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GaN功率放大器在5G应用中的可能性?
嘉兆科技 | 2019-03-14 14:00:01    阅读:12837   发布文章

由于NSA 5G NR中纳入了新的6GHz以下频段,因此需要新的射频硬件支持这些以前从未用于移动无线的新频率,尤其n77、n78及n79。虽然NSA 5G NR中尚未确定,但5G将最终支持600MHz以下频段,并将其用于物联网、工业4.0/工业物联网及其他机器类通信等海量低功率连接。额外的子载波信道间隔、带宽、载波聚合及4×4 MIMO规范与相应的NSA 5G NR调制解调器和射频收发器一同导致对滤波器、天线、低噪声放大器、功率放大器以及天线的大量需求。

早期的5G调制解调器和收发器由于可运行于选定频段,因此并不一定需要克服上述难题,但是用于增强型移动宽带和未来的工业及车载应用要求前向和后向兼容性。这意味着5G射频硬件不但需要服务所有的现有移动频段,还需要服务5G FR1及5G毫米波FR2 频率(见下图)。这一硬件要求是一项非常难以解决的挑战,这是因为:一方面,为了满足吞吐量规范,必须采用双连接性;而另一方面,用于很多现有蜂窝频率的硬件有会对NSA 5G NR频段造成干扰。除此之外,新的NSA 5G NR频段还具有位于Wi-Fi、蓝牙及其他无线设备所运行的免授权ISM频段附近的问题。

部署之后,运行于6GHz以下频率及毫米波频率的独立5G服务将于图示各种服务共存。

 5g1.jpg

在如此密集分布的频带及极宽带无线电之下,可能发生滤波、功率放大器线性度及谐波抑制不足和接收机灵敏度下降,从而导致性能受损。此外,为了实现最大吞吐量,新的NSA 5G NR发射机可能会以更高的输出功率及更高的峰均功率比运行,从而给位于同一基站内的5G接收机或附近的5G设备造成问题。

目前,用户设备内的射频硬件(尤其天线)实体已经非常小型化,但是5G规范可能要求下行链路采用4×4的MIMO,而且上行链路采用2×2的MIMO,即6条独立的射频路径。为了实现在较宽带宽内提高天线的辐射效率,5G天线调谐技术将变得非常重要。此外,由于NSA 5G NR支持以具有更多可选载波聚合组合(第15版中多达600中新的组合)的单载波实现的100MHz带宽,因此上述射频路径的宽度必须远宽于4G LTE路径的宽度。由于NSA 5G NR还允许200MHz的组合上行链路带宽及400MHz的组合下行链路带宽,因此数据处理量极大,从而给节能型用户设备及基站带来了挑战。

通过利用片上系统(SoC)技术将滤波器组、高密度开关、天线调谐功能、低噪声放大器及功率放大器集成于射频前端,用户设备射频硬件的集成度有可能获得进一步的提升。5G用户设备天线也能采用集成解决方案,这些方案可能将天线调谐功能及一些预滤波和波束成形构件纳入其中。这种集成度还有助于实现成本目标,从而确保手机具有实惠的价格并满足形状参数要求17-19。随着5G的复杂性越来越高,以及鉴于当今对高密度射频解决方案的需求,无怪乎许多用户设备制造商为了更快的开发和部署而着迷于5G调制解调器–天线解决方案。

很多现有4G用户设备及基站采用LDMOS、GaAs及SiGe功率放大器,而GaN功率放大器于最近进入基站功率放大器市场。随着频率扩展至6GHz以下,最大工作频率为3GHz 的LDMOS不太可能满足5G规范的要求,与此相对,GaN功率放大器(且可能为低噪声放大器)则可有能用于5G基础设施。在6GHz以下5G应用的放大和切换功能方面,GaA和SiGe这两种放大器将形成竞争关系。为了实现比现有毫米波功率放大器、低噪声放大器及开关解决方案更低的成本及更小的外形尺寸,5G毫米波应用有可能会采用高集成度射频绝缘体上硅(SOI)技术。将来的射频前端可能通过由射频SOI技术、SiGe BiCMOS技术或射频CMOS片上系统技术集成的功率放大器、低噪声放大器、开关及控制功能对毫米波相控阵波束成形天线系统进行控制(见下图)。未来的射频硅技术有可能进一步与其他技术集成或结合,以纳入混合波束成形模块所需的滤波和数字硬件。射频SOI技术或射频CMOS技术的未来发展形式甚至有可能与FPGA、存储器及处理器等更加先进的数字硬件相集成。此外,基带处理及附件DSP功能也可能集成为封装体,以实现5G毫米波解决方案的小型化。

5G FDD波束成形模块架构

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由于频率路由和滤波功能对于5G载波聚合及与以往各代移动技术的后向兼容至关重要,因此集成SAW、BAW、FBAR以及其他集成谐振器和滤波器技术对于用户设备、甚至小型Small Cell甚为重要。鉴于潜在的干扰和设计复杂性,用户设备5G模块也可能包含Wi-Fi和蓝牙模块,然而这将进一步增大滤波和频率路由的复杂性。除此之外,由于射频SOI技术最近发展至可实现滤波器和放大器的共同集成,因此5G射频前端还可能会采用射频SOI等可实现集成的技术。虽然SOI滤波器在6GHz以下5G用途中的应用可能还需要若干年的时间,但是对于毫米波系统而言,SOI技术所实现的放大器和开关集成是一项非常具有吸引力的进展,因此其在毫米波系统中的应用可能指日可期。

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