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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，对既高效又具备精确信号能力的功率放大器（PA）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）波束赋形、小型基站和毫米波基站等先进技术。

市场需求

首先，让我们来快速回顾一下5G蜂窝市场的趋势与需求：

·      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频段从频分双工转向时分双工，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。

·      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。向mMIMO的转变使得通信道数量从4个增加至16、32、64、128个甚至更多。mMIMO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迈进。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）的配置，为5G Advanced微波网络提供前所未有的容量。虽然mMIMO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。

·      具有波束赋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。通过众多阵列单元协同作业，它们能够有效抗干扰并形成精确的辐射方向图。波束赋形是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。这使得大量天线要布置在狭小区域内。

·      工作在更高的频率减少了天线阵列单元间的半波长间距。这就要求采用更紧凑、更集成的射频前端解决方案。 

功率放大器模块

接下来介绍一种尖端的解决方案，旨在使基站系统建设更快、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1所示，PAM如同拼图中的一块关键部分，高效地完成了RF前端的设计。

图1：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：

·      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波段及以上的宽频带性能。

·      得益于其改进的效率和线性度，以上优点也被带入到基站系统之中。 

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。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。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PA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，更小型的组件对于将众多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（图2）。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。

图2：分立式PA与集成式PAM的比较。 

结语

当今的RF基站系统的发展方向正变得越来越小巧，需要更宽的RF带宽、更高的频率，同时采用mMIMO和波束赋形技术，并且必须更轻、更小、更“绿色”和更可靠。在基站设计不断进步的同时，其中使用的技术也在持续演进。PAM的引入便体现了这样的进步——这些高度集成的器件使系统设计变得简单，同时满足当今所有系统级要求。帮助系统设计工程师将产品更快推向市场并缩短设计周期，助力OEM更好地满足客户的设计与实施计划。