什么是功率放大器？功率放大器设计挑战

许多射频设计人员都对 Franklin Douglass 的名言深有同感：“没有斗争就没有进步。”在为 5G 进行设计时，尤其如此。科技有望改变无线通信，但也会带来设计难题。利用功率放大器模块 (PAM) 来化解。以下是你需要知道的一切。

5G 是无线通信市场领域有史以来十分重要的强大技术之一。与 4G 相比，5G 在数据速率、延迟和容量方面都有显著提升，有望成为行业乃至全球真正的变革性技术。

然而，这些根本性的性能改进也对底层射频 (RF) 硬件产生了更大的压力，并提出了更严格的要求。功率放大器 (PA) 是射频硬件中非常重要的部件之一，随着 5G 的普及，它的重要性不断提升。为了帮助缓解为 5G 设计射频放大器的挑战，近年来，功率放大器模块 (PAM) 已成为一个重要的工具。

在这篇博文中，我们将讨论功率放大器及其在 5G 中的作用，以及 Qorvo 如何利用功率放大器模块来帮助支持未来的 5G 基础设施。

什么是功率放大器？

在处理射频信号时，特别是在 5G 的高频段，电压电平可能非常低。这是一个挑战，因为电磁 (EM) 信号在较低的振幅下更容易受到系统级噪声的影响（即，信噪比降低）。除此之外，较低电压信号通常缺乏驱动下游电路或天线所需的强度。

为了解决这些挑战，开发人员使用了功率放大器。射频功率放大器是一个电路模块，用于增加射频信号的振幅、功率输出或驱动能力。一般来说，射频功率放大器位于系统天线附近，为发射天线提供高功率信号。

使用功率放大器的目的是增强信号，同时保持从输入到输出的高保真度。因此，线性度、效率和输出功率是功率放大器的几个重要规格参数。

功率放大器设计挑战

过去，功率放大器及其周围的电路是采用板载分立式元件设计。虽然这种方法在行业内使用了很多年，但由于出现了一些非常大的设计挑战，这种方法的有效性受到质疑。

其中一个挑战是如何在面积、成本、性能和功耗之间做一个权衡。一般来说，这些规格参数往往是相互冲突的，设计人员必须知道如何优化其电路，以便针对特定应用尽可能兼顾这些权衡因素。在使用分立式元件时，由于零件选择、元件互用性和布局等都会影响性能，要在这些因素之间取得平衡变得越来越困难。

当发展到5G 时，这种情况就更加复杂了，此时系统还需要覆盖更宽的带宽和更高的频率范围。当今的系统需要高达 400 Mhz 的平均瞬时带宽，同时工作频率高达 4 GHz。现在的挑战要求在实现上述系统权衡的同时，还要提供该频带范围的性能。

采用功率放大器模块 (PAM) 的解决方案

为了应对这些挑战，Qorvo 开始使用 PAM。

PAM 是一种电子元件，它将功率放大器中的分立元件及其周围的电路整合到单个封装解决方案中。例如，在 5G 基站应用中，PAM 可以将驱动放大器和末级放大器集成到单个封装中，而不是将它们用作分立电路模块。通过将整个功率放大器系统集成到单个模块中，我们可以获得许多重要的结果（图1）。

图1：Qorvo QPA4501 PAM 采用 Doherty 末级来实现高功率和高效率。

首先，PAM 使射频系统（比如基站）的设计明显比分立方案更容易实施。设计人员无需选择元件和设计分立电路，而是可以选择适合其需求的模块，并将其作为一个整体在系统中实现。

除此之外，与非模块解决方案相比，PAM 还可以实现更好的性能和空间布局。通过元件集成，可以尽量减少寄生等布局问题，从而提高性能和效率。Qorvo PAM 还为设计人员解决了阻抗匹配等问题，确保尽可能实现更高性能。

最后，这种集成设计可实现更小的系统，有助于用户减少最终系统的重量和占用面积。

Qorvo 的 PAM 专业知识

Qorvo 提供种类齐全、具有创意的 GaN-on-SiC 产品组合，帮助用户显著提升效率和工作带宽。该公司的GaN-on-SiC 产品具有高功率密度、小尺寸、增益出色、高可靠性和工艺成熟的特点。Qorvo 认识到 PAM 在未来 5G 系统设计中的重要性，正在努力为市场带来各种先进的解决方案。Qorvo 的 PAM 旨在实现功率、效率、尺寸和成本的平衡，同时使用户的设计尽可能地简单。

编辑：黄飞