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2.4GHz外置射频前端模组芯片的介绍

时间:2020-06-17 09:52:37来源: 作者: 点击:
在 Wi-Fi 无线网络射频的架构下,有3个关键的重要元器件确定了Wi-Fi系统的性能指标,它们分别是Wi-Fi射频主芯片(Wi-FiChipset),前端开发射频器件如功率放大电路、低噪放

在 Wi-Fi 无线网络射频的架构下,有3个关键的重要元器件确定了Wi-Fi系统的性能指标,它们分别是Wi-Fi射频主芯片(Wi-FiChipset),前端开发射频器件如功率放大电路、低噪放、开关或模组(PA/LNA/SwitchorFront-EndModule)以及天线(Antenna)。
Wi-Fi技术历经了二十年的发展,以便提高其联接高效率与传送速度,调变技术(Modulation)与无线网络推流数目(SpatialSteams)也拥有特大的更改,因为这种更改,也让整体Wi-Fi设备的设计方案越来越变得的繁杂。
举个事例,在最新Wi-Fi6的技术中,频率调变技术由原来的 OFDM 更新到ODFMA,调变也由256QAM提高到1024QAM,推流数目也从最早的1x1进阶到2x2、3x3、4x4,甚至到8x8,回到设计方案面,越是高效率高传送速度的设备也就意味着变得繁杂且高规格的设计方案,这种新的技术与变革也对前端开发射频器件带来了新的挑战,例如变得线性的功率输出,更低的EVMFloor,更高的高效率与更强的接收机灵敏度等等这些…
材料科学的飞速发展也推动了射频器件的发展,现如今流行的外接Wi-Fi功率放大电路工艺为砷化镓(GaAs),因为砷化镓有优秀高频传输且具有高频、抗辐射、耐高温等特性,所以目前的射频功率放大电路,以砷化镓IC所表现出的线性功率(Linearity)与使用高效率(Efficiency)最为优秀,因此广泛应用在流行的商用无线通讯设计方案中,尤其是在Wi-Fi与移动通信上(3G/LTE)。
 

以下是 Internal PA 与 External FEM 的主要差异表:

Power Added Efficiency (PAE)是评估无线功率放大器与设计无线传输系统时的一个关键参数,主要是针对放大器中直流电源(DC)供电能量转换成交流(AC)射频信号放大的能量转换效率,PAE 不好的功率放大器,会将大部分的能量转换为热能,导致放大器本身的效率下降,进而影响整个通讯系统的传输品质。

PAE (%)的计算公式如下:

2.4GHz外置射频前端模组芯片的介绍

以 Qorvo 的 Wi-Fi 6 2.4GHz FEM 作为例子来计算 PAE:

2.4GHz外置射频前端模组芯片的介绍

上图为 QPF4228 在不同发射功率下所消耗的电流, QPF4228 为 Qorvo 针对高通 Wi-Fi 6 企业级无线路由器平台所量身定制开发的 2.4GHz 外置射频前端模组芯片,根据技术规格文档,QPF4228 在 3.3V 供电,发射功率 22dBm 时的耗电流为 200mA,QPF4228 本身的增益为 33dB,套上 PAE 的公式再经过一连串的单位转换后所计算出来的结果为 24%。

2.4GHz外置射频前端模组芯片的介绍

为了简化复杂的运算,Qorvo 提供了方便的研发工具,该计算器能够协助工程师们更快地计算功率放大器功耗 PAE/Pdiss/Tj,链接如下:

https://www.qorvo.com/design-hub/design-tools/pae-pdiss-tj-calculator

利用 Qorvo 提供的开发工具来计算 QPF4228 的 PAE,可以得到以下的结果:

2.4GHz外置射频前端模组芯片的介绍

越大的 Wi-Fi 信号覆盖范围会带来越好的使用体验,要有好的 Wi-Fi 覆盖范围就必须有更大的发射功率与更高的接收灵敏度,然而,这代表整个 Wi-Fi 系统所消耗的功率也会增加,功率增加的结果也顺便带来了系统散热设计上的挑战,我们必须承认,iPA 为 Wi-Fi 设备的开发商带来最直接的好处就是“成本优势”,如果 iPA 就能满足客户的规格与设计,那么 External FEM 貌似就显得有点多余了,如果今天客户所设计的产品对于连线的覆盖范围、外观(精致小巧的机构设计,如 Wi-Fi Extender 或是Wall Plug)与整体耗电功率(如PoE)有所要求,那么如何选择一个高效且稳定的外置 FEM 就是设计者的重要课题。

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