PAE
高覆蓋/輕巧/低功耗 eFEM主攻通訊傳輸應用
Wi-Fi技術經過了20年的演進,為了提升其連線效率與傳輸速率,調變技術(Modulation)與無線串流數目(Spatial Steam)也有重大的改變,由於這些改變,讓整個Wi-Fi裝置的設計變得更加的複雜。舉例而言,在最新Wi-Fi 6的技術,頻率調變技術由原先的OFDM升級到ODFMA,調變也由256QAM提升到1024QAM,串流數目也從最早的1×1進階到2×2、3×3、4×4,甚至8×8,回到設計面,愈是高效率高傳輸速率的裝置也意謂著更複雜且高規格的設計,這些新的技術與變革也對前端射頻零組件帶來新的挑戰,例如更加線性的功率輸出、更低的EVM Floor、更高的效率,與更好的接收靈敏度等等。
砷化鎵Wi-Fi功率放大器優勢兼具
材料科學的突飛猛進也推進射頻零組件的進步,現今主流的獨立式Wi-Fi功率放大器製程為砷化鎵(GaAs)。由於砷化鎵有優秀高頻傳輸且具有高頻、抗輻射、耐高溫等特性,目前射頻功率放大器以砷化鎵IC所表現出的線性功率(Linearity)與使用效率(Efficiency)最為優秀,因此廣泛應用在主流的商用無線通訊設計,尤其Wi-Fi與行動通訊(3G/LTE)上,表1顯示了internal PA與external FEM的主要差異。
Power Added Efficiency(PAE)為評估無線功率放大器與設計無線傳輸系統時的一個關鍵參數,主要是針對放大器中直流電源(DC)供電能量轉換成交流(AC)射頻訊號放大的能量轉換效率。PAE不好的功率放大器,會將大部分的能量轉換為熱能,導致放大器本身的效率下降,進而影響整個通訊系統的傳輸品質。
PAE(%)的計算公式如下:
可參考Qorvo的Wi-Fi 6 2.4GHz FEM作為例子來計算PAE:
圖1 Wi-Fi前端模組示例
圖1為QPF4228在不同發射功率下所消耗的電流,其為Qorvo針對高通Wi-Fi 6企業級無線路由器平台開發的2.4GHz獨立式射頻前端模組晶片。根據技術規格書,QPF4228在3.3V供電,發射功率22dBm時的耗電流為200mA,QPF4228本身的增益為33dB,套上PAE的公式再經過一連串的單位轉換後所計算出來的結果為24%。
Power(RF_Out):QPF4228功放輸出為22dBm=158.5mW=0.1585W
Power(DC):DC Input Power=200mA×3.3V=0.66W
PAE(%)=100×(0.158/0.66)=24%
eFEM實現穩定連線覆蓋為較佳解方
愈大的Wi-Fi訊號覆蓋範圍帶來更好的使用者體驗,若要有好的Wi-Fi覆蓋範圍,就必須有更大的發射功率與更高的接收靈敏度,然而這代表整個Wi-Fi系統所消耗的功率也會增加,而功率增加的結果也連帶迎來系統散熱設計上的挑戰。必須承認,iPA為Wi-Fi裝置的開發商帶來最直接的好處就是成本優勢,如果iPA就能滿足客戶的規格與設計,那麼External FEM就顯得有點多餘。如果今天客戶所設計的產品對於連線的覆蓋範圍、外觀(精緻小巧的機構設計,如Wi-Fi Extender或是Wall Plug)與整體耗電功率(如PoE)有所要求,那麼如何選擇一個高效且穩定的獨立式FEM就是設計者的重要課題。
(本文作者為Qorvo高級行銷經理)
貿澤供貨Qorvo QPA2308 60W GaN功率放大器
貿澤電子宣布開始供應Qorvo的QPA2308 MMIC功率放大器。QPA2308是專為商業和軍事應用所設計,它能為5至6GHz的射頻(RF)設計提供高功率密度和功率附加效率。這款單晶微波積體電路(MIMC)功率放大器採用Qorvo的0.25 um碳化矽基氮化鎵(GaN-on-SiC)製程,可簡化系統整合,提供優異的效能,且採用尺寸小巧的15.24×15.24 mm鎖螺絲式封裝。
貿澤電子所供應的Qorvo QPA2308功率放大器提供60W以上的飽和輸出功率,和21dB以上的高訊號增益。本裝置的功率附加效率(PAE)額定值超過47%,裝置開始消耗正閘極電流(PSAT)時測得的RF輸出功率為48dBm。放大器的輸入反射損耗介於14~23dB,輸出反射損耗為13dB。為簡化系統整合,QPA2308亦提供兩個完全匹配至50ohm的RF連接埠,且分別整合隔直流電容器。
Qorvo QPA2308作業溫度介於-40至85°C,於85°C時,功率消耗為140W。本放大器符合RoHS標準,適合用於C頻段雷達、衛星(衛星通訊)和太空通訊,以及電子作戰技術等的RF應用。
貿澤也將同時供應QPA2308EVB1評估板。此評估板由Rogers RO6035HTC電介質所製成,此高可靠材料具備的介電常數及低耗損使其非常適合航太和國防專案。PCB厚度為0.01英吋,兩面均為0.5盎司銅。