5G無線革命正在給射頻設計領域帶來巨大變化，手機和無線電基站的功率放大器也不例外。首先，5G無線應用中的功率放大器芯片將與4G網絡中采用的功率放大器芯片大不相同。

這主要是因為5G傳輸的寬帶調制要求功率放大器具有高功率效率和嚴格的線性度。此外，當5G網絡將采用相控陣天線來聚焦和引導多個波束時，真正重要的是在多個波束之間分配傳輸任務的能力。

例如，對于由4×4陣列組成的相控陣天線，功率放大器的工作功率必須比放大蜂窩系統目前使用的單波束全向信號所需的功率低得多。

這里值得一提的是，5G網絡最初是在6 GHz以下的頻率范圍內實施的。然而，5G的真正前景來自于24 GHz、28 GHz和39 GHz頻段毫米波（mmWave）通信的商業實現。因此，雖然厘米波（cm-Wave）5G系統可能首先在sug-6 GHz系統上進入市場，但它們的毫米波對應物將挑戰RF設計規范。

因此，在密集部署環境中為各種設備提供服務的多輸入多輸出（MIMO）天線將需要具有高功率效率和嚴格線性度的功率放大器芯片。具有眾多RF前端的相控陣MIMO天線也將需要功率放大器，以更低的成本提供更高的集成度。

這種困境可以在新的PA器件中看到，這些器件包括PA模塊，PA雙工器，開關功率放大器加雙工器（S-PAD），PA模塊集成雙工器（PAMiD）和總無線電模塊（TRM）。

新的集成里程碑

PA模塊已經是集成的基石，進一步減少了5G RF前端的部件數量。5G 網絡具有更多頻段，這要求在 PA 模塊中使用更多的射頻開關、濾波和功率放大元件。因此，隨著5G網絡的發展，PA模塊的復雜性將繼續增加。

在4G無線領域，將幾乎整個涵蓋多個頻段和技術的RF前端放入幾個PA模塊的壓力已經迫使許多較小的供應商倒閉。不可避免地，在5G領域，將更多電路封裝到PA模塊中的壓力可能會增加。

圖 2：用于 6 GHz 以下通信的功率放大器電路視圖。圖片：科爾沃

因此，恩智浦半導體正試圖通過將更小、更輕的有源天線系統與服務于射頻功率的多芯片模塊（MCM）相結合，簡化MIMO和大規模MIMO（mMIMO）系統的無線電電源解決方案。這些射頻功率放大解決方案在顯著提高集成度的同時，跨越了低于 6 GHz 至 40 GHz 的頻段，同時促進了從毫瓦到千瓦的電源供應。

用于 5G 設計的 PA 模塊供應商 Qorvo 也在熱身以應對 5G 功率放大器面臨的挑戰。2016年，這家射頻芯片制造商與線性化軟件開發商NanoSemi攜手合作。此次合作旨在通過NanoSemi基于機器學習的數字預失真（DPD）算法增強Qorvo的PA模塊，從而確保功率放大器的超寬帶線性化。

多載波配置對服務于多頻段5G設計的功率放大器提出了嚴峻的挑戰，而NanoSemi的數字補償技術可幫助功率放大器根據可用資源調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商NI（NI）合作，使設計人員能夠驗證和優化5G功率放大器的性能，以應對不斷增長的帶寬和功率效率需求。該測試解決方案使 5G 設計人員能夠深入了解功率放大器在極端線性化條件下的性能參數。

PA的底層技術

與4G的另一個有價值的比較涉及功率放大器的底層技術。在4G領域，砷化鎵（GaAs）一直是功率放大器芯片中的領先技術。這是因為砷化鎵可以輕松支持功率放大器所需的高電壓。然而，一旦無線行業超越了砷化鎵器件可能占主導地位的sub-6 GHz通信，新一代半導體解決方案就會在毫米波體系中爭奪一席之地。

圖 3：用于毫米波 RF 設計的 RF 前端 模 塊 框圖。

例如，加州大學圣地亞哥分校（UCSD）開發的一種新型RF絕緣體上硅（SOI）技術正在掀起波瀾，將硅基晶體管串聯在一起，以實現功率放大器中的更高電壓。堆疊晶體管（串聯排列的四個晶體管）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，還消除了與體效應和基板電容相關的寄生問題。

5G功率放大器的其他候選產品包括氮化鎵（GaN）和硅鍺（SiGe）。GaN技術通過促進具有更大容量和熱效率的多個數據流的傳輸來增強PA的性能，效率和功率。根據Yole Développement的數據，GaN器件的射頻市場預計將從2017年的3.8億美元增長到2023年的13億美元。

5G設計世界正處于不斷變化的狀態，正如本文所示，功率放大器芯片完全是這一轉型的一部分。同樣明顯的是，5G容量革命的旅程將影響功率放大器設計的所有主要方面：物理尺寸、效率、線性度和可靠性。

審核編輯：郭婷