【導(dǎo)讀】面對復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，工程師們一直在努力尋求最簡單的解決方案。不妨看看 U-NII 1-8、5 和 6 GHz 解決方案。在本文中，我們將回顧一流的 bandBoost™ 濾波器如何提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量和吞吐量，為工程師提供簡單靈活的解決方案，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計(jì)，同時(shí)幫助滿足嚴(yán)苛的最終產(chǎn)品合規(guī)性要求。
當(dāng)今 Wi-Fi 發(fā)展概述
近年來，Wi-Fi 的使用率呈指數(shù)級增長。最近，由于 2020 年疫情的推動(dòng)，居家工作、學(xué)校要求、游戲發(fā)展進(jìn)步以及 5G 發(fā)展使 Wi-Fi 使用率飆升到了難以想象的水平。據(jù) Statista 稱，與 2019 年同期相比，2020 年 3 月第 1 周居家數(shù)據(jù)使用率增加了 18%，其中日均數(shù)據(jù)利用率超過 16.6 GB。
隨著使用率的提高，人們也日益期待能夠隨顯示隨著無線技術(shù)的不斷進(jìn)步，無線時(shí)隨地（如家里、外面和工作場所）使用 Wi-Fi。滿足這些期望需要使用更多的無線回程設(shè)備在互聯(lián)網(wǎng)和子網(wǎng)之間傳輸數(shù)據(jù)。它還需要利用現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)步來滿足容量、范圍、信號可靠性以及無線服務(wù)提供商提供的新應(yīng)用數(shù)量不斷增長的需求。圖 1 應(yīng)用（從電子郵件到視頻會(huì)議、智能家居功能、游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)）呈指數(shù)級增長。
深入了解：
○ 請閱讀 Qorvo 的白皮書，其中詳細(xì)介紹了 Wi-Fi 在過去 20 年來的發(fā)展歷程。
○ 了解有關(guān)我們行業(yè)領(lǐng)先的 BAW 濾波器解決方案的更多信息。
圖 1：Wi-Fi 的發(fā)展
802.11 標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已發(fā)展至 Wi-Fi 6 和 Wi-Fi 6E，同時(shí)提供 5 GHz 以上至 6 GHz 頻段范圍（最高可達(dá) 7125 GHz）的服務(wù)，如圖 2 所示。這種更高的頻率范圍增加了我們的安全系統(tǒng)和流媒體的視頻容量。
圖 2：三頻段 Wi-Fi 頻段
然而，在更高頻率范圍內(nèi)工作可能會(huì)帶來更多的挑戰(zhàn)，如更多的信號衰減和熱量增加，特別是試圖滿足小巧外形要求時(shí)。為直面這些挑戰(zhàn)，射頻前端 (RFFE) 工程師需將現(xiàn)有技術(shù)提升至全新水平。其中一個(gè)進(jìn)步就是 BAW 濾波技術(shù)，該技術(shù)如今開始在 Wi-Fi 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中廣泛使用。
如下圖 3 所示，Qorvo 有三種 BAW 濾波器型號，它們可以提高 Wi-Fi 的整體性能，最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)容量，擴(kuò)大 RF 范圍，并減少許多同時(shí)運(yùn)行的不同家用無線電之間的干擾。
圖 3：bandBoost、edgeBoost 和 coexBoost 濾波器技術(shù)性能
5 GHz 和 6 GHz bandBoost 濾波器
在之前名為《Wi-Fi 三頻段系統(tǒng)的重要組成部分 - 5.2 GHz RF 濾波器》的博文中，我們探討了如何利用 bandBoost 濾波器（如 Qorvo QPQ1903 和 QPQ1904 來降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)共存。我們還探索了這些 bandBoost 濾波器如何實(shí)現(xiàn)較高隔離度，從而在天線設(shè)計(jì)中減少該功能，以降低天線成本。因此，RFFE 隔離參數(shù)不再完全依賴于天線。這可將天線和屏蔽的成本降低高達(dá) 20%。
