用于工业应用的射频设备

计算系统的日益普及正在增加网络流量，随之而来的是在全球范围内持续实施 5G 等下一代无线标准。芯片供应商机会巨大，尤其是射频半导体制造商。一些分析师估计，未来 3 年基站的复合年增长率为 12%，电信回程的复合年增长率为 5%。国防应用也为射频功率器件提供了绝佳的机会，因为它们倾向于用利用 GaAs 和 GaN 的固态技术取代旧设计。

5G 无线移动网络承诺超低延迟、更高的数据速率和更大的用户容量，但它们需要新的和改进的射频设备，包括放大器和收发器，以提供更高的集成度和更低的功耗。

由于移动计算设备的日益普及，网络流量呈指数级增长。因此，全球不断推出 5G 等下一代无线标准。随着数字化变得更便宜且耗电更少，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 (CAGR) 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 预计所需功率放大器的数量将增加 32 至 64 倍，反过来，在五年周期内，这可能会使该市场的经济价值增加 3 倍以上。 5G 基础设施的投资，并根据预测，将每个放大器的成本降低 10 到 20 倍。

5G无线移动

第 5 代 (5G) 无线移动网络将运行在 24 GHz 至 95 GHz 之间，并将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要快速设计和构建 5G 和物联网 (IoT) 产品以争夺市场份额，需要付出巨大的努力和压力。

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) 和频谱发射模板 (SEM)。为了测试集成在电路板上或外壳内部的天线，需要使用空中 (OTA) 测量。

两个最大的挑战是电磁干扰 (EMI) 和电磁兼容性 (EMI)，这需要避免电磁效应的技术，但也需要在热是关键设计因素的关键任务操作中避免整个设备和设备故障。

波束赋形是可以帮助支持 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，减少可能的障碍物造成的干扰和功率损耗。

必须使用先进的 GaN 技术来提高这些创新频段的网络基础设施的可用输出功率和能源效率。

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中运行，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。

未来，为了保证毫米波频段的数据能够顺畅地跨频段流动，必须通过保持低能耗来提高基站的输出功率，从而降低电力成本。

电子设备和基于 GaN 的系统的能效明显高于传统硅 (Si)。GaN 是一种可确保 3.4 eV 的高带隙的材料，而等效的硅基器件可实现 1.12 eV。宽带隙允许器件在断裂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。

业界使用了多种放大器架构来实现更高的效率。例如，Doherty 放大器架构保证了具有高平均峰值比（高峰均值、PAR 或 PAPR）的输入信号具有极高的功率效率。Doherty 放大器通常用于必须线性放大可变幅度信号的情况。

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不同的驱动不同相位信号的放大器。

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它以最大功率运行。

与 DC/DC 转换器提供固定电压的典型功率放大器不同，包络跟踪系统使用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，可以在任何 LTE 带宽的信号下在高水平上提高系统效率（图 1）。

图 1：包络跟踪放大器的框图。

随着具有更短栅极长度的 GaAs 和 GaN 器件的问世，再加上新的设计技术，现在可以安全运行至毫米波波长的新器件面世，开启了 10 年前难以想象的新应用（图 1）。 2）。

图 2：MAAP-011233 的应用示意图。（图片：MACOM）

一个例子是 MACOM MAAP-011233，这是一款 4 瓦、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 饱和输出功率和 27.5% 的效率，具有 6 V 极化。该产品采用 pHEMT GaAs 工艺制造，可提供完全钝化以提高可靠性。

　　审核编辑：汤梓红