功率放大器模塊及其在5G設(shè)計(jì)中的作用

多射頻設(shè)計(jì)人員都對(duì) Franklin Douglass 的名言深有同感：“沒有斗爭就沒有進(jìn)步?！痹跒?5G 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，尤其如此。科技有望改變無線通信，但也會(huì)帶來設(shè)計(jì)難題。利用功率放大器模塊 (PAM) 來化解。以下是你需要知道的一切。

這篇博文首次發(fā)布在 Mouser Electronics 網(wǎng)站https://www.mouser.com/blog/power-amplifier-modules-role-5g-design 上。

5G 是無線通信市場領(lǐng)域有史以來十分重要的強(qiáng)大技術(shù)之一。與 4G 相比，5G 在數(shù)據(jù)速率、延遲和容量方面都有顯著提升，有望成為行業(yè)乃至全球真正的變革性技術(shù)。

然而，這些根本性的性能改進(jìn)也對(duì)底層射頻 (RF) 硬件產(chǎn)生了更大的壓力，并提出了更嚴(yán)格的要求。功率放大器 (PA) 是射頻硬件中非常重要的部件之一，隨著 5G 的普及，它的重要性不斷提升。為了幫助緩解為 5G 設(shè)計(jì)射頻放大器的挑戰(zhàn)，近年來，功率放大器模塊 (PAM) 已成為一個(gè)重要的工具。

在這篇博文中，我們將討論功率放大器及其在 5G 中的作用，以及 Qorvo 如何利用功率放大器模塊來幫助支持未來的 5G 基礎(chǔ)設(shè)施。

什么是功率放大器？

在處理射頻信號(hào)時(shí)，特別是在 5G 的高頻段，電壓電平可能非常低。這是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)殡姶?(EM) 信號(hào)在較低的振幅下更容易受到系統(tǒng)級(jí)噪聲的影響（即，信噪比降低）。除此之外，較低電壓信號(hào)通常缺乏驅(qū)動(dòng)下游電路或天線所需的強(qiáng)度。

為了解決這些挑戰(zhàn)，開發(fā)人員使用了功率放大器。射頻功率放大器是一個(gè)電路模塊，用于增加射頻信號(hào)的振幅、功率輸出或驅(qū)動(dòng)能力。一般來說，射頻功率放大器位于系統(tǒng)天線附近，為發(fā)射天線提供高功率信號(hào)。

使用功率放大器的目的是增強(qiáng)信號(hào)，同時(shí)保持從輸入到輸出的高保真度。因此，線性度、效率和輸出功率是功率放大器的幾個(gè)重要規(guī)格參數(shù)。

功率放大器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

過去，功率放大器及其周圍的電路是采用板載分立式元件設(shè)計(jì)。雖然這種方法在行業(yè)內(nèi)使用了很多年，但由于出現(xiàn)了一些非常大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，這種方法的有效性受到質(zhì)疑。

其中一個(gè)挑戰(zhàn)是如何在面積、成本、性能和功耗之間做一個(gè)權(quán)衡。一般來說，這些規(guī)格參數(shù)往往是相互沖突的，設(shè)計(jì)人員必須知道如何優(yōu)化其電路，以便針對(duì)特定應(yīng)用盡可能兼顧這些權(quán)衡因素。在使用分立式元件時(shí)，由于零件選擇、元件互用性和布局等都會(huì)影響性能，要在這些因素之間取得平衡變得越來越困難。

當(dāng)發(fā)展到5G 時(shí)，這種情況就更加復(fù)雜了，此時(shí)系統(tǒng)還需要覆蓋更寬的帶寬和更高的頻率范圍。當(dāng)今的系統(tǒng)需要高達(dá) 400 Mhz 的平均瞬時(shí)帶寬，同時(shí)工作頻率高達(dá) 4 GHz?，F(xiàn)在的挑戰(zhàn)要求在實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)權(quán)衡的同時(shí)，還要提供該頻帶范圍的性能。

采用功率放大器模塊 (PAM) 的解決方案

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，Qorvo 開始使用 PAM。

PAM 是一種電子元件，它將功率放大器中的分立元件及其周圍的電路整合到單個(gè)封裝解決方案中。例如，在 5G 基站應(yīng)用中，PAM 可以將驅(qū)動(dòng)放大器和末級(jí)放大器集成到單個(gè)封裝中，而不是將它們用作分立電路模塊。通過將整個(gè)功率放大器系統(tǒng)集成到單個(gè)模塊中，我們可以獲得許多重要的結(jié)果（圖1）。

圖1：Qorvo QPA4501 PAM 采用 Doherty 末級(jí)來實(shí)現(xiàn)高功率和高效率。

首先，PAM 使射頻系統(tǒng)（比如基站）的設(shè)計(jì)明顯比分立方案更容易實(shí)施。設(shè)計(jì)人員無需選擇元件和設(shè)計(jì)分立電路，而是可以選擇適合其需求的模塊，并將其作為一個(gè)整體在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

除此之外，與非模塊解決方案相比，PAM 還可以實(shí)現(xiàn)更好的性能和空間布局。通過元件集成，可以盡量減少寄生等布局問題，從而提高性能和效率。Qorvo PAM 還為設(shè)計(jì)人員解決了阻抗匹配等問題，確保盡可能實(shí)現(xiàn)更高性能。

最后，這種集成設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)更小的系統(tǒng)，有助于用戶減少最終系統(tǒng)的重量和占用面積。

Qorvo 的 PAM 專業(yè)知識(shí)

Qorvo 提供種類齊全、具有創(chuàng)意的 GaN-on-SiC 產(chǎn)品組合，幫助用戶顯著提升效率和工作帶寬。該公司的GaN-on-SiC 產(chǎn)品具有高功率密度、小尺寸、增益出色、高可靠性和工藝成熟的特點(diǎn)。Qorvo 認(rèn)識(shí)到 PAM 在未來 5G 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要性，正在努力為市場帶來各種先進(jìn)的解決方案。Qorvo 的 PAM 旨在實(shí)現(xiàn)功率、效率、尺寸和成本的平衡，同時(shí)使用戶的設(shè)計(jì)盡可能地簡單。

來源：Qorvo半導(dǎo)體，作者：Shawn Gibb