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？

电子万花筒 2023-05-16 09:25

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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。