5G無線電中功率放大器的變化

5G 無線革命正在給射頻設計領域帶來巨大的變化，手機和無線電基站的功率放大器也不例外。首先，5G 無線應用中的功率放大器芯片將與 4G 網絡中使用的功率放大器芯片大不相同。

這主要是因為 5G 傳輸的寬帶調制需要功率放大器的高功率效率和嚴格的線性度。此外，當 5G 網絡要使用相控陣天線來聚焦和控制多個波束時，真正重要的是在多個波束之間劃分傳輸任務的能力。

例如，對于包含 4×4 陣列的相控陣天線，功率放大器的工作功率必須遠低于放大當前蜂窩系統(tǒng)中使用的單波束全向信號所需的功率。

圖 1：功率放大器是手機和蜂窩基站射頻前端設計的一個組成部分。圖片：高通

這里值得一提的是，5G 網絡最初是在 6 GHz 以下的頻率范圍內實施的。然而，5G 的真正承諾來自于 24 GHz、28 GHz 和 39 GHz 頻段中毫米波 （mmWave） 通信的商業(yè)實現(xiàn)。因此，雖然厘米波 （cm-Wave） 5G 系統(tǒng)很可能首先在 sug-6 GHz 系統(tǒng)上進入市場，但它們的毫米波對應物將挑戰(zhàn)射頻設計規(guī)范。

因此，在密集部署環(huán)境中服務于各種設備的多輸入多輸出 （MIMO） 天線將需要具有高功率效率和嚴格線性的功率放大器芯片。具有大量射頻前端的相控陣 MIMO 天線也需要能夠以更低的成本提供更高集成度的功率放大器。

這種困境可以在包括 PA 模塊、PA 雙工器、開關功率放大器加雙工器 （S-PAD）、PA 模塊集成雙工器 （PAMiD） 和全無線電模塊 （TRM） 在內的新型 PA 設備中看到。

新的集成里程碑

PA 模塊已經是集成的基石，正在進一步減少 5G 射頻前端的部件數量。5G 網絡具有更多頻段，這就要求 PA 模塊中有更多的射頻開關、濾波和功率放大元件。因此，隨著 5G 網絡的演進，PA 模塊的復雜性將不斷增加。

在 4G 無線領域，將涵蓋多個頻段和技術的幾乎整個射頻前端放入幾個 PA 模塊的壓力已經迫使許多較小的供應商停業(yè)。不可避免地，在 5G 領域，將更多電路裝入 PA 模塊的壓力可能會增加。

圖 2：用于 6 GHz 以下通信的功率放大器電路視圖。圖片：Qorvo

因此，NXP Semiconductors 正試圖通過將更小、更輕的有源天線系統(tǒng)與提供射頻功率的多芯片模塊 （MCM） 相結合，簡化 MIMO 和大規(guī)模 MIMO （mMIMO） 系統(tǒng)的射頻功率解決方案。這些射頻功率放大解決方案在顯著提高集成度的同時，涵蓋了從 6 GHz 以下到 40 GHz 的頻帶，同時促進了從毫瓦到千瓦的電源供應。

面向 5G 設計的 PA 模塊供應商 Qorvo 也在為 5G 功率放大器面臨的挑戰(zhàn)做好準備。2016年，RF芯片制造商與線性化軟件開發(fā)商NanoSemi合作。此次合作旨在通過 NanoSemi 的基于機器學習的數字預失真 （DPD） 算法增強 Qorvo 的 PA 模塊，從而確保功率放大器的超寬帶線性化。

多載波配置對服務于多頻段 5G 設計的功率放大器提出了嚴峻挑戰(zhàn)，而 NanoSemi 的數字補償技術可幫助功率放大器根據可用資源調整到功率和容量要求。

NanoSemi 還與自動化測試和測量解決方案供應商美國國家儀器 （NI） 展開合作，讓設計人員能夠驗證和優(yōu)化 5G 功率放大器的性能，以應對不斷增加的帶寬和功率效率需求。該測試解決方案讓 5G 設計人員能夠深入了解極端線性化條件下功率放大器的性能參數。

PA的底層技術

與 4G 的另一個值得比較的是功率放大器的底層技術。在4G領域，砷化鎵（GaAs）一直是功率放大器芯片中的領先技術。這是因為 GaAs 可以輕松支持功率放大器所需的高電壓。然而，一旦無線行業(yè)超越了 GaAs 設備可能占主導地位的 sub-6 GHz 通信，一種新型的半導體解決方案正在爭奪毫米波領域的一席之地。

圖 3：顯示用于毫米波射頻設計的射頻前端模塊的框圖。圖片：Qorvo

例如，加利福尼亞大學圣地亞哥分校 （UCSD） 開發(fā)的一種新的 RF 絕緣體上硅 （SOI） 技術正在掀起波瀾，用于將硅基晶體管串聯(lián)起來以在功率放大器中實現(xiàn)更高的電壓。堆疊的晶體管（串聯(lián)排列的四個晶體管）為 5G 功率放大器提供必要的輸出功率。晶體管的堆疊不僅提高了整體電壓處理能力，還消除了與體效應和襯底電容相關的寄生問題。

5G 功率放大器的其他候選者包括氮化鎵 （GaN） 和硅鍺 （SiGe）。GaN 技術通過促進具有更高容量和熱效率的多個數據流的傳輸來增強 PA 性能、效率和功率。據 Yole Développement 稱，GaN 器件的射頻市場預計將從 2017 年的 3.8 億美元增長到 2023 年的 13 億美元。

5G 設計世界處于不斷變化的狀態(tài)，正如本文所示，功率放大器芯片完全是這一轉變的一部分。同樣顯而易見的是，5G 容量革命的進程將影響功率放大器設計的所有主要方面：物理尺寸、效率、線性度和可靠性。

審核編輯：郭婷