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

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

例如，MACOM 預計所需的功率放大器數量將增加 32 倍至 64 倍，這反過來又會使該市場的經濟價值在 5 年周期內增加 3 倍以上。 5G 基礎設施的投資，并且根據預測，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） 無線移動網絡的運行頻率為 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計和構建 5G 和物聯網 （IoT） 產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 引入了許多架構復雜性，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器的性能，例如誤差矢量幅度（EVM）、占用帶寬（OBW）和光譜發射模板（SEM）。為了測試集成在電路板上或外殼內部的天線，使用無線 （OTA） 測量。

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

波束成形是可以幫助支持 5G 網絡的高速、低延遲和可靠性要求的技術之一。波束成形是指在傳輸天線和最終用戶之間創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，為這些創新頻段提高網絡基礎設施的可用輸出功率和能源效率至關重要。

射頻放大器 5G 無線電設備必須在傳統蜂窩頻段以及其他微波和毫米波頻段運行，管理復雜的調制方案，展示低能耗并實施新技術。基站是蜂窩網絡的交叉點；它們記錄無線電小區的傳輸數據并傳輸它們。

為保證未來毫米波頻段的數據流暢流動，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。

電子設備和基于 GaN 的系統比傳統的硅 （Si） 更節能。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生之前支持比硅對應物（相同尺寸）高得多的電場，因此，器件變得無法使用。

無線通信系統的主要部件是發射機中的功率放大器。高速網絡中使用的高級數字調制技術需要高效放大器，以避免可能降低信號質量的互調失真。

業界使用多種放大器架構來實現更高的效率。例如，Doherty 放大器架構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”的技術來提高放大器的效率。它結合了兩個非線性射頻放大器和兩個驅動不同相位信號的不同放大器。

正確選擇無源元件的設計技術允許設計人員針對確定的輸出幅度優化系統，從而提高效率。

RF 放大器設計人員的另一個設計因素是包絡跟蹤，其中不斷調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 轉換器提供固定電壓的典型功率放大器不同，包絡跟蹤系統以高帶寬和低噪聲波形調制電源與放大器的連接，與信號實時同步信封。包絡跟蹤是一種射頻功率管理技術，它可以在任何 LTE 帶寬的信號下以高水平提高系統效率（圖 1）。

圖 1：包絡跟蹤放大器的框圖。

隨著柵極長度減小的 GaAs 和 GaN 器件的問世，再加上新的設計技術，現在可以使用可以安全運行至毫米波長的新器件，開辟了 10 年前難以設想的新應用（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 的應用示意圖。（圖片：MACOM）

天線收發器 RF 收發器被用于許多應用領域，這得益于隨著 5G 的出現，數字化程度的提高、智能手機的大量采用以及電信領域的先進設備。5G 在國防、汽車和交通等多個領域的推廣將為全球射頻收發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 技術的能力。MIMO 使用多個天線，每個天線都有自己的收發器，以在相同的帶寬內傳輸多個數據流。這提高了頻譜效率，從而提供了更高的數據速率和更大的用戶容量。

這導致接收器和收發器芯片的電路集成度更高，以實現更低的功耗和更小的整體尺寸。這樣，收發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工作，簡化了設計并降低了創建能夠覆蓋所有 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、發射功率放大器驅動器（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 射頻采樣收發器，可用于雷達、軟件定義無線電和無線 5G 應用。每個設備最多可支持 8 根天線和 16 個射頻頻段。每個器件都集成了四個 14 位模數轉換器 （ADC） 和四個 14 位數模轉換器 （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換級別（圖 4）。

圖 4：AFE7444 的功能框圖。（圖片：德州儀器）

結論 為了讓移動網絡在未來的智慧城市中支持高數據速率，它需要一種能夠處理大量數據的快速、反應性和穩定的協議——它需要 5G！傳輸前端的線性度和能效是相互矛盾的要求，需要為當前和未來的移動系統提供創新的解決方案。用于功率半導體的 GaN 技術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。