L'infrastruttura 5G New Radio (NR) si sposta dalle implementazioni iniziali alla densificazione su larga scala, le richieste poste sugli amplificatori di potenza RF si sono intensificate. Supportando le larghezze di banda più ampie, i sistemi di modulazione di ordine superiore e le massicce array di antenne richiedono amplificatori che sono simultaneamente più lineari, più efficienti e più compatti dei loro predecessori 4G. L'integrazione di questi amplificatori - Combinando le tendenze die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die die di linea, la gestione di linea, la gestione di linea, di linea, di linea, di comando di linea, la gestione di linea, la gestione di linea, la gestione di comando di comando di linea

Evoluzione architettonica: dall'integrazione mono-incorporata a multi-modalità

Gli amplificatori tradizionali a macrocell utilizzano spesso un singolo transistor ad alta potenza in una configurazione di classe-AB, con circolatori esterni e isolatori per gestire le riflessioni. 5G NR, tuttavia, richiede architetture che possono gestire i rapporti di potenza di picco-media superiore a 10 dB mantenendo alta efficienza media.

Amplificatori Doherty in moduli Multichip compatti

L'architettura Doherty, pioniera di decenni fa, è stata ri-engineizzata per 5G attraverso l'integrazione monolitica del circuito integrato a microonde (MMIC) . I moduli Doherty moderni combinano gli amplificatori portanti e di picco, lo splitter di ingresso, il combinatore di uscita e i trasformatori di impedenza a onde quadrate in un unico pacchetto.

Integrazione per il monitoraggio delle buste per il sub-6 GHz

Il monitoraggio delle buste regola la tensione di alimentazione dell'amplificatore in tempo reale per seguire la busta del segnale, raggiungendo l'efficienza di punta attraverso un ampio range dinamico. La sfida consiste nell'integrare il modulatore della busta ad alta velocità con l'amplificatore stesso RF.

Integrazione di guida per l'integrazione dei semiconduttori

La scelta dei materiali rimane il fattore più importante che definisce la busta di prestazione di un amplificatore RF. Mentre il silicio LDMOS ha servito 2G e 3G mirabilmente, le frequenze 5G NR sub-6 GHz e mmWave richiedono una maggiore densità di potenza, una migliore linearità e una larghezza di banda più ampia. Il paesaggio di integrazione è stato modellato da tre piattaforme materiali concorrenti.

Gallium Nitride: la scelta dominante per Sub-6 e mmWave

GaN-Roma-Sp4 su SiC consente di integrare le densità di potenza di 5-10 W/mm, un ordine di grandezza superiore a LDMOS. Questo consente ai progettisti di utilizzare transistor fisicamente più piccoli, che a sua volta riduce gli effetti parassitari e semplifica l'integrazione di rete corrispondente.

Gallium Arsenide e InP per catene riceventi ad alta linea

Mentre GaN domina il percorso di trasmissione, il gallio arsenide (GaAs) e il fosfo indio (InP) rimangono importanti per gli amplificatori a basso rumore e le fasi del driver, soprattutto nella catena di ricezione dove la figura del rumore è fondamentale.

Pre-Distorsione digitale: La pietra angolare dell'efficienza lineare

DPD plasma digitalmente il segnale di ingresso per annullare le distorsioni non lineari dell'amplificatore, permettendo al PA di operare più vicino alla compressione, dove l'efficienza è più alta, mentre ancora soddisfano i requisiti di magnitudine vettoriali di errore (EVM).

DPD a banda larga e adatta per 5G NR

I segnali NR 5G possono occupare fino a 400 MHz di larghezza di banda istantanea (aggregazione di vettore sub-6 GHz). I modelli DPD tradizionali lottano con effetti di memoria su larghe lunghezze di banda. Le architetture più recenti impiegano reti neurali a senso pezzo o decomposizione vettoriale con centinaia di coefficienti, integrati direttamente nel modulo di amplificazione tramite un FPGA o ASIC incorporato.

Integrazione dei Ricevitori di Osservazione per Loopback

Per supportare DPD adattativo, il modulo amplificatore deve includere un percorso di feedback: un accoppiatore, downconverter e ADC che campiona l'uscita PA. L'integrazione di questo ricevitore di osservazione (ORx) nello stesso pacchetto elimina componenti esterni e riduce l'area PCB.

Massive MIMO e la Guida per l'integrazione estrema

Le stazioni di base MIMO di massa richiedono 64, 128 o anche 256 catene indipendenti di ricetrasmettitore per ogni settore. L'integrazione di un amplificatore RF per catena richiede livelli senza precedenti di densità dei componenti, gestione termica e costo per watt.

Discreti FEM Arrays su PCB multistrato

L'approccio più comune per le matrici a 64 elementi oggi utilizza moduli GaN o GaAs discreti di fascia frontale disposti in una griglia su un laminato interconnesso ad alta densità. Ogni FEM integra PA, LNA, switch e un motore DPD a media potenza. Questo approccio modulare semplifica la prova e la riparazione ma si traduce in un'ampia impronta PCB e in un complesso routing termico.

