射频功率器件在无线移动设计中取得进步

由于移动计算设备的日益普及，网络流量正以指数速度增长。因此，5G 等下一代无线标准在全球范围内不断推出。随着数字化变得更便宜和更省电，具有更高采样率的更高级别数字解决方案的实施正变得越来越普遍。

因此，芯片供应商拥有巨大的机会，尤其是射频 （RF） 半导体制造商。一些分析师估计，未来三年基站的复合年增长率 （CAGR） 为 12%，电信回程的复合年增长率为 5%。由于业界倾向于用利用砷化镓 （GaAs） 和氮化镓 （GaN） 技术的固态器件取代旧设计，国防应用也为射频功率器件提供了绝佳机会。

例如，MACOM 预计所需的功率放大器数量将增加 32 倍至 64 倍，这反过来又会使该市场的经济价值在 5 年周期内增加 3 倍以上。 5G 基础设施的投资，并且根据预测，每个放大器的成本将降低 10 倍至 20 倍。

5G 无线移动 第 5 代 （5G） 无线移动网络的运行频率为 24 GHz 至 95 GHz，能够通过安全可靠的连接提供超低延迟。它承诺为高清 4K/8K 流媒体电视等应用提供高速无线连接。这意味着射频和微波工程师在快速设计和构建 5G 和物联网 （IoT） 产品以争夺市场份额方面付出了巨大的努力和压力。

与之前的 3G 和 4G LTE 实施相比，5G 引入了许多架构复杂性，主要是由于巨大的多输入多输出 （MIMO） 天线配置。

毫米波 （mmWave） 设备最重要的测试之一是传播损耗。目前，工程师通过进行一系列测试来验证收发器的性能，例如误差矢量幅度（EVM）、占用带宽（OBW）和光谱发射模板（SEM）。为了测试集成在电路板上或外壳内部的天线，使用无线 （OTA） 测量。

最大的两个挑战是电磁干扰 （EMI） 和电磁兼容性 （EMI），这需要在热量是关键设计因素的关键任务操作中避免电磁效应以及设备和设备整体故障的技术。

波束成形是可以帮助支持 5G 网络的高速、低延迟和可靠性要求的技术之一。波束成形是指在传输天线和最终用户之间创建路径的最有效方式，以减少可能的障碍物造成的干扰和功率损失。

通过使用先进的 GaN 技术，为这些创新频段提高网络基础设施的可用输出功率和能源效率至关重要。

射频放大器 5G 无线电设备必须在传统蜂窝频段以及其他微波和毫米波频段运行，管理复杂的调制方案，展示低能耗并实施新技术。基站是蜂窝网络的交叉点；它们记录无线电小区的传输数据并传输它们。

为保证未来毫米波频段的数据流畅流动，必须通过保持低能耗来提高基站的输出功率，同时降低用电成本。

电子设备和基于 GaN 的系统比传统的硅 （Si） 更节能。GaN 是一种可确保 3.4 eV 的高带隙的材料，而同等的硅基器件则为 1.12 eV。宽禁带允许器件在中断发生之前支持比硅对应物（相同尺寸）高得多的电场，因此，器件变得无法使用。

无线通信系统的主要部件是发射机中的功率放大器。高速网络中使用的高级数字调制技术需要高效放大器，以避免可能降低信号质量的互调失真。

业界使用多种放大器架构来实现更高的效率。例如，Doherty 放大器架构通过具有高平均峰值比（高峰均比、PAR 或 PAPR）的输入信号保证极高的功率效率。Doherty 放大器通常用于必须对可变幅度信号进行线性放大的情况。

富士通和恩智浦等许多公司使用另一种称为“异相”的技术来提高放大器的效率。它结合了两个非线性射频放大器和两个驱动不同相位信号的不同放大器。

正确选择无源元件的设计技术允许设计人员针对确定的输出幅度优化系统，从而提高效率。

RF 放大器设计人员的另一个设计因素是包络跟踪，其中不断调整施加到功率放大器的电压以确保其以最大功率运行。

与 DC/DC 转换器提供固定电压的典型功率放大器不同，包络跟踪系统以高带宽和低噪声波形调制电源与放大器的连接，与信号实时同步信封。包络跟踪是一种射频功率管理技术，它可以在任何 LTE 带宽的信号下以高水平提高系统效率（图 1）。

图 1：包络跟踪放大器的框图。

随着栅极长度减小的 GaAs 和 GaN 器件的问世，再加上新的设计技术，现在可以使用可以安全运行至毫米波长的新器件，开辟了 10 年前难以设想的新应用（图 1）。 2 ）。

一个例子是 MACOM MAAP-011233，这是一款 4 W、四级功率放大器，组装在无铅 32 毫米 AQFN 塑料容器中。该功率放大器的工作频率范围为 28.5 GHz 至 31 GHz，提供 26 dB 的线性增益、4 W 的饱和输出功率和 27.5% 的效率，极化电压为 6 V。该产品采用 pHEMT GaAs 工艺制造，可提供完全钝化以提高可靠性。

图 2：MAAP-011233 的应用示意图。（图片：MACOM）

天线收发器 RF 收发器被用于许多应用领域，这得益于随着 5G 的出现，数字化程度的提高、智能手机的大量采用以及电信领域的先进设备。5G 在国防、汽车和交通等多个领域的推广将为全球射频收发器带来巨大的市场潜力。

下一代 5G 基站的一个基本特征是实施 MIMO 技术的能力。MIMO 使用多个天线，每个天线都有自己的收发器，以在相同的带宽内传输多个数据流。这提高了频谱效率，从而提供了更高的数据速率和更大的用户容量。

这导致接收器和收发器芯片的电路集成度更高，以实现更低的功耗和更小的整体尺寸。这样，收发器芯片可以安装在天线元件附近。

一个例子是 Analog Devices 的 ADMV1013 和 ADMV1014，这是一对高度集成的微波上变频器和下变频器。这些 IC 在 24 GHz 至 44 GHz 的 50-Ω 匹配的宽频率范围内工作，简化了设计并降低了创建能够覆盖所有 5G 毫米波段（包括 28 GHz 和 39 GHz）的单一平台的成本（图 1）。 3）。

该芯片组包括电压可变衰减器、发射功率放大器驱动器（在上变频器中）和接收低噪声放大器（LNA）（在下变频器中）、带有 ×4 倍频器的 LO 缓冲器和可编程跟踪滤波器。大多数可编程功能通过 SPI 串行接口进行控制。

图 3：ADMV1013 的功能框图。（图片：模拟设备）

其他高度集成的解决方案是德州仪器公司的 AFE7444 和 AFE7422 射频采样收发器，可用于雷达、软件定义无线电和无线 5G 应用。每个设备最多可支持 8 根天线和 16 个射频频段。每个器件都集成了四个 14 位模数转换器 （ADC） 和四个 14 位数模转换器 （DAC）。这些单元可以对 DAC 进行每秒 9 千兆样本 （GSPS） 的采样，对 ADC 进行高达 3 GSPS 的采样。启用了 C 波段中输入频率的直接采样，并且无需进一步的频率转换级别（图 4）。

图 4：AFE7444 的功能框图。（图片：德州仪器）

结论 为了让移动网络在未来的智慧城市中支持高数据速率，它需要一种能够处理大量数据的快速、反应性和稳定的协议——它需要 5G！传输前端的线性度和能效是相互矛盾的要求，需要为当前和未来的移动系统提供创新的解决方案。用于功率半导体的 GaN 技术有助于显着提高射频放大器的性能水平，减少寄生元件，从而减少噪声源。

审核编辑：彭静