专栏名称: 电子工程专辑

电子工程专辑是中国创建较早的电子工程类网站，是《电子工程专辑》杂志的有力补充。专注为工程师提供最新技术及实用方法的专业平台。包括：16个热门技术栏目在内的，新品信息和新闻报道、专题报道以及厂商应用报告、行业重要新闻的信息速递。

5G Advanced将大幅改变射频设计

电子工程专辑 · 公众号 · · 2024-12-28 09:16

正文

根据GSMA最新发布的《全球移动经济报告》预测，2023年全球5G普及率将达到17%，2039年将提高到54%，相当于约53亿个连接。这也意味着，到2029年5G的普及率将超过4G。

5G Advanced，作为蜂窝网络的下一次变革，将带来更高的带宽、更低的延迟和更高的能效，从而有能力支持增强型移动宽带、大规模物联网和边缘计算等诸多应用。

3GPP R18是5G Advanced标准的第一个版本，围绕如何提高速率、扩大覆盖范围和增加能效，部署了许多新功能。它不仅满足了5G网络对更高能效的需求，还能够在各种应用中充分发挥人工智能/机器学习以及扩展现实日益重要的作用。另外，还解决了先进的侧向链路和定位问题，并增强了MIMO射频天线的性能。

上述这些优点将给移动网络运营商带来很大的好处，但另一方面，却给射频以及相关元器件的设计带来艰巨挑战。

Qorvo公司射频应用工程总监Jeff Gengler表示：“为了满足不断增长的带宽需求，FR3中的瞬时带宽和频段在不断提高，因此，用于基础设施的射频前端[RFFE]元器件设计将面临一些新的挑战。”

如何应对这些挑战?Gengler认为：“在射频元器件设计方面，针对更具挑战性的指标规范，通过提高模块内的集成度，将极大有助于指标性能优化和一致性改善。随着集成度的提高，元器件制造商能够对复合系统的更多指标进行测试和验证。高集成度还可以减小解决方案的尺寸，降低成本，并有助于满足更高频率上对更紧凑阵列间距的要求。”

Jeff Gengler，Qorvo射频应用工程总监

5G Advanced的功率挑战

5G Advanced技术中的新功能和增强功能将转化为元器件层面的挑战，尤其是射频功放(PA)方面的挑战。

“新的5G Advanced功能和第18版中增加的功能，突出了对功放的两大关键需求领域，”恩智浦集成电源解决方案产品管理总监Eric Westberg指出，“首先，它增加了对传统功放的创新需求，即更高的性能，尤其是更高的效率、带宽和更小的尺寸。”他还表示，这些要求对于满足运营商的规模和节能需求至关重要。

Eric Westberg，恩智浦集成电源产品管理总监

第二个领域的重点是，设法将功放与系统中的先进功能更紧密地结合在一起。Westberg指出，“首先是在大规模多入多出(mMIMO)系统使用的功放中加入控制器功能。预计这一趋势将在未来不断发展，可实现更先进的功能，并在后向条件和宽范围频率用例中实现更高的效率比。”

至于集成度高到什么程度才为合适，业内一直存在争议。不过，Westberg透露，“总的趋势还是向更高的集成度发展，控制器的纳入正在慢慢实现。”

同时，能耗也是一个需要面对的挑战，特别是功放的能耗。Gengler指出：“能效改善一直是基础设施设备的关注重点，从元器件技术到电路设计，其能效一直在不断提升。”他还补充道：“在射频链方面，相对于业界使用的主流Doherty架构，可以提高带宽和效率的新型功放架构正受到越来越多人的青睐。尽管Doherty功放仍有一些优势，但创新一直在不断推动带宽和效率的提高。在系统层面，电源管理技术也已得到广泛应用，可根据流量负载来降低功耗。”

移动网络的可持续性对环境和运营成本来说都很重要，ADI射频平台开发总监Peadar Forbes表示，“在5G Advanced领域，期望3GPP能为无线接入网络开发相应的能耗模型，这将为各种技术提供指导，并对网络能耗进行调节，使其与流量负载相匹配。通过能耗与网络性能之间的权衡分析，将有助于人们根据本地网络需求，确定最佳应用方案。”

功放消耗了射频设备的大部分能量。“非必需通道的关闭，还有功放的动态开启/关闭，将是降低能耗的主要途径，”Forbes补充道，“这有可能对功放的动态运行提出一些额外的要求，增加要求的对象当然还包括能够使功放线性化的数字预失真[DPD]环路。在射频收发器中，能够更灵活地动态启动和关闭发射与接收通道同样非常重要。”

Peadar Forbes，ADI射频平台开发总监

性能权衡需要创新

与任何新设计一样，性能和体积之间也需要进行权衡。对于5G Advanced而言，需要在更高带宽和更高能效之间找到合适的平衡点，这会对射频链带来不小影响。

为了保持甚至提高系统效率，如今网络带宽的增加也将给工程解决方案带来更大压力。一种解决方案是使用多芯片模块(MCM)，它能让功放制造商发挥不同半导体技术的最佳特性，为各种应用实现恰当的性能平衡。Westberg表示，“MCM是mMIMO系统所用功放的解决方案之一，它允许在紧凑外形中混合采用多种技术。例如，在单功放解决方案中，可以采用LDMOS和GaN[氮化镓]为3.6GHz频段提供400MHz解决方案。”

