5G 無線革命正在給射頻設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來巨大的變化，手機(jī)和無線電基站的功率放大器也不例外。首先，5G 無線應(yīng)用中的功率放大器芯片將與 4G 網(wǎng)絡(luò)中使用的功率放大器芯片大不相同。

這主要是因?yàn)?5G 傳輸?shù)膶拵д{(diào)制需要功率放大器的高功率效率和嚴(yán)格的線性度。此外，當(dāng) 5G 網(wǎng)絡(luò)要使用相控陣天線來聚焦和控制多個(gè)波束時(shí)，真正重要的是在多個(gè)波束之間劃分傳輸任務(wù)的能力。

例如，對于包含 4×4 陣列的相控陣天線，功率放大器的工作功率必須遠(yuǎn)低于放大當(dāng)前蜂窩系統(tǒng)中使用的單波束全向信號所需的功率。

圖 1：功率放大器是手機(jī)和蜂窩基站射頻前端設(shè)計(jì)的一個(gè)組成部分。

這里值得一提的是，5G 網(wǎng)絡(luò)最初是在 6 GHz 以下的頻率范圍內(nèi)實(shí)施的。然而，5G 的真正承諾來自于 24 GHz、28 GHz 和 39 GHz 頻段中毫米波 （mmWave） 通信的商業(yè)實(shí)現(xiàn)。因此，雖然厘米波 （cm-Wave） 5G 系統(tǒng)很可能首先在 sug-6 GHz 系統(tǒng)上進(jìn)入市場，但它們的毫米波對應(yīng)物將挑戰(zhàn)射頻設(shè)計(jì)規(guī)范。

因此，在密集部署環(huán)境中服務(wù)于各種設(shè)備的多輸入多輸出 （MIMO） 天線將需要具有高功率效率和嚴(yán)格線性的功率放大器芯片。具有大量射頻前端的相控陣 MIMO 天線也需要能夠以更低的成本提供更高集成度的功率放大器。

這種困境可以在包括 PA 模塊、PA 雙工器、開關(guān)功率放大器加雙工器 （S-PAD）、PA 模塊集成雙工器 （PAMiD） 和全無線電模塊 （TRM） 在內(nèi)的新型 PA 設(shè)備中看到。

新的集成里程碑

PA 模塊已經(jīng)是集成的基石，正在進(jìn)一步減少 5G 射頻前端的部件數(shù)量。5G 網(wǎng)絡(luò)具有更多頻段，這就要求 PA 模塊中有更多的射頻開關(guān)、濾波和功率放大元件。因此，隨著 5G 網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，PA 模塊的復(fù)雜性將不斷增加。

在 4G 無線領(lǐng)域，將涵蓋多個(gè)頻段和技術(shù)的幾乎整個(gè)射頻前端放入幾個(gè) PA 模塊的壓力已經(jīng)迫使許多較小的供應(yīng)商停業(yè)。不可避免地，在 5G 領(lǐng)域，將更多電路裝入 PA 模塊的壓力可能會增加。

圖 2：用于 6 GHz 以下通信的功率放大器電路視圖。

因此，NXP Semiconductors 正試圖通過將更小、更輕的有源天線系統(tǒng)與提供射頻功率的多芯片模塊 （MCM） 相結(jié)合，簡化 MIMO 和大規(guī)模 MIMO （mMIMO） 系統(tǒng)的射頻功率解決方案。這些射頻功率放大解決方案在顯著提高集成度的同時(shí)，涵蓋了從 6 GHz 以下到 40 GHz 的頻帶，同時(shí)促進(jìn)了從毫瓦到千瓦的電源供應(yīng)。

面向 5G 設(shè)計(jì)的 PA 模塊供應(yīng)商 Qorvo 也在為 5G 功率放大器面臨的挑戰(zhàn)做好準(zhǔn)備。2016年，RF芯片制造商與線性化軟件開發(fā)商N(yùn)anoSemi合作。此次合作旨在通過 NanoSemi 的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)字預(yù)失真 （DPD） 算法增強(qiáng) Qorvo 的 PA 模塊，從而確保功率放大器的超寬帶線性化。

多載波配置對服務(wù)于多頻段 5G 設(shè)計(jì)的功率放大器提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而 NanoSemi 的數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)可幫助功率放大器根據(jù)可用資源調(diào)整到功率和容量要求。

NanoSemi 還與自動化測試和測量解決方案供應(yīng)商美國國家儀器 （NI） 展開合作，讓設(shè)計(jì)人員能夠驗(yàn)證和優(yōu)化 5G 功率放大器的性能，以應(yīng)對不斷增長的帶寬和功率效率需求。該測試解決方案讓 5G 設(shè)計(jì)人員能夠深入了解極端線性化條件下功率放大器的性能參數(shù)。

PA的底層技術(shù)

與 4G 的另一個(gè)值得比較的是功率放大器的底層技術(shù)。在4G領(lǐng)域，砷化鎵（GaAs）一直是功率放大器芯片中的領(lǐng)先技術(shù)。這是因?yàn)?GaAs 可以輕松支持功率放大器所需的高電壓。然而，一旦無線行業(yè)超越了 GaAs 設(shè)備可能占主導(dǎo)地位的 sub-6 GHz 通信，新型半導(dǎo)體解決方案正在爭奪毫米波領(lǐng)域的一席之地。

圖 3：顯示用于毫米波射頻設(shè)計(jì)的射頻前端模塊的框圖。

例如，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校 （UCSD） 開發(fā)的一種新的 RF 絕緣體上硅 （SOI） 技術(shù)正在掀起波瀾，用于將硅基晶體管串聯(lián)起來以在功率放大器中實(shí)現(xiàn)更高的電壓。堆疊的晶體管（串聯(lián)排列的四個(gè)晶體管）為 5G 功率放大器提供必要的輸出功率。晶體管的堆疊不僅提高了整體電壓處理能力，還消除了與體效應(yīng)和襯底電容相關(guān)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(shù)通過促進(jìn)具有更高容量和熱效率的多個(gè)數(shù)據(jù)流的傳輸來增強(qiáng) PA 性能、效率和功率。據(jù) Yole Développement 稱，GaN 器件的射頻市場預(yù)計(jì)將從 2017 年的 3.8 億美元增長到 2023 年的 13 億美元。

5G 設(shè)計(jì)世界處于不斷變化的狀態(tài)，正如本文所示，功率放大器芯片完全是這一轉(zhuǎn)變的一部分。同樣明顯的是，5G 容量革命的進(jìn)程將影響功率放大器設(shè)計(jì)的所有主要方面：物理尺寸、效率、線性度和可靠性。

審核編輯：郭婷