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5G带给PA的一些新转变

5G 无线革命正在给 RF 设计领域带来巨大的变化,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与 4G 网络中使用的功率放大器芯片大不相同。


这主要是因为 5G 传输的宽带调制需要功率放大器提供更高效率和更严格线性度;此外,5G 网络将采用相控阵列天线聚焦和操纵多个波束,这就对能够在多个波束之间划分传输任务的能力有了极高的要求。


例如,对于一个 4×4 阵列的相控阵天线,其功率放大器的功率必须比放大当前蜂窝系统中使用的单波束全向信号所需的放大器功率低得多。


值得一提的是,5G 网络最初是在 Sub-6GHz 的频率范围内实现的。然而,5G 的真正商业前景会在包括 24 GHz,28 GHz 和 39 GHz 频段等毫米波(mmWave)波段上体现。换而言之,mmWave 也将给 RF 设计带来严峻的挑战。


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 天线还需要更高集成度的功率放大器,进一步降低芯片的方案的成本。


关于这种现状,我们可以从包括 PA 模块,PA 双工器,开关功率放大器和双工器(S-PAD),PA 模块集成双工器(PAMiD)和总无线电模块(TRM)的 PA 设备上一览无遗。


新的集成里程碑


PA 模块已经成为集成的基石,因为它的存在进一步减少了 5G RF 前端的部件数量。5G 网络具有更多频段,并且要求 PA 模块中提供更多的 RF 开关,滤波和功率放大元件。因此,随着 5G 网络的发展,PA 模块的复杂性将不断增加。


在 4G 无线领域,将能覆盖多个频段和技术的元器件集成中一个 PA 模组中的压力已经迫使许多小型供应商破产。到了 5G 时代,将更多元件封装到 PA 模块中的压力可能会进一步增加。


 

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


作为 5G PA 模块的主要供应商,Qorvo 也正在迎接 5G 功率放大器带来的挑战。2016年,他们就与线性化软件开发商 NanoSemi 建立了合作。希望借助 NanoSemi 基于机器学习的数字预失真(DPD)算法来增强 Qorvo 的 PA 模块,确保功率放大器中的超宽带线性化。


多载波配置对为多频段 5G 设计提供服务的功率放大器提出了严峻挑战,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功率和容量要求。


PA 的基础技术


与 4G 的另一个有价值的比较涉及功率放大器的基础技术。


在 4G 时代,砷化镓(GaAs)一直是功率放大器芯片制造的领先技术。这是因为 GaAs 可以轻松支持功率放大器所需的高电压。在无线行业跨进了 Sub-6 GHz 通信之后,GaAs 器件同样也还能占主导地位,但新型半导体解决方案正在争夺 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,加利福尼亚大学圣地亚哥分校(UCSD)开发的一种新型射频绝缘硅(SOI)技术正在掀起波浪。他们将硅基晶体管串联起来,以在功率放大器中实现更高的电压。堆叠晶体管(串联排列的四个晶体管)能为 5G 功率放大器提供必要的输出功率。晶体管的堆叠不仅增强了整体电压处理,还消除了与体效应和衬底电容相关的寄生问题。


5G 功率放大器的其他候选者包括氮化镓(GaN)和硅锗(SiGe)。GaN 技术依赖于在容量和热效率等方面的优势来提高 PA 性能,效率和功率。根据 YoleDéveloppement 的说法,GaN 器件的 RF 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 设计世界处于不稳定状态,正如本文所示,功率放大器芯片完全是这种转变的一部分。同样显而易见的是,5G 容量革命之旅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。