WIFI 7 高頻硬體設計: 耦合器規格分析、選用指南和實際應用於高通802.11BE平台QCN9274/QCN6274的校準

前言：

    在無線通信技術的演進中，WIFI 7作為新一代的無線標準，被視為推動數據傳輸速度和網絡效能提升的關鍵因素。隨著WIFI 7的推出，無線通信領域迎來了更高速、更可靠的連接，以滿足現代數字化社會對於連接性的需求。然而，在實現WIFI 7技術的潛力之前，必須深入瞭解並優化各種硬體組件，其中包括耦合器作為連接器件之一。本文旨在探討WIFI 7耦合器的規格特性、選擇準則以及在高通802.11BE平台上QCN9274/QCN6274的校準過程。通過對這些關鍵問題的探討，可以更好地理解和應用WIFI 7耦合器，從而為無線通信系統的性能提升和技術發展做出貢獻。

簡介：

        Coupler耦合器是一種高頻電子元件，在射頻微波應用中扮演著重要角色。它的主要作用是將信號從一個電路或器件傳送到另一個，同時控制能量的分配和耦合程度。這些耦合器通常用於無線通信系統、雷達系統、衛星通信等場合。它們的主要功能包括反射、分配、耦合和方向性。根據不同的應用需求，耦合器可以具有不同的特性和工作頻率範圍。在高通802.11BE平台上，QCN9274/QCN6274作為重要的電子元件承擔著無線通信的關鍵功能。然而，若選擇不當的Coupler耦合器可能導致QCN9274/QCN6274的損壞，進而影響整個系統的性能。因此，在選擇和應用Coupler耦合器時，必須仔細考慮其規格和特性，確保其能夠與QCN9274/QCN6274良好配合，以確保系統的穩定性和可靠性。

Coupler通常用於以下幾個主要方面：

1. 反射耦合：輸入信號會反射回原始端口，同時部分信號會被輸出到另一個端口。這種耦合方式可用於功率監測、信號分析和天線匹配等應用。
2. 功率分配耦合：將輸入信號均勻地分配到多個輸出端口，以實現信號的分配。
3. 方向性耦合：特定輸出端高效地耦合信號，在其他輸出端減少信號的耦合。這種特性在無線通信和雷達系統。
4. 超過耦合：超過耦合器將一部分信號耦合到輸出端，同時允許另一部分信號通過原始端繼續傳輸。這種設計常用於測試和監測應用中。

    耦合器的設計和特性取決於特定應用的需求，例如頻率範圍、功率水平、方向性要求和反射損耗等。用於連接天線、儀器、功率放大器、分配器和其他RF和微波元件，以實現信號的有效管理和控制。

耦合器（Coupler）需要考慮因素包括應用需求、頻率範圍、功率水平、方向性要求和反射損耗等。以下是一些選擇適合的耦合器：

1. 了解應用需求： 首先，清楚線路設計應用需求。確定需要的是功率分配、反射耦合、方向性耦合還是其他功能。不同類型的耦合器適用於不同的應用。
2. 頻率範圍： 考慮應用工作的頻率範圍。不同的耦合器設計適用於不同的頻率範圍。確保所選耦合器的頻率範圍覆蓋設計所需的範圍。
3. 功率： 考慮您應用所處的功率級別。不同的耦合器具有不同的功率處理能力。確保所選耦合器能夠處理所需的功率。
4. 方向性需求：應用需要是否需要方向性耦合，確保所選耦合器具有足夠的方向性。這尤其重要，要將信號從一個特定方向耦合到另一個。
5. 反射損耗：考慮反射損耗，即信號反射程度。較低的反射損耗通常是理想的，特別是在精確信號測量和天線匹配應用中。
6. 物理尺寸和連接： 確保所選耦合器的物理尺寸和連接方式與系統和其他元件相容。確保可以設計系統中。
7. 成本和可用性： 最後，考慮預算和耦合器的可用性。不同型號和品牌的耦合器價格和供應情況可能不同。

