5G通信技术的设计对功率放大器具有哪些设计要求

在5G通信中需要高性能的功率放大器

在功率放大器（PA）中没有实现高线性度的快速方法。PA在手机的通信基础架构中扮演着非常重要的角色。PA的性能要求将变得更加严格，尤其是随着5G蜂窝移动通信的采用（图1）。

图1.第五代蜂窝移动通信

在本文中，我们讨论5G通信技术将实现的功能和优势，以及对功率放大器设计的相应要求。

此外，我们检查了最常用的PA线性化技术，并评估它们是否适合满足PA要求。稍后，我将研究低功耗线性化器IC，并考虑其在5G应用中降低PA功耗和简化PA设计的潜力。

5G设计挑战

5G在许多方面都优于当前的通信技术。更高的数据速率同时提供给更多用户，并且移动设备的电池寿命将得到延长。为此，PA必须以尽可能高的效率和更宽的带宽（最高100 MHz）运行。

放大器线性度

如果PA是完全线性的，则它应该只能放大并输出所需的输入信号。但是，实际上，不存在这样的PA。实际上，由于输出信号是非线性的，因此会产生失真，并且失真会随着放大器接近饱和点而增加（图2）。

图2.输出功率和失真之间的关系

当施加多音调输入信号时，由于它们是非线性的，所以在PA输出端会出现不需要的相互调制频率（图3）。

图3. PA产生的互调

为了减少PA失真，必须使用某种形式的线性化。以下各节描述了5G环境中最常见的线性化技术的行为和适用性。

限制最大输出功率电平以使整个信号落在PA传输曲线的线性区域内的技术通常称为“补偿”。这种相对简单的方法的缺点在于，PA的效率（将DC功率转换为RF能量的能力）会随着PA的工作点远离饱和点而降低。

在某些系统中，满足信号峰均功率比（PAR）要求所需的补偿可以将PA效率降低到8％。结果，功耗和系统实施成本增加，并且需要大的散热器。

主动线性化

为了在不降低效率的情况下提高PA线性度，需要一种称为“预失真”的有源线性化。该技术“预测”了由PA固有的非线性引起的失真量，并将其反相信号注入到信号路径中，从而减小了放大器输出端的无用信号与无用信号之比。（图4）。这被指定为相邻信道功率比（ACLR），并且必须至少为-50dBc。

图4.具有预失真线性化的PA的输出特性

有源线性化有两种常见类型：数字预失真（DPD）和RF功率放大器线性化（RFPAL）。

DPD

如图5所示，数字预失真（DPD）在信号链（数字基带）的最早点将预失真校正信号添加到所需信号中。

图5.数字预失真系统的实现

DPD系统可以通过多种方式实现。虽然提供全功能版本（基带，数字，配备射频），但某些解决方案使用单独的数字基带和离散射频。

另一解决方案包括FPGA和RF收发器（以及DPD测量路径）。但是，RF收发器必须以输入信号带宽频率的五倍运行，从而增加了设计复杂度，占板面积和功耗（典型值为5W），以用于小型，低功耗应用在某些情况下，DPD不是一种好的线性化技术。

RFPAL

图6显示了系统的高级框图，该系统利用了另一种称为RF功率放大器线性化（RFPAL）的有源线性化和预失真技术。

图6.射频预失真系统的实现

该技术利用独立的RF IN / RF OUT架构和自适应RF预失真技术，仅在所需的点（PA的输入）注入校正信号。

这意味着该系统由更简单，更小的发射机和基带组成，可以在较低的频率（输入信号带宽）下运行，并且功耗比DPD系统低。直到最近，使用RFPAL的最大线性化输入通道带宽仅为60MHz。图7显示了克服了这一问题的新型RFPAL IC。

图7. SC1905 RFPAL标准应用电路

该器件的工作频率范围高达3.8 GHz，线性化的输入信号带宽高达100 MHz。功耗为1280mW，比DPD解决方案低70％。图8显示了使用该线性化器测量的标准PA的ACLR和效率性能（5个不连续的20MHz LTE通道，PAR 10dB）。

图8.使用SC1905 RFPAL的PA ACLR

在37dBm的输出功率水平下，该PA的效率为23％，ACLR为-50dB（关闭RFPAL时，ACLR大约好8dB）。此外，RFPAL器件已经由数个广泛使用的PA（A类，AB类和Doherty）进行了评估，使其成为一种“即插即用”解决方案，从而简化了设计并缩短了开发时间。它导致缩短和降低风险。

该IC是因为它已经在9毫米×9毫米QFN封装被提供，所述溶液（电源，散热片，包括外壳）的整体尺寸是6.5厘米2需要。此外，在高达6 GHz的应用中，如有必要，可以使用混频器对线性化的PA信号进行上变频。

构建5G通信设备所需的条件

需要5G通信设备以更高的带宽和效率运行。所用功率放大器的线性和效率对于满足这些要求至关重要。

这次，我们介绍了一些最常用的PA线性化技术已证明将DPD用作有源线性化技术可改善整体线性度和效率。

但是，DPD是一种复杂的方法，会导致整个系统的功耗增加以及解决方案的增加。总之，较小的即插即用RFPAL IC可以提供一种更简单的低功耗线性化技术。该IC可提高高达100MHz输入信号带宽的PA效率。该器件适合在各种应用中用于各种架构（A类/ AB类/ Doherty），工艺（GaAs，GaN，InGa）和频率（698MHz至3.8GHz）的PA中。该设备是5G基础设施等应用的理想选择。