iPA還是 e-FEM?IPA or e-FEM?

Jeff Lin

在Wi-Fi無線射頻的架構(gòu)下，有3個(gè)關(guān)鍵器件決定了Wi-Fi系統(tǒng)的性能，分別是：Wi-Fi射頻主芯片（ Wi-Fi Chipset），前端射頻器件如功率放大器、低噪放、開關(guān)或模組（ PA/LNA/Switch or Front-EndModule），以及天線（Antenna）。

由于半導(dǎo)體研發(fā)與工藝技術(shù)的發(fā)展，除了芯片本身的運(yùn)算能力外，系統(tǒng)的整合度也得到大幅度的提升，基于市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)與客戶的特殊需求，越來越多的Wi-Fi射頻主芯片將功率放大器整合在本身的射頻芯片中，從而為客戶提供更簡(jiǎn)易與低成本的設(shè)計(jì)。

Wi-Fi技術(shù)經(jīng)過了20年的發(fā)展，為了提升連接效率與傳輸速率，調(diào)變技術(shù)（ Modulation）與無線串流數(shù)目（ Spatial Steams）也有了重大的改變，由于這些改變，也讓整個(gè)Wi-Fi設(shè)備的設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。

舉個(gè)例子，在最新Wi-Fi 6的技術(shù)中，頻率調(diào)變技術(shù)由原先的OFDM升級(jí)到ODFMA，調(diào)變也由256QAM提升到1024QAM，串流數(shù)目也從最早的lxl進(jìn)階到2x2、3x3、4x4，甚至到8x8，回到設(shè)計(jì)面，越是高效率高傳輸速率的設(shè)備也就意味著更復(fù)雜且高規(guī)格的設(shè)計(jì)，這些新的技術(shù)與變革也對(duì)前端射頻器件帶來了新的挑戰(zhàn)，例如更加線性的功率輸出，更低的EVMFloor，更高的效率與更好的接收靈敏度等等……

材料科學(xué)的突飛猛進(jìn)也推進(jìn)了射頻器件的進(jìn)步，現(xiàn)今主流的外置Wi-Fi功率放大器工藝為砷化鎵（ GaAs），由于砷化鎵有優(yōu)秀高頻傳輸且具有高頻、抗輻射、耐高溫等特性，所以目前的射頻功率放大器中，以砷化鎵IC所表現(xiàn)出的線性功率（Linearity）與使用效率（ Efficiency）最為優(yōu)秀，因此廣泛應(yīng)用在主流的商用無線通訊設(shè)計(jì)中，尤其是在Wi-Fi與移動(dòng)通訊上（3G/LTE）。

Power Added Efficiency（PAE）是評(píng)估無線功率放大器與設(shè)計(jì)無線傳輸系統(tǒng)時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，主要是針對(duì)放大器中直流電源（DC）供電能量轉(zhuǎn)換成交流（ AC）射頻信號(hào)放大的能量轉(zhuǎn)換效率，PAE不好的功率放大器，會(huì)將大部分的能量轉(zhuǎn)換為熱能，導(dǎo)致放大器本身的效率下降，進(jìn)而影響整個(gè)通訊系統(tǒng)的傳輸品質(zhì)。

以Qorvo的Wi-Fi 6 2.4GHz FEM作為例子來計(jì)算PAE，如表2。

表2為QPF4228在不同發(fā)射功率下所消耗的電流，QPF4228為Qorvo針對(duì)高通Wi-Fi 6企業(yè)級(jí)無線路由器平臺(tái)所量身定制開發(fā)的2.4 GHz外置射頻前端模組芯片，根據(jù)技術(shù)規(guī)格文檔，QPF4228在3.3 V供電，發(fā)射功率22 dBm時(shí)的耗電流為200 mA，QPF4228本身的增益為33 dB，套上PAE的公式，再經(jīng)過一連串的單位轉(zhuǎn)換后所計(jì)算出來的結(jié)果為24%。

Power（RF_Out ）：QPF4228功放輸出為22 dBm= 158.5 mW= 0.158 5 W

Power（DC）：DC Input Power= 200 mA x 3.3 V= 0.66 W

PAE（%）=100 x（0.158/0.66）=24%

為了簡(jiǎn)化復(fù)雜的運(yùn)算，Qorvo提供了方便的研發(fā)工具，該計(jì)算器能夠協(xié)助工程師們更快地計(jì)算功率放大器功耗PAE/Pdiss/Tj，鏈接為：https：//www.qorvo. com/design-hub/design-tools/pae-pdiss - tj -calculator。

利用Qorvo提供的開發(fā)工具來計(jì)算QPF4228的PAE，可以得到圖1的結(jié)果。

越大的Wi-Fi信號(hào)覆蓋范圍會(huì)帶來越好的使用體驗(yàn)，要有好的Wi-Fi覆蓋范圍就必須有更大的發(fā)射功率與更高的接收靈敏度，然而，這代表整個(gè)Wi-Fi系統(tǒng)所消耗的功率也會(huì)增加，功率增加的結(jié)果也順便帶來了系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。我們必須承認(rèn)，iPA為Wi-Fi設(shè)備的開發(fā)商帶來最直接的好處就是“成本優(yōu)勢(shì)”，如果iPA就能滿足客戶的規(guī)格與設(shè)計(jì)，那么External FEM貌似就顯得有點(diǎn)多余了，如果今天客戶所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品對(duì)于連線的覆蓋范圍、外觀（精致小巧的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，如Wi-Fi Extender或是Wall Plug）與整體耗電功率（如PoE）有所要求，那么如何選擇一個(gè)高效且穩(wěn)定的外置FEM就是設(shè)計(jì)者的重要課題。