Разработка Rf-усилителей для высокопроизводительных устройств Wi-Fi 6 и Wi-Fi 7

Растущее значение усилителей РФ в Wi-Fi нового поколения

Быстрое распространение подключенных устройств и приложений, требующих больших объемов данных, предъявляет беспрецедентные требования к беспроводным сетям. Стандарты Wi-Fi 6 (802.11ax) и новый стандарт Wi-Fi 7 (802.11be) предназначены для обеспечения многогигабитной пропускной способности, меньшей задержки и повышения эффективности в плотных средах. В основе этих систем лежат усилители радиочастот (RF), которые определяют целостность сигнала, диапазон покрытия и общую надежность связи. Без тщательно разработанных усилителей мощности радиочастот (PA) и усилителей низкого шума (LNA) теоретические преимущества передовых схем модуляции и более широких полос пропускания каналов не могут быть реализованы на практике.

Усилители RF в устройствах Wi-Fi 6 и Wi-Fi 7 должны работать во все более переполненных диапазонах спектра - от 2,4 ГГц и 5 ГГц до недавно открытой полосы 6 ГГц (5,9-7,125 ГГц) - при поддержке сложных схем многократного доступа с ортогональным частотным разделением (OFDMA) и многопользовательских многократных входов и выходов (MU-MIMO). Эта статья обеспечивает всестороннее техническое исследование проблем проектирования, выбора материала и методов схемы, которые позволяют высокопроизводительное усиление RF для современного Wi-Fi.

Фундаментальная роль усилителей РФ в Wi-Fi-приемниках

Усилители мощности (PAs) для передачи

Усилитель мощности является последней активной стадией в цепи передачи. Его основная функция заключается в повышении модулированного радиочастотного сигнала до уровня, достаточного для надежной передачи в заданном диапазоне. В конструкциях Wi-Fi 6/7 PA должны доставлять выходную мощность в диапазоне от +18 дБм до +25 дБм (для клиентских устройств) и от +25 дБм до +30 дБм (для точек доступа) при сохранении высокой линейности для сохранения точности модуляции. Любое сжатие или искажение в PA непосредственно ухудшает величину вектора ошибок (EVM), что приводит к более высоким скоростям ошибок пакетов и снижению пропускной способности.

Усилители с низким уровнем шума (LNA) для приема

С точки зрения приемника, LNA усиливает слабые сигналы от антенны с минимальным дополнительным шумом. Шумовое число (NF) LNA имеет решающее значение, поскольку оно устанавливает нижнюю границу чувствительности приемника. Для Wi-Fi 6/7 LNA, как ожидается, достигнет значений NF ниже 2 дБ в широких полосах пропускания при работе с сильными блокаторами вне диапазона без десенсибилизации. LNA также должна обеспечить достаточный прирост (обычно 15-25 дБ) для преодоления шумового вклада последующих этапов микшера и базовой полосы.

Технические требования, установленные стандартами Wi-Fi 6 и Wi-Fi 7

Более высокие требования к модуляции и ограничения EVM

Wi-Fi 6 вводит 1024-QAM (квадратурная амплитудная модуляция), в то время как Wi-Fi 7 масштабируется до 4096-QAM. Эти плотные созвездия предъявляют строгие требования к EVM на всей RF-цепочке. Для 1024-QAM пол EVM должен быть ниже -35 дБ; для 4096-QAM необходим пол ниже -38 дБ до -40 дБ. Усилители RF должны проявлять отличную линейность, чтобы избежать спектрального роста и облачности созвездий. Соотношение мощности соседнего канала (ACPR) обычно должно быть лучше, чем -38 дБк для удовлетворения нормативных масок и требований сосуществования.

Широкие полосы пропускания и многогигабитная пропускная способность

Wi-Fi 6 поддерживает полосу пропускания канала до 160 МГц, но Wi-Fi 7 расширяется до 320 МГц в полосе 6 ГГц. Усилители, предназначенные для Wi-Fi 7, должны поддерживать плоский коэффициент усиления (вариация < 1 дБ) и малую вариацию групповой задержки на 320 МГц мгновенной полосы пропускания. Это требует тщательного согласования импеданса широкополосного доступа и использования технологий широкополосного устройства. Кроме того, усилитель мощности должен обрабатывать высокие коэффициенты мощности пик-средний (PAPR) - часто 10-12 дБ - без чрезмерного отключения, требующего линеаризации или продвинутых архитектур.

Многопользовательский MIMO и Beamforming

Современные системы Wi-Fi полагаются на несколько цепей передачи и приема для пространственного мультиплексирования и формирования луча. Каждый усилитель RF в массиве MIMO должен иметь хорошо подобранные амплитуды и фазовые реакции по всему рабочему диапазону, чтобы обеспечить усиление формирования луча и нулевую точность рулевого управления. Изменения усилителя-усилителя должны жестко контролироваться, и калибровочные петли часто интегрируются для компенсации температур и дрейфов процессов.

