不同調制對多模功放線性度與效率的影響

2017-05-01 by:CAE仿真在線來源:互聯網

由[1]已知多頻功率放大器的考慮,接著再談多模功率放大器,以TriQuint 為例,如下圖[2] :

由上圖可知,多模顧名思義,會同時支持相近頻段的不同射頻功能,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,如下圖 :

針對這些有PAR,亦即非恒包絡的調制,功率放大器在操作時,必須Back-off,

確保輸出功率操作在線性區域范圍內,以維持線性度[4-5],如下圖 :

否則若輸出功率超出線性區,波形可能會被截波,導致失真,進而使線性度變差,TX 性能劣化,如下圖[6] :

所以若有了以上Post PA Loss 跟PAR 的概念,根據簡單的Link Budget 推算,

Min P1dB = Target Power + PA Post Loss + PAR

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

由上表可以看到,以WCDMA 跟HSUPA 來做比較,因為同一顆功率放大器,頻段一樣,所以Post-PA Loss 一樣,同時,Target Power 也一樣,但PAR 不同,所以P1dB 要求不同。因此,多模功率放大器的挑戰跟考慮,在于當系統在不同調制方案間轉換時,不能針對系統進行全面優化[7]。我們用下圖來解釋 :

今天一顆多模的功率放大器,同時支持WCDMA / HSUPA / LTE,依前述推算,

這顆功率放大器的P1dB,一定至少要35.5 dBm,才不會使LTE 訊號失真。

由上圖可知,功率放大器的效率,是跟輸出功率成正比,在飽和點時效率會最高,所以GSM 才可以用飽和PA 作放大,因為GSM 的PAR 為0,不需Back-of,同時可獲得最大效率[4]。那么,由這結論推斷的話,上述那顆多模的功率放大器,操作在HSUPA 跟WCDMA 時,因為輸出功率都是28 dBm,是否意味著效率一樣?

答案是不一樣!! 因為由前述表格分析可知,這顆多模的功率放大器,其P1dB為35.5 dBm,而HSUPA 只需34.5 dBm 的P1dB,所以切換到HSUPA 時,會額外多1 dB 的Back-off 。同理,切換到WCDMA 時,會額外多4 dB 的Back-off,因為WCDMA 額外多出的Back-off 較多,所以即便同樣的輸出功率,但WCDMA的效率會較低,因此,由HSUPA 向WCDMA 模式的轉變,系統的效率將大大降低[7]。

前述說過,Back-off 是避免失真的一種手段,Back-off 越多,固然會產生上述所說,效率較低的情況,但好處是線性度會更佳,亦即TX 性能可以更優化,我們以下表來做說明 :

上表是ANADIGICS 出產的兩款功率放大器[8-9],在WCDMA Band 8 的ACLR / PAE 比較,我們可以看到,在ACLR 方面,多模功率放大器的性能會比較好,這是因為多模功率放大器要支持LTE,其P1dB 必定會比單模功率放大器來的高,故同樣操作在WCDMA 時,其多模功率放大器的Back-off 較多,故線性度較佳。但也因為Back-off 較多,故同樣操作在WCDMA,其多模功率放大器的PAE,很明顯就比單模功率放大器低上許多。

再以前述的多模功率放大器,來做線性度分析,由上表可知,因為LTE 的P1dB要求最高,所以線性度要求最高,同時也因為其額外Back-off 的量最少,所以相較于HSUPA / WCDMA,其線性度會最差。反之,因為WCDMA 的P1dB 要求最低,所以線性度要求最低。同時也因為其額外Back-off 的量最多,所以相較于HSUPA / LTE,其線性度會最好。所以某種程度上,也可解釋為何LTE 的ACLR,比WCDMA 的ACLR 更容易Fail,也更難調校,因為ACLR 就是在測TX 端的IIP3[10],而LTE 對線性度要求比WCDMA 高,所以LTE 的ACLR 會比較難調校,也較易Fail。

而在AVAGO 的文檔中,也提到了這點,如下圖[11] :

如前述,因為不同調制方式,其所需P1dB 不同,因此對線性度要求不同,亦即所造成的非線性失真程度也不同[12-13]。因此當這顆多模功率放大器,由WCDMA 切換到LTE 時,其線性度會變差,TX 性能可能會劣化。

因此,由于功率放大器輸出端的匹配,都是Load-pull 的一部分,如果要驗證其多模功率放大器看出去的Load-pull,需不需要微調,請問WCDMA / HSUPA / LTE 這三個Mode,驗證順序為何?

答案是 : LTE => HSUPA => WCDMA

原因如前述,因為LTE 對線性度要求最高,所以如果LTE 的TX 性能可以Pass,那么基本上相較于LTE,對線性度要求比較沒那么高的HSUPA 跟WCDMA,其TX 性能理論上只會更好,不會更差。換言之,也因為這組Load-pull 已提供給LTE 足夠的線性度,所以相較于LTE,這組Load-pull 提供給HSUPA 跟WCDMA 的線性度,只會更好,不會更差。因此,如果LTE 的TX 性能可以Pass,表示這組Load-pull 基本上不需再微調,即便HSUPA / WCDMA 的TX性能卻Fail,那也不會是Load-pull 造成的,應再找其他Root Cause 才是。

Reference:

[1] 多頻功率放大器之輸出損耗(Post PA Loss)對效率與線性度之影響,

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

[3] Envelope Tracking Technology for 4G Smartphones

[4] 極化調制之EDGE 功率放大器, 百度文庫

[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 零中頻發射機(TX)之調校指南與原理剖析, 百度文庫

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