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如何避免过热:克服Wi-Fi前端设计中的热挑战(上)万博投注网址

文章作者:Wayne Polonio, Qorvo

这是两部分博客系列的第一部分，着眼于Wi-Fi前端设计的设计挑战。万博投注网址

对于无线接入点或客户房屋设备（CPE），它可能很难完全考虑在FCC认证之前受到热管理的热管理和受其影响的参数。为了保护自己由于干扰，共存或射频前端（RFFE）线性而导致的最后一刻更改的头痛，请务必在记住中使用组件热参数设计。该博客帖子介绍了Wi-Fi前端设计面临的最大热挑战。万博投注网址

增加智能家居的容量

平均而言，今天的家庭有12个客户或互联网（物联网）产品互相沟通，但这些数字将在未来几年增加。英特尔相信
到2020年，家庭客户的数量将增加到50个，而Gartner2020年将在全球范围内使用204亿连接的东西。

在当今的无线家庭中，通信运营商和零售商通常提供了一个大型无线路由器，使用原始电源来实现整个房屋的覆盖范围。但随着家庭设备和物联网的急剧增加，智能家庭正在推动单路由器模型的功能。

因此，新的应用程序模型正在发展。消费者发现，在家里放置更多的路由器或节点，有助于为更多的客户提供服务，并将数据返回到家用路由器/调制解调器。这种新的网状网络模型使用一些已经存在于办公室总部、医院和其他地方的技术，确保了整个家庭的无线能力
大学校园通过企业级系统。

物联网的挑战

由于这种网状网络模型和设备集成了更多的标准和功能，接入点内的射频复杂性会增加，这并不奇怪。

物联网带来了几个挑战:

另外还需要无线收音机。今天的接入点不仅包含Wi-Fi，它们还支持无线个域网,蓝牙,蓝牙低能量（BLE）,线程和窄带物联网（NB-IOT）。运营商也在想方设法帮助以前无法上网的家庭。Operator-supportedLTE-M(机器对机器的LTE版本)就是一个进入一些Wi-Fi网关的例子。
每个家庭有更多的用户。家庭不再只有一两台电脑和几部电话。如今，有好几台电脑、电视、智能手机、可穿戴设备、安全网络、无线设备等等都与Wi-Fi和互联网相连。
额外的wi - fi乐队。单位不再有一个2.4 GHz频段和一个5 GHz频段。现在有高达八个个人2.4 GHz和八个5 GHz路径。这种变化给了我们米姆(多个输入/多个输出)和多用户MIMO（MU-MIMO）Wi-Fi接入点或节点内路径。
缩小尺寸和扩展功能。Wi-Fi制造商正在把Wi-Fi产品做得更小、更美观、更具装饰性、不那么显眼。他们还在制造一些全天候设备或增加多功能设备，如夜灯功能。

新旧接入点的框图显示了RFFE设计现在是多么复杂。

运行热

Wi-Fi前端设计的所有这些变化都增加了射频链的数量，导致接入点内的整体热量增加。单位温度的增加也增加了射频调谐的挑战，特别是当盒子的尺寸相同甚至更小的时候。

在Wi-Fi领域，工程师需要解决的最关键的设计挑战之一是产品温度。在今天的产品中，组件的平均温度为60°C或更高，而室温环境为25°C。在设计的早期考虑这个事实是很重要的，以帮助最小化重新设计问题或
额外的成本。

RF前端如何提供高温挑战，以提供容量和范围

温度影响三个RFFE组件:

功率放大器
射频开关和低噪声放大器(LNAs)
过滤器

让我们来看看每个类别的热挑战和Wi-Fi设计考虑。

在Wi-Fi领域，工程师需要解决的最关键的设计挑战之一是产品温度。

#1:功率放大器是如何考虑的?

工程师经常在每条射频链的线性度、功率输出和效率之间进行平衡。使用优化的，高度线性功率放大器或前端模块(FEMs)优化系统效率，产生更少的总热量。它还减少了处理效率低下的情况。

RF工程师还应考虑几种影响功率放大器的Wi-Fi设计趋势：

使用时分双工(TDD)。Wi-Fi网络使用TDD，这意味着pa在操作过程中脉冲打开和关闭-交替发送和接收功能。这增加了由高温引起的PA瞬态。
更困难的误差矢量大小(EVM)规范。EVM是一种调制质量和错误性能的衡量标准。在802.11ac中，EVM规范为-35 dB，但在下一代Wi-Fi标准，802.11ax，这一规格增加到-47分贝，这对Wi-Fi组件设计人员来说更难满足。设计工程师必须设计高度线性的fem，以优化EVM，这最终有助于降低整体产品温度。
更高的调制方案。为了帮助实现更高的容量和数据速率，Wi-Fi设计从256 QAM移动到1024 QAM调制方案。万博投注网址通过1024 QAM调制，每个符号的比特更多 - 每符号10位与8位，在256 QAM中。但是，随着数据速率的增加，RFFE上的EVM成为主要关注点。在1024 QAM中，星座是如此密集，处理器必须使用复杂的系统解码来区分各个点。当处理器较硬时，单位设备的热量增加。
RFFE性能如何影响系统处理器的整体电流。较差的射频前端性能意味着处理器将不得不努力工作以满足整体系统的要求。处理器的工作增加了系统硬件的热量。

#2:那么射频开关和低噪声放大器(LNA)呢?

在开关中，插入损耗也会产生多余的热量。当插入损耗增加，信号强度降低时，PA更难补偿，输出更高，从而降低效率。而更低的效率意味着设备产生更多的热量。采用高线性度、低损耗开关使整个频带的插入损耗保持在规格范围内。

接收吞吐量高度依赖于LNA增益和噪声。虽然LNA对产热没有显著贡献，但热量对LNA的影响可以显著影响吞吐量。热量降低了噪声系数，根据电路设计和晶圆技术的选择，对这一问题的补偿可以使设计者达到一个
具体的解决方案。

3 .最后是过滤器

射频滤波器由于温度的变化而向左或向右漂移，如下图所示。这些偏移会导致带边缘上的高插入损耗，从而导致低增益或P_出来自RFFE的回应。如果滤波器漂移太多(如图所示)，PA就会输出更多的功率来补偿插入损耗。这增加了电流，降低了系统效率。

采用高插入损耗的滤波器可以降低线性度，增加射频链P_出。Qorvo的LowDrift™体积的一大优势
声波(BAW)滤波器是它们在温度变化时的稳定性。双工器、带通滤波器和共存滤波器使用具有较低温度漂移的BAW技术，有助于减少插入损耗，并产生良好的产品热效应。

功率消耗的设计考虑:Qorvo的方法

热量可以降低整体系统性能（例如吞吐量，范围和干扰分辨率）。因此，通过选择减轻热量的RFFE组件来设计系统是重要的。在传输链中，重点应在平衡链路预算需求，例如系统线性电源。

随着设备的能力从802.11ac转移到802.11ax，产品制造商必须专注于使用更高效的组件。Qorvo要求其设计团队在不增加功耗的前提下提高线性功率，即在与前几代产品相同的功耗下设计出更高吞吐量的设备。一个例子是即将到来的QPF4528
802.11ax 5 GHz FEM，传输线性功率达到-47 dB EVM -高于当前的QPF4538 FEM, 802.11ac 5 GHz FEM实现- 43 dB EVM与更低的最大功耗。

Qorvo的QPF7200是另一款集成了所有散热方面的产品，这是一款完全集成的前端模块(iFEM)，在降低系统热量的同时，减轻了重量和设计复杂性。QPF7200模块: