802.11n高線性功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)?

莊建東，陶煜，武文娟，高懷（.東南大學(xué)集成電路學(xué)院，南京0096；.東南大學(xué)國家ASIC系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，南京0096；.蘇州市射頻功率器件及電路工程技術(shù)研究中心，江蘇蘇州5）

802.11n高線性功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)?

莊建東1，陶煜1，武文娟2，高懷3
（1.東南大學(xué)集成電路學(xué)院，南京210096；2.東南大學(xué)國家ASIC系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，南京210096；3.蘇州市射頻功率器件及電路工程技術(shù)研究中心，江蘇蘇州215123）

為了擴大802.11n無線產(chǎn)品的覆蓋范圍，設(shè)計了一款符合802.11n標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz高線性功率放大器。在該功率放大器的設(shè)計中采用了雙路均衡功率合成技術(shù)和差異化加速開關(guān)技術(shù)，在提供高功率輸出的同時滿足了802.11n的誤差向量幅度（EVM）的要求，尤其是實際應(yīng)用中的動態(tài)EVM。測試結(jié)果表明，該功率放大器回退7 dB后的線性輸出功率為27 dBm，此時的EVM為-30 dB，合成功率輸出為29.5 dBm。該功率放大器可廣泛用于無線局域網(wǎng)中，與各種類型的無線AP直接匹配使用，提高其覆蓋范圍。

高線性功率放大器；802.11n；雙路均衡功率合成；差異化加速開關(guān)

1 引言

為了實現(xiàn)高質(zhì)量的寬帶無線局域網(wǎng)（WLAN）服務(wù)，Wi-Fi聯(lián)盟繼802.11a／b／g之后推出802.11n無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)。然而，受限于WLAN自身的低功率與高頻率特性，802.11n無線產(chǎn)品的信號覆蓋范圍仍然十分有限。

為了有效地擴大802.11n無線產(chǎn)品的覆蓋范圍，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一款802.11n 2.4 GHz頻段的高線性功率放大器，其發(fā)射通路采用了兩顆INNOTION公司的2.4 GHz功放芯片（PA）YP242434實現(xiàn)雙路合成，提高了發(fā)射功率，極大地增加了信號的傳輸距離［1］；接收通路采用了Agilent公司的低噪放芯片ATF-54143，其噪聲低、增益高的特性顯著提高了接收靈敏度，平衡了收發(fā)性能［2］。

設(shè)計中嚴格遵從了均衡對稱的設(shè)計原則，對雙路PA采用了一致的偏置電路以及濾波電路。同時，為保證高速傳輸時的動態(tài)誤差向量幅度（EVM）特性，信號路徑特性必須在每一個突發(fā)脈沖開始時盡快穩(wěn)定下來，針對YP242434的特性，在設(shè)計中特別采用了差異化加速開關(guān)的技術(shù)，同時減小了功放芯片對傳輸速率的影響。

該功率放大器符合時分雙工（TDD）收發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，增強了信號的發(fā)射功率，提高了接收靈敏度，實現(xiàn)了802.11b／g／n模式下的遠距離無線傳輸。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

本文的系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示，主要由控制模塊、發(fā)射通道、接收通道、電源模塊組成。

如圖1所示，在系統(tǒng)構(gòu)架圖中射頻輸入通過定向耦合器［3］從射頻輸入信號耦合一部分功率送至檢波電路［4］處理，若檢測信號強度大于預(yù)設(shè)的門限電平，則判決為信號發(fā)射狀態(tài)，控制模塊打開發(fā)射鏈路，同時關(guān)閉接收鏈路，反之則為接收狀態(tài)。

設(shè)計中發(fā)射通路采用兩顆高輸出、高線性度的功率放大芯片YP242434，應(yīng)用雙路合成的方法降低了單個功率放大芯片的輸出承載，使EVM得到極大的改善。另外，設(shè)計中還使用了差異化加速開關(guān)技術(shù)，確保了功率放大器優(yōu)良的動態(tài)EVM，進而在增加傳輸距離的同時保證了高速的傳輸速率。

3 功率放大器關(guān)鍵指標(biāo)的設(shè)計

3.1 線性高輸出功率設(shè)計

為滿足802.11n的線性要求，常用的方法是把PA的P1dB回退至少7 dB使用。本文設(shè)計的功率放大器的最大線性輸出為27 dBm，PA就必須提供至少34 dBm的P1dB。同時，PA后級的開關(guān)等器件的使用必然也會帶來功率的損耗，綜合以上因素，輸出27 dBm時的高線性指標(biāo)要求將會給功率放大器的設(shè)計帶來很大的挑戰(zhàn)［6］。

在本文的設(shè)計中，發(fā)射通路采用了單級驅(qū)動方式，利用高輸出、高線性的功放芯片YP242434實現(xiàn)兩路功率合成，降低單個PA的輸出承載，保證27 dBm線性輸出時的高EVM。

圖2所示的是雙路功率合成放大電路的電平圖，Ppeak表示設(shè)計峰值功率，Pbackoff表示回退7 dB后的線性輸出功率。

單個YP242434的P1dB為34.5 dBm，為保證PA的使用壽命，設(shè)計時將峰值功率Ppeak設(shè)為33 dBm，把功率合成增益估算為2.5 dB，雙路合成后可達35.5 dBm的峰值功率，給27 dBm的線性輸出功率Pbackoff指標(biāo)留下了足夠的裕量，合成功率輸出為29.5 dBm。

3.2 誤差向量幅度（EVM）設(shè)計

誤差向量幅度（EVM）是802.11n標(biāo)準(zhǔn)最為關(guān)鍵的指標(biāo)之一。由于802.11n采用了正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，且具有很高的傳輸速率，這就對動態(tài)EVM提出了很高的要求。

由于本設(shè)計采用了雙路合成的方案［7］，雙路PA工作狀態(tài)的一致性好壞將直接影響到EVM特性，所以在PCB版圖的設(shè)計中嚴格遵從了均衡對稱的布板原則，對雙路PA采用了一致的偏置電路和濾波電路，且應(yīng)用了對稱供電的方式，從設(shè)計原理層面上避免了EVM的惡化。

要保證高速傳輸時的動態(tài)EVM特性，信號路徑特性必須在每一個突發(fā)脈沖到來時盡快穩(wěn)定下來。802.11n采用脈沖模式時分雙工（TDD）技術(shù)，開關(guān)切換和器件開啟的時延就成為影響動態(tài)EVM的關(guān)鍵。

在功率放大器中影響動態(tài)EVM特性的主要有檢波器的檢波時延、開關(guān)的上下行切換時延、功放的開啟時間等。檢波延時和開關(guān)上下行切換時延都可以很容易地控制在很短的時間內(nèi)。

功放在達到穩(wěn)定的工作點之前，總需要一段開啟時間，而此時已有信號進入功放，但此時的功放工作點不穩(wěn)定，線性很差，將產(chǎn)生較強的AM-AM和AM-PM調(diào)制，導(dǎo)致EVM性能嚴重惡化。

為最大程度地減少功放的開啟時間，設(shè)計中在PA的基極供電電路上采用了差異化加速開關(guān)技術(shù)。加速電路如圖3所示，圖中并聯(lián)的電容Cb和電阻Rb串接在PNP管的基極構(gòu)成了一個RC移相網(wǎng)絡(luò)［8］，擴展了帶寬，提高了PNP管的開關(guān)速度。

差異化加速開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用原理圖如圖4所示。本設(shè)計選用的功放YP242434內(nèi)部采用的是三級放大，在三級的基極供電端分別添加了加速開關(guān)電路，由于電容Cb上的電壓不能突變，當(dāng)PNP管基極的控制電壓Vctrl變化時，其電壓Vctrl將立即作用于基極，使電路的通斷狀態(tài)快速發(fā)生改變，減少功放芯片的通斷狀態(tài)切換時間。

如同3所示，加速電路中三極管的集電極串接了一個小電阻RC，通過改變RC的阻值可以調(diào)節(jié)功放各級的關(guān)斷深度。設(shè)置RC的阻值，使功放的第一級完全關(guān)斷，功放的第二級處于微導(dǎo)通狀態(tài)，功放的第三級處于導(dǎo)通狀態(tài)。采用這樣的差異化開關(guān)控制，減少了功放第二與第三級的開啟時間，相應(yīng)地功放總的開啟時間大幅減少，減弱了AM-AM和AMPM調(diào)制的影響，優(yōu)化了EVM特性。

加速開關(guān)電路和普通開關(guān)電路的PNP三極管基極電位變化如圖5所示，可以看出相比于普通開關(guān)電路，加速開關(guān)電路中PNP三極管的基極電壓能夠更快地達到開啟或關(guān)閉所需的電壓值，開啟時沒有了電壓緩慢增長的上升沿，關(guān)斷時電壓迅速減少達到快速關(guān)斷的目的，達到了快速控制功放工作狀態(tài)切換的目的。

4 功率放大器測試結(jié)果

本文分別對功率放大器的上下行S參數(shù)、EVM和信號吞吐量等主要參數(shù)進行了測試，圖6所示為實物圖。

4.1 上下行S參數(shù)的測試

上下行S參數(shù)的測試使用的是Agilent網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230C，功率放大器的上行偏置電壓為3 V，工作電流30 mA，下行偏置電壓為5 V，工作電流600 mA，上行S參數(shù)的測試結(jié)果如圖7（a）所示，下行S參數(shù)的測試結(jié)果如圖7（b）所示。

表1是S參數(shù)測試結(jié)果的匯總，從表中的數(shù)據(jù)可以計算出上行的增益平坦度達到0.61 dB，下行的增益平坦度達到0.28 dB。

4.2 EVM的測試

EVM測試使用的是Agilent頻譜分析儀N9020A，從信號發(fā)生器產(chǎn)生的802.11n信號經(jīng)過衰減后，輸入到功率放大器的信號功率為14 dBm，功率放大器有13 dB的增益，輸出功率達到27 dBm，為保護頻譜分析儀在測試架輸出端添加了39 dB的衰減，測試結(jié)果如圖8所示，可以看出EVM為-30 dB＠27 dBm。

4.3 信號吞吐量測試

信號吞吐率的測試采用了Ixchariot這款常用的無線速率測試軟件，在802.11n的150 Mbit／s模式下測得無線路由器的速率為93.20 Mbit／s，加上雙向放大器的測試結(jié)果，如圖9所示。由圖可知其速率達到89.54 Mbit／s，可以看出在擴大了覆蓋范圍的同時基本上沒有對速率造成影響。

5 結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一款高線性度的802.11n功率放大器，在EVM為-30 dB時的線性輸出功率達到27 dBm，合成輸出功率為29.5 dBm，發(fā)射增益大于10 dB。接收端采用了高靈敏度LNA，動態(tài)范圍大，將模塊接收靈敏度提高到-90 dBm，增強了遠距離微弱Wi-Fi信號的接收效果，可在WLAN網(wǎng)絡(luò)中與各種類型的無線AP直接匹配使用，提高其覆蓋范圍。

［1］方舒，張輝全.2.4G射頻雙向功放的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.世界電子元器件，2007（5）：46-49. FANG Shu，ZHANG Hui-quan.The Design and Realization of2.4G RF Bidirectional Power Amplifier［J］.Global Electronics China，2007（5）：46-49.（in Chinese）

［2］陳天麒.微波低噪聲晶體管放大器［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1983：192-193. CHEN Tian-lin.Microwave Low Noise Transistor amplifier［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，1983：192-193.（in Chinese）

［3］Anaren Inc.3dB 90 Hybrid Coupler Model JP503［M］.［S. l.］：Anaren Inc.，2000.

［4］Analog Devices.0.1 GHz-2.5 GHz 70dB logarithmic Detector／Controller［M］.［S.l.］：Analog Devices Inc.，1999.

［5］Ludwig R.射頻電路設(shè)計——理論與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002：297-298. Ludwig R.RF Circuit Design——Theory and Application［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2002：297-298.（in Chinese）

［6］劉美紅，陳邦嬡.射頻通信電路［M］.北京：科學(xué)出版社，2002：356-362. LIU Mei-hong，CHEN Bang-yuan.RF Communication Circuit［M］.Beijing：Science Press，2002：356-362.（in Chinese）

［7］張玉興.射頻模擬電路［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003：288-291. ZHANG Yu-xing.RF Analog circuit［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2003：288-291.（in Chinese）

ZHUANG Jian-dong was born in Nantong，Jiangsu Province，in 1986.He is now a graduate student.His research concerns MMIC design and wireless communication technology.

Email：zhuangjiandong1＠126.com

陶煜（1987—），男，江蘇宜興人，碩士研究生，主要研究方向為單片微波集成電路設(shè)計及無線通信技術(shù)；

TAO Yu was born in Yixin，Jiangsu Province，in 1987.He is now a graduate student.His research concerns MMIC design and wireless communication technology.

武文娟（1988—），女，山西呂梁人，碩士研究生，主要研究方向為單片微波集成電路設(shè)計及無線通信技術(shù)；

WU Wen-juan was born in Lvliang，Shanxi Province，in 1988.He is now a graduate student.His research direction is MMIC design and wireless communication technology.

高懷（1961—），男，江蘇蘇州人，東南大學(xué)博士生導(dǎo)師，IEEE高級會員，主要研究方向為高頻高功率器件及單片微波集成電路設(shè)計。

GAO Huai was born in Suzhou，Jiangsu Province，in 1961. He is now the Ph.D.supervisor and also an IEEE senior member. His research concerns the high frequency and high power devices and MMIC design.

Design and Implementation of an 802.11n High Linear Power Amplifier

ZHUANG Jian-dong1，TAO Yu1，WU Wen-juan2，GAO Huai2
（1.IC Institute，Southeast University，Nanjing 210096，China；2.National ASIC System Engineering Center，Southeast University，Nanjing 210096，China；3.RF Power Device and Circuit Engineering Research Center，Suzhou 215123，China）

In order to expand the coverage of802.11n wireless products，an 802.11n 2.4 GHz high linear power amplifier is designed in this paper by using the technology ofdual-balanced power synthesis and the differential accelerated switch.The power amplifier can meet the 802.11n Error Vector Magnitude（EVM）requirements，especially the dynamic EVM in practical applications，while providing high output power.The test results show that the power amplifier can provide a linear output power of27 dBm and synthesis power of29.5 dBm with an EVM of-30 dB after a 7 dB output power backoff.It can be widely used in the WLAN（Wireless Local Area Network）and match various types of wireless AP directly to improve its coverage.

high linear power amplifier；802.11n；dual-balanced power synthesis；differential accelerated switch

TN914

B

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.02.016

莊建東（1986—），男，江蘇南通人，碩士研究生，主要研究方向為單片微波集成電路設(shè)計及無線通信技術(shù)；

1001-893X（2012）02-0198-05

2011-08-11；

2011-11-03