這些 bandBoost BAW 濾波器在區(qū)分 U-NII-2A 頻段和 U-NII-2C 頻段方面可發(fā)揮關(guān)鍵作用，兩個(gè)頻段之間只有 120 MHz 的帶隙，如圖 4 所示。利用這些濾波器，我們能夠以最高吞吐量和容量使 Wi-Fi 覆蓋家庭的每個(gè)角落。通過在 Wi-Fi 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用這種解決方案，最終用戶的容量增加了 4 倍。
無牌國家信息基礎(chǔ)設(shè)施 (U-NII)
由美國聯(lián)邦通信委員會(huì)定義的 U-NII 無線電頻段是 WLAN 設(shè)備和許多無線 ISP 使用的無線電頻譜的一部分。
截止 2021 年 3 月，U-NII 包含 8 個(gè)頻段范圍。U-NII 1 至 4 適用于 5 GHz WLAN（802.11a 及更高標(biāo)準(zhǔn)），而 U-NII 5 至 8 適用于 6 GHz WLAN (802.11ax)。U-NII 2 可進(jìn)一步分為三個(gè)部分：A、B 和 C。
圖 4：5 GHz 和 6 GHz bandBoost 濾波器和 U-NII 1-4 頻段
這些濾波器比市場上 Wi-Fi 應(yīng)用中使用的傳統(tǒng)濾波器明顯更小，從而可實(shí)現(xiàn)更緊湊的三頻帶無線電解決方案。它們還具有卓越的隔離性能，使設(shè)計(jì)人員可實(shí)現(xiàn)超過 80 dBm 的系統(tǒng)隔離性能。這有助于工程師滿足苛刻的 Wi-Fi 6 和 6E 要求。
圖 5：使用 QPQ1903 和 QPQ1904 bandBoost 濾波器的好處
在 6 GHz 范圍內(nèi)增加多輸入、多輸出 (MIMO) 和更高頻率會(huì)增加系統(tǒng)溫度。隨著散熱要求的增加，必須使用可靠的 RFFE 組件。業(yè)內(nèi)許多制造商的部件額定工作溫度范圍為 60℃ 至 80℃，但根據(jù)該頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的系統(tǒng)溫度，工作溫度通常會(huì)更高。為解決這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，我們在提高 BAW 溫度性能方面耗費(fèi)了大量時(shí)間。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)基于 Wi-Fi 5、6/6E 和即將到來的 Wi-Fi 7 進(jìn)行，因此開發(fā)工作更具挑戰(zhàn)性，且隨著 BAW 打開了汽車領(lǐng)域等新市場，對更高溫度性能的需求已成為當(dāng)務(wù)之急。
Qorvo BAW 技術(shù)工程師已設(shè)計(jì)出最高工作溫度超過 85℃（最高可達(dá) +95℃）的創(chuàng)新型設(shè)備。這對產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員和終端產(chǎn)品客戶都非常有益。如今，終端產(chǎn)品不再需要大型散熱器，因此可打造出更時(shí)尚的設(shè)備。同時(shí)，工程師可以更輕松地滿足系統(tǒng)散熱要求，從而減少了設(shè)計(jì)時(shí)間。另一個(gè)與熱量相關(guān)的進(jìn)步就是，bandBoost BAW 產(chǎn)品可在 +95℃ 下工作，同時(shí)仍滿足 0.5 至 1 dBm 的插入損耗要求。
插入損耗的降低可將 Wi-Fi 范圍和接收質(zhì)量提高 22%。由于改善了 RFFE 低噪聲放大器 (LNA) 的射頻信號，更低的插入損耗意味著更高的散熱性能。下圖 6 顯示了 QPQ1903 和 QPQ1904 edgeBoost™ BAW 濾波器的功能和優(yōu)勢。
圖 6：QPQ1903 和 QPQ1904 的功能和優(yōu)勢
這些濾波器不僅可以為 LNA 帶來好處，而且它們外形小巧、性能良好，可以安裝在包含 LNA、開關(guān)、PA 和濾波器的微型集成式 Wi-Fi 模塊封裝內(nèi)。這可明顯改變終端產(chǎn)品的系統(tǒng)布局，簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并有助于縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。工程師們不再需要在其 PC 電路板上匹配和插入單獨(dú)的無源和有源組件，如今他們可以在復(fù)雜的集成模塊（稱為集成前端模塊 (iFEM)）中完成所有操作，從而創(chuàng)建一個(gè)可輕松安裝在設(shè)計(jì)中的即插即用解決方案。
