F802.11ac功率放大器y

　　最初的無線區(qū)域網(wǎng)路(WLAN)標準主要用于為有線寬頻連線提供低資料傳輸率的無線連線，以便瀏覽網(wǎng)頁與電子郵件。隨著時間的演進，采用新的802.11無線協(xié)定為新應用提供了更高資料傳輸率。表1顯示802.11 WLAN標準的進展。

　　仍在草案形式的最新802.11ac WLAN標準將在單一射頻(RF)通道提供高達867Mbps的資料傳輸率，并在使用多重輸入多重輸出(MIMO)通道時達到6.93Gbps。藉著采用 更即時的頻寬(提升至160MHz)、更多的MIMO通道(最多至8個)，以及高密度調(diào)變的星座圖(達到256QAM)，可將802.11n標準擴展成更 高的 802.11ac 資料傳輸率。本文探討對802.11ac 這些新的必要條件施加于功率放大器的設計驗證、特性及測試的需求。

　　表1：802.11 WLAN協(xié)定進展

　　功率放大器測試

　　功率放大器(power amplifier，PA)是WLAN發(fā)射器電路中的關鍵元件，因為PA效能會影響無線覆蓋、資料傳輸率容量及電池壽命。任何發(fā)射器PA的目標都是盡可能 使用很少的DC功率以產(chǎn)生足夠的線性RF輸出功率。當輸出功率增加到放大器的增益壓縮區(qū)時，PA效能由于PA非線性失真而可主導WLAN系統(tǒng)級的發(fā)射器效 能。行動裝置與無線接取點通常傳輸介于100mW (+20dBm)與1W(+30dBm)之間的RF輸出功率，且PA必須能產(chǎn)生具有最少非線性失真的足夠功率。

　　針對PA測試，一套完整的IEEE 802.11ac特定發(fā)射器相容性測試適用于進行包括頻譜遮罩、頻譜平坦性、峰值功率、中心頻率誤差、符號時脈頻率誤差、中心頻率泄漏，以及誤差向量大小(EVM)等測試。本文將進一步探討EVM測試——這是一項全面性且廣泛使用于PA測試的技術。EVM是用于量化數(shù)位通訊通道效能的測量值，并從其于I/Q星座圖內(nèi)理想位 置中所擷取到的編碼資料符號提供偏差測量。均方根EVM是全面性的測量值，在RF訊號或裝置中的任何缺陷都會使其降低。因此對WLAN發(fā)射器設計而 言，PA在其輸出功率與通道頻率的完整作業(yè)范圍內(nèi)需要可接受的EVM作用。

　　由于802.11ac包括具有2.5%(-32dB) EVM規(guī)格限制的256QAM群集，故PA線性度和對應的EVM作用必要條件比早期的802.11標準更嚴格，而PA對802.11n的EVM作用限制在 大約3%、PA對802.11ac的EVM作用限制則大約在1.5%。此外，新的256QAM訊號調(diào)變具有更高的峰值均值比率(PAR)，也增加在 802.11ac傳輸器設計內(nèi)的PA其所必要的線性輸出功率。

　　圖1：用于PA測試的測試設備架構(gòu)圖

　　圖1顯示使用ZEC儀器z8201 RF測試套件進行PA測試的一般測試設備架構(gòu)圖。一般的設備清單包括z8651 6GHz向量訊號分析儀(VSA)(可選擇80或160MHz分析頻寬)、z8751 6GHz向量訊號產(chǎn)生器(VSG)(可選擇250或500MHz)調(diào)變頻寬、z5211 200MS/s任意波形產(chǎn)生器、可視需要選用瓢蟲科技(Ladybug Technologies) LB480A USB功率計、PXI/PXIe機箱與主電腦，以及電纜、定向耦合器與衰減器。

　　由于PA輸入與輸出功率由VSG與VSA設定及測量，因 此可視需要選用USB功率計與相關定向耦合器。功率計提供以定向耦合器在待測物(DUT)測得更精確的PA輸入與輸出功率校正測量值。VSA與VSG通常 可準確至 0.5dB，而功率計能準確至0.1 dB。必須預先校正用于衰減器以及使用功率計配置時用于定向耦合器的校正因子。

