Wolfspeed RF GaN 满足 5G 对功率放大器设计的需求

作者：WOLFSPEED

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， 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

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。

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。

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。

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)

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