iPA还是 e-FEM?IPA or e-FEM?

Jeff Lin

在Wi-Fi无线射频的架构下，有3个关键器件决定了Wi-Fi系统的性能，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-EndModule），以及天线（Antenna）。

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lxl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EVMFloor，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中，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）。

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，進而影响整个通讯系统的传输品质。

以Qorvo的Wi-Fi 6 2.4GHz FEM作为例子来计算PAE，如表2。

表2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2.4 GHz外置射频前端模组芯片，根据技术规格文档，QPF4228在3.3 V供电，发射功率22 dBm时的耗电流为200 mA，QPF4228本身的增益为33 dB，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%。

Power（RF_Out ）：QPF4228功放输出为22 dBm= 158.5 mW= 0.158 5 W

Power（DC）：DC Input Power= 200 mA x 3.3 V= 0.66 W

PAE（%）=100 x（0.158/0.66）=24%

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，链接为：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，可以得到图1的结果。

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。