此外，MCM支持内部匹配，因而可以降低射频解决方案的复杂性。恩智浦的A5M36TG140全集成Doherty功放模块，就是这类解决方案的一个实例。该模块专为mMIMO系统、室外小基站和低功耗远端射频头等无线基础设施应用而设计。这种LDMOS和GaN-on-SiC功放也是专为TDD LTE和5G系统而设计的。

多入多出性能的增强，也给系统设计带来了射频设备尺寸和重量等方面的挑战，这也导致了对体积更小、效率更高的功放之需求不断增加。Westberg透露：“除了增益、带宽和效率等传统射频参数外，恩智浦还就如何缩小射频设备体积和重量提供了解决方案。”

其中一个例子是，恩智浦最近为射频功率模块推出的热解决方案，称为顶端冷却法，可使5G基站的射频部分更小、更薄、更轻。恩智浦表示，这将使5G射频设备的厚度和重量减少20%以上。Westberg表示：“该方案中，通过简化射频散热设计，解决了多个系统设计难题。要想满足mMIMO系统不断提高的要求，就需要这类传统和创新融合的解决方案。”

典型的mMIMO部件采用32T32R或64T64R信道配置。“在5G Advanced中，有望看到多达128T128R甚至更高的信道配置。这将对部件中所有元器件的集成度和尺寸带来压力，”Forbes透露，ADI公司最近推出了一款型号为ADRV9040 RadioVerse的系统级收发器芯片，它集成了8T8R信道和数字前端(DFE)，包括DPD、波峰因数降低和信道数字上/下切换。该器件可以帮助客户制造出能耗更低、体积更小、重量更轻的mMIMO射频单元。

另一个系统级挑战是更高的频率。“随着工作频率的提高，链路损耗也会增加。为了提高天线增益，克服损耗并保持覆盖范围，天线阵列单元数量将增加。”Gengler表示，天线阵列单元数量越多，对每个信道中功放的功耗要求就越低，但此时却增加了每个信道对相应DFE的需求，从而增加了射频设备的材料成本。

这就需要对RFFE、DFE和DPD进行系统级优化。Gengler认为，“工作频率升高时，效率就会降低，这是功放的固有特性。因此，在元器件技术和电路设计方面提高效率，对于保持尽可能小的射频散热器来说非常重要。”

宽带隙半导体

与传统硅基技术相比，氮化镓技术具有更高开关频率、更高电压和更低损耗等优势，因此在5G网络中的应用越来越广泛。随着天线所需的射频元器件数量不断增加，而同时又要保持相同的尺寸并降低功耗，这些优点在5G中变得越来越重要。故业界一致认为，氮化镓将在解决5G网络射频和功率设计的一些难题方面发挥重要作用。

Gengler认为砷化镓和氮化镓等化合物半导体，有望满足5G频率和带宽方面提出的新要求。

“5G Advanced的许多当代和下一代先进解决方案的核心都是半导体技术。”Westberg认为，“与其他技术相比，氮化镓能以更小的尺寸提供更高的效率和带宽。”他还补充道：“专为蜂窝基础设施应用而设计的氮化镓技术可实现最佳性能。这也解释了为什么氮化镓技术能够迅速成为蜂窝基础设施高功率应用的首选技术。”

“氮化镓能够承受高电场，因此允许元器件在高电压下工作。”Gengler表示，“这种器件具有高电荷迁移率和高功率密度，因此可以减少寄生电容，从而支持更高工作频率和更宽带宽。”他还指出：“在给定功率条件下，氮化镓器件的高功率密度使其比其他竞争技术的器件更小，从而可以实现更高的效率和更大的固有器件阻抗。而更大的器件固有阻抗和更低的寄生电容，将使宽带匹配网络能够实现最宽的带宽。”

LDMOS多年来一直是首选技术。“随着蜂窝网络向更高频率(如3.5GHz及更高频率)和更宽带宽(如200MHz)的发展，氮化镓的效率往往更高，耐受的工作温度也更高，因而能够简化冷却工艺。”Forbes认为。

另外，Forbes还认为“更高的频率将不可避免地成为5G Advanced和6G的一部分”。他还透露，在即将召开的世界无线电大会上，将就把4.9GHz、6GHz和7GHz频段用于移动通信这一议题展开讨论。“在这些频段上，氮化镓器件将大有可为。不过，氮化镓也面临诸多挑战。例如电荷捕获现象。相对于LDMOS来说，它会在放大器中引入一种新的、更复杂的非线性，数字预失真算法必须能够解决这个问题。”Forbes补充道。

往期推荐

国产芯片发展之路：21位高层多元视角下的深度剖析

2024-12-27

“温州鞋王”跨界半导体，拟收购联和存储

2024-12-27

5G Advanced将大幅改变射频设计

正文

请到「今天看啥」查看全文