从4个到256个通道，GaN技术如何创新5G基站系统的紧凑设计

发布日期：2024-05-17

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电子系统工程师们正在适应5G基站设计领域的重大变革；包括发射/接收通道的数量从4个激增至高达256个。同时，这些基站的频率范围也有所提升，从原先的1GHz扩展到现在的3-4GHz，并有望达到7GHz。随着更多通道的引入（如上述256个收发通道这样的配置），对既高效又具备精确信号能力的功率放大器的需求也愈发迫切。此外，推动构建更紧凑的蜂窝网络还涉及集成大规模多入多出（mMIMO）波束成形、小型基站和毫米波基站等先进技术。

本文将探讨5G功率放大器（PA）设计进步所带来的挑战与机遇。同时，我们还将分享针对当前趋势的见解，并提供实用建议，助力工程师们更有效地进行设计。

将市场需求与产品性能相契合

首先，让我们来快速回顾一下5G蜂窝市场显而易见的趋势与需求。

随着5G mMIMO的每一代升级，5G FR1和FR2频谱的范围也持续扩大；尤其是当频率超过3GHz和4GHz时。对更多频谱、更高频率范围的需求意味着器件需要不断提升线性度和效率。此外，由于许多5G频段从频分双工（FDD）转向时分双工（TDD），也要求PA的射频（RF）瞬态性能有所增强。我们还开始看到，全球范围内出现新的5G频谱分配——在6-20GHz范围内，中国使用6-7GHz，而欧洲选择更高的n104频段6.425-7.125GHz。随着6G的逐渐成形，并预计于2030年实现商业化，业界普遍预期6-20GHz的频率范围会出现更多分配。

从4个到256个通道，GaN技术如何创新5G基站系统的紧凑设计

图1，5G FR1和FR2生态系统

大规模多输入多输出（mMIMO）是MIMO技术的延展，其通过多次使用相同的频谱来增加数据传输的容量与覆盖范围，从而获得更高的频谱利用率。如图1和图2所示，向mMIMO的转变使得通信道数量从4个增加至16个、32个、64个、128个甚至更多；mMIMO技术有助于减少信号问题、加快连接速度、增强信号强度、减少掉线次数以及实现更好的信号指向。

为满足消费者的需求，蜂窝基站的发展已朝着先进的有源阵列天线设计方向迈进（如图2所示）。这一演进主要体现在mMIMO架构、3GHz C波段频率以及对超高容量的需求。随着5G Advanced在3GPP第18版中的引入，我们将看到128个发射/接收（128T/128R）（通道）和256个发射/接收（256T/256R）（通道）的配置得以实施，为5G Advanced微波网络提供前所未有的容量。虽然mMIMO技术带来了诸多优势，但它也要求PA必须同时具备高效率和高线性度的特点，以满足5G基站的严苛要求，并不断推动以越来越小的器件尺寸来实现相同性能。

从4个到256个通道，GaN技术如何创新5G基站系统的紧凑设计

图2，蜂窝基站的演变

具有波束成形功能的有源阵列天线可以快速调整波束方向并同时支持多个独立波束；其外形小巧、性能可靠且无机械部件。通过众多阵列元件协同作业，它们能够有效抗干扰并形成精确的辐射模式。波束成形是5G基站设计的重要组成部分，它利用多个天线来控制信号波形的方向；通过适当调整多天线阵列中各个天线信号的幅度和相位来实现这一目的。这些5G Advanced天线将在微波和毫米波频率范围内工作。在更高的频率范围内，信号波长非常短，如图3所示；这使得大量天线得以布置在狭小区域内。

从4个到256个通道，GaN技术如何创新5G基站系统的紧凑设计

图3，毫米波lambda波长和间距

工作在更高的频率减少了天线阵列元件间的λ/2（半波长）间距。这就要求采用更紧凑、更集成的射频前端（RFFE）解决方案；如图3（上）所示

PAM助力紧凑型高频5G基站

作为一位技术“发烧友”，您或许想知道当前的技术解决方案如何满足5G基站系统的需求。尽管目前的各种技术都可以在设计中发挥作用，但只有最佳的技术才能满足当今的5G标准，并为无线技术企业提供紧凑、高效的解决方案。接下来，让我们向您介绍一种尖端的解决方案，旨在使您的基站系统建设更快、更容易、更可靠，同时满足前文提到的5G需求。

