持续的无线连接（如5G）的进步正在增加消费者的期望，通过开发支持最新的Wi-Fi标准的新产品来提高Wi-Fi制造商来提高游戏。因此，Wi-Fi路由器已经从十年前的单带，双天线系统前进到双频，多天线系统，具有多输入多输出（MIMO）技术。虽然这些进步提供了前所未有的性能，可靠性和容量，但它们也造成了相当大的设计挑战。随着Wi-Fi路由器将更多的RF链和其他特征包装成较小的单位，它变得越来越重要，可以优化功耗，并避免由于过量的热量生产而避免昂贵的设计修改。为了优化性能，功耗和成本之间的微妙平衡，必须从影响整体系统性能和功率效率的角度来选择RF组件。高度集成的模块和高效PAS等产品可以帮助解决这些挑战。
介绍
Wi-Fi设备制造商不断旨在通过用紧凑，时尚的设计结合最佳的范围，速度，容量和可靠性来构建下一代产品，这些产品通过结合最佳的范围，速度，容量和可靠性来提供令人信服的用户体验。为实现这一目标，系统设计人员需要仔细平衡分量性能，成本，功耗和工业设计要求。
一看系统的力量
像Wi-Fi路由器这样的消费者，OEM和设计师提供最高的RF功率输出 - 提供最快的数据速率和最大的范围 - 消耗最少的能量。但是，由于设备变得更加复杂，并且包括更多RF链，因此管理功耗正在变得越来越具挑战性，并且通过MIMO等功能增加了更多RF链以提高性能和容量。众所周知，典型802.11 Wi-Fi系统的RF接收和发送部分消耗系统功率的最大份额，而数据处理部分消耗的能量较少（图1）。设计专业知识以及以下提示可以帮助实现成功的系统设计。
图1. 802.11传统和低功耗单元的功耗
在分析系统功耗时，许多Wi-Fi系统设计工程师倾向于思考系统内部组件使用的电压或电流。然而，在考虑Wi-Fi系统中的功耗和RF功率输出时，在瓦特方面更有助于思考。在电子器件中，功率（以瓦特测量）是每单位时间转移的能量。
在设计Wi-Fi设备时，系统中每个组件的射频输出功率级(瓦)是最重要的考虑因素之一。射频链中的每个组件必须从链中的前一个组件接收到正确的信号功率级，并且必须将正确的信号级传递给下一个组件。如果信号功率电平过低，可能会导致信号被埋没在噪声中。如果信号功率电平过高，则性能会出现非线性，导致元器件失真甚至损坏(图2)。
图2。RF功率输出信号电平
在Wi-Fi频率下，功率更容易测量，更容易理解，是比电压或电流更有用的度量标准。虽然电压和电流的测量在较低的频率是直接的，但在大约1 GHz和以上的频率就变得困难和不切实际。一个关键原因是，由于入射波和反射行波相互作用产生驻波，电压和电流会随无损传输线上的位置而变化。相比之下，沿传输线的平均功率保持不变(图3)。因此，直接功率测量通常是在这些更高频率范围的应用中最实际的方法，包括Wi-Fi (2.4 GHz或5 GHz)。
图3.深入潜入射频功率
耗电的副作用
电力消耗的一个负面影响是热量。系统或部件的瓦数越高，产生的热量就越多。热量会引起电子产品的一系列问题。如果一个部件或系统设计太热，有害的影响可能包括:
- 较低的系统可靠性。如果组件运行过热，则它们可以更快地降级，从而降低了它们的生命周期。
- 更高的单位成本。工程师可能需要增加昂贵的散热器、风扇或包装改造来散热。
- 糟糕的射频性能。大的温度摇摆或高温会对RF性能产生不利影响。保持单位温度在适度范围内相对稳定，可以减轻问题。
射频功率和干扰问题
虽然高RF功率输出通常被认为是件好事，但它也可以以增加的带外干扰的形式产生负副作用。除了Wi-Fi之外，典型的家庭路由器还可以同时支持在2.4 GHz范围内使用频率的其他标准，例如蓝牙和线程。其中任何一个的高输出功率会增加干扰其他机会，以及使用相同或相邻频率的附近系统干扰的风险 - 包括智能手机等蜂窝设备。如果没有缓解，这种干扰会导致所有受影响设备的问题，包括减少系统性能。
为了减少潜在的干扰，工程师在设备中的射频发射和接收链中插入射频滤波器(图4)。射频滤波器只允许需要的频率通过，同时阻塞相邻的和其他不需要的频率。然而，谨慎地选择滤波器和明智地使用它们是很重要的，因为这些组件增加插入损耗，这意味着PA可能需要驱动更多的输出功率来补偿。这将增加电力消耗和热问题。另一个问题是，某些射频滤波器的频率响应会随着温度的变化而改变。这种趋势被称为温度漂移，它会破坏过滤器的有效性，降低系统性能。为了避免这个问题，必须使用设计成在宽温度范围内保持稳定频率响应的滤波器。
图4。双频Wi-Fi与RF过滤
解决问题
那么，我们如何以最低的功耗获得最佳的Wi-Fi范围和整体系统性能呢?有几种方法可以优化Wi-Fi设备的射频部分来实现这些目标。
- 集成。完全集成的RF前端（RFFE）产品可提供更高的性能，同时减少上市时间和整体设计时间。这些集成产品将多个组件沿RF链组合成单个封装。由于它们由于降低的插入损耗而提供更高的性能，因此可以更容易地最大化系统的RF输出功率，同时最小化功耗。
- 高效pa和其他射频元件。PA功率效率具有很大的差异，因为PAS负责Wi-Fi RFFE的大部分功耗。通过选择最高效的PA，可以提高性能，同时缓解热问题，避免散热器可能的增加的牺牲。但是在选择其他RFFE组件时，考虑效率和功耗也很重要。寻找满足系统要求但消耗最少能量的组件和模块可以有助于减少对Wi-Fi系统的昂贵，耗时的适应需求，例如散热器，风扇和包装修改。
- 低功耗操作。前端模块可以设计为支持两种模式:低功耗和高功耗模式。这有助于降低Wi-Fi单元的整体功耗。例如，当用户靠近设备时，较低的射频信号功率可能足以提供可靠的数据连接。当用户距离较远时，需要更多的输出功率。
概括
随着Wi-Fi消费者前提设备(CPE)在性能和性能上的不断进步，功耗应该是设计考虑的首要因素。Wi-Fi CPE的发展趋势包括MIMO和对附加标准(如Thread和Bluetooth)的支持，这给设计带来了独特的挑战，因为工程师们寻求将更多的功能整合到更小、更流畅的设计中，同时满足严格的性能标准，最大限度地降低功耗。因此，从射频组件对系统整体性能和功耗的影响角度来选择射频组件是至关重要的。选择具有最低功耗要求和最高性能的射频组件可以节省宝贵的设计和开发时间，避免昂贵的修改，并简化设备认证。