5G无线电中功率放大器的变化

作者：Majeed Ahmad

5G无线革命正在给射频设计领域带来巨大变化，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网络中采用的功率放大器芯片大不相同。

这主要是因为5G传输的宽带调制要求功率放大器具有高功率效率和严格的线性度。此外，当5G网络将采用相控阵天线来聚焦和引导多个波束时，真正重要的是在多个波束之间分配传输任务的能力。

例如，对于由4×4阵列组成的相控阵天线，功率放大器的工作功率必须比放大蜂窝系统目前使用的单波束全向信号所需的功率低得多。

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的真正前景来自于24 GHz、28 GHz和39 GHz频段毫米波（mmWave）通信的商业实现。因此，虽然厘米波（cm-Wave）5G系统可能首先在sug-6 GHz系统上进入市场，但它们的毫米波对应物将挑战RF设计规范。

因此，在密集部署环境中为各种设备提供服务的多输入多输出（MIMO）天线将需要具有高功率效率和严格线性度的功率放大器芯片。具有众多RF前端的相控阵MIMO天线也将需要功率放大器，以更低的成本提供更高的集成度。

这种困境可以在新的PA器件中看到，这些器件包括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）和总无线电模块（TRM）。

新的集成里程碑

PA模块已经是集成的基石，进一步减少了5G RF前端的部件数量。5G 网络具有更多频段，这要求在 PA 模块中使用更多的射频开关、滤波和功率放大元件。因此，随着5G网络的发展，PA模块的复杂性将继续增加。

在4G无线领域，将几乎整个涵盖多个频段和技术的RF前端放入几个PA模块的压力已经迫使许多较小的供应商倒闭。不可避免地，在5G领域，将更多电路封装到PA模块中的压力可能会增加。

图 2：用于 6 GHz 以下通信的功率放大器电路视图。图片：科尔沃

因此，恩智浦半导体正试图通过将更小、更轻的有源天线系统与服务于射频功率的多芯片模块（MCM）相结合，简化MIMO和大规模MIMO（mMIMO）系统的无线电电源解决方案。这些射频功率放大解决方案在显著提高集成度的同时，跨越了低于 6 GHz 至 40 GHz 的频段，同时促进了从毫瓦到千瓦的电源供应。

用于 5G 设计的 PA 模块供应商 Qorvo 也在热身以应对 5G 功率放大器面临的挑战。2016年，这家射频芯片制造商与线性化软件开发商NanoSemi携手合作。此次合作旨在通过NanoSemi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的挑战，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NI（NI）合作，使设计人员能够验证和优化5G功率放大器的性能，以应对不断增长的带宽和功率效率需求。该测试解决方案使 5G 设计人员能够深入了解功率放大器在极端线性化条件下的性能参数。

PA的底层技术

与4G的另一个有价值的比较涉及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。这是因为砷化镓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砷化镓器件可能占主导地位的sub-6 GHz通信，新一代半导体解决方案就会在毫米波体系中争夺一席之地。

图 3：用于毫米波 RF 设计的 RF 前端 模 块 框图。

例如，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）开发的一种新型RF绝缘体上硅（SOI）技术正在掀起波澜，将硅基晶体管串联在一起，以实现功率放大器中的更高电压。堆叠晶体管（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基板电容相关的寄生问题。

5G功率放大器的其他候选产品包括氮化镓（GaN）和硅锗（SiGe）。GaN技术通过促进具有更大容量和热效率的多个数据流的传输来增强PA的性能，效率和功率。根据Yole Développement的数据，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设计世界正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型的一部分。同样明显的是，5G容量革命的旅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。