设计人员如何实现 Wi-Fi 三频段千兆网速和高吞吐量
发布时间：2021-09-08 23:38:30
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
来源Qorvo半导体
面对复杂的系统设计挑战，工程师们一直在努力寻求最简单的解决方案。不妨看看 U-NII 1-8、5 和 6 GHz 解决方案。在本文中，我们将回顾一流的 bandBoost™ 滤波器如何提高系统设计容量和吞吐量，为工程师提供简单灵活的解决方案，以实现复杂设计，同时帮助满足严苛的最终产品合规性要求。
当今 Wi-Fi 发展概述
近年来，Wi-Fi 的使用率呈指数级增长。最近，由于 2020 年疫情的推动，居家工作、学校要求、游戏发展进步以及 5G 发展使 Wi-Fi 使用率飙升到了难以想象的水平。据 Statista 称，与 2019 年同期相比，2020 年 3 月第 1 周居家数据使用率增加了 18%，其中日均数据利用率超过 16.6 GB。
随着使用率的提高，人们也日益期待能够随显示随着无线技术的不断进步，无线时随地（如家里、外面和工作场所）使用 Wi-Fi。满足这些期望需要使用更多的无线回程设备在互联网和子网之间传输数据。它还需要利用现有技术的进步来满足容量、范围、信号可靠性以及无线服务提供商提供的新应用数量不断增长的需求。图 1 应用（从电子邮件到视频会议、智能家居功能、游戏和虚拟现实）呈指数级增长。
深入了解：
请阅读 Qorvo 的白皮书，其中详细介绍了 Wi-Fi 在过去 20 年来的发展历程。
了解有关我们行业领先的 BAW 滤波器解决方案的更多信息。
图 1：Wi-Fi 的发展
802.11 标准现已发展至 Wi-Fi 6 和 Wi-Fi 6E，同时提供 5 GHz 以上至 6 GHz 频段范围（最高可达 7125 GHz）的服务，如图 2 所示。这种更高的频率范围增加了我们的安全系统和流媒体的视频容量。
图 2：三频段 Wi-Fi 频段
然而，在更高频率范围内工作可能会带来更多的挑战，如更多的信号衰减和热量增加，特别是试图满足小巧外形要求时。为直面这些挑战，射频前端 (RFFE) 工程师需将现有技术提升至全新水平。其中一个进步就是 BAW 滤波技术，该技术如今开始在 Wi-Fi 系统设计中广泛使用。
如下图 3 所示，Qorvo 有三种 BAW 滤波器型号，它们可以提高 Wi-Fi 的整体性能，最大限度地提高网络容量，扩大 RF 范围，并减少许多同时运行的不同家用无线电之间的干扰。
图 3：bandBoost、edgeBoost 和 coexBoost 滤波器技术性能
5 GHz 和 6 GHz bandBoost 滤波器
在之前名为《Wi-Fi 三频段系统的重要组成部分 - 5.2 GHz RF 滤波器》的博文中，我们探讨了如何利用 bandBoost 滤波器（如 Qorvo QPQ1903 和 QPQ1904 来降低设计复杂性和实现共存。我们还探索了这些 bandBoost 滤波器如何实现较高隔离度，从而在天线设计中减少该功能，以降低天线成本。因此，RFFE 隔离参数不再完全依赖于天线。这可将天线和屏蔽的成本降低高达 20%。
这些 bandBoost BAW 滤波器在区分 U-NII-2A 频段和 U-NII-2C 频段方面可发挥关键作用，两个频段之间只有 120 MHz 的带隙，如图 4 所示。利用这些滤波器，我们能够以最高吞吐量和容量使 Wi-Fi 覆盖家庭的每个角落。通过在 Wi-Fi 系统设计中使用这种解决方案，最终用户的容量增加了 4 倍。
无牌国家信息基础设施 (U-NII)
由美国联邦通信委员会定义的 U-NII 无线电频段是 WLAN 设备和许多无线 ISP 使用的无线电频谱的一部分。
