功率放大器模块及其在5G设计中的作用

RF 功率放大器对于维持可靠的远距离通信是必不可少的。（来源：Qorvo）

5G 是无线通信领域有史以来最重要、最强大的技术之一。与 4G 相比，5G 在数据速率、延迟和容量方面有了显着改进，有望成为行业和世界真正的变革性技术。

然而，这些根本性的性能改进对底层射频 (RF) 硬件产生了更大的压力和更严格的要求。最重要的射频硬件之一是功率放大器 (PA)，该设备的重要性随着 5G 的普及而增加。为了帮助缓解 5G RF PA 设计的挑战，功率放大器模块 (PAM) 已成为近年来的重要工具。

在本文中，我们将讨论 PA、它们在 5G 中的作用，以及 Qorvo 如何利用 PAM 来帮助支持未来的 5G 基础设施。

什么是功率放大器？

在处理 RF 信号时，尤其是在 5G 的较高频段，电压电平可能会非常低。这是一个挑战，因为电磁 (EM) 信号在较低的振幅下更容易受到系统级噪声的影响（即信噪比降低）。除此之外，低压信号通常缺乏驱动下游电路或天线所需的强度。

为了应对这些挑战，工程师使用功率放大器。RF PA 是一个电路块，用于增加 RF 信号的幅度、功率输出或驱动能力。通常，RF PA 位于系统天线附近，为发射天线提供高功率信号。

使用 PA，目标是增强信号，同时保持从输入到输出的高保真度。由于这些原因，线性度、效率和输出功率是 PA 的重要规格。

功率放大器设计挑战

从历史上看，功率放大器及其周围电路是使用电路板上的分立元件设计的。虽然这种方法已为行业服务多年，但随着一些重要的设计挑战的出现，这种方法的功效正受到质疑。

这些挑战之一是能够平衡面积、成本、性能和功耗之间的权衡。通常，这些规范往往会相互冲突，设计人员必须知道如何优化他们的电路，以针对给定应用以最佳方式平衡权衡。当使用分立元件时，由于零件选择、元件互操作性和布局影响性能等考虑因素，平衡这些权衡变得越来越困难。

当系统需要覆盖更宽的带宽和更高的频率范围时，这在转向 5G 时会变得更加混乱。今天的系统需要高达 400MHz 的平均瞬时带宽，同时在高达 4GHz 的频率下运行。现在的挑战是保持上述系统权衡，同时在该频带上提供性能。

使用 PAM 的解决方案

为了应对这些挑战，Qorvo 转向了 PAM。

PAM 是一种电子元件，它将 PA 中的分立元件及其周围电路集成到单个封装解决方案中。例如，在 5G 基站的应用中，PAM 可能会将驱动放大器和末级放大器集成到一个封装中，而不是将它们实现为分立的电路块。通过将整个 PA 系统集成到单个模块中，我们可以获得许多重要结果（图 1）。

图 1：Qorvo QPA4501 PAM 包含一个 Doherty 末级以实现高功率和高效率。（来源；Qorvo）

首先，PAM 使射频系统（例如基站）的设计比分立式选项容易得多。设计人员无需选择组件和设计分立电路，而是可以选择适合其需求的模块并将其作为一个整体在系统中实施。

除此之外，与非模块解决方案相比，PAM 可以提供改进的性能和面积。通过集成组件，可以最大限度地减少寄生效应等布局问题，从而提高性能和效率。Qorvo PAM 还为设计人员解决了阻抗匹配等考虑因素，确保可获得最大性能。

最后，这种集成平均允许更小的系统，从而为用户在最终系统设计中节省重量和面积。

Qorvo 的 PAM 专业知识

Qorvo 提供业界最大、最具创新性的GaN-on-SiC产品组合，帮助用户实现卓越的效率和工作带宽。GaN-on-SiC 产品具有高功率密度、更小的尺寸、出色的增益、高可靠性和工艺成熟度。Qorvo 认识到 PAM 在未来5G系统设计中的重要性，并致力于将行业领先的解决方案推向市场。Qorvo 的 PAM 旨在提供功率、效率、尺寸和成本的平衡，同时让用户的设计尽可能简单。

作者

Shawn Gibb 是 Qorvo 基础设施和国防产品业务部 (IDP) 的 5G 基站产品高级产品线经理。他在产品开发、材料和设备技术开发方面拥有丰富的经验。Shawn 拥有史蒂文斯理工学院的化学工程学士学位和材料工程硕士学位，并在 III 族氮化物材料和器件技术方面拥有 29 项专利。在 2019 年加入 Qorvo 之前，Shawn 曾在 Akoustis、Crystal IS、RFMD 和 Emcore 公司工作。

审核编辑：汤梓红