При размещении точек доступа и клиентского беспроводного оборудования бывает сложно оценить их дальнейший температурный режим работы. Эта проблема дополнительно усложняется тем фактом, что иногда для обеспечения электромагнитной совместимости приходится менять расположение оборудования буквально в последнюю минуту. Чтобы защитить себя от дополнительной головной боли, производители должны проектировать Wi-Fi-устройства с учетом тепловых характеристик (Риc. 1). В данной статье описываются основные проблемы, связанные с тепловым режимом эксплуатации Wi-Fi-оборудования.
![]() |
|
Рис. 1. | Проектирование беспроводных Wi-Fi-систем требует выполнения теплового анализа. |
Расширение функционала «умных домов»
В настоящий момент типовая домашняя сеть объединяет 12 клиентов или IoT-устройств, которые общаются друг с другом. Однако это число неминуемо возрастет уже в ближайшее время. По оценкам Intel, среднее число клиентов домашней сети увеличится до 50 в 2020 году, а по оценкам Gartner, к тому же 2020 году по всему миру будет использоваться около 20.4 млрд IoT-устройств.
Сейчас операторы связи и интернет провайдеры, как правило, предлагают использовать топологию домашней сети с одним единственным мощным беспроводным роутером, который способен покрывать весь дом. Но с резким увеличением числа бытовых приборов и IoT-устройств топология с одним роутером будет постепенно вытесняться.
В будущем возрастет популярность других топологий беспроводных домашних сетей. С ростом объемов трафика размещение дополнительных роутеров или точек доступа поможет обслуживать больше клиентов и передавать большие объемы данных (Рис. 2). Эта новая ячеистая топология (mesh network) расширяет эффективность беспроводной сети за счет использования некоторых технологий, которые уже применяются в офисах, больницах и университетских городках.
![]() |
|
Рис. 2. | Архитектура беспроводной сети. |
Задачи, которые стоят перед IoT
Применение ячеистой топологии, внедрение новых стандартов и возможностей приведет к неизбежному усложнению беспроводных сетей.
При внедрении IoT решается несколько задач:
- Расширение перечня поддерживаемых стандартов. В настоящее время точки доступа поддерживают не только Wi-Fi, но и Zigbee, Bluetooth, Bluetooth Low Energy (BLE), Thread, узкополосный IoT (NB-IoT) и многие другие стандарты, в том числе LTE-M (версия от LTE).
- Расширение числа пользователей в сети. Современные сети – это не только пара компьютеров и несколько телефонов. Сегодня узлами сети также являются компьютеры, телевизоры, смартфоны, портативные устройства, сети безопасности и многие другие устройства, подключенные к интернету через Wi-Fi.
- Расширение диапазона Wi-Fi. Современные Wi-Fi-устройства уже не ограничены одним каналом 2.4 ГГц и одним каналом 5 ГГц. В настоящее время используется до восьми отдельных каналов 2.4 ГГц и восьми каналов 5 ГГц. Это изменение дает нам поддержку MIMO (multiple input/ multiple output) и MIMO (MU-MIMO).
- Уменьшение размера и расширенная функциональность. Производители делают Wi-Fi-устройства более компактными и менее навязчивыми. Существуют модели, способные работать на открытом воздухе, а также решения с поддержкой дополнительных функций, например, ночного освещения.
Блок-схемы старых или новых точек доступа подчеркивают, какую сложную структуру имеют современные беспроводные устройства (Рис. 3).
![]() |
|
Рис. 3. | Эволюция точек доступа. |
Температурный режим работы
Рост числа поддерживаемых беспроводных радиоканалов вызывает увеличение мощности, рассеиваемой в устройстве. Повышение температуры приводит к возникновению проблем с настройкой ВЧ-каналов, что становится особенно критичным при уменьшении габаритов беспроводных устройств.
В результате, одной из основных проблем, с которыми приходится сталкиваться разработчикам Wi-Fi-устройств, становится обеспечение нормального температурного режима работы. В современных изделиях компоненты работают при средней температуре 60 °C или даже выше, при том, что комнатная температура составляет 25 °C. Очень важно учитывать этот факт на ранней стадии проектирования, чтобы впоследствии не тратить времени и средства на исправление ошибок.
Как температурный режим влияет на работу радиоканалов
Перегрев Wi-Fi-устройства сильно зависит от характеристик и особенностей работы трех основных звеньев радиоканала:
- Усилителей мощности (PA);
- ВЧ переключателей и малошумящих усилителей (LNA);
- Фильтров.
