Wolfspeed RF GaN?滿足 5G 對功率放大器設(shè)計(jì)的需求

自 2014 年首次用于 4G LTE 射頻拉遠(yuǎn)頭（RRH）以來，憑借更高的效率、功率密度和更寬的帶寬能力，GaN 在蜂窩功率放大器設(shè)計(jì)中的使用一直在穩(wěn)步增加。這些優(yōu)勢現(xiàn)在正被用于 6 GHz 以下頻段或 5G 的 FR-1 頻段。在這些頻段中，碳化硅基氮化鎵（GaN on SiC） 正在取代 LDMOS。

▲ 圖1：GaN 固有的更優(yōu)異高頻和更寬帶寬性能是?

5G NR 頻段的理想選擇

? ? ? #1? ? ?? Wolfspeed 引領(lǐng)市場

自 20 多年前在業(yè)界率先推出 GaN on SiC HEMT 以來，Wolfspeed 一直都在致力于通過提供 GaN on SiC 產(chǎn)品，從而有效地替代各種應(yīng)用（如圖 1 所示）中 LDMOS 部件，支持并推動(dòng)這一市場的發(fā)展。作為唯一的垂直集成 GaN 和 SiC 制造商，公司正持續(xù)投資開發(fā)滿足市場需求的產(chǎn)品和工藝，可用于 DC - 40 GHz 范圍內(nèi)的各種頻段以及 28 V、40 V 和 50 V 偏置電壓，從而在競爭中處于領(lǐng)先地位。

Wolfspeed 的 GaN on SiC 元器件能夠更好地實(shí)現(xiàn) 5G 增益，使射頻設(shè)計(jì)人員能夠滿足更高線性化、更高功率密度和改進(jìn)導(dǎo)熱性的應(yīng)用要求。

? ? ??#2? ? ?? 5G 的苛刻要求

盡管 5G 提升了帶寬，但其更高的頻率更容易造成信號衰減。由于更高的帶寬會導(dǎo)致更低的信噪比（SNR），增加帶寬并不會導(dǎo)致容量的線性增加。解決這一問題的一種方法是提高信號強(qiáng)度，這意味著增加發(fā)射機(jī)功率、天線數(shù)量和基站數(shù)量，5G部署通常就是這樣。 ? 然而，運(yùn)營商希望以最小的基站尺寸、最低的成本和盡可能低的功耗實(shí)現(xiàn)所有這些。因此，射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員既面臨來自 5G 標(biāo)準(zhǔn)要求的技術(shù)壓力，也面臨必須滿足的運(yùn)營商的商業(yè)需求。 ?

▲ 圖2：5G 系統(tǒng)對蜂窩無線的功率放大器設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格要求

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功率放大器面臨的挑戰(zhàn)

受 5G 無線要求影響的功率放大器的主要設(shè)計(jì)領(lǐng)域包括：

對更高功率和更小封裝的要求

Doherty 架構(gòu)中的線性化放大器效率的提升

高達(dá) 280 MHz 的瞬時(shí)帶寬（IBW）要求，并正朝著超過 400 MHz 的方向發(fā)展

放大器用于新頻段的分?jǐn)?shù)帶寬增加到：

n41：194 MHz（7.5%）

n78：500 MHz（14%）

n79：600 MHz（12/%）

n77：900 MHz（24%）

更嚴(yán)格的頻譜發(fā)射掩模（SEM）要求

與數(shù)字預(yù)失真（DPD）系統(tǒng)的協(xié)同操作

5G 使用 256-QAM 調(diào)制方案，其多載波信號具有非常高的峰均功率比（PAPR）。如果將放大器設(shè)計(jì)為在峰值水平下高效地線性運(yùn)行，則其在平均功率水平的效率通常較低。此外，高 PAPR 信號傾向于在放大器的壓縮區(qū)域運(yùn)行。由于動(dòng)態(tài)范圍限制和其他非線性帶來的信號削波會導(dǎo)致失真和干擾，通常以誤差矢量幅度（EVM）來測量。5G 的 256-QAM 設(shè)計(jì)需要 <3.5% 的低 EVM，同時(shí)新設(shè)計(jì)的 1024-QAM 將會增加設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

為了滿足上述富有挑戰(zhàn)性的要求，設(shè)計(jì)人員有幾種選擇，其中最常考慮的是 GaN on SiC 技術(shù)。

該設(shè)計(jì)可以采用 Doherty 放大器配置，在整個(gè)放大器內(nèi)包含兩個(gè)放大器電路，以適應(yīng)不同的信號電平。這可以提高效率和線性度，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員不需要顯著增加功率回退。

Doherty 放大器可以與數(shù)字預(yù)失真（DPD）結(jié)合，以線性化功率放大器。對于因先前提到的信號壓縮而導(dǎo)致失真的信號部分，這使得功率放大器能夠在非線性區(qū)域中運(yùn)行。結(jié)果就是更高的輸出功率、更高的功率效率和高線性度。

另一項(xiàng)技術(shù)是通過調(diào)制漏極電源來保持恒定增益。對于射頻 GaN 功率放大器，該方法可以實(shí)現(xiàn)顯著的線性改善。然而，LDMOS 增益不會隨漏極偏壓而充分變化，從而無法從該技術(shù)獲得顯著的益處。[1]

與 LDMOS 相比，GaN HEMT 的輸入電容 Cgs 更低，可以降低幅度調(diào)制到相位調(diào)制（AM-PM）失真。[2]

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(jié)合，可以使寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更簡單，損耗更低。

利用 GaN 的高頻性能來實(shí)現(xiàn) 5G 所需的更寬 IBW 和頻寬比。

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全新 Wolfspeed HEMT 助力解決功率放大器設(shè)計(jì)難題

Wolfspeed 的四種新型高功率 Doherty 晶體管實(shí)現(xiàn)了 GaN on SiC 用于蜂窩發(fā)射機(jī)放大器的優(yōu)勢。這一最新一代 48 V 產(chǎn)品的目標(biāo)頻率為 2.3 GHz 以上至 4 GHz，可實(shí)現(xiàn) 5G 所需的高性能放大器，并為設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)低成本、更小和綠色蜂窩無線所需的靈活性。所有四款產(chǎn)品均采用無耳法蘭的散熱增強(qiáng)封裝。

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 的寬 IBW。

GTRB266908FC：用于多標(biāo)準(zhǔn)蜂窩功率放大器 的 500 W (P3dB)、2515 - 2675 MHz RF GaN on SiC HEMT 在 P3dB 時(shí)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：對于 440 W POUT @ P3dB，這個(gè)器件可在 3300 - 3800 MHz 頻率范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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 的高頻段運(yùn)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 為電信系統(tǒng)提供廣泛的 GaN on SiC 晶體管組合，支持所有全球標(biāo)準(zhǔn)和頻段。立即查詢適合 5G 功率放大器設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品和更多解決方案。 ? 參考資料：

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)

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)

編輯：黃飛

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