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2.4GHz外置射頻前端模組芯片的介紹

lhl545545 ? 來(lái)源:Qorvo半導(dǎo)體 ? 作者:Qorvo半導(dǎo)體 ? 2020-06-17 09:00 ? 次閱讀

Wi-Fi 無(wú)線射頻的架構(gòu)下,有三個(gè)主要的關(guān)鍵器件決定了 Wi-Fi 系統(tǒng)的性能,它們分別是 Wi-Fi 射頻主芯片(Wi-Fi Chipset),前端射頻器件如功率放大器、低噪放、開關(guān)或模組(PA/LNA/Switch or Front-End Module) 以及天線(Antenna)。

圖:本文作者,Qorvo 高級(jí)行銷經(jīng)理 Jeff Lin

由于半導(dǎo)體研發(fā)與工藝技術(shù)的發(fā)展,除了芯片本身的運(yùn)算能力外,系統(tǒng)的整合度也得到大幅度的提升,基于市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)與客戶的特殊需求,越來(lái)越多的 Wi-Fi 射頻主芯片將功率放大器整合在本身的射頻芯片中,從而為客戶提供更簡(jiǎn)易與低成本的設(shè)計(jì)。

Wi-Fi 技術(shù)經(jīng)過了 20 年的發(fā)展,為了提升其連接效率與傳輸速率,調(diào)變技術(shù)(Modulation)與無(wú)線串流數(shù)目(Spatial Steams)也有了重大的改變,由于這些改變,也讓整個(gè) Wi-Fi 設(shè)備的設(shè)計(jì)變得更加的復(fù)雜。

舉個(gè)例子,在最新 Wi-Fi 6 的技術(shù)中,頻率調(diào)變技術(shù)由原先的 OFDM 升級(jí)到 ODFMA,調(diào)變也由 256QAM 提升到 1024QAM,串流數(shù)目也從最早的 1x1 進(jìn)階到 2x2、3x3、4x4,甚至到 8x8,回到設(shè)計(jì)面,越是高效率高傳輸速率的設(shè)備也就意味著更復(fù)雜且高規(guī)格的設(shè)計(jì),這些新的技術(shù)與變革也對(duì)前端射頻器件帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),例如更加線性的功率輸出,更低的 EVM Floor, 更高的效率與更好的接收靈敏度等等…

材料科學(xué)的突飛猛進(jìn)也推進(jìn)了射頻器件的進(jìn)步,現(xiàn)今主流的外置 Wi-Fi 功率放大器工藝為砷化鎵(GaAs),由于砷化鎵有優(yōu)秀高頻傳輸且具有高頻、抗輻射、耐高溫等特性,所以目前的射頻功率放大器,以砷化鎵 IC 所表現(xiàn)出的線性功率(Linearity)與使用效率(Efficiency)最為優(yōu)秀,因此廣泛應(yīng)用在主流的商用無(wú)線通訊設(shè)計(jì)中,尤其是在 Wi-Fi 與移動(dòng)通訊上(3G/LTE)。

以下是 Internal PA 與 External FEM 的主要差異表:

Power Added Efficiency (PAE)是評(píng)估無(wú)線功率放大器與設(shè)計(jì)無(wú)線傳輸系統(tǒng)時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),主要是針對(duì)放大器中直流電源DC供電能量轉(zhuǎn)換成交流(AC)射頻信號(hào)放大的能量轉(zhuǎn)換效率,PAE 不好的功率放大器,會(huì)將大部分的能量轉(zhuǎn)換為熱能,導(dǎo)致放大器本身的效率下降,進(jìn)而影響整個(gè)通訊系統(tǒng)的傳輸品質(zhì)。

PAE (%)的計(jì)算公式如下:

2.4GHz外置射頻前端模組芯片的介紹

以 Qorvo 的 Wi-Fi 6 2.4GHz FEM 作為例子來(lái)計(jì)算 PAE:

2.4GHz外置射頻前端模組芯片的介紹

上圖為 QPF4228 在不同發(fā)射功率下所消耗的電流, QPF4228 為 Qorvo 針對(duì)高通 Wi-Fi 6 企業(yè)級(jí)無(wú)線路由器平臺(tái)所量身定制開發(fā)的 2.4GHz 外置射頻前端模組芯片,根據(jù)技術(shù)規(guī)格文檔,QPF4228 在 3.3V 供電,發(fā)射功率 22dBm 時(shí)的耗電流為 200mA,QPF4228 本身的增益為 33dB,套上 PAE 的公式再經(jīng)過一連串的單位轉(zhuǎn)換后所計(jì)算出來(lái)的結(jié)果為 24%。

2.4GHz外置射頻前端模組芯片的介紹

為了簡(jiǎn)化復(fù)雜的運(yùn)算,Qorvo 提供了方便的研發(fā)工具,該計(jì)算器能夠協(xié)助工程師們更快地計(jì)算功率放大器功耗 PAE/Pdiss/Tj,鏈接如下:

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

利用 Qorvo 提供的開發(fā)工具來(lái)計(jì)算 QPF4228 的 PAE,可以得到以下的結(jié)果:

2.4GHz外置射頻前端模組芯片的介紹

越大的 Wi-Fi 信號(hào)覆蓋范圍會(huì)帶來(lái)越好的使用體驗(yàn),要有好的 Wi-Fi 覆蓋范圍就必須有更大的發(fā)射功率與更高的接收靈敏度,然而,這代表整個(gè) Wi-Fi 系統(tǒng)所消耗的功率也會(huì)增加,功率增加的結(jié)果也順便帶來(lái)了系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn),我們必須承認(rèn),iPA 為 Wi-Fi 設(shè)備的開發(fā)商帶來(lái)最直接的好處就是“成本優(yōu)勢(shì)”,如果 iPA 就能滿足客戶的規(guī)格與設(shè)計(jì),那么 External FEM 貌似就顯得有點(diǎn)多余了,如果今天客戶所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品對(duì)于連線的覆蓋范圍、外觀(精致小巧的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),如 Wi-Fi Extender 或是Wall Plug)與整體耗電功率(如PoE)有所要求,那么如何選擇一個(gè)高效且穩(wěn)定的外置 FEM 就是設(shè)計(jì)者的重要課題。
責(zé)任編輯:pj

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