高性能PA助力Femtocell应对4G挑战

随着智能手机数量的增加以及每部手机数据流量指数级的增长，移动网络运营商正面临着部署和升级网络基础设施的艰难抉择。传统基础设施模型包括部署宏蜂窝，以覆盖某一地理区域。而微蜂窝则被经常用于填补宏蜂窝无法覆盖的空白区域。呼叫通常从宏蜂窝和微蜂窝经地面T1线路或微波回程路由至目的地。如果用户的需求持续超过某一特定区域宏蜂窝的连接能力，运营商就需要增加蜂窝的数量。然而，随着功能丰富的智能手机(如三星公司的Epic 4G和苹果公司的iPhone)的激增对这一传统扩容方式造成了压力，其吸引力亦不如以往。无论是从经济还是服务质量的角度考虑，小型蜂窝似乎都是最佳解决方案。

Femtocell市场升温

小型蜂窝设备，如Femtocell为升级现有网络基础设施和部署4G提供了有吸引力的选择。它们通过在住宅、商店或公司增加成百上千连接至手机用户的小型本地蜂窝基站来扩展宏蜂窝模型。

据行业组织Femto 论坛估计，到2014年，Femtocell市场将扩展至约4,900万个接入点，届时将有1.14亿全球用户通过Femtocell访问移动网络。随着需求量的增加，用于在整个覆盖区域传播无线信号Femtocell RF功率放大器模块的性能将成为所有Femtocell设计的核心。

功率放大器设计要求

一个成功的Femtocell设计必须在特性、功能和成本方面取得平衡，从而为这一新兴市场提供最佳组合。有鉴于此，Femtocell的功率放大器(PA)最重要的需求包括：出色的射频和直流性能、支持多模、多标准以及可靠性。设计功率放大器模块时，应考虑到线性、覆盖范围所需的充足射频功率、处理拥有较高峰均功率比(PAR)大容量信号的能力。而为Femtocell设计挑选符合上述所有要求的功率放大器时，最重要的考虑因素则是功率放大器的半导体制造工艺本身。

绝大多数手机和中低功率基础设施应用中均采用砷化镓(GaAs)工艺的功率放大器。鉴于其卓越的性能特点，在3G和4G网络部署中很可能会继续采用这一工艺。最近的一项研发成果是一种基于砷化镓的双极晶体管，名叫铟镓磷化物异质结双极晶体管(InGaP HBT)。

ANADIGICS的InGaP-Plus工艺在同一颗砷化镓芯片上集成了双极和场效应晶体管(FET)设备，这意味着可将通常属于芯片外部的功能集成到小尺寸的表面贴装元件上。ANADIGICS功率放大器通常包含开关、步进衰减器、功率检测器和电压调节器。系列化的产品为提供可执行不同标准并可在不同频带环境下工作的Femtocell产品的设计团队带来了显著的优势。

ANADIGICS公司目前正在设计一系列应用于Femtocell、Picocell和家庭客户端设备（CPE）中的平衡、单端功率放大器模块。每种模块均为针对一个或多个无线运营商常用频带提供最佳性能而专门设计。虽然具体特性随模块所基于的应用而各不相同，但其设计方法却极为相似。ANADIGICS的功率放大器模块能够提供很高的功率、出色的线性和为可靠性提供良好的热特性。这些产品吸收了ANADIGICS在开发手机以及宽带基础设施产品的功率放大器解决方案时积累的经验，它们是满足Femtocell各种需求的基础。

为了制造出具备极高线性性能及全套功能的模块，ANADIGICS在砷化镓器件固有效率和宽带能力的基础上，使用了当今最先进的射频电路仿真和热性能分析工具进行工艺研发。借助InGaP-Plus专利技术所具备的功率特性，ANADIGICS设计团队制造出拥有各常用无线频带和常见功能的单端、平衡功率放大器模块。

{pagination}

AWB系列功放

今年初，ANADIGICS推出了平均功率为+24.5dBm的AWB7123和AWB7127单端器件。之后，ANADIGICS将推出这些器件的平衡版本。AWB7223(1.9GHz)和AWB7227(2.1GHz)为4.5伏功率放大器模块，旨在提供高达+27dBm的线性输出功率，并具备类似WCDMA或LTE的较高的PAR信号。这些功率针对家庭或小型办公空环境中的需求绰绰有余。

下文以AWB7227为例介绍AWB系列功放的特点。图1显示了AWB7227由WCDMA高峰均功率比信号驱动时的频谱性能。即使采用测试模式1(10.5dB峰均功率比的64通道信号)进行测试，其相邻信道功率(ACP)性能表现仍高于标准要求。

图1、AWB7227由WCDMA高峰均功率比信号驱动时的频谱性能。

多模灵活性

AWB系列可支持在多载波下工作。图2显示了AWB7227在两个WCDMA测试模式1信号(64DPCH载波)下的性能表现。

图2、AWB7227在两个WCDMA测试模式下的性能表现。

多标准支持

AWB系列架构的设计富有前瞻性，这使得Femtocell在标准支持方面更具灵活性，支持移植和增长策略。图3显示了AWB7227在使用10MHz完全填充64 QAM(50RB)测试模型的FDD LTE信号下的性能表现。

图3、AWB7227在使用10MHz完全填充64 QAM（50RB）测试模型的FDD LTE信号下的性能表现。

高可靠性和高效率

最大限度地延长功率放大器的平均无故障运行时间(MTTF)是设计各种基础设施应用（特别是Femtocell）的关键所在。影响MTTF的主要因素取决于结温和半导体器件本身。多年来，InGaP 射频功率放大器已成为Femtocell功率范围应用的首选器件，这要归功于其良好的性能特点：InGaP技术不仅具有卓越的可靠性，而且具有极高的功率效率。图4显示AWB7227功率放大器设计提供了出色的功率附加效率(PAE)的运行能力。

图4、AWB7227提供出色的功率附加效率（PAE）运行能力。

图5是AWB7227的热扫描图像，在额定电压、以CW信号将设备驱动至额定功率，且外壳温度为85 oC的情况下，测得芯片结温为115 oC，进一步证明了该功率放大器在将直流电源高效转换为射频功率方面的出色性能。较高的功率效率和极低的结温可保证卓越的平均无故障运行时间，并提高整个Femtocell的整体可靠性。此外，这种高效率还可降低整体功耗，使此类Femtocell就像“备用电池”一样，响应“绿色”倡议。

图5、AWB7227的热扫描图像

本文小结

通过对材料的精心挑选和合理可靠的设计原则的应用，ANADIGICS生产出了高性能的功率放大器模块，为设计和开发卓越的Femtocell解决方案创造了条件。随着面向服务提供商和消费者的小型蜂窝市场的不断拓展，ANADIGICS将继续提供类似AWB系列的器件，以期为3G和4G无线网络带来无处不在的覆盖和高品质的服务。

作者：Joe Cozzarelli

宽带射频产品线高级总监

ANADIGICS公司