傳統802.11a正交頻分多路復用(OFDM)系統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(xiàn)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802.11a系統提供功率的放大器。這類(lèi)系統要在各種具備WLAN技術(shù)的設備中完全發(fā)揮它們的性能，包括功率有限的小型設備，因此需要采用一種全新的調制解調器結構和功放設計。
802.11a標準以OFDM調制為基礎，在這種調制方式下，數據在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)是結果RF信號具有很大的峰值-均值功率比。此外，高水平調制方法要求放大失真小，以避免增大誤差矢量幅度(EVM)。
傳統上在輸出功率(也包括范圍)、數據傳輸率和功耗之間有一種復雜的折衷關(guān)系，要獲得高數據傳輸率需要有很好的線(xiàn)性，這通常通過(guò)退一步使用AB類(lèi)功率放大器來(lái)實(shí)現，然而又導致了傳輸功率下降。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)現的，但卻要以降低數據傳輸率或減少電池壽命為代價(jià)。換言之，用戶(hù)喜歡低功率、高數據傳輸率和較大工作范圍，但是由于負責處理信號放大的線(xiàn)性AB類(lèi)放大器的關(guān)系，只能同時(shí)實(shí)現三個(gè)要求中的兩個(gè)。
運行于峰值功率時(shí)，傳統AB類(lèi)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。當此類(lèi)放大器用于802.11a OFDM信號時(shí)，必須調整放大器以處理峰值功率水平，但平均運行于比峰值低8dB的水平上，因此大多數時(shí)間都運行在極低的效率下，平均效率只有10%左右，如果放大器退一步支持54Mbps數據率效率將更低。
因此需要一種技術(shù)，使放大器運行于峰值功率，同時(shí)在大多數時(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構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(xiàn)性元件的線(xiàn)性放大稱(chēng)為異相放大器技術(shù)，可以為WLAN設計人員提供另外一種方法，在比較廣輸出功率范圍內達到很高效率。在異相放大器中，振幅固定但相位不同的兩個(gè)信號(“相位段”)在兩個(gè)獨立的放大器(“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。當這些相位段處于同相時(shí)，包絡(luò )功率最大；當它們處于異相時(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α與β如何合并起來(lái)形成一個(gè)任意電壓信號R，圖2是采用異相技術(shù)的功率放大器結構示意。
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(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 )使系統效率變差，如果使用低損耗合并器(不能提供隔離)，整體系統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。這種合并器對分放大器施加一個(gè)隨包絡(luò )功率變化的負載阻抗，這樣需要較低輸出功率時(shí)，分放大器將驅動(dòng)一個(gè)高阻抗負載，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 )導致電流擺動(dòng)，直流電流要求也會(huì )出現變化。
使用異相技術(shù)時(shí)，分放大器的選擇至關(guān)重要，F類(lèi)放大器特別適合工作于此模式。F類(lèi)放大器不是線(xiàn)性的，但是作為異相放大器系統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(lèi)放大器在二次諧波和三次諧波采用特殊的終結方法，使放大器晶體管在“開(kāi)”時(shí)電壓最小，從而減小開(kāi)關(guān)設備中的功率損耗。該類(lèi)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)設定平均輸出功率，可將Vdd設定為對于任何平均輸出功率放大器均運行于可能達到的最大效率。
5GHz的實(shí)際實(shí)現
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F類(lèi)放大器。為了使F類(lèi)放大器具有較高效率，有源設備必須像一個(gè)理想關(guān)開(kāi)，即具有最小的“開(kāi)”阻抗、低電容，且應快速從“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換，因為大阻抗轉換會(huì )使諧波終結和合并器變得復雜。在一個(gè)功率大于1瓦的50歐系統中，負載線(xiàn)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)必須忍受遠遠超過(guò)峰-峰電壓的峰值電壓偏移。0.5μm GaAs PHEMT能夠同時(shí)滿(mǎn)足這些要求，現市場(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上成對制作，帶有驅動(dòng)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電路。合并器需要運行于5GHz的低損耗傳輸線(xiàn)路，而F類(lèi)放大器需要運行于10GHz和15GHz的低損耗終結器。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(xiàn)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，最后的模塊面積為8×8mm，采用類(lèi)似于厚膜的工藝在0.015英寸氧化鋁上制作。
適應性預矯正
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轉換(增益壓縮)以及AM至PM轉換，將導致調制星座圖的誤差矢量值(EVM)增大，以及帶外發(fā)射增大。
預矯正是一種補償這些失真的方法，它為大振幅信號提供增強量值和矯正相位。在實(shí)踐中，為了精確減小EVM和帶外發(fā)射，需要采用適應性預矯正。適應性預矯正器將希望的傳輸信號(在數字至模擬轉換、上變換和功率放大之前)與下變換數字化實(shí)際傳輸信號進(jìn)行比較，然后用兩個(gè)信號之差更新預矯正查找表里復雜的系數。
對于802.11a WLAN等應用，采用適應性預矯正后，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 )相位矢量段信號的系統。任意信號均可分解為相位段，這在過(guò)去是很難做到的，但是現代DSP技術(shù)使其切實(shí)可行，即使是對復雜的OFDM信號。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。
圖3顯示了輸出功率和輸出級源電流與放大器驅動(dòng)信號相位角之間的關(guān)系，該圖數據得自于一個(gè)運行在5.25GHz、Vdd為5V的放大器。請記住，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量，圖中顯示了在不同輸出功率下測得的異相功率放大器的效率，它還顯示了理想B類(lèi)和理想A類(lèi)放大器的最大理論效率，實(shí)際的AB類(lèi)放大器將在理想A類(lèi)和理想B類(lèi)曲線(xiàn)之間。注意，實(shí)際異相功率放大器測得的效率要優(yōu)于理論上完美的B類(lèi)放大器。在全功率下，放大器完全工作在同相狀態(tài)，可觀(guān)察到80%的效率。隨著(zhù)進(jìn)入放大器的信號相位減小，輸出功率也在下降，但是與典型的AB類(lèi)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信號典型峰值-均值比率)，放大器的效率為46%。
驅動(dòng)級對總體功耗也有貢獻。包括驅動(dòng)級在內的功率添加效率(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。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的瞬時(shí)包絡(luò )線(xiàn)。
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)現極高的后退效率，將此表現與傳統AB類(lèi)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。
本文結論
傳統的放大器結構限制了WLAN系統的范圍和效率，本文介紹的Chireix結構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標準的優(yōu)點(diǎn)。這種實(shí)施已經(jīng)證明在實(shí)際OFDM信號上具有空前的80%峰值效率以及33%以上的平均功率添加效率。生成矯正信號驅動(dòng)Chireix放大器的基頻處理器非常實(shí)用，不會(huì )增加傳輸結構的復雜性。此項創(chuàng )新將使802.11a WLAN生機勃勃，并使能量在便攜式設備和低功率應用中得到充分利用。
