5G 網(wǎng)絡(luò)采用相控陣列天線聚焦和操縱多個波束給PA的那些新轉(zhuǎn)變？

5G 無線革命正在給RF 設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來巨大的變化，手機(jī)和無線電基站的功率放大器也不例外。首先，5G 無線應(yīng)用中的功率放大器芯片與4G 網(wǎng)絡(luò)中使用的功率放大器芯片大不相同。

這主要是因?yàn)?G 傳輸?shù)膶拵д{(diào)制需要功率放大器提供更高效率和更嚴(yán)格線性度；此外，5G 網(wǎng)絡(luò)將采用相控陣列天線聚焦和操縱多個波束，這就對能夠在多個波束之間劃分傳輸任務(wù)的能力有了極高的要求。

例如，對于一個4×4 陣列的相控陣天線，其功率放大器的功率必須比放大當(dāng)前蜂窩系統(tǒng)中使用的單波束全向信號所需的放大器功率低得多。

值得一提的是，5G 網(wǎng)絡(luò)最初是在Sub-6GHz 的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。然而，5G 的真正商業(yè)前景會在包括24 GHz，28 GHz 和39 GHz 頻段等毫米波（mmWave）波段上體現(xiàn)。換而言之，mmWave 也將給RF 設(shè)計(jì)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

因此，在密集部署環(huán)境中為各種設(shè)備提供服務(wù)的多輸入多輸出（MIMO）天線將需要具有高效率和嚴(yán)格線性度的功率放大器芯片。具有眾多RF 前端的相控陣MIMO 天線還需要更高集成度的功率放大器，進(jìn)一步降低芯片的方案的成本。

關(guān)于這種現(xiàn)狀，我們可以從包括PA 模塊，PA 雙工器，開關(guān)功率放大器和雙工器（S-PAD），PA 模塊集成雙工器（PAMiD）和總無線電模塊（TRM）的PA 設(shè)備上一覽無遺。

新的集成里程碑

PA 模塊已經(jīng)成為集成的基石，因?yàn)樗拇嬖谶M(jìn)一步減少了5G RF 前端的部件數(shù)量。5G 網(wǎng)絡(luò)具有更多頻段，并且要求PA 模塊中提供更多的RF 開關(guān)，濾波和功率放大元件。因此，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，PA 模塊的復(fù)雜性將不斷增加。

在4G 無線領(lǐng)域，將能覆蓋多個頻段和技術(shù)的元器件集成中一個PA 模組中的壓力已經(jīng)迫使許多小型供應(yīng)商破產(chǎn)。到了5G 時(shí)代，將更多元件封裝到PA 模塊中的壓力可能會進(jìn)一步增加。

A view of power amplifier circuitry for sub-6 GHz communications. Image: Qorvo

作為5G PA 模塊的主要供應(yīng)商，Qorvo 也正在迎接5G 功率放大器帶來的挑戰(zhàn)。2016年，他們就與線性化軟件開發(fā)商N(yùn)anoSemi 建立了合作。希望借助NanoSemi 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)字預(yù)失真（DPD）算法來增強(qiáng)Qorvo 的PA 模塊，確保功率放大器中的超寬帶線性化。

多載波配置對為多頻段5G 設(shè)計(jì)提供服務(wù)的功率放大器提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而NanoSemi 的數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)可幫助功率放大器根據(jù)可用資源調(diào)整功率和容量要求。

PA的基礎(chǔ)技術(shù)

與4G 的另一個有價(jià)值的比較涉及功率放大器的基礎(chǔ)技術(shù)。

在4G 時(shí)代，砷化鎵（GaAs）一直是功率放大器芯片制造的領(lǐng)先技術(shù)。這是因?yàn)镚aAs 可以輕松支持功率放大器所需的高電壓。在無線行業(yè)跨進(jìn)了Sub-6 GHz 通信之后，GaAs 器件同樣也還能占主導(dǎo)地位，但新型半導(dǎo)體解決方案正在爭奪mmWave PA 制造中的一席之地。

The block diagram showing an RF front-end module for mmWave RF design. Image: Qorvo

例如，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）開發(fā)的一種新型射頻絕緣硅（SOI）技術(shù)正在掀起波浪。他們將硅基晶體管串聯(lián)起來，以在功率放大器中實(shí)現(xiàn)更高的電壓。堆疊晶體管（串聯(lián)排列的四個晶體管）能為5G 功率放大器提供必要的輸出功率。晶體管的堆疊不僅增強(qiáng)了整體電壓處理，還消除了與體效應(yīng)和襯底電容相關(guān)的寄生問題。

5G 功率放大器的其他候選者包括氮化鎵（GaN）和硅鍺（SiGe）。GaN 技術(shù)依賴于在容量和熱效率等方面的優(yōu)勢來提高PA 性能，效率和功率。根據(jù)YoleDéveloppement 的說法，GaN 器件的RF 市場預(yù)計(jì)將從2017年的3.8 億美元增長到2023年的13 億美元。

5G 設(shè)計(jì)世界處于不穩(wěn)定狀態(tài)，正如本文所示，功率放大器芯片完全是這種轉(zhuǎn)變的一部分。同樣顯而易見的是，5G 容量革命之旅將影響功率放大器設(shè)計(jì)的所有主要方面：物理尺寸，效率，線性度和可靠性。