802.11n高線性功率放大器的設計與實現?

莊建東，陶煜，武文娟，高懷（.東南大學集成電路學院，南京0096；.東南大學國家ASIC系統工程技術研究中心，南京0096；.蘇州市射頻功率器件及電路工程技術研究中心，江蘇蘇州5）

802.11n高線性功率放大器的設計與實現?

莊建東1，陶煜1，武文娟2，高懷3
（1.東南大學集成電路學院，南京210096；2.東南大學國家ASIC系統工程技術研究中心，南京210096；3.蘇州市射頻功率器件及電路工程技術研究中心，江蘇蘇州215123）

為了擴大802.11n無線產品的覆蓋范圍，設計了一款符合802.11n標準的2.4 GHz高線性功率放大器。在該功率放大器的設計中采用了雙路均衡功率合成技術和差異化加速開關技術，在提供高功率輸出的同時滿足了802.11n的誤差向量幅度（EVM）的要求，尤其是實際應用中的動態EVM。測試結果表明，該功率放大器回退7 dB后的線性輸出功率為27 dBm，此時的EVM為-30 dB，合成功率輸出為29.5 dBm。該功率放大器可廣泛用于無線局域網中，與各種類型的無線AP直接匹配使用，提高其覆蓋范圍。

高線性功率放大器；802.11n；雙路均衡功率合成；差異化加速開關

1 引言

為了實現高質量的寬帶無線局域網（WLAN）服務，Wi-Fi聯盟繼802.11a／b／g之后推出802.11n無線傳輸標準。然而，受限于WLAN自身的低功率與高頻率特性，802.11n無線產品的信號覆蓋范圍仍然十分有限。

為了有效地擴大802.11n無線產品的覆蓋范圍，本文設計并實現了一款802.11n 2.4 GHz頻段的高線性功率放大器，其發射通路采用了兩顆INNOTION公司的2.4 GHz功放芯片（PA）YP242434實現雙路合成，提高了發射功率，極大地增加了信號的傳輸距離［1］；接收通路采用了Agilent公司的低噪放芯片ATF-54143，其噪聲低、增益高的特性顯著提高了接收靈敏度，平衡了收發性能［2］。

設計中嚴格遵從了均衡對稱的設計原則，對雙路PA采用了一致的偏置電路以及濾波電路。同時，為保證高速傳輸時的動態誤差向量幅度（EVM）特性，信號路徑特性必須在每一個突發脈沖開始時盡快穩定下來，針對YP242434的特性，在設計中特別采用了差異化加速開關的技術，同時減小了功放芯片對傳輸速率的影響。

該功率放大器符合時分雙工（TDD）收發標準，增強了信號的發射功率，提高了接收靈敏度，實現了802.11b／g／n模式下的遠距離無線傳輸。

2 系統設計方案

本文的系統構架如圖1所示，主要由控制模塊、發射通道、接收通道、電源模塊組成。

如圖1所示，在系統構架圖中射頻輸入通過定向耦合器［3］從射頻輸入信號耦合一部分功率送至檢波電路［4］處理，若檢測信號強度大于預設的門限電平，則判決為信號發射狀態，控制模塊打開發射鏈路，同時關閉接收鏈路，反之則為接收狀態。

設計中發射通路采用兩顆高輸出、高線性度的功率放大芯片YP242434，應用雙路合成的方法降低了單個功率放大芯片的輸出承載，使EVM得到極大的改善。另外，設計中還使用了差異化加速開關技術，確保了功率放大器優良的動態EVM，進而在增加傳輸距離的同時保證了高速的傳輸速率。

3 功率放大器關鍵指標的設計

3.1 線性高輸出功率設計

為滿足802.11n的線性要求，常用的方法是把PA的P1dB回退至少7 dB使用。本文設計的功率放大器的最大線性輸出為27 dBm，PA就必須提供至少34 dBm的P1dB。同時，PA后級的開關等器件的使用必然也會帶來功率的損耗，綜合以上因素，輸出27 dBm時的高線性指標要求將會給功率放大器的設計帶來很大的挑戰［6］。

在本文的設計中，發射通路采用了單級驅動方式，利用高輸出、高線性的功放芯片YP242434實現兩路功率合成，降低單個PA的輸出承載，保證27 dBm線性輸出時的高EVM。

