Wi-Fi前端設(shè)計面臨的最大的挑戰(zhàn)--熱量

對于無線接入點或客戶端設(shè)備（CPE），在FCC認(rèn)證之前，很難充分考慮熱管理及其影響的參數(shù)。為了避免由于干擾，共存或射頻前端（RFFE）線性造成的最后時刻變化的麻煩，必須要使用組件的熱參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。這篇博文解釋了Wi-Fi前端設(shè)計面臨的最大的挑戰(zhàn)--熱量。

提高智能家居的負(fù)載力

目前的家庭平均有12個客戶端或物聯(lián)網(wǎng)（IoT）產(chǎn)品互相通信，但這些數(shù)字在未來幾年會增加。 英特爾認(rèn)為，到2020年，家庭用戶數(shù)量將增加到50家，而Gartner 預(yù)測到2020年全球?qū)⒂?04億用戶使用互聯(lián)網(wǎng)。

在當(dāng)今的無線家庭中，通信運營商和零售商通常提供一個大型無線路由器，使用原始功率來實現(xiàn)整個家庭的覆蓋。但隨著家用設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)的急劇增長，智能家庭正在推動單路由器模式的功能。

因此，新的應(yīng)用程序模型正在不斷發(fā)展。消費者發(fā)現(xiàn)將更多的路由器或節(jié)點放置在家中有助于為家庭路由器/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)使用已經(jīng)存在于辦公總部，醫(yī)院和大學(xué)校園中的一些技術(shù)來確保整個家庭的無線能力。

物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)

毫無疑問，由于這種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)模型以及設(shè)備集成了更多的標(biāo)準(zhǔn)和功能，因此接入點內(nèi)的射頻復(fù)雜性增加。

物聯(lián)網(wǎng)帶來了幾個挑戰(zhàn)：

無線廣播需求的增加。今天的接入點不僅僅包含Wi-Fi，還支持Zigbee，藍(lán)牙，低功耗藍(lán)牙（BLE），Thread和 窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）。運營商也正在設(shè)法找到以前無法訪問的家庭。運營商支持的 LTE-M（LTE的機器對機器版本）就是進(jìn)入一些Wi-Fi網(wǎng)關(guān)的一個例子。

每個家庭內(nèi)的用戶更多。家不再只有一個或兩個電腦和幾個電話。今天，幾臺電腦，電視，智能手機，可穿戴設(shè)備，安全網(wǎng)絡(luò)，無線設(shè)備等都連接到Wi-Fi和互聯(lián)網(wǎng)。

額外的Wi-Fi頻段。單位不再有一個2.4 GHz頻段和一個5 GHz頻段?，F(xiàn)在有八個獨立的2.4 GHz和八個5 GHz的路徑。這種改變使得我們在 Wi-Fi接入點或節(jié)點內(nèi)具有MIMO（多輸入/多輸出）和多用戶MIMO（MU-MIMO）路徑。

縮小尺寸和擴展功能。Wi-Fi制造商正在將Wi-Fi設(shè)備變得更小，更時尚，更具裝飾性，而且不那么突出。他們還全天候地制造一些部件或增加多功能性，例如夜光能力。

運行發(fā)熱

Wi-Fi前端設(shè)計中的所有這些變化增加了RF鏈的數(shù)量，從而有助于接入點內(nèi)的整體熱量。這種單位溫度的增加也增加了射頻調(diào)諧挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)盒子的尺寸相同或更小時。

在Wi-Fi領(lǐng)域，工程師需要解決的最關(guān)鍵的設(shè)計挑戰(zhàn)之一就是產(chǎn)品溫度。在當(dāng)今的產(chǎn)品中，組件的平均溫度在60°C或更高，而在25°C的室溫環(huán)境中。在設(shè)計的早期考慮這個事實很重要，以幫助最大限度地減少重新設(shè)計問題或額外成本。

熱量是如何挑戰(zhàn)射頻前端提供的能力和范圍的

溫度影響三個RFFE組件：

功率放大器

射頻開關(guān)和低噪聲放大器（LNA）

濾波器

讓我們來看看每個類別的熱量挑戰(zhàn)和Wi-Fi設(shè)計考慮事項。

在Wi-Fi領(lǐng)域，工程師需要解決的最關(guān)鍵的設(shè)計挑戰(zhàn)之一就是產(chǎn)品溫度。

＃1：功放因素如何？

工程師經(jīng)常在每個射頻鏈路的線性，功率輸出和效率之間取得平衡。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。這也解決了處理效率低下的問題。

