不同调制对多模功放线性度与效率的影响

2017-05-01 by:CAE仿真在线来源:互联网

由[1]已知多频功率放大器的考虑,接着再谈多模功率放大器,以TriQuint 为例,如下图[2] :

由上图可知,多模顾名思义,会同时支持相近频段的不同射频功能,例如

WCDMA 的Band 5 (824 MHz ~ 849 MHz)跟LTE 的Band 26 (814 MHz ~ 849MHz)。

而WCDMA / HSUPA / LTE 的PAR 不同,如下图 :

针对这些有PAR,亦即非恒包络的调制,功率放大器在操作时,必须Back-off,

确保输出功率操作在线性区域范围内,以维持线性度[4-5],如下图 :

否则若输出功率超出线性区,波形可能会被截波,导致失真,进而使线性度变差,TX 性能劣化,如下图[6] :

所以若有了以上Post PA Loss 跟PAR 的概念,根据简单的Link Budget 推算,

Min P1dB = Target Power + PA Post Loss + PAR

即可推算出LTE / HSUPA / WCDMA 分别所需要的最小P1dB,如下表 :

由上表可以看到,以WCDMA 跟HSUPA 来做比较,因为同一颗功率放大器,频段一样,所以Post-PA Loss 一样,同时,Target Power 也一样,但PAR 不同,所以P1dB 要求不同。因此,多模功率放大器的挑战跟考虑,在于当系统在不同调制方案间转换时,不能针对系统进行全面优化[7]。我们用下图来解释 :

今天一颗多模的功率放大器,同时支持WCDMA / HSUPA / LTE,依前述推算,

这颗功率放大器的P1dB,一定至少要35.5 dBm,才不会使LTE 讯号失真。

由上图可知,功率放大器的效率,是跟输出功率成正比,在饱和点时效率会最高,所以GSM 才可以用饱和PA 作放大,因为GSM 的PAR 为0,不需Back-of,同时可获得最大效率[4]。那么,由这结论推断的话,上述那颗多模的功率放大器,操作在HSUPA 跟WCDMA 时,因为输出功率都是28 dBm,是否意味着效率一样?

答案是不一样!! 因为由前述表格分析可知,这颗多模的功率放大器,其P1dB为35.5 dBm,而HSUPA 只需34.5 dBm 的P1dB,所以切换到HSUPA 时,会额外多1 dB 的Back-off 。同理,切换到WCDMA 时,会额外多4 dB 的Back-off,因为WCDMA 额外多出的Back-off 较多,所以即便同样的输出功率,但WCDMA的效率会较低,因此,由HSUPA 向WCDMA 模式的转变,系统的效率将大大降低[7]。

前述说过,Back-off 是避免失真的一种手段,Back-off 越多,固然会产生上述所说,效率较低的情况,但好处是线性度会更佳,亦即TX 性能可以更优化,我们以下表来做说明 :

上表是ANADIGICS 出产的两款功率放大器[8-9],在WCDMA Band 8 的ACLR / PAE 比较,我们可以看到,在ACLR 方面,多模功率放大器的性能会比较好,这是因为多模功率放大器要支持LTE,其P1dB 必定会比单模功率放大器来的高,故同样操作在WCDMA 时,其多模功率放大器的Back-off 较多,故线性度较佳。但也因为Back-off 较多,故同样操作在WCDMA,其多模功率放大器的PAE,很明显就比单模功率放大器低上许多。

再以前述的多模功率放大器,来做线性度分析,由上表可知,因为LTE 的P1dB要求最高,所以线性度要求最高,同时也因为其额外Back-off 的量最少,所以相较于HSUPA / WCDMA,其线性度会最差。反之,因为WCDMA 的P1dB 要求最低,所以线性度要求最低。同时也因为其额外Back-off 的量最多,所以相较于HSUPA / LTE,其线性度会最好。所以某种程度上,也可解释为何LTE 的ACLR,比WCDMA 的ACLR 更容易Fail,也更难调校,因为ACLR 就是在测TX 端的IIP3[10],而LTE 对线性度要求比WCDMA 高,所以LTE 的ACLR 会比较难调校,也较易Fail。

而在AVAGO 的文檔中,也提到了这点,如下图[11] :

如前述,因为不同调制方式,其所需P1dB 不同,因此对线性度要求不同,亦即所造成的非线性失真程度也不同[12-13]。因此当这颗多模功率放大器,由WCDMA 切换到LTE 时,其线性度会变差,TX 性能可能会劣化。

因此,由于功率放大器输出端的匹配,都是Load-pull 的一部分,如果要验证其多模功率放大器看出去的Load-pull,需不需要微调,请问WCDMA / HSUPA / LTE 这三个Mode,验证顺序为何?

答案是 : LTE => HSUPA => WCDMA

原因如前述,因为LTE 对线性度要求最高,所以如果LTE 的TX 性能可以Pass,那么基本上相较于LTE,对线性度要求比较没那么高的HSUPA 跟WCDMA,其TX 性能理论上只会更好,不会更差。换言之,也因为这组Load-pull 已提供给LTE 足够的线性度,所以相较于LTE,这组Load-pull 提供给HSUPA 跟WCDMA 的线性度,只会更好,不会更差。因此,如果LTE 的TX 性能可以Pass,表示这组Load-pull 基本上不需再微调,即便HSUPA / WCDMA 的TX性能却Fail,那也不会是Load-pull 造成的,应再找其他Root Cause 才是。

Reference:

[1] 多频功率放大器之输出损耗(Post PA Loss)对效率与线性度之影响,

[2] GaAs will fend off silicon CMOS in handset front-ends

[3] Envelope Tracking Technology for 4G Smartphones

[4] 极化调制之EDGE 功率放大器, 百度文库

[5] PAPR reduction using Magnitude Modulation techniques

[6] Wideband Digital Pre-Distortion Modeling for LTE-Advanced, Agilent

[7] 3G/4G Multimode Cellular Front End Challenges, RFMD

[8] ALT6526,Multi-Band LTE/CDMA/WCDMA/HSPA Power Amplifier,ANADIGICS

[9] AWT5008,High Efficiency UMTS 900 (Band 8) WCDMA Linear PAM,ANADIGICS

[10] WCDMA 零中频发射机(TX)之调校指南与原理剖析, 百度文库

[11] Some Trends In Multi-Band Multi-Mode RF Front End Components,AVAGO