探討5G功率放大器（PA）設(shè)計進(jìn)步所帶來的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

電子系統(tǒng)工程師們正在適應(yīng)5G基站設(shè)計領(lǐng)域的重大變革；包括發(fā)射/接收通道的數(shù)量從4個激增至高達(dá)256個。同時，這些基站的頻率范圍也有所提升，從原先的1GHz擴(kuò)展到現(xiàn)在的3-4GHz，并有望達(dá)到7GHz。隨著更多通道的引入（如上述256個收發(fā)通道這樣的配置），對既高效又具備精確信號能力的功率放大器的需求也愈發(fā)迫切。此外，推動構(gòu)建更緊湊的蜂窩網(wǎng)絡(luò)還涉及集成大規(guī)模多入多出（mMIMO）波束成形、小型基站和毫米波基站等先進(jìn)技術(shù)。

本文將探討5G功率放大器（PA）設(shè)計進(jìn)步所帶來的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。同時，我們還將分享針對當(dāng)前趨勢的見解，并提供實用建議，助力工程師們更有效地進(jìn)行設(shè)計。

將市場需求與產(chǎn)品性能相契合

首先，讓我們來快速回顧一下5G蜂窩市場顯而易見的趨勢與需求。

隨著5G mMIMO的每一代升級，5G FR1和FR2頻譜的范圍也持續(xù)擴(kuò)大；尤其是當(dāng)頻率超過3GHz和4GHz時。對更多頻譜、更高頻率范圍的需求意味著器件需要不斷提升線性度和效率。此外，由于許多5G頻段從頻分雙工（FDD）轉(zhuǎn)向時分雙工（TDD），也要求PA的射頻（RF）瞬態(tài)性能有所增強(qiáng)。我們還開始看到，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)新的5G頻譜分配——在6-20GHz范圍內(nèi)，中國使用6-7GHz，而歐洲選擇更高的n104頻段6.425-7.125GHz。隨著6G的逐漸成形，并預(yù)計于2030年實現(xiàn)商業(yè)化，業(yè)界普遍預(yù)期6-20GHz的頻率范圍會出現(xiàn)更多分配。

圖1，5G FR1和FR2生態(tài)系統(tǒng)

大規(guī)模多輸入多輸出（mMIMO）是MIMO技術(shù)的延展，其通過多次使用相同的頻譜來增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘颗c覆蓋范圍，從而獲得更高的頻譜利用率。如圖1和圖2所示，向mMIMO的轉(zhuǎn)變使得通信道數(shù)量從4個增加至16個、32個、64個、128個甚至更多；mMIMO技術(shù)有助于減少信號問題、加快連接速度、增強(qiáng)信號強(qiáng)度、減少掉線次數(shù)以及實現(xiàn)更好的信號指向。

為滿足消費者的需求，蜂窩基站的發(fā)展已朝著先進(jìn)的有源陣列天線設(shè)計方向邁進(jìn)（如圖2所示）。這一演進(jìn)主要體現(xiàn)在mMIMO架構(gòu)、3GHz C波段頻率以及對超高容量的需求。隨著5G Advanced在3GPP第18版中的引入，我們將看到128個發(fā)射/接收（128T/128R）（通道）和256個發(fā)射/接收（256T/256R）（通道）的配置得以實施，為5G Advanced微波網(wǎng)絡(luò)提供前所未有的容量。雖然mMIMO技術(shù)帶來了諸多優(yōu)勢，但它也要求PA必須同時具備高效率和高線性度的特點，以滿足5G基站的嚴(yán)苛要求，并不斷推動以越來越小的器件尺寸來實現(xiàn)相同性能。

圖2，蜂窩基站的演變

具有波束成形功能的有源陣列天線可以快速調(diào)整波束方向并同時支持多個獨立波束；其外形小巧、性能可靠且無機(jī)械部件。通過眾多陣列元件協(xié)同作業(yè)，它們能夠有效抗干擾并形成精確的輻射模式。波束成形是5G基站設(shè)計的重要組成部分，它利用多個天線來控制信號波形的方向；通過適當(dāng)調(diào)整多天線陣列中各個天線信號的幅度和相位來實現(xiàn)這一目的。這些5G Advanced天線將在微波和毫米波頻率范圍內(nèi)工作。在更高的頻率范圍內(nèi)，信號波長非常短，如圖3所示；這使得大量天線得以布置在狹小區(qū)域內(nèi)。

圖3，毫米波lambda波長和間距

工作在更高的頻率減少了天線陣列元件間的λ/2（半波長）間距。這就要求采用更緊湊、更集成的射頻前端（RFFE）解決方案；如圖3（上）所示。

PAM助力緊湊型高頻5G基站

作為一位技術(shù)“發(fā)燒友”，您或許想知道當(dāng)前的技術(shù)解決方案如何滿足5G基站系統(tǒng)的需求。盡管目前的各種技術(shù)都可以在設(shè)計中發(fā)揮作用，但只有最佳的技術(shù)才能滿足當(dāng)今的5G標(biāo)準(zhǔn)，并為無線技術(shù)企業(yè)提供緊湊、高效的解決方案。接下來，讓我們向您介紹一種尖端的解決方案，旨在使您的基站系統(tǒng)建設(shè)更快、更容易、更可靠，同時滿足前文提到的5G需求。

這就是氮化鎵（GaN）功率放大器模塊（PAM）技術(shù)；一種封裝小巧、高度集成的RF功率器件。如圖4所示，PAM如同拼圖中的一塊關(guān)鍵部分，高效且有效地完成了RF前端的設(shè)計。

