由于移動計算設(shè)備的日益普及，網(wǎng)絡(luò)流量正以指數(shù)速度增長。因此，5G 等下一代無線標準在全球范圍內(nèi)不斷推出。隨著數(shù)字化變得更便宜和更省電，具有更高采樣率的更高級別數(shù)字解決方案的實施正變得越來越普遍。

因此，芯片供應(yīng)商擁有巨大的機會，尤其是射頻 （RF） 半導(dǎo)體制造商。一些分析師估計，未來三年基站的復(fù)合年增長率 （CAGR） 為 12%，電信回程的復(fù)合年增長率為 5%。由于業(yè)界傾向于用利用砷化鎵 （GaAs） 和氮化鎵 （GaN） 技術(shù)的固態(tài)器件取代舊設(shè)計，國防應(yīng)用也為射頻功率器件提供了絕佳機會。

例如，MACOM 預(yù)計所需的功率放大器數(shù)量將增加 32 倍至 64 倍，這反過來又會使該市場的經(jīng)濟價值在 5 年周期內(nèi)增加 3 倍以上。 5G 基礎(chǔ)設(shè)施的投資，并且根據(jù)預(yù)測，每個放大器的成本將降低 10 倍至 20 倍。

5G 無線移動 第 5 代 （5G） 無線移動網(wǎng)絡(luò)的運行頻率為 24 GHz 至 95 GHz，能夠通過安全可靠的連接提供超低延遲。它承諾為高清 4K/8K 流媒體電視等應(yīng)用提供高速無線連接。這意味著射頻和微波工程師在快速設(shè)計和構(gòu)建 5G 和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 產(chǎn)品以爭奪市場份額方面付出了巨大的努力和壓力。

與之前的 3G 和 4G LTE 實施相比，5G 引入了許多架構(gòu)復(fù)雜性，主要是由于巨大的多輸入多輸出 （MIMO） 天線配置。

毫米波 （mmWave） 設(shè)備最重要的測試之一是傳播損耗。目前，工程師通過進行一系列測試來驗證收發(fā)器的性能，例如誤差矢量幅度（EVM）、占用帶寬（OBW）和光譜發(fā)射模板（SEM）。為了測試集成在電路板上或外殼內(nèi)部的天線，使用無線 （OTA） 測量。

最大的兩個挑戰(zhàn)是電磁干擾 （EMI） 和電磁兼容性 （EMI），這需要在熱量是關(guān)鍵設(shè)計因素的關(guān)鍵任務(wù)操作中避免電磁效應(yīng)以及設(shè)備和設(shè)備整體故障的技術(shù)。

波束成形是可以幫助支持 5G 網(wǎng)絡(luò)的高速、低延遲和可靠性要求的技術(shù)之一。波束成形是指在傳輸天線和最終用戶之間創(chuàng)建路徑的最有效方式，以減少可能的障礙物造成的干擾和功率損失。

通過使用先進的 GaN 技術(shù)，為這些創(chuàng)新頻段提高網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的可用輸出功率和能源效率至關(guān)重要。

射頻放大器 5G 無線電設(shè)備必須在傳統(tǒng)蜂窩頻段以及其他微波和毫米波頻段運行，管理復(fù)雜的調(diào)制方案，展示低能耗并實施新技術(shù)。基站是蜂窩網(wǎng)絡(luò)的交叉點；它們記錄無線電小區(qū)的傳輸數(shù)據(jù)并傳輸它們。

為保證未來毫米波頻段的數(shù)據(jù)流暢流動，必須通過保持低能耗來提高基站的輸出功率，同時降低用電成本。

電子設(shè)備和基于 GaN 的系統(tǒng)比傳統(tǒng)的硅 （Si） 更節(jié)能。GaN 是一種可確保 3.4 eV 的高帶隙的材料，而同等的硅基器件則為 1.12 eV。寬禁帶允許器件在中斷發(fā)生之前支持比硅對應(yīng)物（相同尺寸）高得多的電場，因此，器件變得無法使用。

無線通信系統(tǒng)的主要部件是發(fā)射機中的功率放大器。高速網(wǎng)絡(luò)中使用的高級數(shù)字調(diào)制技術(shù)需要高效放大器，以避免可能降低信號質(zhì)量的互調(diào)失真。

業(yè)界使用多種放大器架構(gòu)來實現(xiàn)更高的效率。例如，Doherty 放大器架構(gòu)通過具有高平均峰值比（高峰均比、PAR 或 PAPR）的輸入信號保證極高的功率效率。Doherty 放大器通常用于必須對可變幅度信號進行線性放大的情況。

富士通和恩智浦等許多公司使用另一種稱為“異相”的技術(shù)來提高放大器的效率。它結(jié)合了兩個非線性射頻放大器和兩個驅(qū)動不同相位信號的不同放大器。

