【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題。對于無線接入點或用戶端設備 (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) 線性造成需要在最后時刻更改設計的麻煩，一定要記得使用組件熱參數進行設計。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，每個家庭平均會有 12 個客戶端或物聯網 (IoT) 產品互相通信，但這一數字在未來幾年還會增加。Intel 認為，到 2020 年，家庭客戶端數量將增加到 50 個；而 Gartner 預測，到 2020 年，全球將有 204 億臺設備連接網絡。
在如今的無線家庭中，通信運營商和零售商通常會提供一個大型無線路由器，使用原始功率來實現整個家庭的覆蓋。但隨著家用設備的急劇增長和物聯網的快速發展，單路由器模式越來越難以滿足智能家居的需求。
因此，新的應用模式正在不斷發展。消費者發現在家中布置更多路由器或節點，有助于家庭路由器/調制解調器提供更多的客戶端和數據回程服務。這種新的網狀網絡模型通過企業級系統使用一些辦公總部、醫院和大學校園中采納的技術，來確保整個家庭的無線能力。
物聯網挑戰
由于這種網狀網絡模型的應用，加之設備集成了更多的標準和功能，因而，接入點內的射頻復雜性增加也就不足為奇了。
物聯網帶來了一些挑戰：
● 無線廣播需求增加。現今的接入點不僅整合了 Wi-Fi 功能，還支持 Zigbee、藍牙、藍牙低功耗 (BLE)、線程和窄帶物聯網 (NB-IoT)。運營商也在想盡辦法覆蓋之前沒有接入網絡的家庭。運營商支持的 LTE-M（LTE 的機對機版）就是進入一些 Wi-Fi 網關的例子。
● 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，數臺電腦、電視、智能手機、可穿戴設備、安全網絡、無線設備等都要連接到 Wi-Fi 和互聯網。
● 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。現在，最多有八個獨立的 2.4 GHz 和八個 5 GHz 路徑。這種改變使我們在 Wi-Fi 接入點或節點內擁有了 MIMO（多輸入/多輸出）和多用戶 MIMO (MU-MIMO) 路徑。
● 縮小尺寸和擴展功能。Wi-Fi 制造商正在將 Wi-Fi 裝置做得更小、更時尚、更具裝飾性，而且不會那么突兀。他們還生產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進行了比較，凸顯了如今 RFFE 設計的復雜程度。
運轉發熱
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。
在 Wi-Fi 領域，工程師需要解決的一個最關鍵的設計挑戰就是產品溫度。在今天的產品中，如果靜放在 25°C 的室溫環境下，部件的平均溫度會達到 60°C 或更高。在設計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計或額外的成本。
熱量對 RF 前端的功能和覆蓋范圍帶來了哪些挑戰
溫度會影響三個 RFFE 組件：
1. 功率放大器
2. RF 開關和低噪聲放大器 (LNA)
3. 濾波器
我們來了解下每種類別的熱挑戰和 Wi-Fi 的設計考量.
在 Wi-Fi 領域，工程師需要解決的一個最關鍵的設計挑戰就是產品溫度。
#1：功率放大器怎么解決？
工程師經常要平衡每個 RF 鏈路中的線性、功率輸出和效率。使用優化的高線性功率放大器或前端模塊 (FEM) 可以優化系統效率，減少整體發熱量。同時，也減少了系統處理效率低下的問題。
RF 工程師還應考慮幾個影響功率放大器的 Wi-Fi 設計傾向：
時分雙工 (TDD) 的使用。Wi-Fi 網絡使用 TDD 意味著功率放大器會在操作期間打開和關閉脈沖，即交替發射與接收函數信號。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 的下一個標準 802.11ax 中，該規格增加到 -47dB，這對于 Wi-Fi 組件設計者來說更難以滿足。設計工程師必須設計高度線性的 FEM 以優化 EVM，從而最終有助于降低產品的整體溫度。
更高的調制方案。為了實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，每個符號傳輸 10 位數據，而非 256 QAM 中的 8 位數據。但隨著數據速率的增加，RFFE 上的 EVM 成為主要關注點。在 1024 QAM 中星座點非常密集，處理器必須使用復雜的系統解碼以區分每個點。當處理器高負荷工作時，裝置設備的熱量就會增加。
RFFE 性能對系統處理器總體電流消耗的影響。較差的 RF 前端性能意味著處理器將不得不高負荷工作，以滿足整個系統的要求。增加處理器的負荷也會增加系統硬件的熱量。
#2：RF 開關和低噪聲放大器 (LNA) 又如何呢？
在開關中，插入損耗也會產生過多的熱量。當插入損耗增加并且信號強度降低時，功率放大器會高負荷工作以補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備的熱量增多。使用高線性度的低損耗開關可保證整個頻段內的插入損耗在規格范圍內。
接收吞吐量高度依賴于 LNA 增益和噪聲系數。盡管 LNA 對發熱沒有顯著影響，但 LNA 上的熱量可能會嚴重影響吞吐量。熱量降低了噪聲系數，而且取決于電路設計和晶圓技術的選擇，對此的補償可能會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。這些移位可能會導致頻段邊緣的高插入損耗，進而導致 RFFE 的增益或 POUT 響應降低。如果濾波器漂移太多（如 SAW 圖所示），功率放大器會推動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性度并增加 RF 鏈OUT。Qorvo 的 LowDrift? 體聲波 (BAW) 濾波器的一大優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，具有較低的溫度漂移，有助于減少插入損耗，實現良好的產品散熱。
Read More Design Tips: Resolving Interference in a Crowded Wi-Fi Environment
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對功耗的設計考量：Qorvo 的方法
熱量會降低整個系統的性能（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 組件來設計系統非常重要。在傳輸鏈中，重點應該是平衡鏈路預算需求，如系統線性功率。
A隨著設備從 802.11ac 遷移到 802.11ax 能力，產品制造商必須專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性功率，設計出具有與前幾代產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現 -47dB EVM，這高于當前的 QPF4538，QPF4538 是 802.11ac 5 GHz FEM，可實現 ?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)，可減少重量和設計復雜性，同時降低系統發熱量。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 鏈數量的選項
● 包括一個 LTE Wi-Fi 共存濾波器，可以消除 LTE 設備（如電話或調制解調器）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
有如此多的無線電和 RF 鏈擠壓在一起，因此與 RF 供應商的合作就顯得尤為重要，這可以幫助您同時實現低功耗和線性功耗預算。
盡管很多系統都是依據室溫設計和建模的，但捫心自問，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 認證的時候才想起解決這個問題。
請繼續關注本博文系列的下篇，我們將在其中討論有關無線干擾/共存的 Wi-Fi 設計難題和解決方法。
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