采用異相功率放大器提高WLAN系統(tǒng)功率效率

隨著無線通信技術(shù)不斷發(fā)展，對功率放大器的要求也越來越高，傳統(tǒng)放大器已無法滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。本文介紹一種異相功率放大器，不僅能提高功率，而且在較高功率水平下仍能維持很高的效率。

傳統(tǒng)802.11a正交頻分多路復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)的高功耗和性能局限阻礙了802.11a和雙頻WLAN產(chǎn)品的采用，對諸如OFDM和寬帶CDMA(W-CDMA)等多載波波形處理而言，其所涉及的物理原理從根本上限制了線性功率放大器的效率、輸出功率和信號質(zhì)量，特別是那些為傳統(tǒng)802.11a系統(tǒng)提供功率的放大器。這類系統(tǒng)要在各種具備WLAN技術(shù)的設(shè)備中完全發(fā)揮它們的性能，包括功率有限的小型設(shè)備，因此需要采用一種全新的調(diào)制解調(diào)器結(jié)構(gòu)和功放設(shè)計。

802.11a標(biāo)準(zhǔn)以O(shè)FDM調(diào)制為基礎(chǔ)，在這種調(diào)制方式下，數(shù)據(jù)在52個載波中進(jìn)行多路傳輸，每個載波均可采用BPSK、QPSK、16QAM或64QAM進(jìn)行調(diào)制。這種傳播提高了對多路徑衰減和某些干擾波形的免疫性，但它的缺點(diǎn)是結(jié)果RF信號具有很大的峰值-均值功率比。此外，高水平調(diào)制方法要求放大失真小，以避免增大誤差矢量幅度(EVM)。

傳統(tǒng)上在輸出功率(也包括范圍)、數(shù)據(jù)傳輸率和功耗之間有一種復(fù)雜的折衷關(guān)系，要獲得高數(shù)據(jù)傳輸率需要有很好的線性，這通常通過退一步使用AB類功率放大器來實(shí)現(xiàn)，然而又導(dǎo)致了傳輸功率下降。低傳輸功率使得鏈接效果變差，進(jìn)而縮小工作范圍。高功率和大工作范圍也是可以實(shí)現(xiàn)的，但卻要以降低數(shù)據(jù)傳輸率或減少電池壽命為代價。換言之，用戶喜歡低功率、高數(shù)據(jù)傳輸率和較大工作范圍，但是由于負(fù)責(zé)處理信號放大的線性AB類放大器的關(guān)系，只能同時實(shí)現(xiàn)三個要求中的兩個。

運(yùn)行于峰值功率時，傳統(tǒng)AB類放大器效率很高(理論效率為78.5%)，而在低功率下，其效率下降非常迅速。當(dāng)此類放大器用于802.11a OFDM信號時，必須調(diào)整放大器以處理峰值功率水平，但平均運(yùn)行于比峰值低8dB的水平上，因此大多數(shù)時間都運(yùn)行在極低的效率下，平均效率只有10%左右，如果放大器退一步支持54Mbps數(shù)據(jù)率效率將更低。

因此需要一種技術(shù)，使放大器運(yùn)行于峰值功率，同時在大多數(shù)時間都處于峰值效率狀態(tài)，答案就是異相功放。我們下面看一看異相結(jié)構(gòu)是如何建立的以及它對802.11a功率放大器的影響。

異相放大器

采用非線性元件的線性放大稱為異相放大器技術(shù)，可以為WLAN設(shè)計人員提供另外一種方法，在比較廣輸出功率范圍內(nèi)達(dá)到很高效率。在異相放大器中，振幅固定但相位不同的兩個信號(“相位段”)在兩個獨(dú)立的放大器(“分放大器”)中放大，然后合并起來，形成一個相位和振幅均不同的信號。當(dāng)這些相位段處于同相時，包絡(luò)功率最大;當(dāng)它們處于異相時，包絡(luò)功率最小。

