功率放大器模块及其在5G设计中的作用

作者：Shawn Gibb，Qorvo 5G基站产品高级产品线经理

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在数据传输速率、延迟和容量方面均实现了显著提升，有望成为影响业界乃至全球的真正变革性技术。

然而，这些根本性的性能改进给底层射频(RF)硬件带来更大的压力，也提出更严格的要求。功率放大器(PA)作为RF硬件中最重要的器件之一，其重要性亦伴随5G的普及而与日俱增。为帮助化解5G RF PA的设计挑战，功率放大器模块(Power Amplifier Modules, PAM)近年来已成为一种重要工具。

在这篇文章中，我们将讨论PA和它们在5G中的作用，以及Qorvo如何利用PAM助力未来的5G基础设施。

什么是功率放大器？

在处理RF信号时，尤其在5G的高频段，信号电平可能非常低。这种情况带来了一定挑战，因为电磁(EM)信号在较低的幅度下更容易受到系统级噪声的影响(即导致信噪比降低)。此外，较低的电压信号通常不足以缺乏驱动后续电路或天线。

工程师们利用PA来应对这些挑战。RF PA作为用于提高RF信号幅度、输出功率或驱动能力的电路模块，通常位于系统天线附近，从而为发射天线提供大功率信号。

使用PA的目的在于增强信号，同时保持信号从输入到输出的高保真度。因此，线性度、效率和输出功率是PA的重要指标。

PA的设计挑战

长期以来，人们在电路板上使用分立元件来设计PA及其周边电路。尽管这种方法多年来一直为该行业所采用；然而，随着一些非常规设计挑战的出现，这种方式的有效性受到了质疑。

其中一个挑战是如何在面积、成本、性能和功耗之间取得平衡。一般来说，这些参数相互之间存在冲突，设计人员必须知道如何优化电路，以在特定应用中以最佳的方式权衡取舍。当使用分立元件时，由于元器件选择、组件互用性及布局等因素会对性能造成影响，在这些权衡因素间取得平衡变得越来越困难。

在向5G的演进中，这一情况变得更为复杂，因为系统需要覆盖更宽的带宽和更高的频率范围。如今的系统在工作频率高达4GHz的同时，需要具备高达400MHz的平均瞬时带宽。因此，所面对的挑战在于既要在这个频段上达成前文所提到的系统权衡，又要同时保持性能。

采用PAM的解决方案

为应对这些挑战，Qorvo将目光转向PAM。PAM是将PA及其周边电路的分立元件集成至单个封装解决方案中的电子器件。

例如，在5G基站应用中，PAM可以将驱动放大器和末级放大器集成到单个封装中，而不是将它们作为分立的电路模块实现。通过将整个PA系统集成到单个模块，我们可以获得许多重要的成果，如下图所示。

Qorvo QPA4501 PAM产品集成一个Doherty 末级放大器，可实现高功率及高效率

首先，PAM使基站等RF系统的设计相比分立方案更为简化。设计人员无需挑选元件和设计分立电路，便可选择适合自己需要的模块，并将其作为一个整体在系统中实施。

除此之外，与非模块化解决方案相比，PAM还带来更卓越的性能与更小的面积。通过集成元件，可将寄生效应等布局问题将至最低，从而获得更高的性能与效率。Qorvo的PAM还同时为设计人员解决了阻抗匹配等问题，确保最高性能的达成。

最后，这种集成方式使系统平均体积更小，为用户的最终系统设计节省了重量和面积。

Qorvo的PAM专业技术

Qorvo提供业界最庞大、最具创新性的碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)产品组合，帮助用户实现卓越的效率和操作带宽。GaN-on-SiC产品具有功率密度高、尺寸小、增益出色、可靠性高和工艺成熟等特点。

Qorvo认识到PAM在未来5G系统设计中的重要性，并致力于为市场打造业界领先的解决方案。Qorvo的PAM旨在实现功率、效率、尺寸和成本间的平衡，同时尽可能简化用户的设计。

关于作者

Shawn Gibb
5G基站产品高级产品线经理

Shawn在GaN技术领域超过25年的工作经验，使其十分了解这项技术的能力与挑战。作为我们GaN基站产品的产品经理，他与客户同我们著名的GaN专家团队紧密合作，共同开发将塑造无线通信未来的前沿产品。