Новые тенденции в интеграции усилителей Rf для инфраструктуры 5g Nr

По мере того, как инфраструктура 5G New Radio (NR) переходит от начального развертывания к широкомасштабной уплотнению, требования, предъявляемые к усилителям мощности радиочастотного излучения, усилители более широкого диапазона частот, схемы модуляции более высокого порядка и массивные антенные массивы, требуют усилителей, которые одновременно более линейны, более эффективны и более компактны, чем их предшественники 4G. Интеграция этих усилителей - объединение полупроводниковых матриц, соответствующих сетей, цифрового управления и управления тепловыми потоками в один модуль - стала критическим фактором для экономически эффективных высокопроизводительных сетей 5G. В этой статье рассматриваются ключевые тенденции, способствующие интеграции усилителей радиочастотного излучения для 5G NR, основные технологии, делающие их возможными, и практические последствия для разработчиков инфраструктуры.

Архитектурная эволюция: от одноконтактной до многорежимной интеграции

Традиционные усилители макроэлементов часто использовали один мощный транзистор в конфигурации класса-AB, с внешними циркуляторами и изоляторами для управления отражениями. 5G NR, однако, требует архитектуры, которая может обрабатывать соотношения мощности от пика до среднего, превышающие 10 дБ, сохраняя при этом высокую среднюю эффективность. В качестве доминирующих появились три стратегии интеграции: асимметричные усилители Доэрти, отслеживание оболочек (ET) и модулированные нагрузкой сбалансированные усилители.

Усилители Doherty в компактных многочиповых модулях

Архитектура Doherty, впервые разработанная десятилетия назад, была реинжинирингована для 5G с помощью интеграции монолитных микроволновых интегральных схем (MMIC). Современные модули Doherty объединяют несущие и пиковые усилители, входной сплиттер, выходной комбинатор и трансформаторы с четвертьволновым сопротивлением в единый пакет. Нитрид галлия (GaN) Doherty MMICs может обеспечить 40-50% эффективности при выходе 6 дБ обратно, что имеет решающее значение для сигналов с высоким коэффициентом креста, используемых в 5G. Такие компании, как NXP Semiconductors и Qorvo, выпустили интегрированные модули GaN Doherty, которые охватывают диапазоны 3,5 ГГц и 4,5 ГГц, уменьшая количество компонентов на 60% по сравнению с дискретными конструкциями.

Интеграция слежения за контурами для Sub-6 GHz

Конвертное отслеживание регулирует напряжение питания усилителя в реальном времени, чтобы следовать за сигнальной оболочкой, достигая пиковой эффективности в широком динамическом диапазоне. Задача заключается в интеграции высокоскоростного модулятора оболочки с самим усилителем RF. Последние достижения в модуляторах на основе CMOS и силовых транзисторах GaN RF позволили использовать модули отслеживания оболочек с одним пакетом, которые работают на частотах переключения выше 100 МГц. Например, Analog Devices предлагает интегрированное решение отслеживания оболочек для базовых станций 5G NR, которое сочетает высокоскоростной преобразователь DC-DC с усилителем GaN, достигая более 50 % эффективности системы через мгновенную полосу пропускания 400 МГц.

Полупроводниковые инновации, приводящие к интеграции

Выбор материала остается единственным наиболее важным фактором, определяющим оболочку производительности усилителя RF. В то время как кремниевая LDMOS превосходно обслуживала 2G и 3G, частоты 5G NR суб-6 ГГц и ммВава требуют более высокой плотности мощности, лучшей линейности и более широкой полосы пропускания. Интеграционный ландшафт был сформирован тремя конкурирующими материальными платформами.

Нитрид галлия: доминирующий выбор для Sub-6 и mmWave

GaN на кремнии или GaN на SiC обеспечивает плотность мощности 5-10 Вт/мм, на порядок выше, чем LDMOS. Это позволяет конструкторам использовать физически меньшие транзисторы, что, в свою очередь, уменьшает паразитные эффекты и упрощает согласование сетевой интеграции. Широкий диапазон GaN также поддерживает работу при температурах перехода, превышающих 200 °C, уменьшая тепловой след. Для массивов mmWave (n257, n258, n260) GaN MMIC теперь интегрируют несколько этапов, делителей и комбайнов на одном чипе, обеспечивая 1-2 Вт на канал пучка. Семейство QPF4700 Qorvo, например, интегрирует трехступенчатый GaN PA с обходным усилителем низкого шума (LNA) и однополюсным двухслойным (SPDT) переключателем в ламинированный пакет 5 × 5 мм, нацеливаясь на небольшие ячейки и оборудование для помещения клиента.

