2.4GHz外置射频前端模组芯片的介绍

发布时间:2020-06-17

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在 Wi-Fi 无线射频的架构下,有三个主要的关键器件决定了 Wi-Fi 系统的性能,它们分别是 Wi-Fi 射频主芯片(Wi-Fi Chipset),前端射频器件如功率放大器、低噪放、开关或模组(PA/LNA/Switch or Front-End Module) 以及天线(Antenna)。

图:本文作者,Qorvo 高级行销经理 Jeff Lin

由于半导体研发与工艺技术的发展,除了芯片本身的运算能力外,系统的整合度也得到大幅度的提升,基于市场的激烈竞争与客户的特殊需求,越来越多的 Wi-Fi 射频主芯片将功率放大器整合在本身的射频芯片中,从而为客户提供更简易与低成本的设计。

Wi-Fi 技术经过了 20 年的发展,为了提升其连接效率与传输速率,调变技术(Modulation)与无线串流数目(Spatial Steams)也有了重大的改变,由于这些改变,也让整个 Wi-Fi 设备的设计变得更加的复杂。

举个例子,在最新 Wi-Fi 6 的技术中,频率调变技术由原先的 OFDM 升级到 ODFMA,调变也由 256QAM 提升到 1024QAM,串流数目也从最早的 1x1 进阶到 2x2、3x3、4x4,甚至到 8x8,回到设计面,越是高效率高传输速率的设备也就意味着更复杂且高规格的设计,这些新的技术与变革也对前端射频器件带来了新的挑战,例如更加线性的功率输出,更低的 EVM Floor, 更高的效率与更好的接收灵敏度等等…

材料科学的突飞猛进也推进了射频器件的进步,现今主流的外置 Wi-Fi 功率放大器工艺为砷化镓(GaAs),由于砷化镓有优秀高频传输且具有高频、抗辐射、耐高温等特性,所以目前的射频功率放大器,以砷化镓 IC 所表现出的线性功率(Linearity)与使用效率(Efficiency)最为优秀,因此广泛应用在主流的商用无线通讯设计中,尤其是在 Wi-Fi 与移动通讯上(3G/LTE)。

以下是 Internal PA 与 External FEM 的主要差异表:

Power Added Efficiency (PAE)是评估无线功率放大器与设计无线传输系统时的一个关键参数,主要是针对放大器中直流电源(DC)供电能量转换成交流(AC)射频信号放大的能量转换效率,PAE 不好的功率放大器,会将大部分的能量转换为热能,导致放大器本身的效率下降,进而影响整个通讯系统的传输品质。

PAE (%)的计算公式如下:

2.4GHz外置射频前端模组芯片的介绍

以 Qorvo 的 Wi-Fi 6 2.4GHz FEM 作为例子来计算 PAE:

2.4GHz外置射频前端模组芯片的介绍

上图为 QPF4228 在不同发射功率下所消耗的电流, QPF4228 为 Qorvo 针对高通 Wi-Fi 6 企业级无线路由器平台所量身定制开发的 2.4GHz 外置射频前端模组芯片,根据技术规格文档,QPF4228 在 3.3V 供电,发射功率 22dBm 时的耗电流为 200mA,QPF4228 本身的增益为 33dB,套上 PAE 的公式再经过一连串的单位转换后所计算出来的结果为 24%。

2.4GHz外置射频前端模组芯片的介绍

为了简化复杂的运算,Qorvo 提供了方便的研发工具,该计算器能够协助工程师们更快地计算功率放大器功耗 PAE/Pdiss/Tj,链接如下:

https://www.qorvo.com/design-hub/design-tools/pae-pdiss-tj-calculator

利用 Qorvo 提供的开发工具来计算 QPF4228 的 PAE,可以得到以下的结果:

2.4GHz外置射频前端模组芯片的介绍

越大的 Wi-Fi 信号覆盖范围会带来越好的使用体验,要有好的 Wi-Fi 覆盖范围就必须有更大的发射功率与更高的接收灵敏度,然而,这代表整个 Wi-Fi 系统所消耗的功率也会增加,功率增加的结果也顺便带来了系统散热设计上的挑战,我们必须承认,iPA 为 Wi-Fi 设备的开发商带来最直接的好处就是“成本优势”,如果 iPA 就能满足客户的规格与设计,那么 External FEM 貌似就显得有点多余了,如果今天客户所设计的产品对于连线的覆盖范围、外观(精致小巧的机构设计,如 Wi-Fi Extender 或是Wall Plug)与整体耗电功率(如PoE)有所要求,那么如何选择一个高效且稳定的外置 FEM 就是设计者的重要课题。