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  • 别墅手机信号增强,移动手机信号放大器,5G功放技术综述
  • 添加时间:2019/5/8 10:07:24  文章作者:移动手机信号放大器  文章来源:别墅手机信号增强

别墅手机信号增强,移动手机信号放大器,5G功放技术综述

高数据速率5G系统预计将在15GHz和100GHz之间的频率上运行,并在基站和手机中使用大量天线。 5G时代代表性的功率放大器场景与当今的商用无线场景不同:将会有更多以低功率水平运行的功率放大器。 然而,信号峰值与平均值之比仍然很高,效率仍将是一个关键考虑因素。 Doherty放大器将成为这些应用的主要竞争者,尽管它们不是唯一的可能性。 本文回顾了毫米波5G系统中功率放大器的新兴要求,描述了不同器件技术中毫米波Doherty IC的现状,列出了放大器设计的挑战,并提供了除Doherty放大器以外的方法以满足应用需求的一瞥。

 

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I.介绍

5G无线系统的目标包括超过100倍的扩展容量,高达> 1Gb / s的更高数据速率,低于1mS的延迟以及改进质量的应用体验。延长电池寿命也是其目标之一。 5G的基石将是使用大量“小型小区”,覆盖距离为200-300m甚至更短,以及Massive MIMO,其中利用天线阵列提供精确的波束控制以增加信号强度,减少干扰,并允许在许多环境中使用并行数据信道。还将利用电磁频谱的未封闭区域。行业已经制定了一项计划,逐步部署频率范围低于6GHz的系统,然后是cm-wave(特别是6-30GHz),后来是mmwave(30-100GHz)。

 

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较高的载波频率和需要提供大量天线(基站为> 100个天线单元,手机为> 16个天线单元)导致功率放大器的规格与3G和4G的规格大不相同。在5G的未来,基础晶体管技术以及电路方法可能完全不同。

 

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II.5G在CM(厘米)和MM(毫米)波的要求

5G系统中的天线间距将为½自由空间波长的量级; 28GHz的16x16阵列尺寸为8cm×8cm。为了支持这些天线,预计会有多个RF前端芯片(RFFE, RF front-end chips),每个天线配置为一个RFFE(图1b),或者每个4到8个天线可能配置一个RFFE(图1c) 。每个芯片可能包含各种RF组件,包括PA,LNA,T / R开关(大多数系统将使用时分双工(TDD)来利用互易性来确定信道状态信息),以及潜在的移相器和VGA。总发射输出功率在多个天线之间划分,导致每个天线的需求减少:基站的平均功率为50-500mW,手机为10-100mW。对于最低载波频率,信号带宽可以是100MHz,在高频段毫米波状态下增加到2GHz,PAPR值在8到12dB的范围内。因此,RFFE PA所需的峰值功率水平相对较小。图2给出了基站和手机在不同频率区域估计的峰值功率要求的概念表示。叠加的粗略估计值对应于各种技术与频率(对于单个设备或以IC形式)所展示的峰值功率水平。在5G协议中,多种技术可以提供所需的功率,包括未来的基于Si的电路,甚至用于基站应用。这个阶段是为了激烈的竞争,其中效率和成本将是重要的考虑因素;平均功率水平的效率在许多情况下是关键的,因为应该避免天线阵列应用中的精细散热要求。

 

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III.为MM-WAVES(毫米波)设计DOHERTY功放

Doherty放大器的后退效率得到改善,在毫米波状态的频率下已经很好地建立起来。 Doherty设计受益于阻抗反转和匹配的传输线可以适合片上,至少在较高频率下。在1-2GHz处受到关注的带宽限制在这里也不适用,毫米波5G的相对带宽很小(6-10%)。然而,有一些值得注意的挑战主要与收益有关。 Doherty效率的提高源于对不同回退功率水平使用不同的负载阻抗,并且随着阻抗的变化,增益可能会显着降低。连接主放大器和峰值放大器的输入功率的消耗(即使在峰值放大器关闭时)也是有问题的。与四分之一波传输线相关的损耗可能很大,这会降低效率并使负载调制效率降低。在III-V(三五族)技术中,通常使用微带线,在晶片背面具有接地平面,并且可以使用宽金属条带来使损耗最小化;在基于Si的技术中,接地平面和信号线都包含在顶部金属层中,因此走线必须更窄以保持给定的阻抗,导致损耗更高。设计谐波终端匹配来提升效率通常是无效的。

