如何采用异相功率放大器提高WLAN系统功率效率？

随着无线通信技术不断发展，对功率放大器的要求也越来越高，传统放大器已无法满足实际应用的需要。本文介绍一种异相功率放大器，不仅能提高功率，而且在较高功率水平下仍能维持很高的效率。

传统802.11a正交频分多路复用(OFDM)系统的高功耗和性能局限阻碍了802.11a和双频WLAN产品的采用，对诸如OFDM和宽带CDMA(W-CDMA)等多载波波形处理而言，其所涉及的物理原理从根本上限制了线性功率放大器的效率、输出功率和信号质量，特别是那些为传统802.11a系统提供功率的放大器。这类系统要在各种具备WLAN技术的设备中完全发挥它们的性能，包括功率有限的小型设备，因此需要采用一种全新的调制解调器结构和功放设计

802.11a标准以OFDM调制为基础，在这种调制方式下，数据在52个载波中进行多路传输，每个载波均可采用BPSK、QPSK、16QAM或64QAM进行调制。这种传播提高了对多路径衰减和某些干扰波形的免疫性，但它的缺点是结果RF信号具有很大的峰值-均值功率比。此外，高水平调制方法要求放大失真小，以避免增大误差矢量幅度(EVM)。

传统上在输出功率(也包括范围)、数据传输率和功耗之间有一种复杂的折衷关系，要获得高数据传输率需要有很好的线性，这通常通过退一步使用AB类功率放大器来实现，然而又导致了传输功率下降。低传输功率使得链接效果变差，进而缩小工作范围。高功率和大工作范围也是可以实现的，但却要以降低数据传输率或减少电池寿命为代价。换言之，用户喜欢低功率、高数据传输率和较大工作范围，但是由于负责处理信号放大的线性AB类放大器的关系，只能同时实现三个要求中的两个。

运行于峰值功率时，传统AB类放大器效率很高(理论效率为78.5%)，而在低功率下，其效率下降非常迅速。当此类放大器用于802.11a OFDM信号时，必须调整放大器以处理峰值功率水平，但平均运行于比峰值低8dB的水平上，因此大多数时间都运行在极低的效率下，平均效率只有10%左右，如果放大器退一步支持54Mbps数据率效率将更低。

因此需要一种技术，使放大器运行于峰值功率，同时在大多数时间都处于峰值效率状态，答案就是异相功放。我们下面看一看异相结构是如何建立的以及它对802.11a功率放大器的影响。

异相放大器

采用非线性元件的线性放大称为异相放大器技术，可以为WLAN设计人员提供另外一种方法，在比较广输出功率范围内达到很高效率。在异相放大器中，振幅固定但相位不同的两个信号("相位段")在两个独立的放大器("分放大器")中放大，然后合并起来，形成一个相位和振幅均不同的信号。当这些相位段处于同相时，包络功率最大；当它们处于异相时，包络功率最小。

图1用矢量图显示了两个电压恒定、相位不同的信号α与β如何合并起来形成一个任意电压信号R，图2是采用异相技术的功率放大器结构示意。

因为分放大器总是工作在最合适、摆幅最大的状态，所以每个放大器始终具有峰值效率。如果有合并器在两个放大器之间提供隔离，因合并器损耗会使系统效率变差，如果使用低损耗合并器(不能提供隔离)，整体系统的效率就可以非常高。

异相放大器技术的一种特殊不同之处是Chireix技术，它采用无源合并器。这种合并器对分放大器施加一个随包络功率变化的负载阻抗，这样需要较低输出功率时，分放大器将驱动一个高阻抗负载，变动阻抗在需要低RF功率时迫使放大器吸收更小的电流，从而在下降时也能够维持高效率。需要注意的是分放大器输出端的电压摆动是固定的，但是输出阻抗变化会导致电流摆动，直流电流要求也会出现变化。

使用异相技术时，分放大器的选择至关重要，F类放大器特别适合工作于此模式。F类放大器不是线性的，但是作为异相放大器系统中的分放大器它工作于固定振幅，其实这一点并不重要。F类放大器在二次谐波和三次谐波采用特殊的终结方法，使放大器晶体管在"开"时电压最小，从而减小开关设备中的功率损耗。该类放大器的峰值输出功率与漏电压平方成正比，因此可用Vdd电源电压来设定平均输出功率，可将Vdd设定为对于任何平均输出功率放大器均运行于可能达到的最大效率。

5GHz的实际实现

目前已开发出一种5GHz异相放大器，它在一个GaAs裸片上使用了一对F类放大器。为了使F类放大器具有较高效率，有源设备必须像一个理想关开，即具有最小的"开"阻抗、低电容，且应快速从"开"状态切换到"关"状态。此外，该器件必须支持较高电压以便输出足够的功率而不用大的阻抗转换，因为大阻抗转换会使谐波终结和合并器变得复杂。在一个功率大于1瓦的50欧系统中，负载线路要求每个放大器产生的电压均方根