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高/低功率各不相同,射频电路电源管理这门学问你真的懂么?

2018-10-18
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电源管理是一门科学艺术,它通过优化输入和输出信号来最大化 RF 设备的效率和性能,这不是一件容易的事。每台网络设备都有自己独特的功率需求。更高的数据速率通常意味着更高的功耗和复杂性,这可能会带来损失,进而降低可靠性和增加成本。低数据速率设备(例如支持物联网的那些设备)功率极小,以便节省宝贵的电池电源的每一毫秒。



除此以外,RF 工程师还面临静电放电的难题,它几乎可以炸毁一台设备的电路板。想象一下,在干燥的冬日走过地毯后,手碰触到门把手。咝!在您碰到门把手的那一刻,它只会让您的手臂汗毛竖起来,感到轻微不适,但是,却会让设备产生严重的性能问题,或者甚至损坏敏感的电子元件。每个人都能按下电源按钮,但要设计出电源管理和 RF 设备,则需要以下的专业知识。


高功率 RF


伯克利实验室将高功率 RF 定义为一个专门的工程领域,主要研究运行频率远高于音频频段的元件和系统。高功率 RF 应用包括军事和商业雷达、卫星通信和无线基础设施,例如蜂窝基站。工程师必须放大这些系统的功率,以便在长距离和恶劣条件下可靠地传输信号。为此,他们使用了功率放大器 (PA)


与放大 .jpeg 图像文件的大小一样,功率放大器可以在不损坏或无失真的情况下增加网络设备的输出。但是,增加功率也会产生大量的热量。温度管理是高功率 RF 设备需要解决的难题之一。工程师必须满足严格的输出要求,同时保持设备足够冷却,以保证系统可靠运行。


出于此原因,大部分高功率 RF 设备都采用砷化镓 (GaAs) 或氮化镓 (GaN) 制造。这两种复合半导体都能处理高功率 RF 系统产生的热量,但 GaN 正迅速成为首选技术。GaN 放大器具备出色的热性能,能够提供比传统技术更高的输出,且最多能够降低 20% 的功耗。

GaN 帮助实现了更高频率下的实时通信。以敌我识别 (IFF) 系统为例,这些系统让民用航空交通管制部门能够识别飞机,并从塔楼上确认它们的距离。



高功率 RF 设备发展的下一步是毫米波 (mmW):介于 30 GHz 和 300 GHz 之间的超高频段,其中许多频率是部署 5G 无线网络的关键。采用这些频率时,电源管理是一个真正的挑战。


低功率 RF


低功率 RF 主要涉及更低频率的低传输速率、短距离无线通信。应用包括物联网;节能型智能家居设备、恒温器、HVAC、照明控制和家居安防;用于监测停车、交通堵塞、路灯和废弃物管理状况的智能城市设备;以及车联网。



对于所有低功率 RF 产品来说,电源管理的关键问题在于电池的使用寿命物联网要能够使用,传感器必须持续很长时间。房主和市民并不希望每年更换设备中的电池,因此工程师必须设计出低功率、能够维持十年或更久时间的解决方案。


更复杂的是,每个低功率网络对功率的要求各不相同,并且有数十个网络之多,包括 Wi-Fi、蓝牙、Zigbee 3.0、蓝牙低功耗、Thread、LTE Cat-M1 (LTE-M) 和窄带物联网 (NB-IoT)。

例如,Wi-Fi 网络会根据发送的文件的大小,以及路由器/接入点和连接设备之间的距离,在 2.4GHz 和 5GHz 之间切换。频率更高时,系统消耗的功率更高,频率更低时,消耗的功率更低。路由器采用硬接线方式,因此不受影响,但互联设备的电池电量会耗尽,无论是智能手机、笔记本电脑还是其他设备。通常,您的设备和连接设备之间的距离越远,所需的功率就越大。蓝牙消耗的功率比 Wi-Fi 低,Wi-Fi 需要的功率又比蜂窝低。

根据我们在 Keysight Technologies 任职的合作伙伴的说法,“工程师必须准确测量电池的损耗,了解这些物联网设备的功耗模式,以实现客户期望的长电池寿命。”只有这样,我们才能构建一个网络,以强大的方式将人类和他们的设备连接起来,进而简化我们的生活。

集成的作用


所有功率水平都能通过集成受益。从系统层面来看,将多个组件集成到单个设备能够最小化功率和效率损失,简化设计和网络部署,并且帮助加快各种产品(从雷达到路由器)的上市速度。从设备层面来看,家庭、城市或厂区“设备”具备的互操作性能够最大化生产力,并最大限度地节能。



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