探討5G功率放大器（PA）設計進步所帶來的挑戰與機遇

電子系統工程師們正在適應5G基站設計領域的重大變革；包括發射/接收通道的數量從4個激增至高達256個。同時，這些基站的頻率范圍也有所提升，從原先的1GHz擴展到現在的3-4GHz，并有望達到7GHz。隨著更多通道的引入（如上述256個收發通道這樣的配置），對既高效又具備精確信號能力的功率放大器的需求也愈發迫切。此外，推動構建更緊湊的蜂窩網絡還涉及集成大規模多入多出（mMIMO）波束成形、小型基站和毫米波基站等先進技術。

本文將探討5G功率放大器（PA）設計進步所帶來的挑戰與機遇。同時，我們還將分享針對當前趨勢的見解，并提供實用建議，助力工程師們更有效地進行設計。

將市場需求與產品性能相契合

首先，讓我們來快速回顧一下5G蜂窩市場顯而易見的趨勢與需求。

隨著5G mMIMO的每一代升級，5G FR1和FR2頻譜的范圍也持續擴大；尤其是當頻率超過3GHz和4GHz時。對更多頻譜、更高頻率范圍的需求意味著器件需要不斷提升線性度和效率。此外，由于許多5G頻段從頻分雙工（FDD）轉向時分雙工（TDD），也要求PA的射頻（RF）瞬態性能有所增強。我們還開始看到，全球范圍內出現新的5G頻譜分配——在6-20GHz范圍內，中國使用6-7GHz，而歐洲選擇更高的n104頻段6.425-7.125GHz。隨著6G的逐漸成形，并預計于2030年實現商業化，業界普遍預期6-20GHz的頻率范圍會出現更多分配。

圖1，5G FR1和FR2生態系統

大規模多輸入多輸出（mMIMO）是MIMO技術的延展，其通過多次使用相同的頻譜來增加數據傳輸的容量與覆蓋范圍，從而獲得更高的頻譜利用率。如圖1和圖2所示，向mMIMO的轉變使得通信道數量從4個增加至16個、32個、64個、128個甚至更多；mMIMO技術有助于減少信號問題、加快連接速度、增強信號強度、減少掉線次數以及實現更好的信號指向。

為滿足消費者的需求，蜂窩基站的發展已朝著先進的有源陣列天線設計方向邁進（如圖2所示）。這一演進主要體現在mMIMO架構、3GHz C波段頻率以及對超高容量的需求。隨著5G Advanced在3GPP第18版中的引入，我們將看到128個發射/接收（128T/128R）（通道）和256個發射/接收（256T/256R）（通道）的配置得以實施，為5G Advanced微波網絡提供前所未有的容量。雖然mMIMO技術帶來了諸多優勢，但它也要求PA必須同時具備高效率和高線性度的特點，以滿足5G基站的嚴苛要求，并不斷推動以越來越小的器件尺寸來實現相同性能。

圖2，蜂窩基站的演變

具有波束成形功能的有源陣列天線可以快速調整波束方向并同時支持多個獨立波束；其外形小巧、性能可靠且無機械部件。通過眾多陣列元件協同作業，它們能夠有效抗干擾并形成精確的輻射模式。波束成形是5G基站設計的重要組成部分，它利用多個天線來控制信號波形的方向；通過適當調整多天線陣列中各個天線信號的幅度和相位來實現這一目的。這些5G Advanced天線將在微波和毫米波頻率范圍內工作。在更高的頻率范圍內，信號波長非常短，如圖3所示；這使得大量天線得以布置在狹小區域內。

圖3，毫米波lambda波長和間距

工作在更高的頻率減少了天線陣列元件間的λ/2（半波長）間距。這就要求采用更緊湊、更集成的射頻前端（RFFE）解決方案；如圖3（上）所示。

PAM助力緊湊型高頻5G基站

作為一位技術“發燒友”，您或許想知道當前的技術解決方案如何滿足5G基站系統的需求。盡管目前的各種技術都可以在設計中發揮作用，但只有最佳的技術才能滿足當今的5G標準，并為無線技術企業提供緊湊、高效的解決方案。接下來，讓我們向您介紹一種尖端的解決方案，旨在使您的基站系統建設更快、更容易、更可靠，同時滿足前文提到的5G需求。

