Femtocell苦惱4G考驗　高效率PA及時伸援手

2010-11-23

Joe Cozzarelli

隨著行動智慧型手機數量的增加與每支手機資料流量的等比提高，行動網路業者面臨部署與網路基礎設施升級的決策難題。從經濟效益及服務品質的角度而言，小型蜂巢解決方案似乎是達到最佳效用的關鍵。

傳統的基礎設施模型利用部署巨型蜂巢來覆蓋特定的地理區域。微型蜂巢則常用來填補巨型蜂巢無法涵蓋的區域。電話通常是透過網路業者租用的地面T1線路或微波回程鏈路由巨型蜂巢和微型蜂巢發送到目的地。當發話方需求持續超出特定地區的巨型蜂巢連線能力時，業者便會增設更多的蜂巢。然而，隨著三星(Samsung)的Epic 4G及蘋果(Apple)的iPhone等多功能智慧型手機數量激增，此一傳統方式便顯得較為局限而不具吸引力。

手機基礎設施面臨新考驗

行動通訊業者目前正進入一個新的營運環境，許多智慧型手機用戶幾乎都讓手機服務保持隨時啟用的狀態。社交網路、近鄰服務及其他許多智慧型手機與連線裝置提供的應用程式服務使許多人總是保持連網狀態。

小型蜂巢設施如毫微微型蜂巢式(Femtocell)基地台對於升級現有網路基礎架設施以部署4G而言，是相當有吸引力的選項。在住家、商店或公司企業增設數十萬個連接行動用戶的小型基地台，便能夠補強巨型蜂巢模型。

根據產業組織Femto Forum的研究，Femtocell市場將在2014年擴充到四千九百萬個存取點，而全球將有一億一千四百萬用戶透過Femtocell存取行動網路。隨著需求的增加，Femtocell的射頻(RF)功率放大器模組將成為Femtocell的設計重點，該功率放大器模組能夠在整個覆蓋區域傳播無線訊號。

出色的Femtocell設計必須達到功能、效用和價格三方面的平衡，才能在這個開發中市場無往不利。將此納入考量後，Femtocell最重要的功率放大器(PA)需求包括絕佳RF及直流電(DC)效能、多模式支援、多重標準及可靠性。在選擇可發揮Femtocell設計所有特性的PA時，最重要的考量便是用來生產PA的半導體製程。

GaAs深具優勢

對於用在大多數手機及中低功率基礎設施應用的PA而言，砷化鎵(GaAs)製程是非常合適的選擇。部署3G和4G網路時也可能如此，因為砷化鎵具有絕佳的效能特性。最近業界發展出一款GaAs雙極性電晶體，稱為InGaP HBT(磷化銦鎵異質接面雙極性電晶體)。

Anadigics InGaP-Plus製程將雙極性裝置及場效電晶體(FET)裝置整合至同一顆GaAs晶粒，這表示晶片通常不搭載的功能可因此被整合至尺寸適中的表面黏著型零件。在Anadigics功率放大器中，通常包含開關、步進衰減器、電源偵測器及穩壓器。

提供絕佳RF效能

Anadigics目前正在設計均衡的單端功率放大器模組系列，適用於Femtocell、微微型蜂巢式(Picocell)基地台和用戶端設備(CPE)。各個模組都經過特別的設計，能夠在無線載波使用的多個常用頻帶中發揮絕佳效能。雖然特定功能會因為應用的模組而有所不同，不過各模組的設計方式都相當類似。對於必須針對Femtocell不同實作標準，並且能夠在不同頻帶運作而設計產品的設計團隊而言，能夠輕鬆取得系列裝置將會是一大助益。

設計PA模組時，必須考量線性與RF功率以達到良好覆蓋率，並留意高峰均功率比(PAR)，以處理高容量波形的效用。而Anadigics PA模組可發揮高功率、絕佳線性及良好的散熱效能，而達到高穩定性。這些產品彙整了Anadigics在開發手機和寬頻基礎設施產品適用的PA解決方案方面廣泛累積的經驗，因此能夠符合Femtocell的使用需求。

為了能夠製作透過完全功能整合、結合絕佳線性效能的模組，Anadigics採用GaAs裝置的原生效率與寬頻功能，並使用最新的RF電路模擬及散熱分析工具進行研發。Anadigics設計團隊運用專利InGaP-Plus技術設計出均衡的單端PA模組，及各個利用率高的無線頻帶均常用的功能。

Anadigics於2010年上半年推出的AWB7123和AWB7127單端零件，平均功率為+24.5dBm。而這些零件的均衡版也將於2010年下半年上市。

AWB7223(1.9GHz)和AWB7227(2.1GHz)為4.5伏特(V)的PA模組，能夠以寬頻分碼多重存取(WCDMA)或長程演進計畫(LTE)等高峰均功率比波形達到+27dBm的線性輸出功率。這些功率等級足供一般家庭或小型辦公室使用。本文將著重探討AWB7227。

圖1顯示由WCDMA高PAR波形驅動的AWB7227頻譜效能。即使是PAR為10.5分貝(dB)的第一測試模式六十四頻道波形，相鄰通道功率(ACP)需求仍有多餘的效能容限。

圖1　由WCDMA高PAR波形驅動的AWB7227頻譜效能

支援多模式彈性與多重標準

AWB系列的設計能夠支援多載波運作。圖2顯示在最大隔離限度下，二個WCDMA第1測試模式64DPCH載波的AWB7227效能。

圖2　在最大隔離限度下，二個WCDMA第一測試模式64DPCH載波的AWB7227效能。

AWB系列的架構設計蘊含未來概念。如此的設計方式使得Femtocell能夠符合各種標準，並且支援移轉及擴展策略。圖3顯示在使用10MHz完全填入的64 QAM(50RB)測試模型時，FDD LTE波形的AWB7227效能。

圖3　使用10MHz完全填入64 QAM(50RB)測試模型時，FDD LTE波形的AWB7227效能。

含括長期可靠性及功率效率

任何基礎設施應用的設計皆必須有效達到功率放大器的最大失效平均時間(MTTF)，Femtocell更是如此。MTTF主要取決於接點溫度及半導體本身。過去幾年來，InGaP RF PA已成為Femtocell功率範圍應用所需的裝置，因為它能夠達到極佳的效能--InGaP技術不僅可達到極高的可靠性，而且相當節能。圖4顯示Anadigics AWB7227 PA設計提供絕佳的功率附加效率(PAE)運作。

圖4　AWB7227 PA設計提供絕佳的功率附加效率運作。

圖5是以CW訊號將裝置驅動至額定功率且機箱溫度為85℃時，在額定電壓下取得的AWB7227熱掃描。測得的晶片接點溫度為115℃，這更加表示PA能夠將DC功率有效轉換為RF功率。高PAE與極低接點溫度達到極佳的MTTF，而提升了Femtocell的整體可靠性。高效率也降低整體功耗，使得這類Femtocell功能成為電池備援，並且符合節能環保的概念。