Ключевые проблемы проектирования высокопроизводительных усилителей РФ

Линейность vs. эффективность торговли

Фундаментальный конфликт в конструкции PA заключается в достижении высокой линейности при максимизации эффективности с добавлением мощности (PAE). В традиционных топологиях класса-AB или класса-B обратный выключатель улучшает линейность, но снижает эффективность. Для сигналов Wi-Fi с высоким PAPR типично работать при обратном выключении 6-8 дБ от точки сжатия 1 дБ (P1dB). Дизайнеры должны использовать такие методы, как отслеживание оболочек (ET), цифровое искажение (DPD) или архитектура Doherty для повышения средней эффективности при модулированных сигналах. Отслеживание окон, в частности, получило тягу в мобильных устройствах Wi-Fi, динамически регулируя напряжение питания на PA в синхронности с оболочкой сигнала, улучшая PAE на 10-20% абсолютно.

Термическое управление в компактных форм-факторах

Усилители Wi-Fi в точках доступа и клиентских устройствах должны рассеивать тепло в ограниченных пространствах. Термическое сопротивление от перехода к окружающей среде (Rth) должно быть сведено к минимуму, чтобы поддерживать температуру канала ниже пределов надежности. Расширенная упаковка, такая как флип-чип, сквозной кремний (TSV) и термически улучшенный ламинат, имеет важное значение. Нитрид галлия (GaN) обеспечивает превосходную теплопроводность по сравнению с арсенидом галлия (GaAs), но его стоимость и сложность интеграции по-прежнему ограничивают его использование для высококлассной инфраструктуры. BiCMOS Silicon Germanium (SiGe) обеспечивает баланс между производительностью и интеграцией, часто в сочетании с внешними PA GaAs для конечной стадии.

Вариация процессов и доходность

PA на основе CMOS, особенно в продвинутых узлах (28 нм и ниже), страдают от значительного изменения процесса, которое влияет на коэффициент усиления, линейность и импеданс выхода. Для поддержания постоянной производительности на миллионах устройств дизайнеры включают обрезку, цифровую калибровку и адаптивное смещение. На чипе датчики контролируют температуру и углы процесса, регулируя смещение PA в реальном времени.

Расширенные технологии для Wi-Fi 6/7 усилителей

Усилители Doherty Power

Doherty PA — это хорошо известная архитектура, повышающая эффективность при отключении питания. В ней используется главный усилитель (предвзятый в классе-AB) и пиковый усилитель (предвзятый в классе-C) для динамического объединения токов. При пиковой оболочке сигнала включается пиковый усилитель, обеспечивающий дополнительную мощность при сохранении высокой эффективности в диапазоне выходной мощности 6 дБ. Современные конструкции Doherty для Wi-Fi 7 работают на пропускной способности более 320 МГц с использованием широкополосных инверторов импеданса и офсетных линий. Успех зависит от поддержания фазовой когерентности между основным и пиковым путями по частоте.

Отслеживание конвертов (ET)

Конвертное отслеживание модулирует напряжение питания PA для отслеживания мгновенной сигнальной оболочки. Это позволяет PA работать ближе к насыщению в течение большей доли времени, резко улучшая среднюю PAE. ET-системы требуют усилителя оболочки с высокой пропускной способностью (> 160 МГц) и высокой скоростью разряда для точного воспроизведения формы сигнала. Для Wi-Fi 7 с каналами 320 МГц пропускная способность оболочки превышает 320 МГц, что делает проектирование усилителя оболочки сложной задачей. Гибридные архитектуры, объединяющие линейные регуляторы и коммутационные преобразователи, являются общими.

Цифровое искажение (DPD)

DPD — это метод линеаризации, который преобразует сигнал базовой полосы для компенсации нелинейных характеристик PA. Широко используемый в сотовой инфраструктуре, DPD все чаще используется в высокопроизводительных точках доступа Wi-Fi, чтобы позволить PA работать с более высокой эффективностью без нарушения требований EVM или спектральной маски. Приемник наблюдения захватывает выход PA, а адаптационный движок итеративно обновляет модель полинома памяти или нейронной сети. Задержка и вычислительные ресурсы должны быть сбалансированы с затратами.

Материальные технологии для усилителей РФ в Wi-Fi

Арсенид галлия (GaAs)

GaAs остается рабочей лошадкой для усилителей мощности Wi-Fi благодаря своей высокой электронной мобильности, хорошей линейности и зрелому производству. Процессы GaAs PHEMT (псевдоморфный транзистор с высокой электронно-мобильностью) предлагают отличную плотность мощности (около 1 Вт / мм) и высокое напряжение пробоя. Они обычно используются на заключительной стадии клиентских устройств PAs. Однако GaAs менее подходит для полной интеграции SoC, требующей отдельного кристалла и сборки.

