高/低功率各不相同，射頻電路電源管理這門學(xué)問(wèn)你真的懂么？

電源管理是一門科學(xué)藝術(shù)，它通過(guò)優(yōu)化輸入和輸出信號(hào)來(lái)最大化 RF 設(shè)備的效率和性能，這不是一件容易的事。每臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都有自己獨(dú)特的功率需求。更高的數(shù)據(jù)速率通常意味著更高的功耗和復(fù)雜性，這可能會(huì)帶來(lái)?yè)p失，進(jìn)而降低可靠性和增加成本。低數(shù)據(jù)速率設(shè)備(例如支持物聯(lián)網(wǎng)的那些設(shè)備)功率極小，以便節(jié)省寶貴的電池電源的每一毫秒。

除此以外，RF 工程師還面臨靜電放電的難題，它幾乎可以炸毀一臺(tái)設(shè)備的電路板。想象一下，在干燥的冬日走過(guò)地毯后，手碰觸到門把手。咝!在您碰到門把手的那一刻，它只會(huì)讓您的手臂汗毛豎起來(lái)，感到輕微不適，但是，卻會(huì)讓設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的性能問(wèn)題，或者甚至損壞敏感的電子元件。每個(gè)人都能按下電源按鈕，但要設(shè)計(jì)出電源管理和 RF 設(shè)備，則需要以下的專業(yè)知識(shí)。

高功率 RF

伯克利實(shí)驗(yàn)室將高功率 RF 定義為一個(gè)專門的工程領(lǐng)域，主要研究運(yùn)行頻率遠(yuǎn)高于音頻頻段的元件和系統(tǒng)。高功率 RF 應(yīng)用包括軍事和商業(yè)雷達(dá)、衛(wèi)星通信和無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施，例如蜂窩基站。工程師必須放大這些系統(tǒng)的功率，以便在長(zhǎng)距離和惡劣條件下可靠地傳輸信號(hào)。為此，他們使用了功率放大器 (PA)。

與放大 .jpeg 圖像文件的大小一樣，功率放大器可以在不損壞或無(wú)失真的情況下增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的輸出。但是，增加功率也會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。溫度管理是高功率 RF 設(shè)備需要解決的難題之一。工程師必須滿足嚴(yán)格的輸出要求，同時(shí)保持設(shè)備足夠冷卻，以保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

出于此原因，大部分高功率 RF 設(shè)備都采用砷化鎵 (GaAs) 或氮化鎵 (GaN) 制造。這兩種復(fù)合半導(dǎo)體都能處理高功率 RF 系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，但 GaN 正迅速成為首選技術(shù)。GaN 放大器具備出色的熱性能，能夠提供比傳統(tǒng)技術(shù)更高的輸出，且最多能夠降低 20% 的功耗。

GaN 幫助實(shí)現(xiàn)了更高頻率下的實(shí)時(shí)通信。以敵我識(shí)別 (IFF) 系統(tǒng)為例，這些系統(tǒng)讓民用航空交通管制部門能夠識(shí)別飛機(jī)，并從塔樓上確認(rèn)它們的距離。

高功率 RF 設(shè)備發(fā)展的下一步是毫米波 (mmW)：介于 30 GHz 和 300 GHz 之間的超高頻段，其中許多頻率是部署 5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。采用這些頻率時(shí)，電源管理是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。

低功率 RF

低功率 RF 主要涉及更低頻率的低傳輸速率、短距離無(wú)線通信。應(yīng)用包括物聯(lián)網(wǎng);節(jié)能型智能家居設(shè)備、恒溫器、HVAC、照明控制和家居安防;用于監(jiān)測(cè)停車、交通堵塞、路燈和廢棄物管理狀況的智能城市設(shè)備;以及車聯(lián)網(wǎng)。

對(duì)于所有低功率 RF 產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，電源管理的關(guān)鍵問(wèn)題在于電池的使用壽命。物聯(lián)網(wǎng)要能夠使用，傳感器必須持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。房主和市民并不希望每年更換設(shè)備中的電池，因此工程師必須設(shè)計(jì)出低功率、能夠維持十年或更久時(shí)間的解決方案。

更復(fù)雜的是，每個(gè)低功率網(wǎng)絡(luò)對(duì)功率的要求各不相同，并且有數(shù)十個(gè)網(wǎng)絡(luò)之多，包括 Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee 3.0、藍(lán)牙低功耗、Thread、LTE Cat-M1 (LTE-M) 和窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT)。

例如，Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)會(huì)根據(jù)發(fā)送的文件的大小，以及路由器/接入點(diǎn)和連接設(shè)備之間的距離，在 2.4GHz 和 5GHz 之間切換。頻率更高時(shí)，系統(tǒng)消耗的功率更高，頻率更低時(shí)，消耗的功率更低。路由器采用硬接線方式，因此不受影響，但互聯(lián)設(shè)備的電池電量會(huì)耗盡，無(wú)論是智能手機(jī)、筆記本電腦還是其他設(shè)備。通常，您的設(shè)備和連接設(shè)備之間的距離越遠(yuǎn)，所需的功率就越大。藍(lán)牙消耗的功率比 Wi-Fi 低，Wi-Fi 需要的功率又比蜂窩低。

根據(jù)我們?cè)?Keysight Technologies 任職的合作伙伴的說(shuō)法，“工程師必須準(zhǔn)確測(cè)量電池的損耗，了解這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗模式，以實(shí)現(xiàn)客戶期望的長(zhǎng)電池壽命?！敝挥羞@樣，我們才能構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，以強(qiáng)大的方式將人類和他們的設(shè)備連接起來(lái)，進(jìn)而簡(jiǎn)化我們的生活。

集成的作用

所有功率水平都能通過(guò)集成受益。從系統(tǒng)層面來(lái)看，將多個(gè)組件集成到單個(gè)設(shè)備能夠最小化功率和效率損失，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)部署，并且?guī)椭涌旄鞣N產(chǎn)品(從雷達(dá)到路由器)的上市速度。從設(shè)備層面來(lái)看，家庭、城市或廠區(qū)“設(shè)備”具備的互操作性能夠最大化生產(chǎn)力，并最大限度地節(jié)能。

審核編輯：湯梓紅