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從4個(gè)到256個(gè)通道,GaN技術(shù)如何創(chuàng)新5G基站系統(tǒng)的緊湊設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2024-05-17 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】電子系統(tǒng)工程師們正在適應(yīng)5G基站設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重大變革;包括發(fā)射/接收通道的數(shù)量從4個(gè)激增至高達(dá)256個(gè)。同時(shí),這些基站的頻率范圍也有所提升,從原先的1GHz擴(kuò)展到現(xiàn)在的3-4GHz,并有望達(dá)到7GHz。隨著更多通道的引入(如上述256個(gè)收發(fā)通道這樣的配置),對(duì)既高效又具備精確信號(hào)能力的功率放大器的需求也愈發(fā)迫切。此外,推動(dòng)構(gòu)建更緊湊的蜂窩網(wǎng)絡(luò)還涉及集成大規(guī)模多入多出(mMIMO)波束成形、小型基站和毫米波基站等先進(jìn)技術(shù)。


電子系統(tǒng)工程師們正在適應(yīng)5G基站設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重大變革;包括發(fā)射/接收通道的數(shù)量從4個(gè)激增至高達(dá)256個(gè)。同時(shí),這些基站的頻率范圍也有所提升,從原先的1GHz擴(kuò)展到現(xiàn)在的3-4GHz,并有望達(dá)到7GHz。隨著更多通道的引入(如上述256個(gè)收發(fā)通道這樣的配置),對(duì)既高效又具備精確信號(hào)能力的功率放大器的需求也愈發(fā)迫切。此外,推動(dòng)構(gòu)建更緊湊的蜂窩網(wǎng)絡(luò)還涉及集成大規(guī)模多入多出(mMIMO)波束成形、小型基站和毫米波基站等先進(jìn)技術(shù)。


本文將探討5G功率放大器(PA)設(shè)計(jì)進(jìn)步所帶來(lái)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。同時(shí),我們還將分享針對(duì)當(dāng)前趨勢(shì)的見解,并提供實(shí)用建議,助力工程師們更有效地進(jìn)行設(shè)計(jì)。


將市場(chǎng)需求與產(chǎn)品性能相契合


首先,讓我們來(lái)快速回顧一下5G蜂窩市場(chǎng)顯而易見的趨勢(shì)與需求。


隨著5G mMIMO的每一代升級(jí),5G FR1和FR2頻譜的范圍也持續(xù)擴(kuò)大;尤其是當(dāng)頻率超過3GHz和4GHz時(shí)。對(duì)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(zhuǎn)向時(shí)分雙工(TDD),也要求PA的射頻(RF)瞬態(tài)性能有所增強(qiáng)。我們還開始看到,全球范圍內(nèi)出現(xiàn)新的5G頻譜分配——在6-20GHz范圍內(nèi),中國(guó)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(yù)計(jì)于2030年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,業(yè)界普遍預(yù)期6-20GHz的頻率范圍會(huì)出現(xiàn)更多分配。


從4個(gè)到256個(gè)通道,GaN技術(shù)如何創(chuàng)新5G基站系統(tǒng)的緊湊設(shè)計(jì)

圖1,5G FR1和FR2生態(tài)系統(tǒng)


大規(guī)模多輸入多輸出(mMIMO)是MIMO技術(shù)的延展,其通過多次使用相同的頻譜來(lái)增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘颗c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(zhuǎn)變使得通信道數(shù)量從4個(gè)增加至16個(gè)、32個(gè)、64個(gè)、128個(gè)甚至更多;mMIMO技術(shù)有助于減少信號(hào)問題、加快連接速度、增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度、減少掉線次數(shù)以及實(shí)現(xiàn)更好的信號(hào)指向。


為滿足消費(fèi)者的需求,蜂窩基站的發(fā)展已朝著先進(jìn)的有源陣列天線設(shè)計(jì)方向邁進(jìn)(如圖2所示)。這一演進(jìn)主要體現(xiàn)在mMIMO架構(gòu)、3GHz C波段頻率以及對(duì)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(gè)發(fā)射/接收(128T/128R)(通道)和256個(gè)發(fā)射/接收(256T/256R)(通道)的配置得以實(shí)施,為5G Advanced微波網(wǎng)絡(luò)提供前所未有的容量。雖然mMIMO技術(shù)帶來(lái)了諸多優(yōu)勢(shì),但它也要求PA必須同時(shí)具備高效率和高線性度的特點(diǎn),以滿足5G基站的嚴(yán)苛要求,并不斷推動(dòng)以越來(lái)越小的器件尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)相同性能。


從4個(gè)到256個(gè)通道,GaN技術(shù)如何創(chuàng)新5G基站系統(tǒng)的緊湊設(shè)計(jì)

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(diào)整波束方向并同時(shí)支持多個(gè)獨(dú)立波束;其外形小巧、性能可靠且無(wú)機(jī)械部件。通過眾多陣列元件協(xié)同作業(yè),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(shè)計(jì)的重要組成部分,它利用多個(gè)天線來(lái)控制信號(hào)波形的方向;通過適當(dāng)調(diào)整多天線陣列中各個(gè)天線信號(hào)的幅度和相位來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。這些5G Advanced天線將在微波和毫米波頻率范圍內(nèi)工作。在更高的頻率范圍內(nèi),信號(hào)波長(zhǎng)非常短,如圖3所示;這使得大量天線得以布置在狹小區(qū)域內(nèi)。


從4個(gè)到256個(gè)通道,GaN技術(shù)如何創(chuàng)新5G基站系統(tǒng)的緊湊設(shè)計(jì)

