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                    射頻技術研習社

                    射頻原理

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                    這就是5G時代需要GaN的原因!

                    最近,關于5G基站功耗的問題引發了媒體的廣泛討論。相關資料顯示,5G單站功耗將是是4G單站的2.5~3.5倍。而其實產業界為了降低基站的功耗,已經做了很多的努力。


                    要談這個方面,我們首先要從基站的功耗說起。


                    基站主設備由BBU和AAU組成


                    BBU主要負責基帶數字信號處理,比如FFT / IFFT,調制/解調、信道編碼/解碼等。


                    AAU主要由DAC(數模轉換)、RF(射頻單元)、PA(功放)和天線等部分組成,主要負責將基帶數字信號轉為模擬信號,再調制成高頻射頻信號,然后通過PA放大至足夠功率后,由天線發射出去。


                    簡單的說,基站功耗的計算公式如下:


                    也就是說,基站功耗由PA功耗、RF功耗和BBU功耗組成,并隨著TRX鏈路增加,基站總功耗成倍增加。


                    比如,Massive MIMO的天線單元越多,每個天線單元都有PA和RF單元,TRX鏈路增加,同時BBU的計算功耗也隨著TRX鏈路增加而上升,因此基站總功耗隨之上升。尤其是PA,更是功耗的貢獻大戶。有統計指出約一半的基站功耗來自PA。


                    PA功耗為什么這么大呢?


                    PA的職責就是忠實地線性放大信號,但現實與理性總是有很大差距的,如下圖所示,隨著PA輸出功率越來越接近最大輸出功率(飽和輸出功率),非線性失真越來越大,這會嚴重影響信號傳輸質量。


                    為了減少非線性失真,PA會采用回退(Backoff)的方式,將放大器的工作點調低,以確保輸出功率操作在線性區域范圍,維持線性度。


                    但問題就來了,回退操作會降低PA功耗效率,使得PA功耗更高。


                    如下圖,PA的功耗等于輸出功率與PA功耗效率之比。


                    假設PA功耗效率為50%,至天線的射頻輸出功率為200W,那么,PA功耗高達400W,這意味著有近一半的功率作為廢熱而損失。此時,若PA工作點回退10dB以補償線性度,則PA功耗效率將降至20%以下,則PA功耗高達1000W,這意味著有80%的功率作為廢熱而損失。


                    由于PA功耗效率和線性度是相互矛盾的,為了兼顧兩者,業界采用了數字預糾偏算法(DPD)等技術,即通過在PA的輸入側添加功放非線性失真的逆特性來進行預先失真處理。因此,DPD算法的優劣將會直接影響5G基站功耗效率。


                    而作為一個深耕射頻的專家,Qorvo為5G引入了GaN PA,來提升基站射頻效率的同時降低功耗。作為第三代半導體材料的代表,GaN為5G sub-6GHz大規模MIMO基站應用提供了多種優勢:


                    • GaN在3.5GHz及以上頻率下表現良好,而LDMOS在這些高頻下受到挑戰。

                    • GaN具有高擊穿電壓,高電流密度,高過渡頻率,低導通電阻和低寄生電容。這些特性可轉化為高輸出功率、寬帶寬和高效率。

                    • 采用Doherty PA配置的GaN在100W輸出功率下的平均效率達到50%~60%,顯著降低了發射功耗。

                    • GaN PA的高功率密度可實現需要較少印刷電路板(PCB)空間的小尺寸。

                    • 在Doherty PA配置中使用GaN允許使用四方扁平無引線(QFN)塑料封裝而不是昂貴的陶瓷封裝。

                    • GaN在高頻和寬帶寬下的效率意味著大規模MIMO系統可以更緊湊。GaN可在較高的工作溫度下可靠運行,這意味著它可以使用更小的散熱器。這樣可以實現更緊湊的外形。



                    Qorvo IDP事業部總裁 James Klein 之前也曾經說過:“Qorvo 利用我們具有悠久歷史的毫米波技術,讓 5G 成為現實。三十年來,我們一直在解決點對點、衛星通信和國防行業采用的集成電路所面臨的功率、尺寸和效率挑戰,這些努力促成了如今 Qorvo 的 5G 創新。我們的 GaN 技術被用于進行數十次 5G 現場試驗,而這個新模塊將進一步減小尺寸和功耗,對于對毫米波頻率產生關鍵影響的超小陣列,這一點至關重要。”


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