 

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许多Doherty IC已经在10GHz以上得到证明。最近在26GHz使用0.15u GaAs pHEMT的高性能。功率附加效率在峰值时达到36%,并且在6dB功率回退时仍然高于25%,增益为10.3 dB,由2级放大器提供,最大输出功率为26dBm。芯片相对较大(5.5mmx5.5mm)。

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为了提供潜在的更低成本和附加功能,业界已经关注到基于Si的解决方案。尽管Doherty设计的示例很少,但是在SiGe HBT和CMOS技术中已经广泛地研究了Mm(毫米波)波功率放大器中的应用。早期报道的采用90nm CMOS实现的75GHz放大器实现了6dB的回退效率15.6%(峰值效率31%,峰值功率11.7dBm)。采用CMOS / SOI的代表性高功率。为了增加电压处理和输出功率,在单元放大器中使用两个nMOSFET的堆叠,在中间节点处具有阻抗匹配,以便最大化增益。为了缩短传输线阻抗逆变器并使损耗最小化,使用慢波结构。在45 GHz时,单级放大器提供7dB的峰值增益,Psat为18dBm,峰值PAE为24%,6 dB后退时效率为16%。 IC相对较小,应该可以直接集成到具有多种功能的IC中,或者提供多种输出。通过回退获得显着的增益变化,并且必须改变峰值放大器的栅极偏置,以便适当地接通峰值放大器,但是这使信号输入电路设计复杂化。事实上,关于抑制AM-AM,AM-PM和记忆效应的任务,关于这个或其他mm-wave(毫米波) Doherties的报道很少。

 

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在80 GHz时,已经在CMOS中展示了一种创新的Doherty设计,它使用变压器而不是传输线来实现负载调制,该设计采用非对称结构,因此在全功率运行时,峰值放大器提供大部分输出。为了在输入功率增加时适当地控制峰值放大器的增益,在芯片上结合自适应偏置网络。该放大器输出功率为16.2 dBm,峰值效率为12%,退避效率为6dB,效率为11%。

 

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IV.其它功放实现方法

用于5G系统的Doherty放大器的自然竞争者是具有高效率的简单AB类放大器。消除Doherty的复杂性仍然可以在功率回退时提供可容忍的效率,并且可以提供更紧凑和更强大的解决方案,并且可能具有更简单的预失真要求。

 

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据报道,对于30GHz的放大器(功率水平为2-4W的pHEMT),峰值PAE高达35-40%。对于基于硅的解决方案,在45GHz时,PAE达到34%,在6dB回退时效率下降到20%,输出功率为65mW。最近报道的基于CMOS-SOI的结果使用精细的PA堆叠以在28GHz的小结构中获得高输出功率,这里,AB类偏置条件下的峰值功率为250mW。具有自适应栅极偏置的6dB回退时的PAE达到16%并且可能更高。值得注意的是,硅基毫米波IC的性能正在迅速发展。

 

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通过包络跟踪(ET,envelope tracking)提供了实现回退高效率的替代架构,其中漏极(或集电极)偏置电源随信号包络而变化。 ET在1-2GHz时已经证明了效率的大幅提升,ET现在可用于手机应用。 ET的一个优点是它相对于载波频率是相对不可知的,并且已经报道了毫米波ET放大器。主要问题是难以为5G感兴趣的带宽提供高效动态电源,并且对包络和RF信号同步的相关定时要求是严格的。然而,ET技术正在迅速发展;据报道,它在80MHz WiFi系统中的应用。另一个考虑因素是,即使电源的供电带宽低于RF信号的带宽,也可以提高RF功率放大器的效率。图9描绘了通过减少带宽供应可获得的预期效率改进(对于代表性包络生成算法)。然而,必须进一步考虑动态电压供应本身的效率以计算总体效益收益。

 

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Doherty放大器可能在5G cm(厘米波,既Sub-6GHz频段)和mm(毫米波频段)波PA /天线阵列中起主要作用。然而,与迄今为止所证明的想法相比,提高效率的空间很大。 5G为功率放大器创新提供了肥沃的土壤,射频功放工程师可以继续大展手脚。


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