5G無線革命正在給射頻設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來巨大變化，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將與4G網(wǎng)絡(luò)中采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)制要求功率放大器具有高功率效率和嚴(yán)格的線性度。此外，當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)將采用相控陣天線來聚焦和引導(dǎo)多個(gè)波束時(shí)，真正重要的是在多個(gè)波束之間分配傳輸任務(wù)的能力。

例如，對(duì)于由4×4陣列組成的相控陣天線，功率放大器的工作功率必須比放大蜂窩系統(tǒng)目前使用的單波束全向信號(hào)所需的功率低得多。

這里值得一提的是，5G網(wǎng)絡(luò)最初是在6 GHz以下的頻率范圍內(nèi)實(shí)施的。然而，5G的真正前景來自于24 GHz、28 GHz和39 GHz頻段毫米波（mmWave）通信的商業(yè)實(shí)現(xiàn)。因此，雖然厘米波（cm-Wave）5G系統(tǒng)可能首先在sug-6 GHz系統(tǒng)上進(jìn)入市場，但它們的毫米波對(duì)應(yīng)物將挑戰(zhàn)RF設(shè)計(jì)規(guī)范。

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）天線將需要具有高功率效率和嚴(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天線也將需要功率放大器，以更低的成本提供更高的集成度。

這種困境可以在新的PA器件中看到，這些器件包括PA模塊，PA雙工器，開關(guān)功率放大器加雙工器（S-PAD），PA模塊集成雙工器（PAMiD）和總無線電模塊（TRM）。

新的集成里程碑

PA模塊已經(jīng)是集成的基石，進(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，這要求在 PA 模塊中使用更多的射頻開關(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)雜性將繼續(xù)增加。

在4G無線領(lǐng)域，將幾乎整個(gè)涵蓋多個(gè)頻段和技術(shù)的RF前端放入幾個(gè)PA模塊的壓力已經(jīng)迫使許多較小的供應(yīng)商倒閉。不可避免地，在5G領(lǐng)域，將更多電路封裝到PA模塊中的壓力可能會(huì)增加。

圖 2：用于 6 GHz 以下通信的功率放大器電路視圖。圖片：科爾沃

因此，恩智浦半導(dǎo)體正試圖通過將更小、更輕的有源天線系統(tǒng)與服務(wù)于射頻功率的多芯片模塊（MCM）相結(jié)合，簡化MIMO和大規(guī)模MIMO（mMIMO）系統(tǒng)的無線電電源解決方案。這些射頻功率放大解決方案在顯著提高集成度的同時(shí)，跨越了低于 6 GHz 至 40 GHz 的頻段，同時(shí)促進(jìn)了從毫瓦到千瓦的電源供應(yīng)。

用于 5G 設(shè)計(jì)的 PA 模塊供應(yīng)商 Qorvo 也在熱身以應(yīng)對(duì) 5G 功率放大器面臨的挑戰(zhàn)。2016年，這家射頻芯片制造商與線性化軟件開發(fā)商N(yùn)anoSemi攜手合作。此次合作旨在通過NanoSemi基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)字預(yù)失真（DPD）算法增強(qiáng)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(duì)服務(wù)于多頻段5G設(shè)計(jì)的功率放大器提出了嚴(yán)峻的挑戰(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)整到功率和容量要求。

NanoSemi還與自動(dòng)化測試和測量解決方案供應(yīng)商N(yùn)I（NI）合作，使設(shè)計(jì)人員能夠驗(yàn)證和優(yōu)化5G功率放大器的性能，以應(yīng)對(duì)不斷增長的帶寬和功率效率需求。該測試解決方案使 5G 設(shè)計(jì)人員能夠深入了解功率放大器在極端線性化條件下的性能參數(shù)。

PA的底層技術(shù)

與4G的另一個(gè)有價(jià)值的比較涉及功率放大器的底層技術(shù)。在4G領(lǐng)域，砷化鎵（GaAs）一直是功率放大器芯片中的領(lǐng)先技術(shù)。這是因?yàn)樯榛壙梢暂p松支持功率放大器所需的高電壓。然而，一旦無線行業(yè)超越了砷化鎵器件可能占主導(dǎo)地位的sub-6 GHz通信，新一代半導(dǎo)體解決方案就會(huì)在毫米波體系中爭奪一席之地。

圖 3：用于毫米波 RF 設(shè)計(jì)的 RF 前端 模 塊 框圖。

例如，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）開發(fā)的一種新型RF絕緣體上硅（SOI）技術(shù)正在掀起波瀾，將硅基晶體管串聯(lián)在一起，以實(shí)現(xiàn)功率放大器中的更高電壓。堆疊晶體管（串聯(lián)排列的四個(gè)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(yīng)和基板電容相關(guān)的寄生問題。

5G功率放大器的其他候選產(chǎn)品包括氮化鎵（GaN）和硅鍺（SiGe）。GaN技術(shù)通過促進(jìn)具有更大容量和熱效率的多個(gè)數(shù)據(jù)流的傳輸來增強(qiáng)PA的性能，效率和功率。根據(jù)Yole Développement的數(shù)據(jù)，GaN器件的射頻市場預(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)世界正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(zhuǎn)型的一部分。同樣明顯的是，5G容量革命的旅程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。

審核編輯：郭婷