gè)點(diǎn)。當處理器高負荷工作時(shí)，裝置設備的熱量就會(huì )增加。
RFFE 性能對系統處理器總體電流消耗的影響。較差的 RF 前端性能意味著(zhù)處理器將不得不高負荷工作，以滿(mǎn)足整個(gè)系統的要求。增加處理器的負荷也會(huì )增加系統硬件的熱量。
#2：RF 開(kāi)關(guān)和低噪聲放大器 (LNA) 又如何呢？
在開(kāi)關(guān)中，插入損耗也會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的熱量。當插入損耗增加并且信號強度降低時(shí)，功率放大器會(huì )高負荷工作以補償和推動(dòng)更高的輸出，但這降低了效率。而效率降低意味著(zhù)設備的熱量增多。使用高線(xiàn)性度的低損耗開(kāi)關(guān)可保證整個(gè)頻段內的插入損耗在規格范圍內。
接收吞吐量高度依賴(lài)于 LNA 增益和噪聲系數。盡管 LNA 對發(fā)熱沒(méi)有顯著(zhù)影響，但 LNA 上的熱量可能會(huì )嚴重影響吞吐量。熱量降低了噪聲系數，而且取決于電路設計和晶圓技術(shù)的選擇，對此的補償可能會(huì )導致設計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(huì )導致頻段邊緣的高插入損耗，進(jìn)而導致 RFFE 的增益或 POUT 響應降低。如果濾波器漂移太多（如 SAW 圖所示），功率放大器會(huì )推動(dòng)更多的功率輸出以補償插入損耗。這增加了電流并降低了系統效率。
使用具有高插入損耗的濾波器可以降低線(xiàn)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)現良好的產(chǎn)品散熱。
Read More Design Tips: Resolving Interference in a Crowded Wi-Fi Environment
觀(guān)看視頻detailed "Chalk Talk"獲取更多Qorvo Wi-Fi無(wú)線(xiàn)連接解決方案內容。
對功耗的設計考量：Qorvo 的方法
熱量會(huì )降低整個(gè)系統的性能（如吞吐量、范圍和干擾分辨率）。因此，通過(guò)選擇可減少熱量的 RFFE 組件來(lái)設計系統非常重要。在傳輸鏈中，重點(diǎn)應該是平衡鏈路預算需求，如系統線(xiàn)性功率。
A隨著(zhù)設備從 802.11ac 遷移到 802.11ax 能力，產(chǎn)品制造商必須專(zhuān)注于使用更高效的組件。Qorvo 要求旗下的設計團隊，在不增加功耗的情況下增加線(xiàn)性功率，設計出具有與前幾代產(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(xiàn)性功率且能實(shí)現 -47dB EVM，這高于當前的 QPF4538，QPF4538 是 802.11ac 5 GHz FEM，可實(shí)現 ?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(gè)完全集成的前端模塊 (iFEM)，可減少重量和設計復雜性，同時(shí)降低系統發(fā)熱量。QPF7200 模塊：
● 包含一個(gè)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 鏈數量的選項
● 包括一個(gè) LTE Wi-Fi 共存濾波器，可以消除 LTE 設備（如電話(huà)或調制解調器）的干擾影響，避免吞吐量降低
在FCC認證之前就應考慮運行溫度
有如此多的無(wú)線(xiàn)電和 RF 鏈擠壓在一起，因此與 RF 供應商的合作就顯得尤為重要，這可以幫助您同時(shí)實(shí)現低功耗和線(xiàn)性功耗預算。
盡管很多系統都是依據室溫設計和建模的，但捫心自問(wèn)，如果運行溫度達到的 60-70°C (140-158°F)，這些設備還怎么運行下去？不要等到 FCC 認證的時(shí)候才想起解決這個(gè)問(wèn)題。
請繼續關(guān)注本博文系列的下篇，我們將在其中討論有關(guān)無(wú)線(xiàn)干擾/共存的 Wi-Fi 設計難題和解決方法。
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