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GaAs为5G手机提供关键组件

2019/2/13 13:06:18      材料来源:化合物半导体

GaAs可满足5G前端模块所用功率放大器的所有要求。

作者:Ben Thomas, QORVO公司

 

 

5G的推出时间将从何时开始?直到最近,所有人都还是在猜测。但是,现在时间节点已经变得越来越清晰,可能最早在2019年就开始。

 

加速推动部署这种通信技术的是全球宽带标准的最新进展:非独立无线电(non-standalone radio)。它使运营商能够通过对现有4G基础设施的增强而不是替代方案来提供5G数据,从而速度更快且更经济。然而,这隐含着一些内容,包括移动射频前端的复杂的新挑战。它们将需要支持4G5G波形,前所未有的带宽和新的高频频段。

 

这些努力将是值得的,因为当5G网络建设形成时,它将产生重大影响。5G网络将带来:增强智能手机和其他移动设备的移动宽带,使运营商能够提供更高的峰值数据速率并扩大网络容量,从而支持更高密度的更多用户;针对需要非常低延迟的关键应用(如自动驾驶汽车和工业控制系统)的超可靠、低延迟通信;以及大量需要低功耗、相对低带宽通信的物联网设备的大规模机器类型通信。

 

为了实现这一切,5G网络将使用比当今4G网络更宽的频率范围(包括毫米波频率)。为了支持不同应用的不同要求,它们将采用一种称为网络分片的技术,根据各自的特定需求为每个设备分配不同程度的延迟、数据速率和安全级别。

 

当谈到增强的移动宽带时,5G将补充4G,而不是取代它。运营商已经利用LTE AdvancedLTE Advanced Pro功能增强了其现有的4G网络。这应该通过载波聚合(carrier aggregation, CA)实现高达约1Gbit/s的峰值数据速率,这种技术结合了多个数据载波并带来更大的带宽。但是,为了满足移动宽带的预期增长,网络需要将相比LTE可以提供的更大容量与更高速度相结合。

 

Cisco可视网络索引提供的预测给出了这些容量和速度增长程度的指标。根据这个来源,到2021年,普通智能手机用户的数据消费预计将翻两番,达到每月近7GB。其中大部分增长将是通过视频流量以及增强现实和虚拟现实等新兴应用的推动。为了支持这些能力,5G增强型移动宽带正计划提供高达10Gbit/s的峰值网络数据速率。

 

加速由这些先进能力推动的5G标准化过程的压力使得在20173月取得了非独立无线电的定义。移动标准组织3GPP同意将5G新无线电规范的发展划分为两个阶段。主要为移动宽带设计的非独立规范正在作为3GPP版本15的一部分而进行快速跟进;而5G独立的新无线电规范将在版本16中予以发布。

 

对于非独立无线电,4G LTE频段为载波控制和信令信息提供“锚点”,而5G频段则充当数据管道。相比之下,采用5G独立无线电,新的5G网络架构同时用于承载数据的控制平面和用户平面。

 

由于非独立无线电的发展,5G增强型移动宽带的及早交付对于网络运营商来说更经济实惠。这是因为这些运营商可以利用设备和基础设施中现有的4G LTE调制解调器和收发器以及现有的演进分组核心。或者换句话说,运营商可以通过增强现有4G LTE基础设施来提供非独立无线电,而不是完全构建下一代核心的独立无线电5G网络。正是这种方法使得能够在2019年推出大规模的5G增强型移动宽带试验和部署,而不是之前提出的2020年时间表。

 

最初,增强型移动宽带的部署预计将集中在6GHz以下的频率。这是因为这个频域支持更广泛的覆盖范围,并且它比毫米波频率更适合支持移动设备中的网络连接。由于3.3GHz5GHz已经分配或正在考虑分配之中,新频段接近全球性的可用可以帮助过渡到分配新的全球频段。这些努力将导致重新分配TDD-LTE频段,如4243频段,这些频段也将用作不同地区的4G主频段;并引入新的频段n77n78n79。后三者将是第一批仅用于5G数据传输的5G频段。

 

 

RF前端挑战

 