圖4，PAM QPA和QPB（偏置控制器）產(chǎn)品框圖

概括而言，PAM技術(shù)具有以下優(yōu)勢及設(shè)計優(yōu)點：

此類集成器件針對mMIMO 5G基站進(jìn)行了優(yōu)化。

輸入和輸出阻抗都優(yōu)化到50歐姆。

相較于分立式PA解決方案，占用空間大幅減小。

提升最終系統(tǒng)產(chǎn)量并縮短設(shè)計周期——與需要PA調(diào)試和匹配的分立式PA解決方案不同，PAM解決方案無需PA或Doherty PA系統(tǒng)級PCB匹配即可實現(xiàn)最佳性能。

包含工廠預(yù)編程的集成偏置控制器；該控制器在工作溫度范圍內(nèi)調(diào)整柵極偏置，確保模塊的最佳性能。

新型器件具備寬頻帶性能——非常適合C波段及以上頻段的寬頻帶性能。

得益于其改進(jìn)的效率和線性度，這些優(yōu)點也被帶入到基站系統(tǒng)之中。

深入探討：PAM如何滿足市場需求

Qorvo的GaN和PAM技術(shù)為滿足無線基礎(chǔ)設(shè)施市場不斷變化的需求而開發(fā)。借助GaN技術(shù)，Qorvo能夠提供符合市場性能要求，以及基站原始設(shè)備制造商（OEM）和蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商期望的解決方案。以下，讓我們來逐一探討PAM如何與市場需求相匹配。

5G基站天線設(shè)計的不斷發(fā)展，涵蓋了更多的RF前端天線和更寬的頻率范圍。這一變化雖然降低了系統(tǒng)的總體功率水平，但同時也增加了復(fù)雜性，要求PA更加高效且線性度更高。GaN技術(shù)的進(jìn)步使PA在效率和線性度方面都得到提升。借助Qorvo的GaN技術(shù)，PA和PAM產(chǎn)品的效率可達(dá)48%，同時誤差矢量幅度（EVM）低于2%，相鄰信道泄漏比（ACLR）在采用線性化技術(shù)后達(dá)到50dBc。這些參數(shù)降低了運(yùn)營商和OEM的能耗，推動了更加環(huán)保的基站系統(tǒng)。下面，就讓我們深入了解這些參數(shù)及其對5G生態(tài)系統(tǒng)的影響。

-效率的提升——這意味著使用更低的能耗產(chǎn)生更少的熱量。由此，系統(tǒng)設(shè)計師可以創(chuàng)建更簡單、更輕便的設(shè)計，無需復(fù)雜的熱管理；有助于降低OPEX（運(yùn)營支出）、縮短開發(fā)時間并構(gòu)建更可靠的系統(tǒng)。

-線性度的提高——隨著蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻段的擴(kuò)展和帶寬的增加，系統(tǒng)設(shè)計必須保證在所需頻段內(nèi)精確傳輸信號而不泄漏至鄰近頻段。例如，蜂窩C頻段接近航空公司使用的頻率；因而在系統(tǒng)設(shè)計中提高線性度可最大限度地減少不必要的信號輻射。

-EVM的改善——提升信號質(zhì)量并降低誤碼率可增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸及接收的準(zhǔn)確性。EVM作為數(shù)字無線電系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。通過測量實際信號點與星座圖上的理想位置偏差來評估這一指標(biāo)。在RF系統(tǒng)中，高EVM意味著低質(zhì)量，可能由熱噪聲、相位噪聲以及功率放大器在幅度和相位上的不一致響應(yīng)等問題導(dǎo)致。

5G-Advanced——對于5G-Advanced技術(shù)而言，更加小型化的組件對于將眾多RF前端和天線整合進(jìn)緊湊空間以滿足高頻需求至關(guān)重要；因此，在PA設(shè)計和整個系統(tǒng)中實現(xiàn)更小的尺寸成為關(guān)鍵。半導(dǎo)體領(lǐng)域減小尺寸的一個有效策略是集成化，而PAM在這方面表現(xiàn)尤為出色（見下圖5）。PAM將包括控制器在內(nèi)的多個功能整合到單個單元中，同時仍達(dá)到或超過5G基站設(shè)計的性能標(biāo)準(zhǔn)。這不僅使得封裝更小、更高效；還由于PAM自帶內(nèi)置50歐姆輸入輸出匹配，而消除了對單獨匹配組件的需求。最終，系統(tǒng)設(shè)計得以簡化，并降低了成本。

圖5，分立式PA與集成式PAM的比較

結(jié)語

當(dāng)今的RF基站系統(tǒng)的發(fā)展方向正變得越來越小巧，需要更寬的RF帶寬、更高的頻率，同時采用大規(guī)模多輸入多輸出（mMIMO）和波束成形技術(shù)，并且必須更輕、更小、更“綠色”和更可靠。滿足這些需求并非易事，但在基站設(shè)計不斷進(jìn)步的同時，其中使用的技術(shù)也在持續(xù)演進(jìn)。PAM的引入便體現(xiàn)了這樣的進(jìn)步——這些高度集成的器件使系統(tǒng)設(shè)計變得簡單，同時滿足當(dāng)今所有系統(tǒng)級要求；幫助系統(tǒng)設(shè)計工程師將產(chǎn)品更快推向市場并縮短設(shè)計周期，助力OEM更好地滿足客戶的設(shè)計與實施計劃。