芯耀
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對(duì)功率放大器（PA）進(jìn)行恰當(dāng)?shù)拈_發(fā)、驗(yàn)證和特性分析十分重要，因?yàn)楣β史糯笃魍ǔＴ诎l(fā)射設(shè)備的功耗中占很大比例。
在大多數(shù)芯片組和組件中，硅已被證明是一種可靠、經(jīng)濟(jì)高效且易于制造的材料。然而，隨著世界越來越朝著數(shù)字化、互聯(lián)互通且以設(shè)備為主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展，對(duì)更高性能、更高吞吐量和更高效率的需求也在增加。
盡管硅仍有無窮無盡的應(yīng)用場景，但它無法滿足 5G 新空口（NR）所需的性能要求，5G 新空口需要更高的功率、更高的工作溫度以及更高的效率。寬帶隙半導(dǎo)體將有助于滿足這一需求。在高功率射頻應(yīng)用方面，氮化鎵（GaN）有望改變高功率射頻功率放大器（PA）的格局。
根據(jù)應(yīng)用場景的不同，高功率的定義可能會(huì)有所變化。就目前而言，一個(gè)高功率的功率放大器（PA）的 1dB 壓縮點(diǎn)功率（P1dB）至少為 30 dBm，甚至可能高達(dá) 60 dbm。由于帶隙較低，傳統(tǒng)的功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如砷化鎵（GaAs）襯底上的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT）和贗高電子遷移率晶體管（pHEMT）放大器，并非是最佳選擇。相反，高功率功率放大器的設(shè)計(jì)師們通常會(huì)選擇碳化硅（SiC）襯底上的橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（LDMOS FET），或者是在碳化硅襯底上構(gòu)建一層氮化鎵（GaN）層的高電子遷移率晶體管（HEMT）放大器。圖 1 展示了半導(dǎo)體材料之間帶隙的差異。
與傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比，氮化鎵具有許多優(yōu)勢(shì)。作為一種寬帶隙器件，這意味著與其他工藝相比，它在高頻下具有更高的功率效率、能承受更高的工作溫度、輸出更高的功率，并且具有更好的功率密度。由于存在這些差異，你將需要調(diào)整測試策略。
盡管氮化鎵（GaN）卓越的功率、溫度、效率和頻率特性在幾十年前就已為人所知，但某些技術(shù)挑戰(zhàn)限制了它在商業(yè)應(yīng)用中的可行性。例如，氮化鎵集成電路能夠使用傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，這為更大規(guī)模地制造氮化鎵功率放大器（PA）打開了大門。此外，如今人們對(duì)能夠在各種頻段工作、同時(shí)與 5G 新空口（NR）以及舊有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)兼容（見圖 2）的更高功率和更高效組件的需求不斷增加，這使得人們對(duì)氮化鎵的興趣大幅提升。
由于其寬帶隙特性，氮化鎵功率放大器非常適合解決在實(shí)施現(xiàn)代蜂窩通信基站基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)出現(xiàn)的許多問題。氮化鎵功率放大器能夠極大地推動(dòng)無線基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。其應(yīng)用包括對(duì)更高功率效率的需求、在多個(gè)頻段和頻率上運(yùn)行以同時(shí)適應(yīng)新的和舊有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，以及在寬帶波形上實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。
一個(gè)傳統(tǒng)的基站（見圖 3）包含三個(gè)設(shè)備：位于塔基的基帶單元（BBU）、位于塔頂?shù)倪h(yuǎn)端射頻單元（RRU）以及一個(gè)天線。遠(yuǎn)端射頻單元將包含用于分離上行鏈路和下行鏈路信號(hào)、放大信號(hào)、進(jìn)行上 / 下變頻以及信號(hào)調(diào)理的硬件設(shè)備。高功率功率放大器位于遠(yuǎn)端射頻單元內(nèi)的發(fā)射（TX）路徑上。在基站中，氮化鎵功率放大器具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括能夠適應(yīng)多個(gè)頻段，從而可以同時(shí)支持多種設(shè)備。
盡管氮化鎵功率放大器（GaN PA）有諸多潛在優(yōu)勢(shì)，但由于其獨(dú)特的特性，在測試中也帶來了許多挑戰(zhàn)。其中包括以下一些方面：
1、復(fù)雜的測試裝置搭建
2、氮化鎵的線性化處理
3、精確的功率測量
4、時(shí)域同步
5、全新的工藝與技術(shù)
復(fù)雜的測試裝置搭建
一個(gè)高功率功率放大器（PA）通常是由多個(gè)較小的功率放大器組合而成。有時(shí)，多個(gè)放大級(jí)會(huì)串聯(lián)級(jí)聯(lián)成一個(gè)高增益的功率放大器。另一種常見的放大器架構(gòu)稱為多爾蒂（Doherty）放大器，在這種架構(gòu)中，兩個(gè)放大器并聯(lián)連接，它們都接收信號(hào)的分流副本。其中一個(gè)放大器（稱為載波功率放大器）經(jīng)過調(diào)諧，能夠精確放大信號(hào)的低功率部分，而另一個(gè)放大器（稱為峰值功率放大器）則針對(duì)高功率部分進(jìn)行調(diào)諧。然后將這些信號(hào)重新組合，從而在兩個(gè)工作區(qū)域內(nèi)都提高了信號(hào)保真度。
