802.11n高线性功率放大器的设计与实现✴

庄建东，陶煜，武文娟，高怀（.东南大学集成电路学院，南京0096；.东南大学国家ASIC系统工程技术研究中心，南京0096；.苏州市射频功率器件及电路工程技术研究中心，江苏苏州5）

802.11n高线性功率放大器的设计与实现✴

庄建东1，陶煜1，武文娟2，高怀3
（1.东南大学集成电路学院，南京210096；2.东南大学国家ASIC系统工程技术研究中心，南京210096；3.苏州市射频功率器件及电路工程技术研究中心，江苏苏州215123）

为了扩大802.11n无线产品的覆盖范围，设计了一款符合802.11n标准的2.4 GHz高线性功率放大器。在该功率放大器的设计中采用了双路均衡功率合成技术和差异化加速开关技术，在提供高功率输出的同时满足了802.11n的误差向量幅度（EVM）的要求，尤其是实际应用中的动态EVM。测试结果表明，该功率放大器回退7 dB后的线性输出功率为27 dBm，此时的EVM为-30 dB，合成功率输出为29.5 dBm。该功率放大器可广泛用于无线局域网中，与各种类型的无线AP直接匹配使用，提高其覆盖范围。

高线性功率放大器；802.11n；双路均衡功率合成；差异化加速开关

1 引言

为了实现高质量的宽带无线局域网（WLAN）服务，Wi-Fi联盟继802.11a／b／g之后推出802.11n无线传输标准。然而，受限于WLAN自身的低功率与高频率特性，802.11n无线产品的信号覆盖范围仍然十分有限。

为了有效地扩大802.11n无线产品的覆盖范围，本文设计并实现了一款802.11n 2.4 GHz频段的高线性功率放大器，其发射通路采用了两颗INNOTION公司的2.4 GHz功放芯片（PA）YP242434实现双路合成，提高了发射功率，极大地增加了信号的传输距离［1］；接收通路采用了Agilent公司的低噪放芯片ATF-54143，其噪声低、增益高的特性显著提高了接收灵敏度，平衡了收发性能［2］。

设计中严格遵从了均衡对称的设计原则，对双路PA采用了一致的偏置电路以及滤波电路。同时，为保证高速传输时的动态误差向量幅度（EVM）特性，信号路径特性必须在每一个突发脉冲开始时尽快稳定下来，针对YP242434的特性，在设计中特别采用了差异化加速开关的技术，同时减小了功放芯片对传输速率的影响。

该功率放大器符合时分双工（TDD）收发标准，增强了信号的发射功率，提高了接收灵敏度，实现了802.11b／g／n模式下的远距离无线传输。

2 系统设计方案

本文的系统构架如图1所示，主要由控制模块、发射通道、接收通道、电源模块组成。

如图1所示，在系统构架图中射频输入通过定向耦合器［3］从射频输入信号耦合一部分功率送至检波电路［4］处理，若检测信号强度大于预设的门限电平，则判决为信号发射状态，控制模块打开发射链路，同时关闭接收链路，反之则为接收状态。

设计中发射通路采用两颗高输出、高线性度的功率放大芯片YP242434，应用双路合成的方法降低了单个功率放大芯片的输出承载，使EVM得到极大的改善。另外，设计中还使用了差异化加速开关技术，确保了功率放大器优良的动态EVM，进而在增加传输距离的同时保证了高速的传输速率。

3 功率放大器关键指标的设计

3.1 线性高输出功率设计

为满足802.11n的线性要求，常用的方法是把PA的P1dB回退至少7 dB使用。本文设计的功率放大器的最大线性输出为27 dBm，PA就必须提供至少34 dBm的P1dB。同时，PA后级的开关等器件的使用必然也会带来功率的损耗，综合以上因素，输出27 dBm时的高线性指标要求将会给功率放大器的设计带来很大的挑战［6］。

在本文的设计中，发射通路采用了单级驱动方式，利用高输出、高线性的功放芯片YP242434实现两路功率合成，降低单个PA的输出承载，保证27 dBm线性输出时的高EVM。

图2所示的是双路功率合成放大电路的电平图，Ppeak表示设计峰值功率，Pbackoff表示回退7 dB后的线性输出功率。

单个YP242434的P1dB为34.5 dBm，为保证PA的使用寿命，设计时将峰值功率Ppeak设为33 dBm，把功率合成增益估算为2.5 dB，双路合成后可达35.5 dBm的峰值功率，给27 dBm的线性输出功率Pbackoff指标留下了足够的裕量，合成功率输出为29.5 dBm。

3.2 误差向量幅度（EVM）设计

误差向量幅度（EVM）是802.11n标准最为关键的指标之一。由于802.11n采用了正交频分复用（OFDM）技术，且具有很高的传输速率，这就对动态EVM提出了很高的要求。

由于本设计采用了双路合成的方案［7］，双路PA工作状态的一致性好坏将直接影响到EVM特性，所以在PCB版图的设计中严格遵从了均衡对称的布板原则，对双路PA采用了一致的偏置电路和滤波电路，且应用了对称供电的方式，从设计原理层面上避免了EVM的恶化。

要保证高速传输时的动态EVM特性，信号路径特性必须在每一个突发脉冲到来时尽快稳定下来。802.11n采用脉冲模式时分双工（TDD）技术，开关切换和器件开启的时延就成为影响动态EVM的关键。