QPF7219 2.4 GHz iFEM 就是一個(gè)經(jīng)典范例，如圖 7 中所示。Qorvo 不僅提供了分立式 edgeBoost BAW 濾波器解決方案，以增加所有 Wi-Fi 通道的輸出和容量，還將該濾波器納入了我們的 iFEM (QPF7219) 中，為客戶提供具有相同容量和范圍性能的引腳兼容型直接替代器件。這為客戶提供了設(shè)計(jì)靈活性，可節(jié)省設(shè)計(jì)中的電路板空間，并且是市場上同類產(chǎn)品中的首款器件。
圖 7：edgeBoost 用作 iFEM 的內(nèi)部分立式組件
對于 Wi-Fi 工程師來說，更小巧、更時(shí)尚的產(chǎn)品設(shè)計(jì)通常是首要考慮因素。但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，組件設(shè)計(jì)人員需要在許多設(shè)計(jì)領(lǐng)域開發(fā)更小巧的產(chǎn)品，而不僅僅是一兩個(gè)領(lǐng)域。從三頻段 Wi-Fi 芯片組的角度來看，Qorvo 已經(jīng)正面解決了這個(gè)問題。Qorvo 提供了一組完整的 iFEM 替代產(chǎn)品，以滿足產(chǎn)品中許多信號傳輸和接收線路的需求。這使得 Wi-Fi 設(shè)計(jì)制造商能夠在三頻段終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)中管理所有 UNII 和 2.4 GHz 頻段。
圖 8：2.4 GHz 和 5 GHz Wi-Fi 6 與物聯(lián)網(wǎng)三頻段前端解決方案
這個(gè)新的設(shè)計(jì)解決方案在 iFEM 內(nèi)部采用了濾波器，相當(dāng)于縮小了 PC 電路板，減少了屏蔽，如下圖 9 所示。屏蔽匹配和 PC 電路板空間的成本非常高，更不用說提供這些材料所需的額外時(shí)間了。通過將所有 RFFE 材料置于一個(gè)模塊中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可節(jié)省成本，加快設(shè)計(jì)速度，并縮短其產(chǎn)品上市時(shí)間。
圖 9：在 iFE 中使用濾波器技術(shù)可消除屏蔽問題，并縮小 RFFE 的整體尺寸
由于 Wi-Fi 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不斷受到新規(guī)范要求的挑戰(zhàn)，他們需要更新或增強(qiáng)的技術(shù)來滿足需求。通過與客戶合作，我們可提供一流解決方案，以解決其終端客戶所面臨的散熱、性能、尺寸、干擾、容量、吞吐量和范圍等棘手問題。利用這些解決方案，我們的客戶能夠改進(jìn)其設(shè)計(jì)，以滿足當(dāng)今和未來的 Wi-Fi 發(fā)展需求。
1. 居家數(shù)據(jù)使用率增加了 18%
https://www.statista.com/statistics/1106821/covid-19-change-in-in-home-data-usage-in-us-2020/
2. 日均數(shù)據(jù)利用率超過16.6 GB
https://www.statista.com/statistics/1106863/covid-19-daily-in-home-data-usage-change-us-2020/
3. 《Wi-Fi 三頻段系統(tǒng)的重要組成部分 - 5.2 GHz RF 濾波器》
https://www.qorvo.com/design-hub/blog/wifi-5-point-2-ghz-rf-filters
4. QPQ1903
https://www.qorvo.com/products/p/QPQ1903
5. QPQ1904
https://www.qorvo.com/products/p/QPQ1904
6. QPF7219 2.4 GHz iFEM
https://www.qorvo.com/products/p/QPF7219
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