圖2所示的是雙路功率合成放大電路的電平圖，Ppeak表示設計峰值功率，Pbackoff表示回退7 dB后的線性輸出功率。

單個YP242434的P1dB為34.5 dBm，為保證PA的使用壽命，設計時將峰值功率Ppeak設為33 dBm，把功率合成增益估算為2.5 dB，雙路合成后可達35.5 dBm的峰值功率，給27 dBm的線性輸出功率Pbackoff指標留下了足夠的裕量，合成功率輸出為29.5 dBm。

3.2 誤差向量幅度（EVM）設計

誤差向量幅度（EVM）是802.11n標準最為關鍵的指標之一。由于802.11n采用了正交頻分復用（OFDM）技術，且具有很高的傳輸速率，這就對動態EVM提出了很高的要求。

由于本設計采用了雙路合成的方案［7］，雙路PA工作狀態的一致性好壞將直接影響到EVM特性，所以在PCB版圖的設計中嚴格遵從了均衡對稱的布板原則，對雙路PA采用了一致的偏置電路和濾波電路，且應用了對稱供電的方式，從設計原理層面上避免了EVM的惡化。

要保證高速傳輸時的動態EVM特性，信號路徑特性必須在每一個突發脈沖到來時盡快穩定下來。802.11n采用脈沖模式時分雙工（TDD）技術，開關切換和器件開啟的時延就成為影響動態EVM的關鍵。

在功率放大器中影響動態EVM特性的主要有檢波器的檢波時延、開關的上下行切換時延、功放的開啟時間等。檢波延時和開關上下行切換時延都可以很容易地控制在很短的時間內。

功放在達到穩定的工作點之前，總需要一段開啟時間，而此時已有信號進入功放，但此時的功放工作點不穩定，線性很差，將產生較強的AM-AM和AM-PM調制，導致EVM性能嚴重惡化。

為最大程度地減少功放的開啟時間，設計中在PA的基極供電電路上采用了差異化加速開關技術。加速電路如圖3所示，圖中并聯的電容Cb和電阻Rb串接在PNP管的基極構成了一個RC移相網絡［8］，擴展了帶寬，提高了PNP管的開關速度。

差異化加速開關技術的應用原理圖如圖4所示。本設計選用的功放YP242434內部采用的是三級放大，在三級的基極供電端分別添加了加速開關電路，由于電容Cb上的電壓不能突變，當PNP管基極的控制電壓Vctrl變化時，其電壓Vctrl將立即作用于基極，使電路的通斷狀態快速發生改變，減少功放芯片的通斷狀態切換時間。

如同3所示，加速電路中三極管的集電極串接了一個小電阻RC，通過改變RC的阻值可以調節功放各級的關斷深度。設置RC的阻值，使功放的第一級完全關斷，功放的第二級處于微導通狀態，功放的第三級處于導通狀態。采用這樣的差異化開關控制，減少了功放第二與第三級的開啟時間，相應地功放總的開啟時間大幅減少，減弱了AM-AM和AMPM調制的影響，優化了EVM特性。

加速開關電路和普通開關電路的PNP三極管基極電位變化如圖5所示，可以看出相比于普通開關電路，加速開關電路中PNP三極管的基極電壓能夠更快地達到開啟或關閉所需的電壓值，開啟時沒有了電壓緩慢增長的上升沿，關斷時電壓迅速減少達到快速關斷的目的，達到了快速控制功放工作狀態切換的目的。

4 功率放大器測試結果

本文分別對功率放大器的上下行S參數、EVM和信號吞吐量等主要參數進行了測試，圖6所示為實物圖。

4.1 上下行S參數的測試

上下行S參數的測試使用的是Agilent網絡分析儀N5230C，功率放大器的上行偏置電壓為3 V，工作電流30 mA，下行偏置電壓為5 V，工作電流600 mA，上行S參數的測試結果如圖7（a）所示，下行S參數的測試結果如圖7（b）所示。