这就是氮化镓（GaN）功率放大器模块（PAM）技术；一种封装小巧、高度集成的RF功率器件。如图4所示，PAM如同拼图中的一块关键部分，高效且有效地完成了RF前端的设计。

从4个到256个通道，GaN技术如何创新5G基站系统的紧凑设计

图4，PAM QPA和QPB（偏置控制器）产品框图

概括而言，PAM技术具有以下优势及设计优点：

此类集成器件针对mMIMO 5G基站进行了优化。
输入和输出阻抗都优化到50欧姆。
相较于分立式PA解决方案，占用空间大幅减小。
提升最终系统产量并缩短设计周期——与需要PA调试和匹配的分立式PA解决方案不同，PAM解决方案无需PA或Doherty PA系统级PCB匹配即可实现最佳性能。
包含工厂预编程的集成偏置控制器；该控制器在工作温度范围内调整栅极偏置，确保模块的最佳性能。
新型器件具备宽频带性能——非常适合C波段及以上频段的宽频带性能。
得益于其改进的效率和线性度，这些优点也被带入到基站系统之中。

深入探讨：PAM如何满足市场需求

Qorvo的GaN和PAM技术为满足无线基础设施市场不断变化的需求而开发。借助GaN技术，Qorvo能够提供符合市场性能要求，以及基站原始设备制造商（OEM）和蜂窝网络运营商期望的解决方案。以下，让我们来逐一探讨PAM如何与市场需求相匹配。

5G基站天线设计的不断发展，涵盖了更多的RF前端天线和更宽的频率范围。这一变化虽然降低了系统的总体功率水平，但同时也增加了复杂性，要求PA更加高效且线性度更高。GaN技术的进步使PA在效率和线性度方面都得到提升。借助Qorvo的GaN技术，PA和PAM产品的效率可达48%，同时误差矢量幅度（EVM）低于2%，相邻信道泄漏比（ACLR）在采用线性化技术后达到50dBc。这些参数降低了运营商和OEM的能耗，推动了更加环保的基站系统。下面，就让我们深入了解这些参数及其对5G生态系统的影响。

效率的提升——这意味着使用更低的能耗产生更少的热量。由此，系统设计师可以创建更简单、更轻便的设计，无需复杂的热管理；有助于降低OPEX（运营支出）、缩短开发时间并构建更可靠的系统。
线性度的提高——随着蜂窝网络频段的扩展和带宽的增加，系统设计必须保证在所需频段内精确传输信号而不泄漏至邻近频段。例如，蜂窝C频段接近航空公司使用的频率；因而在系统设计中提高线性度可最大限度地减少不必要的信号辐射。
EVM的改善——提升信号质量并降低误码率可增强数据传输及接收的准确性。EVM作为数字无线电系统性能的关键指标。通过测量实际信号点与星座图上的理想位置偏差来评估这一指标。在RF系统中，高EVM意味着低质量，可能由热噪声、相位噪声以及功率放大器在幅度和相位上的不一致响应等问题导致。

5G-Advanced——对于5G-Advanced技术而言，更加小型化的组件对于将众多RF前端和天线整合进紧凑空间以满足高频需求至关重要；因此，在PA设计和整个系统中实现更小的尺寸成为关键。半导体领域减小尺寸的一个有效策略是集成化，而PAM在这方面表现尤为出色（见下图5）。PAM将包括控制器在内的多个功能整合到单个单元中，同时仍达到或超过5G基站设计的性能标准。这不仅使得封装更小、更高效；还由于PAM自带内置50欧姆输入输出匹配，而消除了对单独匹配组件的需求。最终，系统设计得以简化，并降低了成本。

从4个到256个通道，GaN技术如何创新5G基站系统的紧凑设计

图5，分立式PA与集成式PAM的比较

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