RF干擾和濾波器在Wi-Fi 6E設計的作用

作者 : Mike Eddy,Resonant產品行銷副總裁

Wi-Fi 6和頻譜的大量增加,使得Wi-Fi更具吸引力。然而,Wi-Fi和5G的共存,需要濾波器來解決潛在的干擾問題。這些濾波器必須能提供寬頻與高頻率運作、低損耗以及高功率性能...

Wi-Fi功能由於在智慧裝置上被廣泛採用、整體改善服務品質(QoS)的潛力,以及能夠在密集環境中將視訊資料串流到智慧型手機,因而推動了「客戶保留」(customer retention)應用進展。

Wi-Fi是一個品牌名稱,而不是首字母縮寫詞;IEEE 802.11標準為當前包括無線路由器和無線接取點(AP)在內的Wi-Fi無線裝置定義了通訊協定。這些標準在不同的頻率上運行,提供不同的頻寬,並支援不同數量的通道。而且,Wi-Fi的命名約定中包含了一個數字來增加特殊性,例如Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E。

對於Wi-Fi 5的情況,多個裝置請求高速無線連接,會對網路產生直接影響,從而導致出現延遲時間和資料速度下降,進而對使用者體驗產生負面影響。另一方面,Wi-Fi 6在使用多個裝置時則會保持相同的資料速率。這種處理更多裝置的性能增強,源於Wi-Fi 6中所包含的兩種技術:多用戶多輸入多輸出(MU-MIMO)和正交頻分多工(OFDMA)。Wi-Fi 6的其他優勢還包括更低的延遲(因為它更能「打包」理想訊號中的資料)、延長的電池壽命,以及WPA3中的重大安全協議升級,這是近十年來的第一次。

Wi-Fi 6E使用了與Wi-Fi 6相同的編碼和通道寬度,但它是指支新的免授權6GHz頻段的Wi-Fi。‘E’代表「擴展」,指的是在Wi-Fi 6首次公佈後,FCC在2020年4月開放6GHz範圍內的1,200MHz免授權頻譜。由於有如此大的頻寬並且是Wi-Fi 6的升級技術,Wi-Fi 6E有望實現顯著成長。

1:不斷增加的單位出貨量突顯了Wi-Fi 6E的預期成長。(圖片來源:IDC)

Wi-Fi和干擾

Wi-Fi可使用的免授權頻譜增加,是Wi-Fi向全球擴展的一個極其重要發展。為了保持積極的消費者體驗,在美國所分配的免授權頻譜對蜂巢式卸載來說至關重要,因此許多其他國家和地區都在尋求效仿。在分配給免授權使用的一組特定頻率中,有一組特定頻寬的「通道」:20MHz、40MHz、80MHz或160MHz。通道頻寬越大,資料速率越高。考慮到2.4GHz、5GHz和6GHz的總可用頻率,2.4GHz的非重疊方案有限,但在更高頻率時會顯著增加(2)。

2:非重疊通道封包在Wi-Fi 6頻譜中至關重要。(圖片來源:Resonant)

Wi-Fi的干擾挑戰有兩個不同因素——來自免授權頻段內現有裝置的干擾訊號,以及免授權頻段外的干擾訊號——它們會導致頻段內出現諧波。動態頻率選擇(DFS)、發射功率控制(TPC)、室內低功率(LPI)和自動頻率協調(AFC)定義了如何在Wi-Fi中管理頻段內干擾。

然而,這些技術都無法解決免授權頻段之外的潛在干擾訊號——這些訊號可能會產生頻段內諧波「雜訊」,更糟糕的情況是,會導致低雜訊放大器(LNA)飽和並「阻塞」所需訊號。這就需要使用濾波功能將潛在干擾衰減到不至於產生頻段內雜訊的程度。

濾波器在Wi-Fi 6E中的作用

4G LTE網路的擴展、新的5G網路部署以及Wi-Fi的普遍性,都在推動無線裝置所必須支援的射頻(RF)頻段數量急劇增加。每個頻段都需要使用濾波器進行隔離,從而將訊號保持在正確的「通道」中。隨著資料流量的增加,允許重要訊號高效通過的要求將會增加,從而防止電池耗盡並提高資料速率。

濾波器對於較寬的頻寬和高頻功能至關重要,最具挑戰性的是最新的Wi-Fi 6E,它具有1,200MHz頻寬和7.125GHz最大頻率。隨著越來越多的流量利用3GHz–7GHz頻率範圍內的5G和Wi-Fi,頻段之間的干擾將危及這些先進無線技術的共存,並限制其性能。因此,就需要更高性能的濾波器來保持每個頻段的完整性。此外,行動裝置和AP中可用的天線數量有限,這就會使架構轉變為更多地使用天線共用,從而進一步提高濾波器的性能要求。

濾波器必須不斷地發展,才能滿足新的Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E以及5G運作的要求。以前的無線應用中的濾波器技術,例如聲表面波(SAW)、溫度補償聲表面波(TC-SAW)、固體安裝諧振器-體聲波(SMR-BAW)和薄膜體聲波諧振器(FBAR),可以將其頻寬擴展並擴展到更高的頻率。但這是以犧牲其他關鍵參數為代價的,例如損耗和功率持久性。或者,可以使用多個濾波器覆蓋寬頻寬,不管是與非聲學濾波器混合還是在多個部份。

使用更新的高性能濾波,可以得到更高的資料速率、更低的延遲和更穩健的覆蓋範圍。在新冠疫情的遠端工作環境中,每個人都遇到過使用Zoom通話出現視訊卡頓、視訊遊戲延遲以及房屋周邊失去連接的經歷。在先進濾波的保護下,新的Wi-Fi技術與新的寬頻寬頻率相結合,將提供向前發展的解決方案。

這些濾波器有助於實現所需的寬頻寬、高頻工作、低損耗和高功率性能。例如,XBAR基於體聲波(BAW)諧振器技術。這種諧振器包括一個單晶壓電層,且在其上有一個金屬叉指式換能器(IDT)。

3:基於XBAR的濾波器和Wi-Fi 6E混合濾波器的測量性能比較。(圖片來源:Resonant)

3的比較中,混合的整合被動元件(IPD)/FBAR Wi-Fi 6E濾波器僅針對5GHz免授權頻段中的訊號而不針對5G sub-6GHz或UWB通道提供干擾保護,而XBAR Wi-Fi 6E濾波器可保護Wi-Fi 6E頻段免受所有潛在干擾問題的影響。

Wi-Fi 7RF濾波器

Wi-Fi補強了蜂巢式網路,以滿足對於容量和資料速率的需求。Wi-Fi 6和頻譜的大量增加,使得Wi-Fi更具吸引力。然而,Wi-Fi和5G的共存,將需要用濾波器來解決潛在的干擾問題。這些濾波器需要提供寬頻寬、高頻工作、低損耗和高功率性能。

預計在2024年年初將會對於Wi-Fi 7裝置進行認證,針對更嚴苛要求的濾波器需求只會加劇。此外,新冠疫情之後生活方式和工作空間的轉變,意味著只會有更多新的裝置類型以及資料渴求(data-hungry)的相關應用出現。

(參考原文:RF interference and the role of filters in Wi-Fi 6E designs,by Mike Eddy)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年10月號雜誌

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