針對QCN9274/6274的PDET的設計

Coupler進行TX輸出的校準是用於確保發送信號的精確性和穩定性。TX輸出校準過程如下：

1. 將耦合器連接到TX輸出。
2. 發射校準信號： 啟動TX，並發送已知的校準信號。這可以是一個特定頻率和功率，用於校準TX的輸出。
3. 測量回饋信號至PDET： 使用耦合器測量回饋信號。測量實際發出的信號功率。
4. 校正： 將測得的回饋信號與預期的校準信號進行比較。如果有偏差，可以通過調整TX的設置或增加/減小信號來校正輸出，以確保輸出信號與校準信號匹配。

     實際設計電路時，需要確認SoC的偵測功率能力，以下方的範例來說，SoC最大允許輸入功率為5dBm，因此在Coupler Feedback的功率就不能超過5dBm，下方是設計實例：

1. TX輸出功率為20dB時，經過一個18dB的耦合器後，Feedback回SoC的功率為 2 dB。由於這2 dB的功率在SoC的最大輸入功率5dBm規範範圍內，因此無需再添加減衰器。
2. TX輸出功率為30dB時，經過一個18dB的耦合器後，Feedback回SoC的功率為12 dB。因12dB的功率超過SoC的最大輸入功率功率5dBm，因此需設計一減衰器至少7dB。

QDART TX Power Calibration Process – 2/5/6G

    DUT在做校準的時候，將目前系統中所設定的Gain Table所發射出來實際的功率(MeasPwr)跟目標功率(Goal)做一個比較，這部分就可以明顯地得知目標功率跟實際功率的差異，將這一份功率的差異製造成一份新的Gain table存入系統中，之後在實際使用如果要打出17dBm，系統就會依照這個table做offset，將Gain 使用“31”去發射來達到正確的輸出功率，這部分就必須要透過Coupler Feedback 回SoC來告知Gain應該要打多少，下方分別以WiFi 2、5、6 G的頻段做範例。

圖4. QSPR TX Power Calibration Log – 5G



圖5. QSPR TX Power Calibration Log – 6G

Discussion

    現今的高頻元件的發展，都朝向Module的方向發展，因此會把PA、LNA、Bias 以及Coupler整合到module裡面，這部分不僅會讓工程師開始討論在PA輸出的地方就使用Coupler去做功率檢測跟實際從天線端檢測的功率是否有差異會不會造成實際功率輸出的誤差增大，原因就是將Coupler設計在PA端就會忽略PA跟天線之間的一些被動元件，例如Diplexer、SAW filter、T/R switch…，因此在沒有模組化的高頻電路設計中一般都會把Coupler放置在天線端，如下圖所示，來尋求更準確的輸出功率。

結 論

    耦合器在微波工程中扮演著至關重要的角色，特別是在無線通信領域中，尤其是在WIFI技術中。對於WIFI的TX（發射端）功率校準和功率準確度來說，選擇適合的耦合器至關重要。耦合器不僅用於將信號從一個電路或器件傳送到另一個，還可以控制能量的分配和耦合程度。正確的耦合器設計能夠實現更準確的功率傳輸和校準，從而確保WIFI系統的性能和功率準確度。因此，選擇合適的耦合器型號並了解其原理，對於WIFI系統的設計和性能至關重要。

[Q & A]

Q1：為什麼耦合器在高通802.11BE平台上的QCN9274/QCN6274的校準過程中如此重要？

A：耦合器是用於確保發射信號的精確性和穩定性的關鍵元件。正確的校準可以保證發射功率的準確度，從而確保系統的性能。

Q2：如何進行耦合器的TX輸出校準？

A：TX輸出校準需要將耦合器連接到TX輸出，然後發送已知的校準信號並測量回饋信號至PDET。最後，根據測得的回饋信號進行校正，以確保輸出信號的準確性。

Q3：耦合器在CN9274/6274的PDET設計中如何與減衰器協同工作？

A：耦合器和減衰器協同工作，確保反饋功率符合系統需求，減小功率範圍內的波動，從而提高功率校準的準確性。

Q4：為什麼需要在耦合器回饋信號至SoC時考慮功率的控制？

A：考慮功率的控制可以確保回饋信號不會超出SoC的最大輸入功率範圍，從而避免對SoC造成損壞或性能下降。

Q5：在設計中如何確保耦合器的適當性和系統的性能？

A：確保耦合器的適當性需要根據系統的需求選擇合適的耦合器型號，並進行校準以確保系統的性能和功率準確度。