這就是氮化鎵（GaN）功率放大器模塊（PAM）技術；一種封裝小巧、高度集成的RF功率器件。如圖4所示，PAM如同拼圖中的一塊關鍵部分，高效且有效地完成了RF前端的設計。

圖4，PAM QPA和QPB（偏置控制器）產品框圖

概括而言，PAM技術具有以下優勢及設計優點：

此類集成器件針對mMIMO 5G基站進行了優化。

輸入和輸出阻抗都優化到50歐姆。

相較于分立式PA解決方案，占用空間大幅減小。

提升最終系統產量并縮短設計周期——與需要PA調試和匹配的分立式PA解決方案不同，PAM解決方案無需PA或Doherty PA系統級PCB匹配即可實現最佳性能。

包含工廠預編程的集成偏置控制器；該控制器在工作溫度范圍內調整柵極偏置，確保模塊的最佳性能。

新型器件具備寬頻帶性能——非常適合C波段及以上頻段的寬頻帶性能。

得益于其改進的效率和線性度，這些優點也被帶入到基站系統之中。

深入探討：PAM如何滿足市場需求

Qorvo的GaN和PAM技術為滿足無線基礎設施市場不斷變化的需求而開發。借助GaN技術，Qorvo能夠提供符合市場性能要求，以及基站原始設備制造商（OEM）和蜂窩網絡運營商期望的解決方案。以下，讓我們來逐一探討PAM如何與市場需求相匹配。

5G基站天線設計的不斷發展，涵蓋了更多的RF前端天線和更寬的頻率范圍。這一變化雖然降低了系統的總體功率水平，但同時也增加了復雜性，要求PA更加高效且線性度更高。GaN技術的進步使PA在效率和線性度方面都得到提升。借助Qorvo的GaN技術，PA和PAM產品的效率可達48%，同時誤差矢量幅度（EVM）低于2%，相鄰信道泄漏比（ACLR）在采用線性化技術后達到50dBc。這些參數降低了運營商和OEM的能耗，推動了更加環保的基站系統。下面，就讓我們深入了解這些參數及其對5G生態系統的影響。

-效率的提升——這意味著使用更低的能耗產生更少的熱量。由此，系統設計師可以創建更簡單、更輕便的設計，無需復雜的熱管理；有助于降低OPEX（運營支出）、縮短開發時間并構建更可靠的系統。

-線性度的提高——隨著蜂窩網絡頻段的擴展和帶寬的增加，系統設計必須保證在所需頻段內精確傳輸信號而不泄漏至鄰近頻段。例如，蜂窩C頻段接近航空公司使用的頻率；因而在系統設計中提高線性度可最大限度地減少不必要的信號輻射。

-EVM的改善——提升信號質量并降低誤碼率可增強數據傳輸及接收的準確性。EVM作為數字無線電系統性能的關鍵指標。通過測量實際信號點與星座圖上的理想位置偏差來評估這一指標。在RF系統中，高EVM意味著低質量，可能由熱噪聲、相位噪聲以及功率放大器在幅度和相位上的不一致響應等問題導致。

5G-Advanced——對于5G-Advanced技術而言，更加小型化的組件對于將眾多RF前端和天線整合進緊湊空間以滿足高頻需求至關重要；因此，在PA設計和整個系統中實現更小的尺寸成為關鍵。半導體領域減小尺寸的一個有效策略是集成化，而PAM在這方面表現尤為出色（見下圖5）。PAM將包括控制器在內的多個功能整合到單個單元中，同時仍達到或超過5G基站設計的性能標準。這不僅使得封裝更小、更高效；還由于PAM自帶內置50歐姆輸入輸出匹配，而消除了對單獨匹配組件的需求。最終，系統設計得以簡化，并降低了成本。

圖5，分立式PA與集成式PAM的比較

結語

當今的RF基站系統的發展方向正變得越來越小巧，需要更寬的RF帶寬、更高的頻率，同時采用大規模多輸入多輸出（mMIMO）和波束成形技術，并且必須更輕、更小、更“綠色”和更可靠。滿足這些需求并非易事，但在基站設計不斷進步的同時，其中使用的技術也在持續演進。PAM的引入便體現了這樣的進步——這些高度集成的器件使系統設計變得簡單，同時滿足當今所有系統級要求；幫助系統設計工程師將產品更快推向市場并縮短設計周期，助力OEM更好地滿足客戶的設計與實施計劃。