2.4GHz外置射频前端模组芯片的介绍

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：

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

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%。

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：

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。
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