圖1用矢量圖顯示了兩個電壓恒定、相位不同的信號α與β如何合并起來形成一個任意電壓信號R，圖2是采用異相技術(shù)的功率放大器結(jié)構(gòu)示意。

因為分放大器總是工作在最合適、擺幅最大的狀態(tài)，所以每個放大器始終具有峰值效率。如果有合并器在兩個放大器之間提供隔離，因合并器損耗會使系統(tǒng)效率變差，如果使用低損耗合并器(不能提供隔離)，整體系統(tǒng)的效率就可以非常高。

異相放大器技術(shù)的一種特殊不同之處是Chireix技術(shù)，它采用無源合并器。這種合并器對分放大器施加一個隨包絡(luò)功率變化的負(fù)載阻抗，這樣需要較低輸出功率時，分放大器將驅(qū)動一個高阻抗負(fù)載，變動阻抗在需要低RF功率時迫使放大器吸收更小的電流，從而在下降時也能夠維持高效率。需要注意的是分放大器輸出端的電壓擺動是固定的，但是輸出阻抗變化會導(dǎo)致電流擺動，直流電流要求也會出現(xiàn)變化。

使用異相技術(shù)時，分放大器的選擇至關(guān)重要，F(xiàn)類放大器特別適合工作于此模式。F類放大器不是線性的，但是作為異相放大器系統(tǒng)中的分放大器它工作于固定振幅，其實(shí)這一點(diǎn)并不重要。F類放大器在二次諧波和三次諧波采用特殊的終結(jié)方法，使放大器晶體管在“開”時電壓最小，從而減小開關(guān)設(shè)備中的功率損耗。該類放大器的峰值輸出功率與漏電壓平方成正比，因此可用Vdd電源電壓來設(shè)定平均輸出功率，可將Vdd設(shè)定為對于任何平均輸出功率放大器均運(yùn)行于可能達(dá)到的最大效率。

5GHz的實(shí)際實(shí)現(xiàn)

目前已開發(fā)出一種5GHz異相放大器，它在一個GaAs裸片上使用了一對F類放大器。為了使F類放大器具有較高效率，有源設(shè)備必須像一個理想關(guān)開，即具有最小的“開”阻抗、低電容，且應(yīng)快速從“開”狀態(tài)切換到“關(guān)”狀態(tài)。此外，該器件必須支持較高電壓以便輸出足夠的功率而不用大的阻抗轉(zhuǎn)換，因為大阻抗轉(zhuǎn)換會使諧波終結(jié)和合并器變得復(fù)雜。在一個功率大于1瓦的50歐系統(tǒng)中，負(fù)載線路要求每個放大器產(chǎn)生的電壓均方根(RMS)必須為5伏，或峰-峰電壓15伏，且開關(guān)必須忍受遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過峰-峰電壓的峰值電壓偏移。0.5μm GaAs PHEMT能夠同時滿足這些要求，現(xiàn)市場上已有支持17伏以上電壓且Fmax接近100GHz的功率PHEMT。

分放大器在一個GaAs單片IC上成對制作，帶有驅(qū)動級和偏壓電路，放大器裸片不含跟隨最終器件的合并器或終結(jié)電路。合并器需要運(yùn)行于5GHz的低損耗傳輸線路，而F類放大器需要運(yùn)行于10GHz和15GHz的低損耗終結(jié)器。由于在GaAs芯片上制作這些元件無法做到低損耗，因此它通過一種精確控制的引線連接與模塊陶瓷基底上制作的無源元件一起來實(shí)現(xiàn)，最后的模塊面積為8×8mm，采用類似于厚膜的工藝在0.015英寸氧化鋁上制作。

適應(yīng)性預(yù)矯正

與所有放大器一樣，異相功率放大器也會產(chǎn)生失真。失真主要來自AM至AM轉(zhuǎn)換(增益壓縮)以及AM至PM轉(zhuǎn)換，將導(dǎo)致調(diào)制星座圖的誤差矢量值(EVM)增大，以及帶外發(fā)射增大。