Арсенид галлия и InP для цепей высоколинейных приемников

В то время как GaN доминирует на пути передачи, арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP) остаются важными для усилителей с низким уровнем шума и этапов драйверов, особенно в цепочке приема, где шум является первостепенным. Тенденции интеграции здесь сосредоточены на совместной упаковке LNA GaAs с PA GaN в фронтальных модулях (FEMs). Такие многодиапазонные модули позволяют OEM-производителям базовых станций приобретать один FEM, который обрабатывает переключение Tx / Rx, усиление и фильтрацию для каждой ветви антенны - критически важно для массивных систем MIMO, где сотни таких ветвей должны быть собраны надежно.

Цифровое пре-дисторсия: краеугольный камень линейной эффективности

Ни одна современная интеграция усилителя RF не является полной без встроенной возможности предварительного искажения (DPD). DPD в цифровом виде формирует входной сигнал для отмены нелинейных искажений усилителя, позволяя PA работать ближе к сжатию, где эффективность самая высокая, при этом все еще удовлетворяя требованиям маски спектра и вектора ошибок (EVM).

Широкополосный и адаптивный DPD для 5G NR

Сигналы 5G NR могут занимать до 400 МГц мгновенной полосы пропускания (суб-6 ГГц несущей агрегации). Традиционные модели памяти-полиномиальной DPD борются с эффектами памяти на таких широких полосах пропускания. Более новые архитектуры используют поштучно нейронные сети или векторное разложение с сотнями коэффициентов, интегрированных непосредственно в модуль усилителя через встроенный FPGA или ASIC. Такие компании, как Texas Instruments и Xilinx, предлагают ядра DPD IP, которые могут исправлять нелинейности третьего, пятого и седьмого порядка при адаптации в микросекундах к температуре или смещению. Эти цифровые двигатели часто используют тот же мультичип-модуль, что и аналоговый PA, уменьшая задержку и позволяя коррекцию замкнутого цикла на уровне суб-5 нс.

Интеграция приемников наблюдения для Loopback

Для поддержки адаптивного DPD модуль усилителя должен включать в себя путь обратной связи: соединитель, нисходящий преобразователь и ADC, который отбирает выход PA. Интеграция этого приемника наблюдения (ORx) в один и тот же пакет устраняет внешние компоненты и уменьшает площадь ПХБ. Несколько литейных заводов теперь предлагают продукты GaN PA с интегрированным ORx, которые обеспечивают 30 дБ изоляции, что позволяет двигателю DPD исправлять нелинейности, не прерывая прямой путь.

Массивный MIMO и стремление к экстремальной интеграции

Массивные базовые станции MIMO требуют 64, 128 или даже 256 независимых цепей приемопередатчиков для каждого сектора. Интеграция усилителя RF в цепь требует беспрецедентных уровней плотности компонентов, управления температурой и стоимости за ватт. Три подхода к интеграции соперничают за принятие.

Дискретные FEM-решения на многослойных ПХД

Наиболее распространенный подход для 64-элементных массивов сегодня использует дискретные модули GaN или GaAs, расположенные в сетке на ламинате межсоединения высокой плотности. Каждый FEM интегрирует PA, LNA, коммутатор и двигатель DPD с умеренной мощностью. Этот модульный подход упрощает тестирование и ремонт, но приводит к большому следу ПХД и сложной тепловой маршрутизации. Тем не менее, он предлагает наиболее гибкое время выхода на рынок для поставщиков инфраструктуры.

Полуинтегрированные лучеобразующие ИС с ПА уровня Ватта

Более высокий уровень интеграции использует формирующую луч IC, которая включает фазовые переключатели, усилители переменного усиления и выходные PA-стадии для 4-8 элементов в одном чипе. Для mmWave 5G NR n257 (28 ГГц) формирующие луч IC от Anokiwave и Analog Devices интегрируют 8-16 приемопередающих каналов, каждый из которых обеспечивает линейный выход 16 дБм, в пакет 10 × 10 мм. Стадии PA реализованы в SiGe BiCMOS или GaAs HBT, с чипом, присоединенным к многослойной органической подложке, которая включает в себя встроенные пассивные и антенные линии подачи. Этот уровень интеграции сокращает стоимость сборки и позволяет планарные конструкции массива с расстоянием между элементами менее половины длины волны.

Подходы к полной системе в пакете (SiP)

Конечная граница интеграции - это система в упаковке, где все радио - усилители радиочастот, преобразователи вверх / вниз, синтезатор, цифровой DPD и даже часть базовой полосы - находятся внутри одного пакета. Такие компании, как Qualcomm и MediaTek, продемонстрировали SiP-решения для небольших ячеек 5G, которые объединяют GaAs PA с 28-нм приемопередатчиком CMOS и встроенным FPGA, все сложенные в пакет с формованной формой 15 × 15 мм. В то время как управление тепловой энергией остается сложной задачей, эти SiP уменьшают общий объем материалов на 50% и нацелены на корпоративные фемтосоты и покрытие в здании.

Тепловое управление в высокоплотных интеграциях

С усилителями, упакованными все более плотно, рассеивание тепла стало ограничением проектирования первого порядка. Типичный массив MIMO из 64 элементов с GaAs PAs может производить 300-500 Вт отработанного тепла, сконцентрированного в небольшом объеме. Поэтому стратегии интеграции должны включать тепловые связки, распредители тепла, а иногда и жидкое охлаждение на уровне модуля.

