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(guò)退一步使用AB類功率放大器來(lái)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(lái)，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(lái)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。
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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(wú)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(kāi)”時(shí)電壓最小，從而減小開(kāi)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(lái)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(kāi)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(kāi)，即具有最小的“開(kāi)”阻抗、低電容，且應(yīng)快速?gòu)?ldquo;開(kāi)”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(kāi)關(guān)必須忍受遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(wú)法做到低損耗，因此它通過(guò)一種精確控制的引線連接與模塊陶瓷基底上制作的無(wú)源元件一起來(lái)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(lái)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。
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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(guò)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(kāi)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(shuō)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。