射頻工程師還應(yīng)該考慮幾個影響功率放大器的Wi-Fi設(shè)計趨勢：

使用時分雙工（TDD）。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)使用TDD，這意味著功率放大器在工作期間脈沖開啟和關(guān)閉 - 交替?zhèn)鬏敽徒邮展δ堋＿@增加了PA瞬變，這是高溫的原因。

更難的誤差矢量幅度（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)計者來說更難以滿足。設(shè)計工程師必須設(shè)計高度線性的FEM來優(yōu)化EVM，最終有助于降低產(chǎn)品的整體溫度。

更高的調(diào)制方案。為了實現(xiàn)更高的容量和數(shù)據(jù)速率，Wi-Fi設(shè)計正在從256 QAM轉(zhuǎn)向1024 QAM調(diào)制方案。采用1024 QAM調(diào)制時，每個信號有更多的比特 - 每個信號10比特，而在256 QAM中只有8比特。但是，隨著數(shù)據(jù)速率的增加，RFFE上的EVM成為主要關(guān)注點。在1024 QAM中星座非常密集，處理器必須使用復(fù)雜的系統(tǒng)解碼來區(qū)分每個點。當(dāng)處理器工作更加困難時，單元設(shè)備的熱量會增加。

RFFE性能如何影響系統(tǒng)處理器的總體電流消耗。較差的射頻前端性能意味著處理器將不得不更努力地滿足整個系統(tǒng)的要求。使用處理器會增加系統(tǒng)硬件的熱量。

＃2：射頻開關(guān)和低噪聲放大器（LNA）如何？

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度降低時，功率放大器更難以補償并推動更高的輸出，這降低了效率。而效率越低意味著設(shè)備的熱量越多。使用高線性度，低損耗開關(guān)保證整個頻帶內(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)熱沒有顯著的貢獻(xiàn)，但LNA上的熱量的影響可能會嚴(yán)重影響吞吐量。熱量降低了噪聲系數(shù)，并且取決于電路設(shè)計和晶圓技術(shù)的選擇，對此的補償可以使設(shè)計人員得到特定的解決方案。

＃3：最后，濾波器

射頻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)致帶邊緣的高插入損耗，從而可能導(dǎo)致RFFE 的低增益或P OUT響應(yīng)。如果濾波器漂移太多（如SAW圖所示），那么PA會推動更多的功率輸出來補償插入損耗。這增加了電流并降低了系統(tǒng)效率。

使用高插入損耗的濾波器可以降低線性度并增加射頻鏈路P OUT。Qorvo 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。雙工器，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，并導(dǎo)致良好的產(chǎn)品散熱。

功耗的設(shè)計考慮：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，通過選擇減輕熱量的RFFE組件來設(shè)計系統(tǒng)非常重要。在傳輸鏈中，重點應(yīng)該是平衡鏈路預(yù)算需求，如系統(tǒng)線性功率。

隨著設(shè)備從802.11ac遷移到802.11ax的能力，產(chǎn)品制造商必須專注于使用更高效的組件。Qorvo挑戰(zhàn)其設(shè)計團(tuán)隊，在不增加功耗的情況下增加線性功率 - 設(shè)計具有與前幾代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，實現(xiàn)-47 dB EVM - 高于當(dāng)前QPF4538 FEM，即802.11ac 5 GHz FEM，可實現(xiàn)-43 dB EVM，并具有更低的最大功耗。

Qorvo的QPF7200是一個完全集成的前端模塊（iFEM），可以減少重量和設(shè)計復(fù)雜性，同時降低系統(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擋邊LowDrift BAW濾波器，能抵抗溫度變化，并提供去除所需RF鏈數(shù)量的選項

包括一個LTE Wi-Fi共存過濾器，可以消除LTE設(shè)備（如電話或調(diào)制解調(diào)器）的干擾影響，從而降低吞吐量

考慮FCC認(rèn)證之前的工作溫度

有了這么多的無線電和射頻鏈，擠在一起，與RF供應(yīng)商合作非常重要，這可以幫助您同時實現(xiàn)低功耗和線性功耗預(yù)算。

盡管許多系統(tǒng)都是在室溫下進(jìn)行設(shè)計和建模的，但問問自己在設(shè)備運行時如何在60-70°C（140-158°F）下運行。不要等到FCC認(rèn)證的時候才能找出來。