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Communications Infrastructure

Wolfspeed RF GaN 满足 5G 对功率放大器设计的需求

Aug 02, 2022
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自 2014 年首次用于 4G LTE 射频拉远头(RRH)以来,凭借更高的效率、功率密度和更宽的带宽能力,GaN 在蜂窝功率放大器设计中的使用一直在稳步增加。这些优势现在正被用于 6 GHz 以下频段或 5G 的 FR-1 频段。在这些频段中,碳化硅基氮化镓(GaN on SiC) 正在取代 LDMOS。

图 1:GaN 固有的更优异高频和更宽带宽性能是 5G NR 频段的理想选择

Wolfspeed 引领市场

自 20 多年前在业界率先推出 GaN on SiC HEMT 以来,Wolfspeed 一直都在致力于通过提供 GaN on SiC 产品,从而有效地替代各种应用(如 1 所示)中 LDMOS 部件,支持并推动这一市场的发展。作为唯一的垂直集成 GaN 和 SiC 制造商,公司正持续投资开发满足市场需求的产品和工艺,可用于 DC - 40 GHz 范围内的各种频段以及 28 V、40 V 和 50 V 偏置电压,从而在竞争中处于领先地位。

Wolfspeed 的 GaN on SiC 元器件能够更好地实现 5G 增益,使射频设计人员能够满足更高线性化、更高功率密度和改进导热性的应用要求。

5G 的苛刻要求

尽管 5G 提升了带宽,但其更高的频率更容易造成信号衰减。由于更高的带宽会导致更低的信噪比(SNR),增加带宽并不会导致容量的线性增加。解决这一问题的一种方法是提高信号强度,这意味着增加发射机功率、天线数量和基站数量,5G部署通常就是这样。

然而,运营商希望以最小的基站尺寸、最低的成本和尽可能低的功耗实现所有这些。因此,射频系统设计人员既面临来自 5G 标准要求的技术压力,也面临必须满足的运营商的商业需求。

图 2:5G 系统对蜂窝无线的功率放大器设计提出了严格要求

功率放大器面临的挑战

受 5G 无线要求影响的功率放大器的主要设计领域包括:

  • 对更高功率和更小封装的要求
  • Doherty 架构中的线性化放大器效率的提升
  • 高达 280 MHz 的瞬时带宽(IBW)要求,并正朝着超过 400 MHz 的方向发展
  • 放大器用于新频段的分数带宽增加到:
    • n41:194 MHz(7.5%)
    • n78:500 MHz(14%)
    • n79:600 MHz(12/%)
    • n77:900 MHz(24%)
  • 更严格的频谱发射掩模(SEM)要求
  • 与数字预失真(DPD)系统的协同操作

5G 使用 256-QAM 调制方案,其多载波信号具有非常高的峰均功率比(PAPR)。如果将放大器设计为在峰值水平下高效地线性运行,则其在平均功率水平的效率通常较低。此外,高 PAPR 信号倾向于在放大器的压缩区域运行。由于动态范围限制和其他非线性带来的信号削波会导致失真和干扰,通常以误差矢量幅度(EVM)来测量。5G 的 256-QAM 设计需要 <3.5% 的低 EVM,同时新设计的 1024-QAM 将会增加设计挑战。

为了满足上述富有挑战性的要求,设计人员有几种选择,其中最常考虑的是 GaN on SiC 技术。

  • 该设计可以采用 Doherty 放大器配置,在整个放大器内包含两个放大器电路,以适应不同的信号电平。这可以提高效率和线性度,因为设计人员不需要显著增加功率回退。
  • Doherty 放大器可以与数字预失真(DPD)结合,以线性化功率放大器。对于因先前提到的信号压缩而导致失真的信号部分,这使得功率放大器能够在非线性区域中运行。结果就是更高的输出功率、更高的功率效率和高线性度。
  • 另一项技术是通过调制漏极电源来保持恒定增益。对于射频 GaN 功率放大器,该方法可以实现显著的线性改善。然而,LDMOS 增益不会随漏极偏压而充分变化,从而无法从该技术获得显著的益处。1
  • 与 LDMOS 相比,GaN HEMT 的输入电容 Cgs 更低,可以降低幅度调制到相位调制(AM-PM)失真。2
  • GaN HEMT 的较低 Cgs 与较低的输出电容 Cds 以及较高的输入和输出电阻相结合,可以使宽带匹配网络结构更简单,损耗更低。
  • 利用 GaN 的高频性能来实现 5G 所需的更宽 IBW 和频宽比。

全新 Wolfspeed HEMT 助力解决功率放大器设计难题

Wolfspeed 的四种新型高功率 Doherty 晶体管实现了 GaN on SiC 用于蜂窝发射机放大器的优势。这一最新一代 48 V 产品的目标频率为 2.3 GHz 以上至 4 GHz,可实现 5G 所需的高性能放大器,并为设计人员提供设计低成本、更小和绿色蜂窝无线所需的灵活性。所有四款产品均采用无耳法兰的散热增强封装。

GTRB246608FC:2300 - 2400 MHz HEMT 提供 49.3 dBm 的 POUT(avg)、57.8 dBm 的 Psat、52% 的效率和 15 dB 的增益,以及 100 MHz 的宽 IBW。

GTRB266908FC:用于多标准蜂窝功率放大器 的 500 W (P3dB)、2515 - 2675 MHz RF GaN on SiC HEMT 在 P3dB 时提供 549 W 的 POUT 和 69.2% 的效率。它提供 50.1 dBm 的 POUT(avg)、57.8 dBm 的 Psat、48% 的效率、15 dB 的增益,以及更高的 194 MHz IBW。

GTRB384608FC:对于 440 W POUT @ P3dB,这个器件可在 3300 - 3800 MHz 频率范围内进行设计,提供 47.5 dBm 的 POUT(avg)、56.1 dBm 的 Psat、42% 的效率、13 dB 的增益和 200 MHz 的 IBW。

GTRB424908FC:GTRB424908FC在 3700 - 4000 MHz 的高频段运行,具有 450 W (P3dB) 的 GaN HEMT,47.5 dBm 的指定 POUT(avg)、56.1 dBm 的 Psat、40% 的效率、13 dB 的增益,以及 280 MHz 的大 IBW。

Wolfspeed 为电信系统提供广泛的 GaN on SiC 晶体管组合,支持所有全球标准和频段。立即查询适合 5G 功率放大器设计的新产品和更多解决方案。


  1. Cripps 等人,在功率放大器系统中使用漏极调制改善线性度的 GaN 相比 LDMOS 的优势
    (https://ieeexplore.ieee.org/document/5773334)
  2. Sáez 等人,基于线性化输出所需的计算复杂性的 LDMOS 与 GaN RF 功率放大器的比较。Electronics
    (https://www.researchgate.net/publication/336970919_LDMOS_versus_GaN_RF_Power_Amplifier_Comparison_Based_on_the_Computing_Complexity_Needed_to_Linearize_the_Output)
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