为手机配备5G非独立无线电和复杂的4G LTE先进的CA功能,对设备和芯片组制造商来说都是一项挑战。他们将努力致力于单模组来产生支持4G5G需求的非独立RF前端,并支持全球覆盖,因为这最大限度地减少了对手机本地化的需求。这些要求将为RF前端带来前所未有的技术挑战,特别是在发送端。挑战将包括为4G5G波形提供高功率效率和线性度,同时支持非常宽的带宽并提供高输出功率,包括新的Power Class 2标准。最近采用的Power Class 2HPUE是作为改善手机覆盖范围的方法,但相对于传统的Power Class 3移动设备标准将功率提高了3dB


 

这些不同的标准目前正在进行中,两个5G上行波形正在朝着3GPP内的正式批准方向发展:循环前缀正交频分复用(CP-OFDM)和离散傅立叶变换扩展OFDMDFT-s-OFDM)。5G的前端(包括非独立无线电)将必须支持这两种波形。

 

在这两者中,CP-OFDM有着最大的挑战,但也是最有前途的,咯为网络运营商提供几个关键的优势。其属性包括提供资源块的最高效频谱封装(高达98%),并提供空间多路复用的优势,从而可支持多输入多输出(MIMO)技术。由于这些优点,CP-OFDM是在优先考虑最大限度地提高网络容量时(例如在城市和建筑物内)的最主要候选。挑战在于CP-OFDM产生比4G LTE更高的峰均功率比。其影响是功率放大器需要更大的功率回馈,并且需要在很宽功率水平上实现高的线性度。

 

另一种选择是DFT-s-OFDM,它可以提供效率较低的频谱封装—最高可达90%,而且对于MIMO来说效率也较低。但是,这种形式的5G上行链路,与目前使用的LTE上行链路具有相同的波形,由于峰均功率比较低,所以可以提供更大的工作范围。由于这些特点,当优先考虑最大化覆盖范围时,例如在人口较少的地区,人们会希望使用DFT-s-OFDM。 

 

大带宽

4G LTE5G之间最大的区别之一是信号的带宽:通常为每载波100MHz,而采用LTE的每载波最多为20MHz(尽管使用CA支持高达60MHz)。较宽的带宽和新的5G波形的组合推动峰值平均功率比远高于任何先前的蜂窝通信标准。所以,RF前端需要在高频段内非常宽的信道上保持足够的增益和高线性度。

同时存在与宽带宽信号有关的功率效率挑战。为了最大限度地提高4G LTE的效率,常用的方法是引入包络跟踪和数字预失真。如果采用包络跟踪,通过不断调整功率放大器的电源电压来优化效率,从而跟踪RF包络。

不幸的是,今天的包络跟踪器只能支持高达40MHz的带宽。由于这种局限性,包络跟踪不适用于100MHz5G信号。相反,功率放大器必须在固定电压的平均功率跟踪模式下运行,同时在整个频率范围内提供高频率线形操作。对于传输链来说,结果就是实质性的效率下降,同时还有对于功率放大器设计的高度线性要求。

对于LTE5G需要具有相对较快增益建立时间的多增益态PA。如果采用最复杂的下行链路调制方案256QAM,那么在低噪声放大器中也需要高线性度。关键优值是优异的误差矢量幅度,以及需要当今64QAM LTE信号上的改进二阶截点。 

 

更高的输出功率


为了最大限度地提高手机的工作范围,人们正在努力提高射频输出功率,因为这可以弥补高频时的更大传播损耗。这需要支持3GPP功率等级2标准,该标准使天线处的手机输出功率翻倍,即从之前标准的23dB增加到26dB。通过转向功率等级2,运营商能够使用高频频段来实现可与低频段所提供运营范围相媲美的运营范围,而无需构建广泛的新的无线基础设施。

 

1.  5G应用分类

 

然而,这不是唯一的好处。功率等级2还改善了内建的接收。与4G LTE相反,其中3GPP功率等级2标准仅用于有限的TDD-LTE频带集合,而对于5G等级,功率等级2则是所有新业务频段的基准要求。因此,所有5G RF前端都必须支持这种高输出功率,同时管理相关的热挑战,包括散热。