表1是S參數測試結果的匯總，從表中的數據可以計算出上行的增益平坦度達到0.61 dB，下行的增益平坦度達到0.28 dB。

4.2 EVM的測試

EVM測試使用的是Agilent頻譜分析儀N9020A，從信號發生器產生的802.11n信號經過衰減后，輸入到功率放大器的信號功率為14 dBm，功率放大器有13 dB的增益，輸出功率達到27 dBm，為保護頻譜分析儀在測試架輸出端添加了39 dB的衰減，測試結果如圖8所示，可以看出EVM為-30 dB＠27 dBm。

4.3 信號吞吐量測試

信號吞吐率的測試采用了Ixchariot這款常用的無線速率測試軟件，在802.11n的150 Mbit／s模式下測得無線路由器的速率為93.20 Mbit／s，加上雙向放大器的測試結果，如圖9所示。由圖可知其速率達到89.54 Mbit／s，可以看出在擴大了覆蓋范圍的同時基本上沒有對速率造成影響。

5 結論

本文設計并實現了一款高線性度的802.11n功率放大器，在EVM為-30 dB時的線性輸出功率達到27 dBm，合成輸出功率為29.5 dBm，發射增益大于10 dB。接收端采用了高靈敏度LNA，動態范圍大，將模塊接收靈敏度提高到-90 dBm，增強了遠距離微弱Wi-Fi信號的接收效果，可在WLAN網絡中與各種類型的無線AP直接匹配使用，提高其覆蓋范圍。

［1］方舒，張輝全.2.4G射頻雙向功放的設計與實現［J］.世界電子元器件，2007（5）：46-49. FANG Shu，ZHANG Hui-quan.The Design and Realization of2.4G RF Bidirectional Power Amplifier［J］.Global Electronics China，2007（5）：46-49.（in Chinese）

［2］陳天麒.微波低噪聲晶體管放大器［M］.北京：電子工業出版社，1983：192-193. CHEN Tian-lin.Microwave Low Noise Transistor amplifier［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，1983：192-193.（in Chinese）

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ZHUANG Jian-dong was born in Nantong，Jiangsu Province，in 1986.He is now a graduate student.His research concerns MMIC design and wireless communication technology.

Email：zhuangjiandong1＠126.com

陶煜（1987—），男，江蘇宜興人，碩士研究生，主要研究方向為單片微波集成電路設計及無線通信技術；

TAO Yu was born in Yixin，Jiangsu Province，in 1987.He is now a graduate student.His research concerns MMIC design and wireless communication technology.

武文娟（1988—），女，山西呂梁人，碩士研究生，主要研究方向為單片微波集成電路設計及無線通信技術；

WU Wen-juan was born in Lvliang，Shanxi Province，in 1988.He is now a graduate student.His research direction is MMIC design and wireless communication technology.

高懷（1961—），男，江蘇蘇州人，東南大學博士生導師，IEEE高級會員，主要研究方向為高頻高功率器件及單片微波集成電路設計。

GAO Huai was born in Suzhou，Jiangsu Province，in 1961. He is now the Ph.D.supervisor and also an IEEE senior member. His research concerns the high frequency and high power devices and MMIC design.

Design and Implementation of an 802.11n High Linear Power Amplifier

ZHUANG Jian-dong1，TAO Yu1，WU Wen-juan2，GAO Huai2
（1.IC Institute，Southeast University，Nanjing 210096，China；2.National ASIC System Engineering Center，Southeast University，Nanjing 210096，China；3.RF Power Device and Circuit Engineering Research Center，Suzhou 215123，China）

In order to expand the coverage of802.11n wireless products，an 802.11n 2.4 GHz high linear power amplifier is designed in this paper by using the technology ofdual-balanced power synthesis and the differential accelerated switch.The power amplifier can meet the 802.11n Error Vector Magnitude（EVM）requirements，especially the dynamic EVM in practical applications，while providing high output power.The test results show that the power amplifier can provide a linear output power of27 dBm and synthesis power of29.5 dBm with an EVM of-30 dB after a 7 dB output power backoff.It can be widely used in the WLAN（Wireless Local Area Network）and match various types of wireless AP directly to improve its coverage.

high linear power amplifier；802.11n；dual-balanced power synthesis；differential accelerated switch

TN914

B

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.02.016

莊建東（1986—），男，江蘇南通人，碩士研究生，主要研究方向為單片微波集成電路設計及無線通信技術；

1001-893X（2012）02-0198-05

2011-08-11；

2011-11-03