截止 2021 年 3 月，U-NII 包含 8 个频段范围。U-NII 1 至 4 适用于 5 GHz WLAN（802.11a 及更高标准），而 U-NII 5 至 8 适用于 6 GHz WLAN (802.11ax)。U-NII 2 可进一步分为三个部分：A、B 和 C。
图 4：5 GHz 和 6 GHz bandBoost 滤波器和 U-NII 1-4 频段
这些滤波器比市场上 Wi-Fi 应用中使用的传统滤波器明显更小，从而可实现更紧凑的三频带无线电解决方案。它们还具有卓越的隔离性能，使设计人员可实现超过 80 dBm 的系统隔离性能。这有助于工程师满足苛刻的 Wi-Fi 6 和 6E 要求。
图 5：使用 QPQ1903 和 QPQ1904 bandBoost 滤波器的好处
在 6 GHz 范围内增加多输入、多输出 (MIMO) 和更高频率会增加系统温度。随着散热要求的增加，必须使用可靠的 RFFE 组件。业内许多制造商的部件额定工作温度范围为 60℃ 至 80℃，但根据该频率范围内产生的系统温度，工作温度通常会更高。为解决这些设计挑战，我们在提高 BAW 温度性能方面耗费了大量时间。由于产品设计基于 Wi-Fi 5、6/6E 和即将到来的 Wi-Fi 7 进行，因此开发工作更具挑战性，且随着 BAW 打开了汽车领域等新市场，对更高温度性能的需求已成为当务之急。
Qorvo BAW 技术工程师已设计出最高工作温度超过 85℃（最高可达 +95℃）的创新型设备。这对产品设计人员和终端产品客户都非常有益。如今，终端产品不再需要大型散热器，因此可打造出更时尚的设备。同时，工程师可以更轻松地满足系统散热要求，从而减少了设计时间。另一个与热量相关的进步就是，bandBoost BAW 产品可在 +95℃ 下工作，同时仍满足 0.5 至 1 dBm 的插入损耗要求。
插入损耗的降低可将 Wi-Fi 范围和接收质量提高 22%。由于改善了 RFFE 低噪声放大器 (LNA) 的射频信号，更低的插入损耗意味着更高的散热性能。下图 6 显示了 QPQ1903 和 QPQ1904 edgeBoost™ BAW 滤波器的功能和优势。
图 6：QPQ1903 和 QPQ1904 的功能和优势
这些滤波器不仅可以为 LNA 带来好处，而且它们外形小巧、性能良好，可以安装在包含 LNA、开关、PA 和滤波器的微型集成式 Wi-Fi 模块封装内。这可明显改变终端产品的系统布局，简化产品设计，并有助于缩短产品的上市时间。工程师们不再需要在其 PC 电路板上匹配和插入单独的无源和有源组件，如今他们可以在复杂的集成模块（称为集成前端模块 (iFEM)）中完成所有操作，从而创建一个可轻松安装在设计中的即插即用解决方案。
QPF7219 2.4 GHz iFEM 就是一个经典范例，如图 7 中所示。Qorvo 不仅提供了分立式 edgeBoost BAW 滤波器解决方案，以增加所有 Wi-Fi 通道的输出和容量，还将该滤波器纳入了我们的 iFEM (QPF7219) 中，为客户提供具有相同容量和范围性能的引脚兼容型直接替代器件。这为客户提供了设计灵活性，可节省设计中的电路板空间，并且是市场上同类产品中的首款器件。
图 7：edgeBoost 用作 iFEM 的内部分立式组件
对于 Wi-Fi 工程师来说，更小巧、更时尚的产品设计通常是首要考虑因素。但要实现这一目标，组件设计人员需要在许多设计领域开发更小巧的产品，而不仅仅是一两个领域。从三频段 Wi-Fi 芯片组的角度来看，Qorvo 已经正面解决了这个问题。Qorvo 提供了一组完整的 iFEM 替代产品，以满足产品中许多信号传输和接收线路的需求。这使得 Wi-Fi 设计制造商能够在三频段终端产品设计中管理所有 UNII 和 2.4 GHz 频段。
