不同调制对多模功率放大器线性度与效率之影响

不同调制对多模功率放大器线性 度与效率之影响
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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 ~ 849 MHz)。
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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 :
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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 :
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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。
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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]。
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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。
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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 较难调校，也较易 Fail。
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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。
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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。
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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, 百度文库 [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
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[11] Some Trends In Multi-Band Multi-Mode RF Front End Components, AVAGO [12] LTE Power Amplifier Module Design: Challenges and Trends [13] Modulation Schemes Effect on RF Power Ampli?er Nonlinearity and RFPA Linearization Techniques
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