【導讀】本文是係列博客中的上篇，介紹 Wi-Fi 前端設計麵臨(lin) 的挑戰。下篇將探討共存和幹擾問題。對於(yu) 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(wei) 了避免由於(yu) 幹擾、共存或射頻前端 (RFFE) 線性造成需要在最後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 前端設計麵臨(lin) 的最大熱量難題。

提高智能家居能力

目前，每個(ge) 家庭平均會(hui) 有 12 個(ge) 客戶端或物聯網 (IoT) 產(chan) 品互相通信，但這一數字在未來幾年還會(hui) 增加。Intel 認為(wei) ，到 2020 年，家庭客戶端數量將增加到 50 個(ge) ；而 Gartner 預測，到 2020 年，全球將有 204 億(yi) 台設備連接網絡。

在如今的無線家庭中，通信運營商和零售商通常會(hui) 提供一個(ge) 大型無線路由器，使用原始功率來實現整個(ge) 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，有助於(yu) 家庭路由器/調製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(ye) 級係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(ge) 家庭的無線能力。

物聯網挑戰

由於(yu) 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(nei) 的射頻複雜性增加也就不足為(wei) 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(jin) 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(guan) 的例子。

●     每個(ge) 家庭中的用戶增多。家庭中不再隻有一台或兩(liang) 台電腦和幾部電話。今天，數台電腦、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。裝置不再隻有一個(ge) 2.4 GHz 頻段和一個(ge) 5 GHz 頻段。現在，最多有八個(ge) 獨立的 2.4 GHz 和八個(ge) 5 GHz 路徑。這種改變使我們(men) 在 Wi-Fi 接入點或節點內(nei) 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 製造商正在將 Wi-Fi 裝置做得更小、更時尚、更具裝飾性，而且不會(hui) 那麽(me) 突兀。他們(men) 還生產(chan) 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。

下麵的框圖對新舊接入點進行了比較，凸顯了如今 RFFE 設計的複雜程度。

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，並成為(wei) 了接入點整體(ti) 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(jue) 的一個(ge) 最關(guan) 鍵的設計挑戰就是產(chan) 品溫度。在今天的產(chan) 品中，如果靜放在 25°C 的室溫環境下，部件的平均溫度會(hui) 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，有助於(yu) 最大限度地減少重新設計或額外的成本。

熱量對 RF 前端的功能和覆蓋範圍帶來了哪些挑戰

溫度會(hui) 影響三個(ge) RFFE 組件：

1. 功率放大器

2. RF 開關(guan) 和低噪聲放大器 (LNA)

3. 濾波器

我們(men) 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(jue) 的一個(ge) 最關(guan) 鍵的設計挑戰就是產(chan) 品溫度。

#1：功率放大器怎麽(me) 解決(jue) ？

工程師經常要平衡每個(ge) RF 鏈路中的線性、功率輸出和效率。使用優(you) 化的高線性功率放大器或前端模塊 (FEM) 可以優(you) 化係統效率，減少整體(ti) 發熱量。同時，也減少了係統處理效率低下的問題。

RF 工程師還應考慮幾個(ge) 影響功率放大器的 Wi-Fi 設計傾(qing) 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(hui) 在操作期間打開和關(guan) 閉脈衝(chong) ，即交替發射與(yu) 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(yan) 苛的誤差矢量幅度 (EVM) 規範。EVM 是調製質量和誤差性能的度量。在 802.11ac 中，EVM 規格為(wei) -35dB，但在 Wi-Fi 的下一個(ge) 標準 802.11ax 中，該規格增加到 -47dB，這對於(yu) 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(you) 化 EVM，從(cong) 而最終有助於(yu) 降低產(chan) 品的整體(ti) 溫度。

