在 Wi-Fi 無線射頻的架構下，有三個主要的關鍵器件決定了 Wi-Fi 系統的性能，它們分別是 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-End Module） 以及天線（Antenna）。

圖：本文作者，Qorvo 高級行銷經理 Jeff Lin

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，為了提升其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的復雜。

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 1x1 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 EVM Floor， 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，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）。

以下是 Internal PA 與 External FEM 的主要差異表：

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。

PAE （%）的計算公式如下：

以 Qorvo 的 Wi-Fi 6 2.4GHz FEM 作為例子來計算 PAE：

上圖為 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 2.4GHz 外置射頻前端模組芯片，根據技術規格文檔，QPF4228 在 3.3V 供電，發射功率 22dBm 時的耗電流為 200mA，QPF4228 本身的增益為 33dB，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%。

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，鏈接如下：

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，可以得到以下的結果：

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。
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