2021年8月10日
工程师总是在为复杂的系统设计挑战寻找最简单的解决方案。在U-NII 1-8、5和6千兆赫领域没有进一步的答案。在这里,我们回顾了最先进的bandBoost滤波器如何帮助提高系统设计容量和吞吐量,为工程师提供一个简单、灵活的解决方案,以解决他们复杂的设计,同时帮助满足那些严格的最终产品遵从要求。
近年来,Wi-Fi的使用量呈指数级增长。最近,由于在家工作、学校需求、游戏技术的进步,当然还有5G,它已经飙升到了难以想象的水平——受2020年大流行的推动。据Statista统计,2020年3月的前几周家庭数据使用量增长了18%与2019年同期相比日均数据利用率超过16.6 GB.
随着使用量的增加,人们对在任何地方使用Wi-Fi的期望也在增加——在家里,在外面,在工作场所。为了满足这些期望,需要更多的无线回程设备来在互联网和子网之间传输数据。它还需要现有技术的进步,以达到容量、范围和信号可靠性,无线服务提供商看到越来越多的新应用。图1显示了无线应用的指数级增长——从电子邮件到视频会议、智能家居功能、游戏和虚拟现实——随着无线技术的不断进步。
图1:Wi-Fi的发展
802.11标准现已发展到Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E,提供超过5 GHz的服务,并进入6 GHz区域,最高可达7125 GHz,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2:三波段Wi-Fi频段
然而,在更高的频率范围内工作会带来挑战,如更多的信号衰减和热增加,尤其是在试图满足小尺寸要求时。为了正面应对这些挑战,射频前端(RFFE)工程师需要将现有技术提升到另一个水平。其中一项进步是BAW过滤技术,目前在Wi-Fi系统设计中大量使用。
如下图3所示,Qorvo有三种BAW滤波器变体,可提高整体Wi-Fi性能、最大化网络容量、增加射频范围,并缓解同时运行的许多不同家庭无线电之间的干扰。
图3:bandBoost, edgeBoost和coexBoost滤波器技术性能
在之前一篇名为Wi-Fi三频系统的重要组成部分–5.2 GHz射频滤波器,我们探索了如何使用像Qorvo这样的带通滤波器QPQ1903和QPQ1904有助于降低设计复杂性并有助于共存。我们还探讨了这些带通滤波器如何提供高隔离度,有助于减少天线设计上的功能,从而实现更便宜的天线。因此,RFFE隔离参数不再需要完全停留在天线上。这降低了天线和屏蔽成本,使成本降低了20%。
这些带boost BAW滤波器在U-NII-2A波段和U-NII-2C波段的分离中起到了关键作用,U-NII-2C波段只有120 MHz的带隙,如图4所示。使用这些过滤器,我们可以以最高的吞吐量和容量实现Wi-Fi覆盖家庭的每个角落。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。
未经许可的国家信息基础设施(U-NII)
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。
截至2021年3月,U-NII由8个靶场组成。U-NII 1到4适用于5 GHz WLAN (802.11a和更新),5到8适用于6 GHz WLAN (802.11ax)。U-NII 2进一步分为三个小节:A, B和C。
图4:5 GHz带boost滤波器和U-NII 1-4波段
这些滤波器比市场上用于Wi-Fi应用的传统滤波器小得多,从而可以使用更紧凑的三频收音机。它们还具有优越的隔离性能,为设计人员实现了80 dBm以上的系统隔离。这有助于工程师满足严格的Wi-Fi 6和6E要求。
图5:使用QPQ1903和QPQ1904带通滤波器的好处
在6GHz范围内增加多输入多输出(MIMO)和更高频率会增加系统温度。由于需要更多的热量,必须使用坚固的RFFE组件。许多行业规定其部件在60°C至80°C范围内,但根据该频率范围内产生的系统温度,需要更高的温度运行。为了解决这些挑战,已经花费了许多小时的设计工作来提高BAW的温度能力。随着Wi-Fi 5、6/6E和即将推出的Wi-Fi 7的产品设计,开发变得更具挑战性,随着BAW汽车领域等新机遇的开启,对更高温度性能的推动已经走到了最前沿。
Qorvo BAW技术工程师通过设计超过通常85°C最高工作温度范围(高达+95°C)的设备,提供了创新设备。这为产品设计师和最终产品客户带来了巨大的好处。现在,由于终端产品不再需要大型散热器,可以实现更光滑的设备。这也减少了设计时间,因为工程师可以更容易地达到系统热要求。与热相关的另一个进步是,bandBoost BAW产品在+95°C下工作,同时仍能满足0.5至1 dBm的插入损耗。
这种较低的插入损耗将Wi-Fi范围和接收质量提高了22%。随着RFFE低噪声放大器(LNA)上射频信号的改善,更低的插入损耗也意味着热容量和性能的提高。下图6显示了QPQ1903和QPQ1904 EdgeBost的功能和优点™ BAW过滤器。
图6:QPQ1903和QPQ1904的特点和优点
这些过滤器不仅为LNA带来好处,而且体积小,性能好,可以安装在一个集成了LNA、交换机、PA和过滤器的微型Wi-Fi模块包中。这样做会极大地改变最终产品系统布局,使设计更容易,并有助于加快上市时间。工程师们不再需要将单个无源和有源组件匹配并插入到他们的PC板上,但现在他们已经在这些称为集成前端模块(IFEM)的复杂集成模块中完成了所有这一切,创建了一个易于安装在他们设计中的即插即用解决方案。
这方面的一个完美例子是QPF7219 2.4 GHz iFEM,如图7所示。Qorvo不仅提供了离散edgeBoost BAW滤波器的解决方案,以增加所有Wi-Fi通道的输出和容量。但Qorvo更进一步,将这种过滤器纳入了我们的QPF7219,为客户提供了可插入引脚兼容的替代品,提供了相同的容量和范围性能结果。这为客户提供了设计的灵活性,板空间在他们的设计,是市场上的第一个。
图7:edgeBoost作为离散的和在一个ifm内部使用
对于Wi-Fi工程师来说,需要更小、更时尚的产品设计始终是首要考虑的问题。但要实现这一目标,组件设计师需要在设计的许多领域开发更小的产品,而不仅仅是在一两个领域。从三频Wi-Fi芯片组的角度来看,Qorvo正面解决了这一问题。Qorvo提供了一整套iFEM替代方案,用于解决产品中的许多信号传输和接收线路。这使得Wi-Fi设计制造商能够在三频终端产品设计中管理所有UNII和2.4 GHz频段。
图8:2.4和5 GHz Wi-Fi 6以及物联网三频前端解决方案
这种在iFEM内部组合滤波器的新设计解决方案相当于更小的PC板和更少的屏蔽,如下图9所示。屏蔽匹配和PC板空间非常昂贵,更不用说提供这些材料所需的额外时间了。通过将所有RFFE材料放置在一个模块中,系统设计师可以节省成本,更快地设计,并更快地将其产品推向市场。
图9:将过滤技术置于iFEM内可消除屏蔽并降低RFFE的整体形状系数
随着Wi-Fi系统设计师继续面临新规范要求的挑战,他们需要更新或增强的技术来满足需求。通过与我们的客户合作,我们提供了最先进的解决方案,以解决其最终客户所面临的棘手的散热、性能、尺寸、干扰、容量、吞吐量和范围难题。这些解决方案使他们能够改进设计,以满足当今和未来的Wi-Fi浪潮。
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