圖3,毫米波lambda波長(zhǎng)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(zhǎng))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(shù)“發(fā)燒友”,您或許想知道當(dāng)前的技術(shù)解決方案如何滿足5G基站系統(tǒng)的需求。盡管目前的各種技術(shù)都可以在設(shè)計(jì)中發(fā)揮作用,但只有最佳的技術(shù)才能滿足當(dāng)今的5G標(biāo)準(zhǔn),并為無(wú)線技術(shù)企業(yè)提供緊湊、高效的解決方案。接下來(lái),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(tǒng)建設(shè)更快、更容易、更可靠,同時(shí)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(shù);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(guān)鍵部分,高效且有效地完成了RF前端的設(shè)計(jì)。


從4個(gè)到256個(gè)通道,GaN技術(shù)如何創(chuàng)新5G基站系統(tǒng)的緊湊設(shè)計(jì)

圖4,PAM QPA和QPB(偏置控制器)產(chǎn)品框圖


概括而言,PAM技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)及設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn):


  • 此類集成器件針對(duì)mMIMO 5G基站進(jìn)行了優(yōu)化。

  • 輸入和輸出阻抗都優(yōu)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(tǒng)產(chǎn)量并縮短設(shè)計(jì)周期——與需要PA調(diào)試和匹配的分立式PA解決方案不同,PAM解決方案無(wú)需PA或Doherty PA系統(tǒng)級(jí)PCB匹配即可實(shí)現(xiàn)最佳性能。

  • 包含工廠預(yù)編程的集成偏置控制器;該控制器在工作溫度范圍內(nèi)調(diào)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(jìn)的效率和線性度,這些優(yōu)點(diǎn)也被帶入到基站系統(tǒng)之中。


深入探討:PAM如何滿足市場(chǎng)需求


Qorvo的GaN和PAM技術(shù)為滿足無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)不斷變化的需求而開發(fā)。借助GaN技術(shù),Qorvo能夠提供符合市場(chǎng)性能要求,以及基站原始設(shè)備制造商(OEM)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商期望的解決方案。以下,讓我們來(lái)逐一探討PAM如何與市場(chǎng)需求相匹配。


5G基站天線設(shè)計(jì)的不斷發(fā)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(tǒng)的總體功率水平,但同時(shí)也增加了復(fù)雜性,要求PA更加高效且線性度更高。GaN技術(shù)的進(jìn)步使PA在效率和線性度方面都得到提升。借助Qorvo的GaN技術(shù),PA和PAM產(chǎn)品的效率可達(dá)48%,同時(shí)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(shù)后達(dá)到50dBc。這些參數(shù)降低了運(yùn)營(yíng)商和OEM的能耗,推動(dòng)了更加環(huán)保的基站系統(tǒng)。下面,就讓我們深入了解這些參數(shù)及其對(duì)5G生態(tài)系統(tǒng)的影響。


  • -效率的提升——這意味著使用更低的能耗產(chǎn)生更少的熱量。由此,系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以創(chuàng)建更簡(jiǎn)單、更輕便的設(shè)計(jì),無(wú)需復(fù)雜的熱管理;有助于降低OPEX(運(yùn)營(yíng)支出)、縮短開發(fā)時(shí)間并構(gòu)建更可靠的系統(tǒng)。

  • -線性度的提高——隨著蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻段的擴(kuò)展和帶寬的增加,系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須保證在所需頻段內(nèi)精確傳輸信號(hào)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(tǒng)設(shè)計(jì)中提高線性度可最大限度地減少不必要的信號(hào)輻射。

  • -EVM的改善——提升信號(hào)質(zhì)量并降低誤碼率可增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸及接收的準(zhǔn)確性。EVM作為數(shù)字無(wú)線電系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。通過測(cè)量實(shí)際信號(hào)點(diǎn)與星座圖上的理想位置偏差來(lái)評(píng)估這一指標(biāo)。在RF系統(tǒng)中,高EVM意味著低質(zhì)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(yīng)等問題導(dǎo)致。


5G-Advanced——對(duì)于5G-Advanced技術(shù)而言,更加小型化的組件對(duì)于將眾多RF前端和天線整合進(jìn)緊湊空間以滿足高頻需求至關(guān)重要;因此,在PA設(shè)計(jì)和整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更小的尺寸成為關(guān)鍵。半導(dǎo)體領(lǐng)域減小尺寸的一個(gè)有效策略是集成化,而PAM在這方面表現(xiàn)尤為出色(見下圖5)。PAM將包括控制器在內(nèi)的多個(gè)功能整合到單個(gè)單元中,同時(shí)仍達(dá)到或超過5G基站設(shè)計(jì)的性能標(biāo)準(zhǔn)。這不僅使得封裝更小、更高效;還由于PAM自帶內(nèi)置50歐姆輸入輸出匹配,而消除了對(duì)單獨(dú)匹配組件的需求。最終,系統(tǒng)設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化,并降低了成本。


從4個(gè)到256個(gè)通道,GaN技術(shù)如何創(chuàng)新5G基站系統(tǒng)的緊湊設(shè)計(jì)

圖5,分立式PA與集成式PAM的比較


結(jié)語(yǔ)


當(dāng)今的RF基站系統(tǒng)的發(fā)展方向正變得越來(lái)越小巧,需要更寬的RF帶寬、更高的頻率,同時(shí)采用大規(guī)模多輸入多輸出(mMIMO)和波束成形技術(shù),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(shè)計(jì)不斷進(jìn)步的同時(shí),其中使用的技術(shù)也在持續(xù)演進(jìn)。PAM的引入便體現(xiàn)了這樣的進(jìn)步——這些高度集成的器件使系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單,同時(shí)滿足當(dāng)今所有系統(tǒng)級(jí)要求;幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師將產(chǎn)品更快推向市場(chǎng)并縮短設(shè)計(jì)周期,助力OEM更好地滿足客戶的設(shè)計(jì)與實(shí)施計(jì)劃。


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