在功率放大器中影响动态EVM特性的主要有检波器的检波时延、开关的上下行切换时延、功放的开启时间等。检波延时和开关上下行切换时延都可以很容易地控制在很短的时间内。

功放在达到稳定的工作点之前，总需要一段开启时间，而此时已有信号进入功放，但此时的功放工作点不稳定，线性很差，将产生较强的AM-AM和AM-PM调制，导致EVM性能严重恶化。

为最大程度地减少功放的开启时间，设计中在PA的基极供电电路上采用了差异化加速开关技术。加速电路如图3所示，图中并联的电容Cb和电阻Rb串接在PNP管的基极构成了一个RC移相网络［8］，扩展了带宽，提高了PNP管的开关速度。

差异化加速开关技术的应用原理图如图4所示。本设计选用的功放YP242434内部采用的是三级放大，在三级的基极供电端分别添加了加速开关电路，由于电容Cb上的电压不能突变，当PNP管基极的控制电压Vctrl变化时，其电压Vctrl将立即作用于基极，使电路的通断状态快速发生改变，减少功放芯片的通断状态切换时间。

如同3所示，加速电路中三极管的集电极串接了一个小电阻RC，通过改变RC的阻值可以调节功放各级的关断深度。设置RC的阻值，使功放的第一级完全关断，功放的第二级处于微导通状态，功放的第三级处于导通状态。采用这样的差异化开关控制，减少了功放第二与第三级的开启时间，相应地功放总的开启时间大幅减少，减弱了AM-AM和AMPM调制的影响，优化了EVM特性。

加速开关电路和普通开关电路的PNP三极管基极电位变化如图5所示，可以看出相比于普通开关电路，加速开关电路中PNP三极管的基极电压能够更快地达到开启或关闭所需的电压值，开启时没有了电压缓慢增长的上升沿，关断时电压迅速减少达到快速关断的目的，达到了快速控制功放工作状态切换的目的。

4 功率放大器测试结果

本文分别对功率放大器的上下行S参数、EVM和信号吞吐量等主要参数进行了测试，图6所示为实物图。

4.1 上下行S参数的测试

上下行S参数的测试使用的是Agilent网络分析仪N5230C，功率放大器的上行偏置电压为3 V，工作电流30 mA，下行偏置电压为5 V，工作电流600 mA，上行S参数的测试结果如图7（a）所示，下行S参数的测试结果如图7（b）所示。

表1是S参数测试结果的汇总，从表中的数据可以计算出上行的增益平坦度达到0.61 dB，下行的增益平坦度达到0.28 dB。

4.2 EVM的测试

EVM测试使用的是Agilent频谱分析仪N9020A，从信号发生器产生的802.11n信号经过衰减后，输入到功率放大器的信号功率为14 dBm，功率放大器有13 dB的增益，输出功率达到27 dBm，为保护频谱分析仪在测试架输出端添加了39 dB的衰减，测试结果如图8所示，可以看出EVM为-30 dB＠27 dBm。

4.3 信号吞吐量测试

信号吞吐率的测试采用了Ixchariot这款常用的无线速率测试软件，在802.11n的150 Mbit／s模式下测得无线路由器的速率为93.20 Mbit／s，加上双向放大器的测试结果，如图9所示。由图可知其速率达到89.54 Mbit／s，可以看出在扩大了覆盖范围的同时基本上没有对速率造成影响。

5 结论

本文设计并实现了一款高线性度的802.11n功率放大器，在EVM为-30 dB时的线性输出功率达到27 dBm，合成输出功率为29.5 dBm，发射增益大于10 dB。接收端采用了高灵敏度LNA，动态范围大，将模块接收灵敏度提高到-90 dBm，增强了远距离微弱Wi-Fi信号的接收效果，可在WLAN网络中与各种类型的无线AP直接匹配使用，提高其覆盖范围。

［1］方舒，张辉全.2.4G射频双向功放的设计与实现［J］.世界电子元器件，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］陈天麒.微波低噪声晶体管放大器［M］.北京：电子工业出版社，1983：192-193. CHEN Tian-lin.Microwave Low Noise Transistor amplifier［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，1983：192-193.（in Chinese）

［3］Anaren Inc.3dB 90 Hybrid Coupler Model JP503［M］.［S. l.］：Anaren Inc.，2000.

［4］Analog Devices.0.1 GHz-2.5 GHz 70dB logarithmic Detector／Controller［M］.［S.l.］：Analog Devices Inc.，1999.

［5］Ludwig R.射频电路设计——理论与应用［M］.北京：电子工业出版社，2002：297-298. Ludwig R.RF Circuit Design——Theory and Application［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2002：297-298.（in Chinese）

［6］刘美红，陈邦嫒.射频通信电路［M］.北京：科学出版社，2002：356-362. LIU Mei-hong，CHEN Bang-yuan.RF Communication Circuit［M］.Beijing：Science Press，2002：356-362.（in Chinese）

［7］张玉兴.射频模拟电路［M］.北京：电子工业出版社，2003：288-291. ZHANG Yu-xing.RF Analog circuit［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2003：288-291.（in Chinese）

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，江苏宜兴人，硕士研究生，主要研究方向为单片微波集成电路设计及无线通信技术；

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，山西吕梁人，硕士研究生，主要研究方向为单片微波集成电路设计及无线通信技术；

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.

高怀（1961—），男，江苏苏州人，东南大学博士生导师，IEEE高级会员，主要研究方向为高频高功率器件及单片微波集成电路设计。

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

庄建东（1986—），男，江苏南通人，硕士研究生，主要研究方向为单片微波集成电路设计及无线通信技术；

1001-893X（2012）02-0198-05

2011-08-11；

2011-11-03