5G无线电中功率放大器的变化

5G 无线革命正在给射频设计领域带来巨大的变化，手机和无线电基站的功率放大器也不例外。首先，5G 无线应用中的功率放大器芯片将与 4G 网络中使用的功率放大器芯片大不相同。

这主要是因为 5G 传输的宽带调制需要功率放大器的高功率效率和严格的线性度。此外，当 5G 网络要使用相控阵天线来聚焦和控制多个波束时，真正重要的是在多个波束之间划分传输任务的能力。

例如，对于包含 4×4 阵列的相控阵天线，功率放大器的工作功率必须远低于放大当前蜂窝系统中使用的单波束全向信号所需的功率。

图 1：功率放大器是手机和蜂窝基站射频前端设计的一个组成部分。图片：高通

这里值得一提的是，5G 网络最初是在 6 GHz 以下的频率范围内实施的。然而，5G 的真正承诺来自于 24 GHz、28 GHz 和 39 GHz 频段中毫米波 （mmWave） 通信的商业实现。因此，虽然厘米波 （cm-Wave） 5G 系统很可能首先在 sug-6 GHz 系统上进入市场，但它们的毫米波对应物将挑战射频设计规范。

因此，在密集部署环境中服务于各种设备的多输入多输出 （MIMO） 天线将需要具有高功率效率和严格线性的功率放大器芯片。具有大量射频前端的相控阵 MIMO 天线也需要能够以更低的成本提供更高集成度的功率放大器。

这种困境可以在包括 PA 模块、PA 双工器、开关功率放大器加双工器 （S-PAD）、PA 模块集成双工器 （PAMiD） 和全无线电模块 （TRM） 在内的新型 PA 设备中看到。

新的集成里程碑

PA 模块已经是集成的基石，正在进一步减少 5G 射频前端的部件数量。5G 网络具有更多频段，这就要求 PA 模块中有更多的射频开关、滤波和功率放大元件。因此，随着 5G 网络的演进，PA 模块的复杂性将不断增加。

在 4G 无线领域，将涵盖多个频段和技术的几乎整个射频前端放入几个 PA 模块的压力已经迫使许多较小的供应商停业。不可避免地，在 5G 领域，将更多电路装入 PA 模块的压力可能会增加。

图 2：用于 6 GHz 以下通信的功率放大器电路视图。图片：Qorvo

因此，NXP Semiconductors 正试图通过将更小、更轻的有源天线系统与提供射频功率的多芯片模块 （MCM） 相结合，简化 MIMO 和大规模 MIMO （mMIMO） 系统的射频功率解决方案。这些射频功率放大解决方案在显着提高集成度的同时，涵盖了从 6 GHz 以下到 40 GHz 的频带，同时促进了从毫瓦到千瓦的电源供应。

面向 5G 设计的 PA 模块供应商 Qorvo 也在为 5G 功率放大器面临的挑战做好准备。2016年，RF芯片制造商与线性化软件开发商NanoSemi合作。此次合作旨在通过 NanoSemi 的基于机器学习的数字预失真 （DPD） 算法增强 Qorvo 的 PA 模块，从而确保功率放大器的超宽带线性化。

多载波配置对服务于多频段 5G 设计的功率放大器提出了严峻挑战，而 NanoSemi 的数字补偿技术可帮助功率放大器根据可用资源调整到功率和容量要求。

NanoSemi 还与自动化测试和测量解决方案供应商美国国家仪器 （NI） 展开合作，让设计人员能够验证和优化 5G 功率放大器的性能，以应对不断增加的带宽和功率效率需求。该测试解决方案让 5G 设计人员能够深入了解极端线性化条件下功率放大器的性能参数。

PA的底层技术

与 4G 的另一个值得比较的是功率放大器的底层技术。在4G领域，砷化镓（GaAs）一直是功率放大器芯片中的领先技术。这是因为 GaAs 可以轻松支持功率放大器所需的高电压。然而，一旦无线行业超越了 GaAs 设备可能占主导地位的 sub-6 GHz 通信，一种新型的半导体解决方案正在争夺毫米波领域的一席之地。

图 3：显示用于毫米波射频设计的射频前端模块的框图。图片：Qorvo

例如，加利福尼亚大学圣地亚哥分校 （UCSD） 开发的一种新的 RF 绝缘体上硅 （SOI） 技术正在掀起波澜，用于将硅基晶体管串联起来以在功率放大器中实现更高的电压。堆叠的晶体管（串联排列的四个晶体管）为 5G 功率放大器提供必要的输出功率。晶体管的堆叠不仅提高了整体电压处理能力，还消除了与体效应和衬底电容相关的寄生问题。

5G 功率放大器的其他候选者包括氮化镓 （GaN） 和硅锗 （SiGe）。GaN 技术通过促进具有更高容量和热效率的多个数据流的传输来增强 PA 性能、效率和功率。据 Yole Développement 称，GaN 器件的射频市场预计将从 2017 年的 3.8 亿美元增长到 2023 年的 13 亿美元。

5G 设计世界处于不断变化的状态，正如本文所示，功率放大器芯片完全是这一转变的一部分。同样显而易见的是，5G 容量革命的进程将影响功率放大器设计的所有主要方面：物理尺寸、效率、线性度和可靠性。

审核编辑：郭婷