5G通信技術的設計對功率放大器具有哪些設計要求
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在功率放大器(PA)中沒有實現高線性度的快速方法。PA在手機的通信基礎架構中扮演著非常重要的角色。PA的性能要求將變得更加嚴格,尤其是隨著5G蜂窩移動通信的采用。
在本文中,我們討論5G通信技術將實現的功能和優(yōu)勢,以及對功率放大器設計的相應要求。
此外,我們檢查了最常用的PA線性化技術,并評估它們是否適合滿足PA要求。稍后,我將研究低功耗線性化器IC,并考慮其在5G應用中降低PA功耗和簡化PA設計的潛力。
5G設計挑戰(zhàn)
5G在許多方面都優(yōu)于當前的通信技術。更高的數據速率同時提供給更多用戶,并且移動設備的電池壽命將得到延長。為此,PA必須以盡可能高的效率和更寬的帶寬(最高100 MHz)運行。
放大器線性度
如果PA是完全線性的,則它應該只能放大并輸出所需的輸入信號。但是,實際上,不存在這樣的PA。實際上,由于輸出信號是非線性的,因此會產生失真,并且失真會隨著放大器接近飽和點而增加(圖2)。
圖2.輸出功率和失真之間的關系
當施加多音調輸入信號時,由于它們是非線性的,所以在PA輸出端會出現不需要的相互調制頻率(圖3)。
圖3. PA產生的互調
為了減少PA失真,必須使用某種形式的線性化。以下各節(jié)描述了5G環(huán)境中最常見的線性化技術的行為和適用性。
限制最大輸出功率電平以使整個信號落在PA傳輸曲線的線性區(qū)域內的技術通常稱為“補償”。這種相對簡單的方法的缺點在于,PA的效率(將DC功率轉換為RF能量的能力)會隨著PA的工作點遠離飽和點而降低。
在某些系統(tǒng)中,滿足信號峰均功率比(PAR)要求所需的補償可以將PA效率降低到8%。結果,功耗和系統(tǒng)實施成本增加,并且需要大的散熱器。
主動線性化
為了在不降低效率的情況下提高PA線性度,需要一種稱為“預失真”的有源線性化。該技術“預測”了由PA固有的非線性引起的失真量,并將其反相信號注入到信號路徑中,從而減小了放大器輸出端的無用信號與無用信號之比。(圖4)。這被指定為相鄰信道功率比(ACLR),并且必須至少為-50dBc。
圖4.具有預失真線性化的PA的輸出特性
有源線性化有兩種常見類型:數字預失真(DPD)和RF功率放大器線性化(RFPAL)。
DPD
如圖5所示,數字預失真(DPD)在信號鏈(數字基帶)的最早點將預失真校正信號添加到所需信號中。
圖5.數字預失真系統(tǒng)的實現
DPD系統(tǒng)可以通過多種方式實現。雖然提供全功能版本(基帶,數字,配備射頻),但某些解決方案使用單獨的數字基帶和離散射頻。
另一解決方案包括FPGA和RF收發(fā)器(以及DPD測量路徑)。但是,RF收發(fā)器必須以輸入信號帶寬頻率的五倍運行,從而增加了設計復雜度,占板面積和功耗(典型值為5W),以用于小型,低功耗應用在某些情況下,DPD不是一種好的線性化技術。
RFPAL
圖6顯示了系統(tǒng)的高級框圖,該系統(tǒng)利用了另一種稱為RF功率放大器線性化(RFPAL)的有源線性化和預失真技術。
圖6.射頻預失真系統(tǒng)的實現
該技術利用獨立的RF IN / RF OUT架構和自適應RF預失真技術,僅在所需的點(PA的輸入)注入校正信號。
這意味著該系統(tǒng)由更簡單,更小的發(fā)射機和基帶組成,可以在較低的頻率(輸入信號帶寬)下運行,并且功耗比DPD系統(tǒng)低。直到最近,使用RFPAL的最大線性化輸入通道帶寬僅為60MHz。圖7顯示了克服了這一問題的新型RFPAL IC。
圖7. SC1905 RFPAL標準應用電路
該器件的工作頻率范圍高達3.8 GHz,線性化的輸入信號帶寬高達100 MHz。功耗為1280mW,比DPD解決方案低70%。圖8顯示了使用該線性化器測量的標準PA的ACLR和效率性能(5個不連續(xù)的20MHz LTE通道,PAR 10dB)。
圖8.使用SC1905 RFPAL的PA ACLR
在37dBm的輸出功率水平下,該PA的效率為23%,ACLR為-50dB(關閉RFPAL時,ACLR大約好8dB)。此外,RFPAL器件已經由數個廣泛使用的PA(A類,AB類和Doherty)進行了評估,使其成為一種“即插即用”解決方案,從而簡化了設計并縮短了開發(fā)時間。它導致縮短和降低風險。
該IC是因為它已經在9毫米×9毫米QFN封裝被提供,所述溶液(電源,散熱片,包括外殼)的整體尺寸是6.5厘米2需要。此外,在高達6 GHz的應用中,如有必要,可以使用混頻器對線性化的PA信號進行上變頻。
構建5G通信設備所需的條件
需要5G通信設備以更高的帶寬和效率運行。所用功率放大器的線性和效率對于滿足這些要求至關重要。
這次,我們介紹了一些最常用的PA線性化技術已證明將DPD用作有源線性化技術可改善整體線性度和效率。
但是,DPD是一種復雜的方法,會導致整個系統(tǒng)的功耗增加以及解決方案的增加?？傊?較小的即插即用RFPAL IC可以提供一種更簡單的低功耗線性化技術。該IC可提高高達100MHz輸入信號帶寬的PA效率。該器件適合在各種應用中用于各種架構(A類/ AB類/ Doherty),工藝(GaAs,GaN,InGa)和頻率(698MHz至3.8GHz)的PA中。該設備是5G基礎設施等應用的理想選擇。
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