图 8：2.4 GHz 和 5 GHz Wi-Fi 6 与物联网三频段前端解决方案
这个新的设计解决方案在 iFEM 内部采用了滤波器，相当于缩小了 PC 电路板，减少了屏蔽，如下图 9 所示。屏蔽匹配和 PC 电路板空间的成本非常高，更不用说提供这些材料所需的额外时间了。通过将所有 RFFE 材料置于一个模块中，系统设计人员可节省成本，加快设计速度，并缩短其产品上市时间。
图 9：在 iFE 中使用滤波器技术可消除屏蔽问题，并缩小 RFFE 的整体尺寸
由于 Wi-Fi 系统设计人员不断受到新规范要求的挑战，他们需要更新或增强的技术来满足需求。通过与客户合作，我们可提供一流解决方案，以解决其终端客户所面临的散热、性能、尺寸、干扰、容量、吞吐量和范围等棘手问题。利用这些解决方案，我们的客户能够改进其设计，以满足当今和未来的 Wi-Fi 发展需求。
居家数据使用率增加了 18%
https://www.statista.com/statistics/1106821/covid-19-change-in-in-home-data-usage-in-us-2020/
日均数据利用率超过16.6 GB
https://www.statista.com/statistics/1106863/covid-19-daily-in-home-data-usage-change-us-2020/
《Wi-Fi 三频段系统的重要组成部分 - 5.2 GHz RF 滤波器》
https://www.qorvo.com/design-hub/blog/wifi-5-point-2-ghz-rf-filters
QPQ1903
https://www.qorvo.com/products/p/QPQ1903
QPQ1904
https://www.qorvo.com/products/p/QPQ1904
QPF7219 2.4 GHz iFEM
https://www.qorvo.com/products/p/QPF7219
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5G手机天线性能提升的关键在于适应不同通信场景。在密集城区，采用大规模天线技术如Massive MIMO 3D赋形天线，增强覆盖和容量。一般城区和乡镇农村则采用多波束或普通天线，平衡成本与覆盖。移动场景下，需考虑移动性、信号衰减等因素。此外，随着物联网应用普及，天线还需支持设备间通信。优化天线布局、采用多天线技术、智能切换天线、选用优质材料以及优化信号处理算法，都能提升天线性能。协同设计与优化手机各部分，确保整体通信性能最佳。
5G手机天线作为无线通信的关键组件，基于电磁场原理实现电磁波的辐射和接收。在5G网络中，天线需支持高频段和复杂协议，实现高速低延迟的数据传输。其多频段支持满足全球通信需求，MIMO技术增强信号收发能力。然而，5G天线对金属敏感，需特殊设计和布局。其安装位置要求规则，避免遮挡，确保通信稳定性。随着技术发展，5G手机天线设计更紧凑轻便，性能更稳定。
在无线通信领域中，天线、功率放大器（PA）、印刷电路板（PCB）、天线振子、滤波器和连接器是构成无线通信系统的基础组件。它们各自在系统中扮演着不可或缺的角色，共同实现信号的传输、处理与连接。
随着无线通信技术的迅猛发展，频谱资源作为无线通信的基础，其分配与规划对于各国运营商而言至关重要。特别是在5G时代，高频谱资源的有效利用和分配成为各国政府和运营商关注的焦点。
在无线通信技术持续发展的当下，5G技术的研究和应用成为了业界的热点和前沿。其中，波形设计作为5G技术的重要组成部分，不仅关系到系统性能的提升，更对频谱利用率的优化和抗干扰能力的增强起到了决定性的作用。
