淺析GAN氮化鎵功放在5G中的作用

對功率放大器（PA）進行恰當的開發(fā)、驗證和特性分析十分重要，因為功率放大器通常在發(fā)射設備的功耗中占很大比例。

在大多數芯片組和組件中，硅已被證明是一種可靠、經濟高效且易于制造的材料。然而，隨著世界越來越朝著數字化、互聯互通且以設備為主導的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展，對更高性能、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。寬帶隙半導體將有助于滿足這一需求。在高功率射頻應用方面，氮化鎵（GaN）有望改變高功率射頻功率放大器（PA）的格局。

根據應用場景的不同，高功率的定義可能會有所變化。就目前而言，一個高功率的功率放大器（PA）的 1dB 壓縮點功率（P1dB）至少為 30 dBm，甚至可能高達 60 dbm。由于帶隙較低，傳統(tǒng)的功率放大器拓撲結構，比如砷化鎵（GaAs）襯底上的異質結雙極型晶體管（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計師們通常會選擇碳化硅（SiC）襯底上的橫向擴散金屬氧化物半導體場效應晶體管（LDMOS FET），或者是在碳化硅襯底上構建一層氮化鎵（GaN）層的高電子遷移率晶體管（HEMT）放大器。圖 1 展示了半導體材料之間帶隙的差異。

與傳統(tǒng)半導體相比，氮化鎵具有許多優(yōu)勢。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，但某些技術挑戰(zhàn)限制了它在商業(yè)應用中的可行性。例如，氮化鎵集成電路能夠使用傳統(tǒng)的硅半導體制造技術進行生產，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，如今人們對能夠在各種頻段工作、同時與 5G 新空口（NR）以及舊有的蜂窩網絡標準兼容（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施現代蜂窩通信基站基礎設施時出現的許多問題。氮化鎵功率放大器能夠極大地推動無線基礎設施的發(fā)展。其應用包括對更高功率效率的需求、在多個頻段和頻率上運行以同時適應新的和舊有的蜂窩網絡標準，以及在寬帶波形上實現高效運行。

一個傳統(tǒng)的基站（見圖 3）包含三個設備：位于塔基的基帶單元（BBU）、位于塔頂的遠端射頻單元（RRU）以及一個天線。遠端射頻單元將包含用于分離上行鏈路和下行鏈路信號、放大信號、進行上 / 下變頻以及信號調理的硬件設備。高功率功率放大器位于遠端射頻單元內的發(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，包括能夠適應多個頻段，從而可以同時支持多種設備。

盡管氮化鎵功率放大器（GaN PA）有諸多潛在優(yōu)勢，但由于其獨特的特性，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、時域同步

5、全新的工藝與技術

復雜的測試裝置搭建

一個高功率功率放大器（PA）通常是由多個較小的功率放大器組合而成。有時，多個放大級會串聯級聯成一個高增益的功率放大器。另一種常見的放大器架構稱為多爾蒂（Doherty）放大器，在這種架構中，兩個放大器并聯連接，它們都接收信號的分流副本。其中一個放大器（稱為載波功率放大器）經過調諧，能夠精確放大信號的低功率部分，而另一個放大器（稱為峰值功率放大器）則針對高功率部分進行調諧。然后將這些信號重新組合，從而在兩個工作區(qū)域內都提高了信號保真度。

即便采用了這些多級放大技術，放大器的輸出功率往往仍不足以滿足商業(yè)應用的需求。因此會使用一個驅動放大器在高功率功率放大器之前增強信號功率。驅動放大器通常針對高線性度和低噪聲系數進行了優(yōu)化，因為它的輸入更接近本底噪聲。

除了實際的測試裝置搭建之外，氮化鎵功率放大器的調試過程也可能比其他射頻功率放大器更加復雜和繁瑣。例如，在生成或采集任何射頻波形之前，必須先對被測器件（DUT）施加直流偏置。

線性化處理

基站必須同時分析上行鏈路信號并在多個頻段上生成下行鏈路信號。由于在一座塔上有多個天線和信號鏈處于激活狀態(tài)，隨著塔身變得愈發(fā)擁擠（物理層面）以及蜂窩網絡流量的增加（頻譜層面），擁堵情況可能會發(fā)生。這促使設計師們以多種方式對信號鏈進行優(yōu)化。有些信號鏈需要針對多個頻段進行優(yōu)化，這意味著功率放大器必須能夠同時在這些頻段上工作。這就對帶外頻譜發(fā)射提出了嚴格的要求，因為附近的天線正在這些鄰近的頻率上進行發(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往往較差。正因如此，數字預失真（DPD）就成為了在信號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

在高功率水平下運行也會影響功率測量的準確性。精確的功率測量需要一個稱為系統(tǒng)去嵌入或系統(tǒng)校準的過程，在這個過程中，測試系統(tǒng)會對信號發(fā)生器和分析儀的精度以及信號鏈中的損耗或放大情況進行補償。

時域同步

高功率功率放大器的功耗促使設計師們致力于優(yōu)化功率效率。對于任何基礎設施硬件供應商來說，這都是一個關鍵指標，因為能源是基站運營的主要成本之一。設計師們應該對放大器的功率效率進行特性分析和優(yōu)化。節(jié)能的一個重要策略是管理功率放大器的啟用時間。有些功率放大器提供了一個可以切換的使能引腳，而另一些則要求電源在合適的時間啟動和停止。無論哪種方式，基站都需要在被測器件、電源和信號發(fā)生器之間實現同步。這種同步對于時分雙工（TDD）波形測試尤為重要，在這種測試中，傳輸過程中的某些時隙會被預留用于上行鏈路通信，同時禁用下行鏈路鏈。

全新的工藝與技術

制造氮化鎵組件的工藝仍在不斷發(fā)展，并且對性能有著重大影響。例如，氮化鎵襯底中的雜質可能會導致電荷俘獲，進而在某些信號情況下導致增益失效。對這類現象進行特性分析對于理解基于氮化鎵組件的完整射頻系統(tǒng)的性能至關重要。僅使用小信號的標準測試或寬帶調制信號的鄰道泄漏功率比（ACLR）測試是不夠的。你需要更多關于實際信號相位影響的信息，以及在射頻和直流測量之間實現非常精確的同步。

GAN功放在5G中應用的優(yōu)勢

補充說明：

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成為可能，從而顯著提升數據傳輸速率。

高功率密度與效率：GaN器件的功率密度是LDMOS的4倍左右，能夠在更小體積內提供更高輸出功率。同時，高效率特性有助于降低基站能耗，減少運營成本。

高溫穩(wěn)定性與可靠性：GaN材料的高溫穩(wěn)定性強，能夠在高溫環(huán)境下保持高性能，提高了設備的可靠性和壽命。這對于5G基站長時間高負荷運行至關重要。

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基站設計中。同時，支持多通道并行，提升了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。

市場應用與成本效益：隨著5G基站建設的推進，GaN功放市場需求增長迅速。其成本逐漸下降，性價比提升，推動了大規(guī)模應用。國內多家企業(yè)已推出GaN功放芯片，打破了國外壟斷，促進了產業(yè)鏈發(fā)展。