2.4GHz外置射頻前端模組芯片的介紹

在 Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)射頻的架構(gòu)下，有3個關(guān)鍵的重要元器件確定了Wi-Fi系統(tǒng)的性能指標(biāo)，它們分別是Wi-Fi射頻主芯片（Wi-FiChipset），前端開發(fā)射頻器件如功率放大電路、低噪放、開關(guān)或模組（PA/LNA/SwitchorFront-EndModule）以及天線（Antenna）。
Wi-Fi技術(shù)歷經(jīng)了二十年的發(fā)展，以便提高其聯(lián)接高效率與傳送速度，調(diào)變技術(shù)（Modulation）與無線網(wǎng)絡(luò)推流數(shù)目（SpatialSteams）也擁有特大的更改，因為這種更改，也讓整體Wi-Fi設(shè)備的設(shè)計方案越來越變得的繁雜。
舉個事例，在最新Wi-Fi6的技術(shù)中，頻率調(diào)變技術(shù)由原來的 OFDM 更新到ODFMA，調(diào)變也由256QAM提高到1024QAM，推流數(shù)目也從最早的1x1進(jìn)階到2x2、3x3、4x4，甚至到8x8，回到設(shè)計方案面，越是高效率高傳送速度的設(shè)備也就意味著變得繁雜且高規(guī)格的設(shè)計方案，這種新的技術(shù)與變革也對前端開發(fā)射頻器件帶來了新的挑戰(zhàn)，例如變得線性的功率輸出，更低的EVMFloor，更高的高效率與更強(qiáng)的接收機(jī)靈敏度等等這些…
材料科學(xué)的飛速發(fā)展也推動了射頻器件的發(fā)展，現(xiàn)如今流行的外接Wi-Fi功率放大電路工藝為砷化鎵（GaAs），因為砷化鎵有優(yōu)秀高頻傳輸且具有高頻、抗輻射、耐高溫等特性，所以目前的射頻功率放大電路，以砷化鎵IC所表現(xiàn)出的線性功率（Linearity）與使用高效率（Efficiency）最為優(yōu)秀，因此廣泛應(yīng)用在流行的商用無線通訊設(shè)計方案中，尤其是在Wi-Fi與移動通信上（3G/LTE）。
 

以下是 Internal PA 與 External FEM 的主要差異表：

Power Added Efficiency （PAE）是評估無線功率放大器與設(shè)計無線傳輸系統(tǒng)時的一個關(guān)鍵參數(shù)，主要是針對放大器中直流電源（DC）供電能量轉(zhuǎn)換成交流（AC）射頻信號放大的能量轉(zhuǎn)換效率，PAE 不好的功率放大器，會將大部分的能量轉(zhuǎn)換為熱能，導(dǎo)致放大器本身的效率下降，進(jìn)而影響整個通訊系統(tǒng)的傳輸品質(zhì)。

PAE （%）的計算公式如下：

以 Qorvo 的 Wi-Fi 6 2.4GHz FEM 作為例子來計算 PAE：

上圖為 QPF4228 在不同發(fā)射功率下所消耗的電流， QPF4228 為 Qorvo 針對高通 Wi-Fi 6 企業(yè)級無線路由器平臺所量身定制開發(fā)的 2.4GHz 外置射頻前端模組芯片，根據(jù)技術(shù)規(guī)格文檔，QPF4228 在 3.3V 供電，發(fā)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(jīng)過一連串的單位轉(zhuǎn)換后所計算出來的結(jié)果為 24%。

為了簡化復(fù)雜的運(yùn)算，Qorvo 提供了方便的研發(fā)工具，該計算器能夠協(xié)助工程師們更快地計算功率放大器功耗 PAE/Pdiss/Tj，鏈接如下：

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

利用 Qorvo 提供的開發(fā)工具來計算 QPF4228 的 PAE，可以得到以下的結(jié)果：

越大的 Wi-Fi 信號覆蓋范圍會帶來越好的使用體驗，要有好的 Wi-Fi 覆蓋范圍就必須有更大的發(fā)射功率與更高的接收靈敏度，然而，這代表整個 Wi-Fi 系統(tǒng)所消耗的功率也會增加，功率增加的結(jié)果也順便帶來了系統(tǒng)散熱設(shè)計上的挑戰(zhàn)，我們必須承認(rèn)，iPA 為 Wi-Fi 設(shè)備的開發(fā)商帶來最直接的好處就是“成本優(yōu)勢”，如果 iPA 就能滿足客戶的規(guī)格與設(shè)計，那么 External FEM 貌似就顯得有點(diǎn)多余了，如果今天客戶所設(shè)計的產(chǎn)品對于連線的覆蓋范圍、外觀（精致小巧的機(jī)構(gòu)設(shè)計，如 Wi-Fi Extender 或是Wall Plug）與整體耗電功率（如PoE）有所要求，那么如何選擇一個高效且穩(wěn)定的外置 FEM 就是設(shè)計者的重要課題。