如何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(duì)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(duì)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(hào)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(jì)

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(gè)載波中進(jìn)行多路傳輸，每個(gè)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(duì)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(hào)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(jià)。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(hào)放大的線性AB類放大器的關(guān)系，只能同時(shí)實(shí)現(xiàn)三個(gè)要求中的兩個(gè)。

運(yùn)行于峰值功率時(shí)，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(hào)時(shí)，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(shí)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(shí)在大多數(shù)時(shí)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(duì)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(jì)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(gè)信號(hào)(“相位段”)在兩個(gè)獨(dú)立的放大器(“分放大器”)中放大，然后合并起來，形成一個(gè)相位和振幅均不同的信號(hào)。當(dāng)這些相位段處于同相時(shí)，包絡(luò)功率最大；當(dāng)它們處于異相時(shí)，包絡(luò)功率最小。

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

因?yàn)榉址糯笃骺偸枪ぷ髟谧詈线m、擺幅最大的狀態(tài)，所以每個(gè)放大器始終具有峰值效率。如果有合并器在兩個(gè)放大器之間提供隔離，因合并器損耗會(huì)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(duì)分放大器施加一個(gè)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(shí)，分放大器將驅(qū)動(dòng)一個(gè)高阻抗負(fù)載，變動(dòng)阻抗在需要低RF功率時(shí)迫使放大器吸收更小的電流，從而在下降時(shí)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(dòng)是固定的，但是輸出阻抗變化會(huì)導(dǎo)致電流擺動(dòng)，直流電流要求也會(huì)出現(xiàn)變化。

使用異相技術(shù)時(shí)，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(shí)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(duì)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(gè)GaAs裸片上使用了一對(duì)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(gè)理想關(guān)開，即具有最小的“開”阻抗、低電容，且應(yīng)快速?gòu)?ldquo;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?yàn)榇笞杩罐D(zhuǎn)換會(huì)使諧波終結(jié)和合并器變得復(fù)雜。在一個(gè)功率大于1瓦的50歐系統(tǒng)中，負(fù)載線路要求每個(gè)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(shí)滿足這些要求，現(xiàn)市場(chǎng)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(gè)GaAs單片IC上成對(duì)制作，帶有驅(qū)動(dòng)級(jí)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(huì)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。

預(yù)矯正是一種補(bǔ)償這些失真的方法，它為大振幅信號(hào)提供增強(qiáng)量值和矯正相位。在實(shí)踐中，為了精確減小EVM和帶外發(fā)射，需要采用適應(yīng)性預(yù)矯正。適應(yīng)性預(yù)矯正器將希望的傳輸信號(hào)(在數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換、上變換和功率放大之前)與下變換數(shù)字化實(shí)際傳輸信號(hào)進(jìn)行比較，然后用兩個(gè)信號(hào)之差更新預(yù)矯正查找表里復(fù)雜的系數(shù)。

對(duì)于802.11a WLAN等應(yīng)用，采用適應(yīng)性預(yù)矯正后，可將異相功放的EVM減小到-30dB左右。采用同樣方法，還可以將異相功率放大器的相鄰信道發(fā)射水平減低到-60dBc左右。

相位段

為了使異相放大器能工作，需要一個(gè)能生產(chǎn)恒定包絡(luò)相位矢量段信號(hào)的系統(tǒng)。任意信號(hào)均可分解為相位段，這在過去是很難做到的，但是現(xiàn)代DSP技術(shù)使其切實(shí)可行，即使是對(duì)復(fù)雜的OFDM信號(hào)。例如已經(jīng)開發(fā)出一種單芯片物理層(PHY)集成電路，這種電路可以生成被異相功放放大時(shí)完全兼容802.11a信號(hào)的相位段。簡(jiǎn)言之，即使使用相位段，形成的輸出也是一個(gè)可共同操作的802.11a信號(hào)。

圖3顯示了輸出功率和輸出級(jí)源電流與放大器驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位角之間的關(guān)系，該圖數(shù)據(jù)得自于一個(gè)運(yùn)行在5.25GHz、Vdd為5V的放大器。請(qǐng)記住，放大器已進(jìn)入深度飽和，因而工作在恒定的電壓振幅下，但要注意源電流與異相角有很大的關(guān)系。這說明每個(gè)放大器的阻抗(往合并器方向看)在低輸出功率時(shí)確實(shí)增大，而源電流在下降。

圖4可看出源電流下降的確切數(shù)量，圖中顯示了在不同輸出功率下測(cè)得的異相功率放大器的效率，它還顯示了理想B類和理想A類放大器的最大理論效率，實(shí)際的AB類放大器將在理想A類和理想B類曲線之間。注意，實(shí)際異相功率放大器測(cè)得的效率要優(yōu)于理論上完美的B類放大器。在全功率下，放大器完全工作在同相狀態(tài)，可觀察到80%的效率。隨著進(jìn)入放大器的信號(hào)相位減小，輸出功率也在下降，但是與典型的AB類放大器相比，效率下降要慢得多。在峰值以下7.8dB功率處(這是802.11a信號(hào)典型峰值-均值比率)，放大器的效率為46%。

驅(qū)動(dòng)級(jí)對(duì)總體功耗也有貢獻(xiàn)。包括驅(qū)動(dòng)級(jí)在內(nèi)的功率添加效率(PAE)在7.8dB后退點(diǎn)處大于33%，此后退效率可以在廣泛的電源中實(shí)現(xiàn)。圖5顯示了各種電源電壓下放大器后退7.8dB時(shí)的效率，注意，確實(shí)有兩種方式控制放大器的瞬時(shí)輸出功率，即異相和改變電源電壓。電源電壓通常用于緩慢改變平均輸出功率，相位角用于快速改變信號(hào)的瞬時(shí)包絡(luò)線。

圖6顯示了功率放大器在很寬的輸出功率水平上都可實(shí)現(xiàn)極高的后退效率，將此表現(xiàn)與傳統(tǒng)AB類放大器(其效率在優(yōu)化工作點(diǎn)以外急劇下降)相比，異相功率放大器在寬廣的輸出功率水平維持了優(yōu)異的PAE/功率消耗比。

本文結(jié)論

傳統(tǒng)的放大器結(jié)構(gòu)限制了WLAN系統(tǒng)的范圍和效率，本文介紹的Chireix結(jié)構(gòu)在與極低損耗合并器協(xié)同工作時(shí)，具有特別適合802.11a WLAN標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。這種實(shí)施已經(jīng)證明在實(shí)際OFDM信號(hào)上具有空前的80%峰值效率以及33%以上的平均功率添加效率。生成矯正信號(hào)驅(qū)動(dòng)Chireix放大器的基頻處理器非常實(shí)用，不會(huì)增加傳輸結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。此項(xiàng)創(chuàng)新將使802.11a WLAN生機(jī)勃勃，并使能量在便攜式設(shè)備和低功率應(yīng)用中得到充分利用。