Рассмотрим проблемы, возникающие с повышением температуры при работе каждого из перечисленных звеньев.
1. Влияние усилителя мощности на перегрев системы
Инженеры часто вынуждены искать компромисс между линейностью, выходной мощностью и эффективностью радиоканала. Использование оптимизированных усилителей мощности с высокой линейностью или FEM-модулей повышает эффективность системы за счет сокращения выделяемого тепла.
![]() |
|
Рис. 4. | Высокоуровневая архитектура Wi-Fi-приложения (8 антенн 4×4 MU-MIMO, формирование потока). |
Инженеры ВЧ каналов также должны учитывать современные тенденции развития Wi-Fi-устройств, которые влияют на усилители мощности:
- Использование дуплексного обмена с разделением по времени. В сетях Wi-Fi используется дуплексный режим обмена с разделением по времени, что означает чередование интервалов передачи и приема и, как следствие, постоянное включение и выключение усилителя мощности. Такой режим увеличивает длительность переходных процессов, вызывающих дополнительный перегрев.
- Усложнение EVM-спецификаций (EVM). EVM – это показатель качества модуляции и частоты возникновения ошибок. В 802.11ac значение EVM составляло –35 дБ, но в следующем стандарте Wi-Fi, 802.11ax оно возросло до –47 дБ, что усложнило жизнь разработчикам Wi-Fi-устройств. Разработчики должны применять высоколинейные FEM-модули для оптимизации EVM, что в конечном итоге поможет снизить общий перегрев устройства.
- Изменение схемы модуляции. Чтобы повысить пропускную способность и скорость передачи данных, Wi-Fi-системы переходят от модуляции 256 QAM к 1024 QAM. При модуляции 1024 QAM на каждый символ приходится 10 бит против 8 бит в 256 QAM. Однако по мере увеличения скорости передачи данных возникают проблемы с обеспечением уровня EVM. При использовании 1024 QAM поток данных оказывается настолько плотным, что процессор должен использовать сложные алгоритмы обработки. Очевидно, что когда процессор работает с большой интенсивностью, уровень тока потребления и нагрева возрастают.
- Как эффективность ВЧ-канала влияет на потребление процессора. Неэффективная работа ВЧ канала приводит к тому, что процессору приходится работать с повышенной интенсивностью, чтобы обеспечить выполнение общих системных требований. Как результат – увеличение разогрева процессора.
2. Каков вклад ВЧ ключей и малошумящего усилителя (LNA)?
При работе ВЧ ключей неизбежны потери мощности, которые приводят к дополнительному нагреву. Из-за вносимых потерь усилитель мощности вынужден работать с повышенной нагрузкой, чтобы компенсировать ослабление полезного сигнала. Это приводит к снижению эффективности. Очевидно, что чем меньше эффективность, тем больше выделяется тепла. Использование ВЧ ключей с высокой линейностью позволяет уменьшить уровень потерь во всем динамическом диапазоне.
Пропускная способность приемника сильно зависит от коэффициента усиления малошумящего усилителя LNA и показателей шума. Хотя LNA не вносит существенного вклада в тепловыделение, однако повышение температуры может существенно повлиять на характеристики LNA и пропускную способность. Повышение температуры приводит к ухудшению показателей шумов, что в ряде случаев может потребовать от разработчика принятия дополнительных мер для компенсации этого негативного явления.
3. Влияние фильтров
Изменение температуры приводит к смещению частотных характеристик фильтров. Это хорошо видно на графиках для SAW- и BAW-фильтров, представленных на Рис. 5. Эти сдвиги могут приводить к большим потерям на краях полосы пропускания и недостаточному усилению сигнала. Если характеристика фильтра слишком сильно смещается (как показано на рисунке для SAW-фильтра), то усилитель мощности вынужден работать с перегрузкой, чтобы компенсировать ослабление сигнала. Как следствие – повышение тока и уменьшение эффективности системы.
![]() |
|
Рис. 5. | Графики потерь в SAW и BAW. |
Использование фильтров с высокими потерями может привести к снижению линейности и увеличению выходной мощности ВЧ-канала. Одним из основных преимуществ BAW-фильтров LowDrift™ от компании Qorvo является их температурная стабильность. Диплексоры, полосовые фильтры и согласующие фильтры, которые используют BAW-технологию с низким температурным дрейфом, помогают уменьшить вносимые потери и позволяют улучшить температурные показатели беспроводного устройства в целом.
Посмотреть более подробно технические характеристики BAW-фильтров от компании Qorvo