更高的調製方案。為(wei) 了實現更高的容量和數據速率，Wi-Fi 設計正在從(cong) 256 QAM 轉向 1024 QAM 調製方案。使用 1024 QAM 調製後，每個(ge) 符號傳(chuan) 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(wei) 主要關(guan) 注點。在 1024 QAM 中星座點非常密集，處理器必須使用複雜的係統解碼以區分每個(ge) 點。當處理器高負荷工作時，裝置設備的熱量就會(hui) 增加。

RFFE 性能對係統處理器總體(ti) 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(ge) 係統的要求。增加處理器的負荷也會(hui) 增加係統硬件的熱量。

#2：RF 開關(guan) 和低噪聲放大器 (LNA) 又如何呢？

在開關(guan) 中，插入損耗也會(hui) 產(chan) 生過多的熱量。當插入損耗增加並且信號強度降低時，功率放大器會(hui) 高負荷工作以補償(chang) 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(guan) 可保證整個(ge) 頻段內(nei) 的插入損耗在規格範圍內(nei) 。

接收吞吐量高度依賴於(yu) LNA 增益和噪聲係數。盡管 LNA 對發熱沒有顯著影響，但 LNA 上的熱量可能會(hui) 嚴(yan) 重影響吞吐量。熱量降低了噪聲係數，而且取決(jue) 於(yu) 電路設計和晶圓技術的選擇，對此的補償(chang) 可能會(hui) 導致設計人員采取特定的解決(jue) 方案。

#3：最後是濾波器

RF 濾波器由於(yu) 溫度變化而向左或向右漂移，如下麵的 SAW 和 BAW 圖所示。這些移位可能會(hui) 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(hui) 推動更多的功率輸出以補償(chang) 插入損耗。這增加了電流並降低了係統效率。

使用具有高插入損耗的濾波器可以降低線性度並增加 RF 鏈OUT。Qorvo 的 LowDrift™ 體(ti) 聲波 (BAW) 濾波器的一大優(you) 勢是其在溫度漂移方麵的穩定性。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，有助於(yu) 減少插入損耗，實現良好的產(chan) 品散熱。

Read More Design Tips: Resolving Interference in a Crowded Wi-Fi Environment

觀看視頻detailed "Chalk Talk"獲取更多Qorvo Wi-Fi無線連接解決(jue) 方案內(nei) 容。

對功耗的設計考量：Qorvo 的方法

熱量會(hui) 降低整個(ge) 係統的性能（如吞吐量、範圍和幹擾分辨率）。因此，通過選擇可減少熱量的 RFFE 組件來設計係統非常重要。在傳(chuan) 輸鏈中，重點應該是平衡鏈路預算需求，如係統線性功率。

A隨著設備從(cong) 802.11ac 遷移到 802.11ax 能力，產(chan) 品製造商必須專(zhuan) 注於(yu) 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(yu) 前幾代產(chan) 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(chuan) 輸線性功率且能實現 -47dB EVM，這高於(yu) 當前的 QPF4538，QPF4538 是 802.11ac 5 GHz FEM，可實現 ‑43dB EVM 並具有更低的最大功耗。

另一款整合了所有散熱功能的產(chan) 品是 Qorvo 的 QPF7200，它是一個(ge) 完全集成的前端模塊 (iFEM)，可減少重量和設計複雜性，同時降低係統發熱量。QPF7200 模塊：

●     包含一個(ge) 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，並提供去除所需 RF 鏈數量的選項

●     包括一個(ge) LTE Wi-Fi 共存濾波器，可以消除 LTE 設備（如電話或調製解調器）的幹擾影響，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(yu) RF 供應商的合作就顯得尤為(wei) 重要，這可以幫助您同時實現低功耗和線性功耗預算。

盡管很多係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)，這些設備還怎麽(me) 運行下去？不要等到 FCC 認證的時候才想起解決(jue) 這個(ge) 問題。

請繼續關(guan) 注本博文係列的下篇，我們(men) 將在其中討論有關(guan) 無線幹擾/共存的 Wi-Fi 設計難題和解決(jue) 方法。

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