ICs semi-intergrati con Watt-Level PAs

Un livello di integrazione superiore utilizza un sistema di trasmissione a raggi IC che include turni di fase, amplificatori di guadagno variabili e stadi di uscita PA per 4-8 elementi in un unico chip. Per mmWave, 5G NR n257 (28 GHz) raggiatura ICs da Anokiwave e Analog Devices integrano 8 a 16 canali transceiver, ciascuno con 16 dBm uscita lineare, in un pacchetto di 10 × 10 mm.

Approcci di sistema completo (SiP)

La frontiera di integrazione finale è il sistema-in-package, dove l'intero radio-amplificatore, up/downconverter, sintetizzatore, DPD digitale, e anche una parte della banda di base—riguarda all'interno di un unico pacchetto. Aziende come Qualcomm e MediaTek hanno dimostrato soluzioni SiP per 5G piccole celle che combinano GaAs PA die con un transceiver CMOS 28nm e un FP integrato

Gestione termica nelle integrazioni ad alta densità

Con amplificatori sempre più densi, la dissipazione del calore è diventata un vincolo di progettazione di primo ordine. Un tipico array di MIMO a 64 elementi con GaAs PAs può produrre 300–500 W di calore di scarto, concentrato in un piccolo volume. Le strategie di integrazione devono quindi includere viali termici, dissipatori di calore e talvolta raffreddamento liquido a livello del modulo.

Montaggio incorporato delle vie termiche e del Flip-Chip

Il moderno modulo GaN-on-SiC è spesso montato su un substrato ad alta conducibilità termica, con nitruro di alluminio o laminato a base di carburo di silicio, con le vie termiche di rame direttamente sotto le dita del transistor, eliminando i parassiti del filo di legame e apportando un miglioramento del 50 % della resistenza termica rispetto ai pacchetti a filo-bond.

Integrazione attiva del sistema di raffreddamento

Per i più alti array di densità (ad esempio, unità di antenna attiva a 256-element mmWave), i dissipatori di calore passivi sono insufficienti. L'integrazione può includere canali microfluidici incassati direttamente nel substrato del modulo, collegandosi a un'unità di raffreddamento centrale tramite raccordi di collegamento rapido. La piattaforma ReefShark di Nokia, ad esempio, utilizza un modulo di raffreddamento liquido multi-chip in cui ogni miscela di rame etilene-gly scorre

Integrazione di test e misurazione

Poiché gli amplificatori diventano più integrati, testandoli sulla linea di produzione cresce più complessi. Ogni modulo deve essere caratterizzato per guadagno, efficienza, linearità (ACLR, EVM), e risposta alla temperatura su più portanti 5G NR.

Auto-Test integrato (BIST) per la produzione e l'uso del campo

Molti moduli di amplificazione integrati comprendono ora un motore BIST: un ADC a piccolo bit e un rilevatore di potenza che permettono al modulo di auto-testare i suoi parametri chiave RF senza strumentazione esterna. Questi dati BIST possono essere trasmessi tramite il bus di controllo digitale e utilizzati per tagliare le impostazioni di bias durante la calibrazione di fabbrica.

Over-the-Air (OTA) Sfide di test in MiMO massiccio

Quando gli amplificatori sono integrati in array di antenne attive, l'accesso al test conduttivo diventa impraticabile. I sistemi di misura OTA posizionano l'array in una camera anecoica e misurano il modello radiato combinato. Questo sposta il carico di prova dall'amplificatore da solo all'intero array, richiedendo nuove tecniche di calibrazione come la retroproiezione a più porte VNA.

Prospettive future: Amplificatori ottimizzati per l'intelligenza artificiale e integrazione ulteriore

Gli algoritmi AI formati su una vasta gamma di schemi di modulazione, temperature e condizioni di invecchiamento possono ottimizzare tensioni di polarizzazione, coefficienti DPD, e anche la capacità di alimentazione di ogni amplificatore in tempo reale. Ad esempio, Analog Devices ha dimostrato un sistema DPD basato su ML[FLT: 1) adattare

L'innovazione dei materiali continuerà con substrati GaN-on-diamond e GaN-on-quartz di nuova generazione, promettenti densità di potenza di 15 W/mm e conducibilità termica cinque volte meglio del carburo di silicio. Questi progressi consentiranno una ulteriore miniaturizzazione dell'intera catena PA, che si concluderà con radio monochip che integrano l'amplificatore con il ricetrasmettitore e l'antenna in un pacchetto su scala di millimetri.

Infine, l'unità verso RAN aperto e virtualizzato (O-RAN) influenzerà l'integrazione dell'amplificatore richiedendo supporto per il funzionamento multi-banda, multi-standard all'interno della stessa piattaforma hardware. Aspettatevi futuri moduli di amplificazione integrati per funzionalità di abbinamento riprogrammabili e interfacce digitali a banda larga compatibili con le specifiche di fronthaul O-RAN 7.2 ]

Conclusioni

L'integrazione di amplificatori RF per l'infrastruttura NR 5G sta subendo una rapida trasformazione, guidata da progressi materiali, innovazione architettonica, e la pressione incessante per ridurre le dimensioni e i costi, aumentando le prestazioni.