Нитрид галлия (GaN)

GaN стал игровым переключателем для мощной инфраструктуры Wi-Fi. При плотности мощности, превышающей 5 Вт/мм, и напряжении пробоя выше 100 В, GaN PA могут доставлять +30 дБм и выше с высокой эффективностью. Широкий диапазон GaN также позволяет работать при более высоких температурах перехода (> 200 ° C), снижая требования к охлаждению. Основными недостатками являются более высокая стоимость и сложность интеграции с логикой управления Si CMOS. Для точек доступа Wi-Fi 7 с 8×8 MIMO GaN все чаще выбирают для финальной стадии PA.

Кремниевый германий (SiGe)

SiGe BiCMOS предлагает промежуточную основу, позволяющую интегрировать РЧ-усилители наряду с цифровой логикой и аналоговой памятью на одном чипе. SiGe HBTs (гетеропереходные биполярные транзисторы) обеспечивают хорошую линейность и шумопроизводительность до 10 ГГц. Они хорошо подходят для маломощных LNA и среднемощных PA в клиентских устройствах. Зрелость процесса и высокая выходная мощность делают SiGe привлекательным для потребительских продуктов большого объема.

CMOS с улучшенной линейностью

Глубоко масштабированные CMOS (28 нм, 16 нм) теперь могут реализовывать функциональные возможности PA с использованием таких методов, как сложенные транзисторы, дифференциальные топологии и емкостная нейтрализация для преодоления низкого напряжения пробоя. CMOS PA по своей сути эффективны для приложений с низкой мощностью, но изо всех сил пытаются обеспечить высокую выходную мощность (> 20 дБм) с хорошей линейностью. Однако для интегрированных приемопередатчиков, ориентированных на мобильные платформы, все-CMOS RF фронтенды являются активной областью исследований.

Импедансное соответствие и широкополосный дизайн

Смит Чарт Техники для мультиоктавных групп

С Wi-Fi 7, покрывающим 2,4 ГГц, 5 ГГц и 6 ГГц (5,9-7,125 ГГц), выход PA должен соответствовать 50 Ом по непрерывной полосе, превышающей 4 ГГц. Традиционное узкополосное согласование с использованием сгущенных элементов недостаточно. Требуются широкополосные сети согласования с использованием многосекционных четвертьволновых трансформаторов, распределенных линий передачи или фильтров ступенчатого сопротивления. Инженеры часто используют технику реального частот (RFT) или компьютерную оптимизацию для синтеза сетей согласования, которые достигают VSWR < 1,5:1 по всей полосе.

Балун и дифференциальный дизайн

Многие современные Wi-Fi PA используют дифференциальные топологии для улучшения отторжения в обычном режиме и снижения шума подложки. На чипе или внешнем балуне преобразует дифференциальный сигнал в одноконцовый. Сам балун должен иметь низкую потерю вставки (<0,5 дБ) и сбалансированную фазовую/амплитудную (<1° фазовой ошибки) по всей полосе пропускания. Интегрированные балуны на кремнии страдают от потерь из-за подложек с низкой устойчивостью; тщательная компоновка с заземленными щитами может смягчить это.

Измерение и валидация усилителей РФ

Для характеристики Wi-Fi 6/7 PA требуется набор измерений:

Внешняя ссылка: Для подробных методов измерения IEEE опубликовала всеобъемлющее руководство по RF PA тестированию для современных стандартов связи . Кроме того, Wi-Fi Alliance предоставляет планы сертификационных испытаний, которые включают требования к EVM и спектральной маске для каждого поколения стандартов.

Будущие направления для Wi-Fi 7 и выше

По мере того, как отрасль движется к Wi-Fi 7 с многоканальными операциями (MLO), каналами 320 МГц и до 16 пространственных потоков, усилители RF должны развиваться соответствующим образом.

Стремление к более высокой спектральной эффективности и снижению энергопотребления будет продолжать стимулировать инновации в конструкции усилителя RF. Инженеры должны одновременно учитывать физику полупроводников, топологию схем, требования системного уровня и производственные ограничения для доставки усилителей, которые лежат в основе беспроводной революции.

Заключение

Проектирование радиочастотных усилителей для устройств Wi-Fi 6 и Wi-Fi 7 является многомерной задачей, которая охватывает физику устройств, топологию схем, тепловую инженерию и валидацию системы. Быстрая эволюция заказов модуляции, полосы пропускания и конфигурации MIMO требует усилителей с исключительной линейностью, эффективностью и пропускной способностью. Используя передовые материалы, такие как GaN и SiGe, применяя методы линеаризации, такие как DPD и ET, и используя надежное широкополосное согласование и упаковку, инженеры могут удовлетворить строгие требования Wi-Fi следующего поколения. Продолжение исследований и сотрудничества в отрасли обеспечит, чтобы беспроводные сети шли в ногу с ненасытным спросом на высокопроизводительную связь.