浅析5G系统对蜂窝无线的功率放大器设计

Wolfspeed RF GaN 满足 5G 对功率放大器设计的需求

自 2014 年首次用于 4G LTE 射频拉远头（RRH）以来，凭借更高的效率、功率密度和更宽的带宽能力，GaN 在蜂窝功率放大器设计中的使用一直在稳步增加。这些优势现在正被用于 6 GHz 以下频段或 5G 的 FR-1 频段。在这些频段中，碳化硅基氮化镓（GaN on SiC） 正在取代 LDMOS。

▲ 图1：GaN 固有的更优异高频和更宽带宽性能是 

5G NR 频段的理想选择

      #1       Wolfspeed 引领市场

自 20 多年前在业界率先推出 GaN on SiC HEMT 以来，Wolfspeed 一直都在致力于通过提供 GaN on SiC 产品，从而有效地替代各种应用（如图 1 所示）中 LDMOS 部件，支持并推动这一市场的发展。作为唯一的垂直集成 GaN 和 SiC 制造商，公司正持续投资开发满足市场需求的产品和工艺，可用于 DC - 40 GHz 范围内的各种频段以及 28 V、40 V 和 50 V 偏置电压，从而在竞争中处于领先地位。

Wolfspeed 的 GaN on SiC 元器件能够更好地实现 5G 增益，使射频设计人员能够满足更高线性化、更高功率密度和改进导热性的应用要求。

      #2       5G 的苛刻要求

尽管 5G 提升了带宽，但其更高的频率更容易造成信号衰减。由于更高的带宽会导致更低的信噪比（SNR），增加带宽并不会导致容量的线性增加。解决这一问题的一种方法是提高信号强度，这意味着增加发射机功率、天线数量和基站数量，5G部署通常就是这样。   然而，运营商希望以最小的基站尺寸、最低的成本和尽可能低的功耗实现所有这些。因此，射频系统设计人员既面临来自 5G 标准要求的技术压力，也面临必须满足的运营商的商业需求。  

▲ 图2：5G 系统对蜂窝无线的功率放大器设计提出了严格要求

      #3      

功率放大器面临的挑战

受 5G 无线要求影响的功率放大器的主要设计领域包括：

对更高功率和更小封装的要求

Doherty 架构中的线性化放大器效率的提升

高达 280 MHz 的瞬时带宽（IBW）要求，并正朝着超过 400 MHz 的方向发展

放大器用于新频段的分数带宽增加到：

n41：194 MHz（7.5%）

n78：500 MHz（14%）

n79：600 MHz（12/%）

n77：900 MHz（24%）

更严格的频谱发射掩模（SEM）要求

与数字预失真（DPD）系统的协同操作

5G 使用 256-QAM 调制方案，其多载波信号具有非常高的峰均功率比（PAPR）。如果将放大器设计为在峰值水平下高效地线性运行，则其在平均功率水平的效率通常较低。此外，高 PAPR 信号倾向于在放大器的压缩区域运行。由于动态范围限制和其他非线性带来的信号削波会导致失真和干扰，通常以误差矢量幅度（EVM）来测量。5G 的 256-QAM 设计需要 <3.5% 的低 EVM，同时新设计的 1024-QAM 将会增加设计挑战。

为了满足上述富有挑战性的要求，设计人员有几种选择，其中最常考虑的是 GaN on SiC 技术。

该设计可以采用 Doherty 放大器配置，在整个放大器内包含两个放大器电路，以适应不同的信号电平。这可以提高效率和线性度，因为设计人员不需要显著增加功率回退。

Doherty 放大器可以与数字预失真（DPD）结合，以线性化功率放大器。对于因先前提到的信号压缩而导致失真的信号部分，这使得功率放大器能够在非线性区域中运行。结果就是更高的输出功率、更高的功率效率和高线性度。

另一项技术是通过调制漏极电源来保持恒定增益。对于射频 GaN 功率放大器，该方法可以实现显著的线性改善。然而，LDMOS 增益不会随漏极偏压而充分变化，从而无法从该技术获得显著的益处。[1]

与 LDMOS 相比，GaN HEMT 的输入电容 Cgs 更低，可以降低幅度调制到相位调制（AM-PM）失真。[2]

GaN HEMT 的较低 Cgs 与较低的输出电容 Cds 以及较高的输入和输出电阻相结合，可以使宽带匹配网络结构更简单，损耗更低。

利用 GaN 的高频性能来实现 5G 所需的更宽 IBW 和频宽比。

      #4      

全新 Wolfspeed HEMT 助力解决功率放大器设计难题

Wolfspeed 的四种新型高功率 Doherty 晶体管实现了 GaN on SiC 用于蜂窝发射机放大器的优势。这一最新一代 48 V 产品的目标频率为 2.3 GHz 以上至 4 GHz，可实现 5G 所需的高性能放大器，并为设计人员提供设计低成本、更小和绿色蜂窝无线所需的灵活性。所有四款产品均采用无耳法兰的散热增强封装。

GTRB246608FC：2300 - 2400 MHz HEMT 提供 49.3 dBm 的 POUT(avg)、57.8 dBm 的 Psat、52% 的效率和 15 dB 的增益，以及 100 MHz 的宽 IBW。

GTRB266908FC：用于多标准蜂窝功率放大器 的 500 W (P3dB)、2515 - 2675 MHz RF GaN on SiC HEMT 在 P3dB 时提供 549 W 的 POUT 和 69.2% 的效率。它提供 50.1 dBm 的 POUT(avg)、57.8 dBm 的 Psat、48% 的效率、15 dB 的增益，以及更高的 194 MHz IBW。

GTRB384608FC：对于 440 W POUT @ P3dB，这个器件可在 3300 - 3800 MHz 频率范围内进行设计，提供 47.5 dBm 的 POUT(avg)、56.1 dBm 的 Psat、42% 的效率、13 dB 的增益和 200 MHz 的 IBW。  

GTRB424908FC：GTRB424908FC 在 3700 - 4000 MHz 的高频段运行，具有 450 W (P3dB) 的 GaN HEMT，47.5 dBm 的指定 POUT(avg)、56.1 dBm 的 Psat、40% 的效率、13 dB 的增益，以及 280 MHz 的大 IBW。

Wolfspeed 为电信系统提供广泛的 GaN on SiC 晶体管组合，支持所有全球标准和频段。立即查询适合 5G 功率放大器设计的新产品和更多解决方案。   参考资料：

Cripps, et al., The benefit of GaN characteristics over LDMOS for linearity improvement using drain modulation in power amplifier system (https://ieeexplore.ieee.org/document/5773334)

Sáez, et al., LDMOS versus GaN RF Power Amplifier Comparison Based on the Computing Complexity Needed to Linearize the Output. Electronics (https://www.researchgate.net/publication/336970919_LDMOS_versus_GaN_RF_Power_Amplifier_Comparison_Based_on_the_Computing_Complexity_Needed_to_Linearize_the_Output)

编辑：黄飞