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5G帶給PA的一些新轉變

5G 無線革命正在給 RF 設計領域帶來巨大的變化,手機和無線電基站的功率放大器也不例外。首先,5G 無線應用中的功率放大器芯片與 4G 網絡中使用的功率放大器芯片大不相同。


這主要是因為 5G 傳輸的寬帶調制需要功率放大器提供更高效率和更嚴格線性度;此外,5G 網絡將采用相控陣列天線聚焦和操縱多個波束,這就對能夠在多個波束之間劃分傳輸任務的能力有了極高的要求。


例如,對于一個 4×4 陣列的相控陣天線,其功率放大器的功率必須比放大當前蜂窩系統中使用的單波束全向信號所需的放大器功率低得多。


值得一提的是,5G 網絡最初是在 Sub-6GHz 的頻率范圍內實現的。然而,5G 的真正商業前景會在包括 24 GHz,28 GHz 和 39 GHz 頻段等毫米波(mmWave)波段上體現。換而言之,mmWave 也將給 RF 設計帶來嚴峻的挑戰。


因此,在密集部署環境中為各種設備提供服務的多輸入多輸出(MIMO)天線將需要具有高效率和嚴格線性度的功率放大器芯片。具有眾多 RF 前端的相控陣 MIMO 天線還需要更高集成度的功率放大器,進一步降低芯片的方案的成本。


關于這種現狀,我們可以從包括 PA 模塊,PA 雙工器,開關功率放大器和雙工器(S-PAD),PA 模塊集成雙工器(PAMiD)和總無線電模塊(TRM)的 PA 設備上一覽無遺。


新的集成里程碑


PA 模塊已經成為集成的基石,因為它的存在進一步減少了 5G RF 前端的部件數量。5G 網絡具有更多頻段,并且要求 PA 模塊中提供更多的 RF 開關,濾波和功率放大元件。因此,隨著 5G 網絡的發展,PA 模塊的復雜性將不斷增加。


在 4G 無線領域,將能覆蓋多個頻段和技術的元器件集成中一個 PA 模組中的壓力已經迫使許多小型供應商破產。到了 5G 時代,將更多元件封裝到 PA 模塊中的壓力可能會進一步增加。


 

A view of power amplifier circuitry for sub-6 GHz communications. Image: Qorvo


作為 5G PA 模塊的主要供應商,Qorvo 也正在迎接 5G 功率放大器帶來的挑戰。2016年,他們就與線性化軟件開發商 NanoSemi 建立了合作。希望借助 NanoSemi 基于機器學習的數字預失真(DPD)算法來增強 Qorvo 的 PA 模塊,確保功率放大器中的超寬帶線性化。


多載波配置對為多頻段 5G 設計提供服務的功率放大器提出了嚴峻挑戰,而 NanoSemi 的數字補償技術可幫助功率放大器根據可用資源調整功率和容量要求。


PA 的基礎技術


與 4G 的另一個有價值的比較涉及功率放大器的基礎技術。


在 4G 時代,砷化鎵(GaAs)一直是功率放大器芯片制造的領先技術。這是因為 GaAs 可以輕松支持功率放大器所需的高電壓。在無線行業跨進了 Sub-6 GHz 通信之后,GaAs 器件同樣也還能占主導地位,但新型半導體解決方案正在爭奪 mmWave PA 制造中的一席之地。


The block diagram showing an RF front-end module for mmWave RF design. Image: Qorvo


例如,加利福尼亞大學圣地亞哥分校(UCSD)開發的一種新型射頻絕緣硅(SOI)技術正在掀起波浪。他們將硅基晶體管串聯起來,以在功率放大器中實現更高的電壓。堆疊晶體管(串聯排列的四個晶體管)能為 5G 功率放大器提供必要的輸出功率。晶體管的堆疊不僅增強了整體電壓處理,還消除了與體效應和襯底電容相關的寄生問題。


5G 功率放大器的其他候選者包括氮化鎵(GaN)和硅鍺(SiGe)。GaN 技術依賴于在容量和熱效率等方面的優勢來提高 PA 性能,效率和功率。根據 YoleDéveloppement 的說法,GaN 器件的 RF 市場預計將從 2017年的 3.8 億美元增長到 2023年的 13 億美元。


5G 設計世界處于不穩定狀態,正如本文所示,功率放大器芯片完全是這種轉變的一部分。同樣顯而易見的是,5G 容量革命之旅將影響功率放大器設計的所有主要方面:物理尺寸,效率,線性度和可靠性。 



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