　　PA EVM

　　一般對于PA的EVM測試會藉由許多測試頻率測量EVM相對于PA的輸出功 率。圖2顯示使用z8201 RF測試套件進行一般PA EVM測試實際所測得的資料曲線。這些曲線顯示在輸入功率30dB范圍內(nèi)，進行測試的全部五個80MHz 802.11ac通道頻率都適用于PA。實際的PA輸出功率使用功率計測得，并提供資料給圖2曲線的水平軸。

　　在這項測試中，在全部 150個測試點中有5個通道頻率和30個功率。PXI/PXIe高度整合測試設備架構(gòu)的一項優(yōu)勢是快速資料傳輸量與處理速度。在150種測試情況下，總測 試時間與具有諸如LAN或GPIB介面的其他測試設備相較可大幅減少。對z8201 RF測試套件與zProtocol WLAN軟體而言，提供范例編碼將802.11ac測試的設置及作業(yè)最佳化，以達到每個EVM測量值皆為快速的20ms。

　　探討圖2所顯 示的實際PA測試資料時，可發(fā)現(xiàn)EVM在高輸出功率時降低。隨著PA輸出功率增加到其增益壓縮區(qū)，出現(xiàn)非線性失真并造成EVM增加。此項EVM功率掃描測 試辨識出PA的線性功率區(qū)，這對WLAN發(fā)射器的設計考量是關鍵因素。此外，為了達成對802.11ac低于1.5% EVM的臨界值，此特定PA可達成最大+10dBm線性輸出功率;雖然此PA是專為802.11n發(fā)射器所設計且運作良好，但對沒有諸如數(shù)位預失真等附加 線性化技術的802.11ac 發(fā)射器設計而言，其線性輸出功率為不足。

　　圖2：PA EVM與輸出功率比較

　　動態(tài)EVM

　　對系統(tǒng)級WLAN發(fā)射器設計而言，電池壽命和功率消耗都是重要考量。由于PA發(fā)射會消耗顯著部份的總系統(tǒng)DC功率，因此必須透過一些技術來減少PA功率 使用。許多PA提供可調(diào)整的DC供應電壓，相對于DC功率消耗最佳化最大RF輸出功率，且大多數(shù)PA可在不使用時斷電或停用以節(jié)省功率，諸如進行接收或在 傳輸期間介于封包之間。為了最大化功率效益，PA必須具有快速的開啟與關閉切換時間。圖3顯示在具有50%工作周期的脈沖作業(yè)下，示波器所擷取的PA致能 (PA EN)與RF脈沖訊號相對時脈。請注意在此測試設置內(nèi)將PA EN脈沖與RF訊號之間的可調(diào)整延遲設定為2.0us。在PA EN與RF訊號之間的時間差量最小時出現(xiàn)最高的DC功率效益，但短延遲可對RF訊號加重暫態(tài)效應。

　　圖3：PA致能(黃色)與RF脈沖(藍色)的時域曲線圖

　　由于PA的供電/斷電作業(yè)可能造成暫態(tài)及熱效應而降低發(fā)射器效能，因此通常測試另一種稱為動態(tài)EVM的度量。動態(tài)EVM以施加于PA EN模擬發(fā)射器的實際動態(tài)作業(yè)方波進行測量。動態(tài)EVM的降低起因于影響在封包起始的前序訊號，并造成缺陷通道估計的PA暫態(tài)向應。研究顯示具有50%工 作周期方波的動態(tài)EVM比靜態(tài)EVM (具有100%工作周期的PA EN)更不適用于PA EN。

　　使用圖1所顯示的測試設備，動態(tài)EVM測試是以PXI/PXIe系統(tǒng)而完全自動化。使用PXI/PXIe底板觸發(fā)器與時脈訊號達成動態(tài)EVM測量 值的全部時間同步化。圖1方塊圖顯示z5211任意波形產(chǎn)生器(AWG)，其產(chǎn)生具有可調(diào)整電壓大小、脈沖寬度、脈沖延遲以及重復率的PA EN脈沖。

　　圖4實際的PA測試資料顯示動態(tài)EVM直到+18dBm輸出功率都比靜態(tài)EVM還差。對于此特定PA，動態(tài)EVM在+18dBm輸出功率以上比靜態(tài) EVM更佳。如之前所注意，由于動態(tài)EVM測量PA在實際脈沖作業(yè)模式下使用時的效能，因此這種型式的PA動態(tài)EVM測量值對發(fā)射器設計考量至關重要。

　　圖4：PA動態(tài)EVM與工作周期比較