GaN功率放大器在5G應(yīng)用中的可能性？

由于NSA 5G NR中納入了新的6GHz以下頻段，因此需要新的射頻硬件支持這些以前從未用于移動(dòng)無(wú)線的新頻率，尤其n77、n78及n79。雖然NSA 5G NR中尚未確定，但5G將最終支持600MHz以下頻段，并將其用于物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及其他機(jī)器類(lèi)通信等海量低功率連接。額外的子載波信道間隔、帶寬、載波聚合及4×4 MIMO規(guī)范與相應(yīng)的NSA 5G NR調(diào)制解調(diào)器和射頻收發(fā)器一同導(dǎo)致對(duì)濾波器、天線、低噪聲放大器、功率放大器以及天線的大量需求。

早期的5G調(diào)制解調(diào)器和收發(fā)器由于可運(yùn)行于選定頻段，因此并不一定需要克服上述難題，但是用于增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶和未來(lái)的工業(yè)及車(chē)載應(yīng)用要求前向和后向兼容性。這意味著5G射頻硬件不但需要服務(wù)所有的現(xiàn)有移動(dòng)頻段，還需要服務(wù)5G FR1及5G毫米波FR2 頻率（見(jiàn)下圖）。這一硬件要求是一項(xiàng)非常難以解決的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)椋阂环矫?，為了滿足吞吐量規(guī)范，必須采用雙連接性；而另一方面，用于很多現(xiàn)有蜂窩頻率的硬件有會(huì)對(duì)NSA 5G NR頻段造成干擾。除此之外，新的NSA 5G NR頻段還具有位于Wi-Fi、藍(lán)牙及其他無(wú)線設(shè)備所運(yùn)行的免授權(quán)ISM頻段附近的問(wèn)題。

部署之后，運(yùn)行于6GHz以下頻率及毫米波頻率的獨(dú)立5G服務(wù)將于圖示各種服務(wù)共存。

在如此密集分布的頻帶及極寬帶無(wú)線電之下，可能發(fā)生濾波、功率放大器線性度及諧波抑制不足和接收機(jī)靈敏度下降，從而導(dǎo)致性能受損。此外，為了實(shí)現(xiàn)最大吞吐量，新的NSA 5G NR發(fā)射機(jī)可能會(huì)以更高的輸出功率及更高的峰均功率比運(yùn)行，從而給位于同一基站內(nèi)的5G接收機(jī)或附近的5G設(shè)備造成問(wèn)題。

目前，用戶設(shè)備內(nèi)的射頻硬件（尤其天線）實(shí)體已經(jīng)非常小型化，但是5G規(guī)范可能要求下行鏈路采用4×4的MIMO，而且上行鏈路采用2×2的MIMO，即6條獨(dú)立的射頻路徑。為了實(shí)現(xiàn)在較寬帶寬內(nèi)提高天線的輻射效率，5G天線調(diào)諧技術(shù)將變得非常重要。此外，由于NSA 5G NR支持以具有更多可選載波聚合組合（第15版中多達(dá)600中新的組合）的單載波實(shí)現(xiàn)的100MHz帶寬，因此上述射頻路徑的寬度必須遠(yuǎn)寬于4G LTE路徑的寬度。由于NSA 5G NR還允許200MHz的組合上行鏈路帶寬及400MHz的組合下行鏈路帶寬，因此數(shù)據(jù)處理量極大，從而給節(jié)能型用戶設(shè)備及基站帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

通過(guò)利用片上系統(tǒng)（SoC）技術(shù)將濾波器組、高密度開(kāi)關(guān)、天線調(diào)諧功能、低噪聲放大器及功率放大器集成于射頻前端，用戶設(shè)備射頻硬件的集成度有可能獲得進(jìn)一步的提升。5G用戶設(shè)備天線也能采用集成解決方案，這些方案可能將天線調(diào)諧功能及一些預(yù)濾波和波束成形構(gòu)件納入其中。這種集成度還有助于實(shí)現(xiàn)成本目標(biāo)，從而確保手機(jī)具有實(shí)惠的價(jià)格并滿足形狀參數(shù)要求17-19。隨著5G的復(fù)雜性越來(lái)越高，以及鑒于當(dāng)今對(duì)高密度射頻解決方案的需求，無(wú)怪乎許多用戶設(shè)備制造商為了更快的開(kāi)發(fā)和部署而著迷于5G調(diào)制解調(diào)器–天線解決方案。

很多現(xiàn)有4G用戶設(shè)備及基站采用LDMOS、GaAs及SiGe功率放大器，而GaN功率放大器于最近進(jìn)入基站功率放大器市場(chǎng)。隨著頻率擴(kuò)展至6GHz以下，最大工作頻率為3GHz 的LDMOS不太可能滿足5G規(guī)范的要求，與此相對(duì)，GaN功率放大器（且可能為低噪聲放大器）則可有能用于5G基礎(chǔ)設(shè)施。在6GHz以下5G應(yīng)用的放大和切換功能方面，GaA和SiGe這兩種放大器將形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有毫米波功率放大器、低噪聲放大器及開(kāi)關(guān)解決方案更低的成本及更小的外形尺寸，5G毫米波應(yīng)用有可能會(huì)采用高集成度射頻絕緣體上硅（SOI）技術(shù)。將來(lái)的射頻前端可能通過(guò)由射頻SOI技術(shù)、SiGe BiCMOS技術(shù)或射頻CMOS片上系統(tǒng)技術(shù)集成的功率放大器、低噪聲放大器、開(kāi)關(guān)及控制功能對(duì)毫米波相控陣波束成形天線系統(tǒng)進(jìn)行控制（見(jiàn)下圖）。未來(lái)的射頻硅技術(shù)有可能進(jìn)一步與其他技術(shù)集成或結(jié)合，以納入混合波束成形模塊所需的濾波和數(shù)字硬件。射頻SOI技術(shù)或射頻CMOS技術(shù)的未來(lái)發(fā)展形式甚至有可能與FPGA、存儲(chǔ)器及處理器等更加先進(jìn)的數(shù)字硬件相集成。此外，基帶處理及附件DSP功能也可能集成為封裝體，以實(shí)現(xiàn)5G毫米波解決方案的小型化。

5G FDD波束成形模塊架構(gòu)

由于頻率路由和濾波功能對(duì)于5G載波聚合及與以往各代移動(dòng)技術(shù)的后向兼容至關(guān)重要，因此集成SAW、BAW、FBAR以及其他集成諧振器和濾波器技術(shù)對(duì)于用戶設(shè)備、甚至小型Small Cell甚為重要。鑒于潛在的干擾和設(shè)計(jì)復(fù)雜性，用戶設(shè)備5G模塊也可能包含Wi-Fi和藍(lán)牙模塊，然而這將進(jìn)一步增大濾波和頻率路由的復(fù)雜性。除此之外，由于射頻SOI技術(shù)最近發(fā)展至可實(shí)現(xiàn)濾波器和放大器的共同集成，因此5G射頻前端還可能會(huì)采用射頻SOI等可實(shí)現(xiàn)集成的技術(shù)。雖然SOI濾波器在6GHz以下5G用途中的應(yīng)用可能還需要若干年的時(shí)間，但是對(duì)于毫米波系統(tǒng)而言，SOI技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的放大器和開(kāi)關(guān)集成是一項(xiàng)非常具有吸引力的進(jìn)展，因此其在毫米波系統(tǒng)中的應(yīng)用可能指日可期。