正確選擇無源元件的設(shè)計技術(shù)允許設(shè)計人員針對確定的輸出幅度優(yōu)化系統(tǒng)，從而提高效率。

RF 放大器設(shè)計人員的另一個設(shè)計因素是包絡(luò)跟蹤，其中不斷調(diào)整施加到功率放大器的電壓以確保其以最大功率運行。

與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供固定電壓的典型功率放大器不同，包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)以高帶寬和低噪聲波形調(diào)制電源與放大器的連接，與信號實時同步信封。包絡(luò)跟蹤是一種射頻功率管理技術(shù)，它可以在任何 LTE 帶寬的信號下以高水平提高系統(tǒng)效率（圖 1）。

圖 1：包絡(luò)跟蹤放大器的框圖。

隨著柵極長度減小的 GaAs 和 GaN 器件的問世，再加上新的設(shè)計技術(shù)，現(xiàn)在可以使用可以安全運行至毫米波長的新器件，開辟了 10 年前難以設(shè)想的新應(yīng)用（圖 1）。 2 ）。

一個例子是 MACOM MAAP-011233，這是一款 4 W、四級功率放大器，組裝在無鉛 32 毫米 AQFN 塑料容器中。該功率放大器的工作頻率范圍為 28.5 GHz 至 31 GHz，提供 26 dB 的線性增益、4 W 的飽和輸出功率和 27.5% 的效率，極化電壓為 6 V。該產(chǎn)品采用 pHEMT GaAs 工藝制造，可提供完全鈍化以提高可靠性。

圖 2：MAAP-011233 的應(yīng)用示意圖。（圖片：MACOM）

天線收發(fā)器 RF 收發(fā)器被用于許多應(yīng)用領(lǐng)域，這得益于隨著 5G 的出現(xiàn)，數(shù)字化程度的提高、智能手機的大量采用以及電信領(lǐng)域的先進設(shè)備。5G 在國防、汽車和交通等多個領(lǐng)域的推廣將為全球射頻收發(fā)器帶來巨大的市場潛力。

下一代 5G 基站的一個基本特征是實施 MIMO 技術(shù)的能力。MIMO 使用多個天線，每個天線都有自己的收發(fā)器，以在相同的帶寬內(nèi)傳輸多個數(shù)據(jù)流。這提高了頻譜效率，從而提供了更高的數(shù)據(jù)速率和更大的用戶容量。

這導(dǎo)致接收器和收發(fā)器芯片的電路集成度更高，以實現(xiàn)更低的功耗和更小的整體尺寸。這樣，收發(fā)器芯片可以安裝在天線元件附近。

一個例子是 Analog Devices 的 ADMV1013 和 ADMV1014，這是一對高度集成的微波上變頻器和下變頻器。這些 IC 在 24 GHz 至 44 GHz 的 50-Ω 匹配的寬頻率范圍內(nèi)工作，簡化了設(shè)計并降低了創(chuàng)建能夠覆蓋所有 5G 毫米波段（包括 28 GHz 和 39 GHz）的單一平臺的成本（圖 1）。 3）。

該芯片組包括電壓可變衰減器、發(fā)射功率放大器驅(qū)動器（在上變頻器中）和接收低噪聲放大器（LNA）（在下變頻器中）、帶有 ×4 倍頻器的 LO 緩沖器和可編程跟蹤濾波器。大多數(shù)可編程功能通過 SPI 串行接口進行控制。

圖 3：ADMV1013 的功能框圖。（圖片：模擬設(shè)備）

其他高度集成的解決方案是德州儀器公司的 AFE7444 和 AFE7422 射頻采樣收發(fā)器，可用于雷達、軟件定義無線電和無線 5G 應(yīng)用。每個設(shè)備最多可支持 8 根天線和 16 個射頻頻段。每個器件都集成了四個 14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 和四個 14 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）。這些單元可以對 DAC 進行每秒 9 千兆樣本 （GSPS） 的采樣，對 ADC 進行高達 3 GSPS 的采樣。啟用了 C 波段中輸入頻率的直接采樣，并且無需進一步的頻率轉(zhuǎn)換級別（圖 4）。

圖 4：AFE7444 的功能框圖。（圖片：德州儀器）

結(jié)論 為了讓移動網(wǎng)絡(luò)在未來的智慧城市中支持高數(shù)據(jù)速率，它需要一種能夠處理大量數(shù)據(jù)的快速、反應(yīng)性和穩(wěn)定的協(xié)議——它需要 5G！傳輸前端的線性度和能效是相互矛盾的要求，需要為當(dāng)前和未來的移動系統(tǒng)提供創(chuàng)新的解決方案。用于功率半導(dǎo)體的 GaN 技術(shù)有助于顯著提高射頻放大器的性能水平，減少寄生元件，從而減少噪聲源。