Wolfspeed RF GaN 滿足 5G 對 PA 設計的要求

自從 2014 年首次用於 4G LTE 遠程無線電頭端 (RRH) 以來，GaN 在蜂窩功率放大器設計中的使用一直在穩步增加，因為它具有更高的效率、功率密度和更寬的帶寬能力。 這些優勢現在正在低於 6 GHz 或 5G 的 FR-1 頻段中得到利用，其中 GaN on SiC 已取代 LDMOS。

Wolfspeed 引領市場

自 20 多年前創建業界首個 GaN on SiC HEMT 以來，Wolfspeed 通過提供 GaN on SiC 產品，在如圖 1 所示的應用中有效替代 LDMOS 部件，並推動了市場發展。作為唯一的垂直集成 GaN 和矽作為硬質合金製造商，通過不斷投資開發滿足市場需求的產品和工藝，在 DC – 40 GHz 範圍內提供各種頻帶以及 28 V、40 V 和 50 V 偏置電壓，從而引領競爭。

通過 Wolfspeed GaN 在SiC 上的組件實現了5G 最好的增益，使射頻設計人員能夠實現更高線性化、更高功率密度和更高熱導率的應用要求。

5G的苛刻要求

儘管 5G 提供了帶寬提升，但其更高的頻率更容易出現信號衰減。 由於較高的帶寬意味著較低的信噪比 (SNR)，因此增加帶寬不會導致容量線性增加。 解決這個問題的一種方法是提高信號強度，這意味著增加發射機功率、天線數量和小區數量，就像 5G 部署的情況一樣。

然而，營運商希望以最小的基站尺寸、最低的成本和最低的功耗實現所有這些功能。 因此，無線電系統設計師面臨著來自 5G 標準要求的技術壓力以及他們必須滿足的營運商的商業需求。

功率放大器挑戰

受 5G 無線電要求影響的主要 PA 設計領域包括：

• 對更高功率和更小封裝的要求
• Doherty 架構中線性化放大器效率的提高
• 瞬時帶寬 (IBW) 要求高達 280 MHz，並趨向 >400 MHz
• 放大器的新頻段小數帶寬增加到：
• 更嚴格的光譜發射掩模 (SEM) 要求
• 與數字預失真 (DPD) 系統協同工作

5G 使用 256-QAM 調製方案，其多載波信號具有非常高的峰均功率比 (PAPR)。 如果放大器設計為在峰值電平下高效且線性地運行，則它通常在平均功率電平下效率較低。 此外，高 PAPR 信號往往工作在放大器的壓縮區域。 由於動態範圍限制和其他非線性導致的信號削波會導致失真和干擾，通常以誤差矢量幅度 (EVM) 來衡量。 5G 的 256-QAM 設計需要低於 3.5% 的低 EVM，而新設計將增加 1,024-QAM 的設計挑戰。

為了解決上述具有挑戰性的要求，設計人員有多種選擇，以下最常考慮的選擇最好由 GaN on SiC 技術提供。

• 該設計可以採用Doherty 放大器配置，該配置在整個放大器中包含兩個放大器電路，以適應不同的信號電平。 這提高了效率和線性度，因為設計人員不需要顯著增加功率回退。
• Doherty 放大器可以與數字預失真 (DPD) 相結合，以線性化 PA。 這使得 PA 可以在部分信號的非線性區域中運行，並在前面考慮到由於信號壓縮導致的失真。 結果是更高的輸出功率、更高的功率效率和高線性度。
• 另一種技術是通過調製漏極電源來保持恆定增益。 使用 RF GaN PA，可以通過這種方法顯著改善線性度。 然而，LDMOS 增益不會隨漏極偏置而充分改變，從而無法從該技術中獲得可觀的收益。
• 使用 GaN HEMT 可以降低幅度調製到相位調製 (AM-PM) 失真，與 LDMOS 相比，GaN HEMT 具有更低的輸入電容 Cgs。
• GaN HEMT 的較低 Cgs 與較低的輸出電容、Cds 以及較高的輸入和輸出電阻相結合，可實現更簡單、損耗更低的電路和寬帶寬匹配網絡。
• GaN 的高頻性能可用於實現 5G 所需的更寬 IBW 和分數 BW。

新型 Wolfspeed HEMT 緩解了 PA 設計難題

Wolfspeed 的四款新型高功率 Doherty 晶體管實現了 GaN on SiC 用於蜂窩發射器放大器的優勢。 這款最新一代 48 V 產品的目標頻率為 2.3 GHz 至 4 GHz，可實現 5G 所需的高性能放大器，並為設計人員提供設計成本效益、更小和綠色蜂窩無線電所需的靈活性。 所有四款產品均採用帶無耳法蘭的熱增強封裝。

GTRB246608FC：2,300 – 2,400 MHz HEMT 提供 49.3 dBm P_OUT(avg), 57.8 dBm P_sat、52% 效率和 100 MHz 的寬 IBW中有15 dB 增益。

GTRB266908FC：用於多標準蜂窩 PA 的 500 W (P3dB)、2,515 – 2,675 MHz RF GaN on SiC HEMT 在 P3dB 時提供 549 W 的 P_OUT 和 69.2% 的效率。 它具有 50.1 dBm 的 P_OUT(avg) 、57.8 dBm 的 P_sat 、48% 的效率、15 dB 的增益和更高的 194 MHz IBW。

GTRB384608FC：對於 440 W P_OUT @ P3dB，該元件允許在 3,300 – 3,800 MHz 頻率範圍內進行設計，提供 47.5 dBm P_OUT(avg)、56.1 dBm P_sat、42% 效率、13 dB 增益和 200 MHz IBW。

GTRB424908FC：GTRB424908FCisa 450 W (P3dB) GaN HEMT 工作在 3,700 – 4,000 MHz 高頻段，P_OUT(avg) 為 47.5 dBm，P_sat  為 56.1 dBm，效率為 40%，增益為 13 dB，IBW 為 280 兆赫。

Wolfspeed 為電信系統提供廣泛的 GaN on SiC 晶體管產品組合，支持所有全球標準和頻段。 立即諮詢適用於您的 5G PA 設計的新產品和更多解決方案。

References

1. Cripps, et al., The benefit of GaN characteristics over LDMOS for linearity improvement using drain modulation in power amplifier system (https://ieeexplore.ieee.org/document/5773334)
2. Sáez, et al., LDMOS versus GaN RF Power Amplifier Comparison Based on the Computing Complexity Needed to Linearize the Output. Electronics (https://www.researchgate.net/publication/336970919_LDMOS_versus_GaN_RF_Power_Amplifier_Comparison_Based_on_the_Computing_Complexity_Needed_to_Linearize_the_Output)