Встроенные термальные виасы и Flip-Chip сборка

Современные кристаллы GaN-on-SiC часто устанавливаются на субстрат с высокой теплопроводностью - нитрид алюминия или ламинаты на основе карбида кремния - с медными термическими сквозняками непосредственно под пальцами транзистора. Это устраняет паразиты проводов связи и обеспечивает 50-процентное улучшение термического сопротивления по сравнению с пакетами, связанными с проводами. Несколько литейных заводов теперь предлагают интегрированные теплоотводы: фланец из вольфрама меди, который является частью базы модуля, выставленный для прямого крепления к холодной пластине.

Интеграция системы активного охлаждения

Для массивов с самой высокой плотностью (например, 256-элементные активные антенные блоки mmWave) пассивных теплоотводов недостаточно. Интеграция может включать микрофлюидные каналы, вытравленные непосредственно в подложку модуля, соединяющиеся с центральным охлаждающим блоком через быстроразъемные фитинги. Платформа ReefShark от Nokia, например, использует многочиповый модуль с жидкостным охлаждением, где смесь этилен-гликоль протекает через медные трубки, встроенные в ламинат, захватывая тепло от каждого ПА-диапазона, прежде чем он может распространяться на соседние каналы.

Интеграция испытаний и измерений

По мере того, как усилители становятся более интегрированными, тестирование их на производственной линии становится все более сложным. Каждый модуль должен характеризоваться для усиления, эффективности, линейности (ACLR, EVM) и температурного отклика на нескольких несущих 5G NR. Две тенденции формируют интеграцию тестов.

Встроенный самотест (BIST) для производства и использования на местах

Многие интегрированные модули усилителя теперь включают в себя двигатель BIST: малоразрядный ADC и детектор мощности, которые позволяют модулю самостоятельно тестировать свои ключевые параметры RF без внешнего приборостроения. Эти данные BIST можно передавать по цифровой шине управления и использовать для настройки смещения во время заводской калибровки. В полевых условиях он позволяет осуществлять удаленный мониторинг состояния PA, предсказывая сбои, прежде чем они повлияют на KPI. Например, интегрированные модули PA Micram включают датчик пиковой мощности на чипе и ADC 40 MS / с для непрерывного измерения статистики оболочки.

Over-the-Air (OTA) тестирует новые возможности в массовом MIMO

Когда усилители интегрируются в активные антенные решетки, проводящий тестовый доступ становится непрактичным. Системы измерения OTA помещают массив в безэховую камеру и измеряют комбинированный излучаемый рисунок. Это сдвигает испытательную нагрузку от одного усилителя к всей матрице, требуя новых методов калибровки, таких как многопортовая VNA-проекция. Промышленные консорциумы разрабатывают стандарты (например, 3GPP TR 37.867) для тестирования OTA базовых станций 5G NR, что, в свою очередь, приводит к интеграции усилителя к встроенным испытательным соединителям и калибровочным путям.

Будущее: оптимизированные для ИИ усилители и дальнейшая интеграция

Заглядывая вперед, границы интеграции усилителя RF будут подталкиваться машинным обучением и новыми технологиями упаковки. Алгоритмы ИИ, обученные широкому спектру схем модуляции, температур и условий старения, могут оптимизировать напряжения смещения, коэффициенты DPD и даже возможности управления мощностью каждого усилителя в режиме реального времени. Например, Аналоговые устройства продемонстрировали систему DPD на основе ML, которая адаптируется к динамике сигнала в пределах 100 мкс, повышая эффективность на 3% по сравнению с DPD с фиксированной моделью.

Наконец, стремление к открытой и виртуализированной RAN (O-RAN) повлияет на интеграцию усилителей, требуя поддержки многодиапазонной, многостандартной работы в рамках одной и той же аппаратной платформы. Ожидайте, что будущие интегрированные модули усилителей будут иметь перепрограммируемые сети соответствия и широкополосные цифровые интерфейсы, совместимые со спецификациями фронтальной автомагистрали O-RAN 7.2. Последние белые бумаги Qorvo и Источники тестирования 5G NR от Keysight предлагают дополнительную информацию об этих тенденциях.

Заключение

Интеграция радиочастотных усилителей для инфраструктуры 5G NR претерпевает быструю трансформацию, обусловленную материальными достижениями, архитектурными инновациями и неустанным давлением, направленным на уменьшение размера и стоимости при одновременном повышении производительности. От MMIC на основе GaN и модулей отслеживания оболочек до высокоинтегрированных формирующих балку ИС и решений системы в упаковке каждая тенденция способствует новому поколению мощных, линейных и управляемых усилителей. По мере продолжения уплотнения сети и ускорения развертывания mmWave эти методы интеграции будут основополагающими для достижения целей производительности 5G и за его пределами.