Wolfspeed RF GaN?滿足 5G 對功率放大器設計的需求

自 2014 年首次用于 4G LTE 射頻拉遠頭（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計中的使用一直在穩步增加。這些優勢現在正被用于 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 固有的更優異高頻和更寬帶寬性能是?

5G NR 頻段的理想選擇

? ? ? #1? ? ?? Wolfspeed 引領市場

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

Wolfspeed 的 GaN on SiC 元器件能夠更好地實現 5G 增益，使射頻設計人員能夠滿足更高線性化、更高功率密度和改進導熱性的應用要求。

? ? ??#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致更低的信噪比（SNR），增加帶寬并不會導致容量的線性增加。解決這一問題的一種方法是提高信號強度，這意味著增加發射機功率、天線數量和基站數量，5G部署通常就是這樣。 ? 然而，運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現所有這些。因此，射頻系統設計人員既面臨來自 5G 標準要求的技術壓力，也面臨必須滿足的運營商的商業需求。 ?

▲ 圖2：5G 系統對蜂窩無線的功率放大器設計提出了嚴格要求

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功率放大器面臨的挑戰

受 5G 無線要求影響的功率放大器的主要設計領域包括：

對更高功率和更小封裝的要求

Doherty 架構中的線性化放大器效率的提升

高達 280 MHz 的瞬時帶寬（IBW）要求，并正朝著超過 400 MHz 的方向發展

放大器用于新頻段的分數帶寬增加到：

n41：194 MHz（7.5%）

n78：500 MHz（14%）

n79：600 MHz（12/%）

n77：900 MHz（24%）

更嚴格的頻譜發射掩模（SEM）要求

與數字預失真（DPD）系統的協同操作

5G 使用 256-QAM 調制方案，其多載波信號具有非常高的峰均功率比（PAPR）。如果將放大器設計為在峰值水平下高效地線性運行，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域運行。由于動態范圍限制和其他非線性帶來的信號削波會導致失真和干擾，通常以誤差矢量幅度（EVM）來測量。5G 的 256-QAM 設計需要 <3.5% 的低 EVM，同時新設計的 1024-QAM 將會增加設計挑戰。

為了滿足上述富有挑戰性的要求，設計人員有幾種選擇，其中最常考慮的是 GaN on SiC 技術。

該設計可以采用 Doherty 放大器配置，在整個放大器內包含兩個放大器電路，以適應不同的信號電平。這可以提高效率和線性度，因為設計人員不需要顯著增加功率回退。

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

另一項技術是通過調制漏極電源來保持恒定增益。對于射頻 GaN 功率放大器，該方法可以實現顯著的線性改善。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，可以降低幅度調制到相位調制（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合，可以使寬帶匹配網絡結構更簡單，損耗更低。

利用 GaN 的高頻性能來實現 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計難題

Wolfspeed 的四種新型高功率 Doherty 晶體管實現了 GaN on SiC 用于蜂窩發射機放大器的優勢。這一最新一代 48 V 產品的目標頻率為 2.3 GHz 以上至 4 GHz，可實現 5G 所需的高性能放大器，并為設計人員提供設計低成本、更小和綠色蜂窩無線所需的靈活性。所有四款產品均采用無耳法蘭的散熱增強封裝。

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：用于多標準蜂窩功率放大器 的 500 W (P3dB)、2515 - 2675 MHz RF GaN on SiC HEMT 在 P3dB 時提供 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，這個器件可在 3300 - 3800 MHz 頻率范圍內進行設計，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 為電信系統提供廣泛的 GaN on SiC 晶體管組合，支持所有全球標準和頻段。立即查詢適合 5G 功率放大器設計的新產品和更多解決方案。 ? 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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