iPA還是 e-FEM?IPA or e-FEM?

Jeff Lin

在Wi-Fi無線射頻的架構下，有3個關鍵器件決定了Wi-Fi系統的性能，分別是：Wi-Fi射頻主芯片（ Wi-Fi Chipset），前端射頻器件如功率放大器、低噪放、開關或模組（ PA/LNA/Switch or Front-EndModule），以及天線（Antenna）。

由于半導體研發與工藝技術的發展，除了芯片本身的運算能力外，系統的整合度也得到大幅度的提升，基于市場的激烈競爭與客戶的特殊需求，越來越多的Wi-Fi射頻主芯片將功率放大器整合在本身的射頻芯片中，從而為客戶提供更簡易與低成本的設計。

Wi-Fi技術經過了20年的發展，為了提升連接效率與傳輸速率，調變技術（ Modulation）與無線串流數目（ Spatial Steams）也有了重大的改變，由于這些改變，也讓整個Wi-Fi設備的設計變得更加復雜。

舉個例子，在最新Wi-Fi 6的技術中，頻率調變技術由原先的OFDM升級到ODFMA，調變也由256QAM提升到1024QAM，串流數目也從最早的lxl進階到2x2、3x3、4x4，甚至到8x8，回到設計面，越是高效率高傳輸速率的設備也就意味著更復雜且高規格的設計，這些新的技術與變革也對前端射頻器件帶來了新的挑戰，例如更加線性的功率輸出，更低的EVMFloor，更高的效率與更好的接收靈敏度等等……

材料科學的突飛猛進也推進了射頻器件的進步，現今主流的外置Wi-Fi功率放大器工藝為砷化鎵（ GaAs），由于砷化鎵有優秀高頻傳輸且具有高頻、抗輻射、耐高溫等特性，所以目前的射頻功率放大器中，以砷化鎵IC所表現出的線性功率（Linearity）與使用效率（ Efficiency）最為優秀，因此廣泛應用在主流的商用無線通訊設計中，尤其是在Wi-Fi與移動通訊上（3G/LTE）。

Power Added Efficiency（PAE）是評估無線功率放大器與設計無線傳輸系統時的一個關鍵參數，主要是針對放大器中直流電源（DC）供電能量轉換成交流（ AC）射頻信號放大的能量轉換效率，PAE不好的功率放大器，會將大部分的能量轉換為熱能，導致放大器本身的效率下降，進而影響整個通訊系統的傳輸品質。

以Qorvo的Wi-Fi 6 2.4GHz FEM作為例子來計算PAE，如表2。

表2為QPF4228在不同發射功率下所消耗的電流，QPF4228為Qorvo針對高通Wi-Fi 6企業級無線路由器平臺所量身定制開發的2.4 GHz外置射頻前端模組芯片，根據技術規格文檔，QPF4228在3.3 V供電，發射功率22 dBm時的耗電流為200 mA，QPF4228本身的增益為33 dB，套上PAE的公式，再經過一連串的單位轉換后所計算出來的結果為24%。

Power（RF_Out ）：QPF4228功放輸出為22 dBm= 158.5 mW= 0.158 5 W

Power（DC）：DC Input Power= 200 mA x 3.3 V= 0.66 W

PAE（%）=100 x（0.158/0.66）=24%

為了簡化復雜的運算，Qorvo提供了方便的研發工具，該計算器能夠協助工程師們更快地計算功率放大器功耗PAE/Pdiss/Tj，鏈接為：https：//www.qorvo. com/design-hub/design-tools/pae-pdiss - tj -calculator。

利用Qorvo提供的開發工具來計算QPF4228的PAE，可以得到圖1的結果。

越大的Wi-Fi信號覆蓋范圍會帶來越好的使用體驗，要有好的Wi-Fi覆蓋范圍就必須有更大的發射功率與更高的接收靈敏度，然而，這代表整個Wi-Fi系統所消耗的功率也會增加，功率增加的結果也順便帶來了系統散熱設計上的挑戰。我們必須承認，iPA為Wi-Fi設備的開發商帶來最直接的好處就是“成本優勢”，如果iPA就能滿足客戶的規格與設計，那么External FEM貌似就顯得有點多余了，如果今天客戶所設計的產品對于連線的覆蓋范圍、外觀（精致小巧的機構設計，如Wi-Fi Extender或是Wall Plug）與整體耗電功率（如PoE）有所要求，那么如何選擇一個高效且穩定的外置FEM就是設計者的重要課題。