即便采用了這些多級(jí)放大技術(shù)，放大器的輸出功率往往仍不足以滿足商業(yè)應(yīng)用的需求。因此會(huì)使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器在高功率功率放大器之前增強(qiáng)信號(hào)功率。驅(qū)動(dòng)放大器通常針對(duì)高線性度和低噪聲系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，因?yàn)樗妮斎敫咏镜自肼暋?/p>
除了實(shí)際的測試裝置搭建之外，氮化鎵功率放大器的調(diào)試過程也可能比其他射頻功率放大器更加復(fù)雜和繁瑣。例如，在生成或采集任何射頻波形之前，必須先對(duì)被測器件（DUT）施加直流偏置。
線性化處理
基站必須同時(shí)分析上行鏈路信號(hào)并在多個(gè)頻段上生成下行鏈路信號(hào)。由于在一座塔上有多個(gè)天線和信號(hào)鏈處于激活狀態(tài)，隨著塔身變得愈發(fā)擁擠（物理層面）以及蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量的增加（頻譜層面），擁堵情況可能會(huì)發(fā)生。這促使設(shè)計(jì)師們以多種方式對(duì)信號(hào)鏈進(jìn)行優(yōu)化。有些信號(hào)鏈需要針對(duì)多個(gè)頻段進(jìn)行優(yōu)化，這意味著功率放大器必須能夠同時(shí)在這些頻段上工作。這就對(duì)帶外頻譜發(fā)射提出了嚴(yán)格的要求，因?yàn)楦浇奶炀€正在這些鄰近的頻率上進(jìn)行發(fā)射和接收。
此外，與那些在較低功率下工作的傳統(tǒng)硅基或砷化鎵基功率放大器相比，氮化鎵功率放大器的線性表現(xiàn)往往較差。正因如此，數(shù)字預(yù)失真（DPD）就成為了在信號(hào)保真度和純凈頻譜之間維持微妙平衡的一種重要方法。
功率測量
在高功率水平下運(yùn)行也會(huì)影響功率測量的準(zhǔn)確性。精確的功率測量需要一個(gè)稱為系統(tǒng)去嵌入或系統(tǒng)校準(zhǔn)的過程，在這個(gè)過程中，測試系統(tǒng)會(huì)對(duì)信號(hào)發(fā)生器和分析儀的精度以及信號(hào)鏈中的損耗或放大情況進(jìn)行補(bǔ)償。
時(shí)域同步
高功率功率放大器的功耗促使設(shè)計(jì)師們致力于優(yōu)化功率效率。對(duì)于任何基礎(chǔ)設(shè)施硬件供應(yīng)商來說，這都是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，因?yàn)槟茉词腔具\(yùn)營的主要成本之一。設(shè)計(jì)師們應(yīng)該對(duì)放大器的功率效率進(jìn)行特性分析和優(yōu)化。節(jié)能的一個(gè)重要策略是管理功率放大器的啟用時(shí)間。有些功率放大器提供了一個(gè)可以切換的使能引腳，而另一些則要求電源在合適的時(shí)間啟動(dòng)和停止。無論哪種方式，基站都需要在被測器件、電源和信號(hào)發(fā)生器之間實(shí)現(xiàn)同步。這種同步對(duì)于時(shí)分雙工（TDD）波形測試尤為重要，在這種測試中，傳輸過程中的某些時(shí)隙會(huì)被預(yù)留用于上行鏈路通信，同時(shí)禁用下行鏈路鏈。
全新的工藝與技術(shù)
制造氮化鎵組件的工藝仍在不斷發(fā)展，并且對(duì)性能有著重大影響。例如，氮化鎵襯底中的雜質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致電荷俘獲，進(jìn)而在某些信號(hào)情況下導(dǎo)致增益失效。對(duì)這類現(xiàn)象進(jìn)行特性分析對(duì)于理解基于氮化鎵組件的完整射頻系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。僅使用小信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)測試或?qū)拵?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1535474.html">調(diào)制信號(hào)的鄰道泄漏功率比（ACLR）測試是不夠的。你需要更多關(guān)于實(shí)際信號(hào)相位影響的信息，以及在射頻和直流測量之間實(shí)現(xiàn)非常精確的同步。
GAN功放在5G中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)
補(bǔ)充說明：
高頻與寬帶寬性能：GaN功放能夠處理50GHz或以上的毫米波頻率，支持5G的高頻通信需求。其寬帶隙特性使得載波聚合技術(shù)成為可能，從而顯著提升數(shù)據(jù)傳輸速率。
高功率密度與效率：GaN器件的功率密度是LDMOS的4倍左右，能夠在更小體積內(nèi)提供更高輸出功率。同時(shí)，高效率特性有助于降低基站能耗，減少運(yùn)營成本。
高溫穩(wěn)定性與可靠性：GaN材料的高溫穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠在高溫環(huán)境下保持高性能，提高了設(shè)備的可靠性和壽命。這對(duì)于5G基站長時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行至關(guān)重要。
小型化與集成化：GaN功放的封裝尺寸僅為LDMOS的1/4-1/7，便于集成在緊湊的5G基站設(shè)計(jì)中。同時(shí)，支持多通道并行，提升了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。
市場應(yīng)用與成本效益：隨著5G基站建設(shè)的推進(jìn)，GaN功放市場需求增長迅速。其成本逐漸下降，性價(jià)比提升，推動(dòng)了大規(guī)模應(yīng)用。國內(nèi)多家企業(yè)已推出GaN功放芯片，打破了國外壟斷，促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。