除了这些热挑战之外,向5G非独立无线电的转变将给设备制造商带来棘手的任务,即将更加复杂的RF内容,塞进分配给RF前端的已经很拥挤的空间中。与其中MIMO是可选的4G LTE不同,5G实现预期在标准的下行链路中使用4×4MIMO;而一些设备也可以为上行链路使用2xMIMO,从而为极高的数据速率提供前所未有的200MHz上行链路带宽。在手机内容纳额外的射频链路需要高度集成的模块。在某些情况下,可能需要在某些手机中引入额外的天线来支持高频段,从而导致进一步的尺寸和RF隔离难题。 

 

射频前端设计

 

工程师在设计射频前端时必须非常小心,以便它们能够满足5G非独立无线电所要求的非凡效率、带宽、线性度和输出功率要求。满足整体要求取决于射频前端关键组件的性能优化,如功率放大器、低噪声放大器和滤波器。

成功的关键是结合使用不同工艺技术制造的级别领先组件。采用先进封装技术,这些组件可以整合到集成模块中,从而节省空间、提高功效并改善散热性能。

Qorvo,我们设计了一个满足5G非独立无线电全球要求的RF前端(见图2)。这个前端就是我们在2017年世界移动大会上推出的QM19000,具有带宽非常宽的滤波器来支持分配的4G5G频段,它支持跨越3.3GHz4.2GHz900MHz范围。


该滤波器不必具备的一个特性是“陡峭的裙边”,这是其他设计中需要用来避免更加拥塞的频谱较低频率区域的干扰。由于这一点,暂时没有必要使用体声波滤波器技术,尽管这可以用于未来需求的发展。

 

2.  Qorvo QM19000, 一款5G非独立无线电移动射频前端。

 

 

对于低噪声放大器,有多种技术可用,包括绝缘体上硅,但GaAs pHEMT一直是理想的选择,因为它提供了满足严格线性要求方面的优势。

为了满足5G非独立无线电要求,功率放大器至关重要。它必须同时处理4G5G传输。在第一种实施方式中,包络跟踪将用于4G LTE,以最大化整体系统效率。然而,由于通常为100MHz的更大带宽,这项技术不适用于5G。因此,功率放大器必须支持多种功率管理方案:4G的包络跟踪和5G的平均功率跟踪。由于它必须满足两种模式下的性能要求,因此需要将包络跟踪模式下的高饱和效率与平均功率跟踪模式下的线性效率结合起来。当同时支持4G5G传输时,该放大器还必须满足线性和增益要求。这包括由于峰值与平均功率比高,其使用于功率回退,而这是CP-OFDM的必要条件。

为了满足4G和5G的所有要求,包括饱和和线性效率,有必要使用由化合物半导体技术制造的功率放大器,例如我们的HBT5 GaAs工艺。连续几代的该工艺都提高了增益和功率输出,从而可以满足新的要求,例如功率等级2,同时还可以提高效率。采用我们的HBT5工艺生产的功率放大器具有很高的热性能,具有出色的散热特性,这要归功于我们的铜凸点封装技术。

即使采用我们的HBT5工艺制造的两级功率放大器,也可能需要额外的放大以满足更高输出功率的要求,例如在支持功率等级2时,以及在使用CP-OFMD波形时(其中收发器驱动电平预计会降低高达3dB)。为了满足这些需求,我们的QM19000包含一个额外的可变增益放大器。该产品还具有复杂的功率管理功能,可用于在包络跟踪模式和平均功率跟踪模式之间切换。

QM19000的其他优点包括高饱和功率附加效率,同时还在很宽范围正向电源电压下保持良好的线性效率。使用GaAs而不是SiGe时,该模块可在整个3.3-4.2GHz频率范围内保持高效率,SiGe可在这些高频率下提供比其他技术更高的增益。发送100MHz CP-OFDM信号时,在支持的频率范围内提供一致的增益,同时保持了高线性度。

很明显,为移动宽带建立非独立无线电标准已经使运营商能够加速5G的计划。与此同时,它创造了具有挑战性的新的移动射频前端需求,包括需要同时支持5G和4G波形以及大带宽,同时在很宽条件范围下提供高增益、高效率和线性度。集成RF前端,包括基于化合物半导体技术的高性能PA,是解决这些难题的关键。随着其他5G应用领域向着部署方向发展,它们将面临其他RF挑战,需要针对设备和无线基础设施的创新型高性能解决方案。这些解决方案可能会利用化合物半导体的独特性能特点。


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