本文深入探讨了 5G、卫星通信、航空航天和国防应用的需求，包括不同类型的波束成形架构以及 GaN-on-SiC 功率放大器如何解决这些射频应用中的通信挑战。.

射频功率放大器的机遇与挑战

射频功率放大器最大的增长机遇和挑战在于卫星通信以及新兴的5G通信解决方案。美国国家航空航天局（NASA）已助力私营企业发射数千颗低地球轨道（LEO）卫星，这些卫星目前环绕地球运行，提供宽带互联网接入、导航、海上监视、遥感等服务。这些射频应用系统性地追求尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C）方面的优势。大型抛物面天线正被用于卫星通信的相控阵天线所取代，后者需要更小、更轻的集成组件。对于这些射频应用而言，高射频功率至关重要，它需要具备高线性度（高P1dB和IP3以降低失真）和高效率（高PAE以最大限度地降低功耗）。.

5G毫米波通信

新一代5G毫米波通信解决方案凭借其高速、超宽带宽和低延迟的宽带通信能力，大幅提升了信息共享能力，从而支持实时决策和其他军事应用。工作在较低频段（6 GHz以下）的5G系统容易受到高功率干扰信号的干扰，而5G毫米波系统（24 GHz及以上）则利用不易受高功率干扰信号影响的毫米波频段，将5G网络应用于战场内外。例如，军事传感器网络可用于指挥控制数据采集，增强现实显示可提升飞行员和步兵的态势感知能力。5G还将支持虚拟现实解决方案，用于空中、陆地和海上任务中的远程车辆控制。在军事环境之外，5G还将支持智能存储、远程医疗和部队运输等各种应用。.

5G毫米波频段：

不同国家/地区使用的5G毫米波频段各不相同。在美国，28 GHz频段是首个部署的5G毫米波频段，随后是39 GHz频段。中国目前部署的5G毫米波频段为24.25–27.5 GHz，在5G毫米波的普及应用方面相对落后。.

5G网络架构

5G网络由宏基站和小基站组成。宏基站通过毫米波或光纤回程链路连接到核心网。宏基站可以直接与用户设备（例如移动电话）通信，也可以与小基站通信，小基站再与用户设备（例如移动设备）通信，从而提供最后一公里连接。微微基站和毫微微基站则在办公楼等网络连接较弱或用户密度较高的区域提供网络连接。.

用户通常安装毫微微蜂窝基站来改善小型环境（例如家庭办公室或建筑物内的信号盲区）的信号覆盖。毫微微蜂窝基站的设计仅支持少量用户，并且只能处理少量并发通话；它们的功率输出非常低，低至 0.2 瓦。.

微基站（Picocell）提供更大的容量和覆盖范围，可在300米范围内支持多达100个用户。微基站通常部署在室内，以改善建筑物内（例如办公楼层或零售空间）较差的无线和蜂窝网络覆盖。微基站可以临时部署，以应对有限区域（例如体育赛事）的流量高峰，也可以作为蜂窝移动网络的永久组件安装在异构网络中，与宏基站协同工作，为最终用户提供不间断的网络覆盖。其输出功率最高可达2瓦。.

宏基站：这些是覆盖面积大于 100 公里的大型基站，输出功率可达 100 瓦以上。.

雷达通信应用：

雷达系统工作在L波段（1 GHz至2 GHz），应用包括敌我识别（IFF）、测距设备以及跟踪和监视。S波段（2 GHz至4 GHz）用于S模式选择性响应应用和气象雷达系统。X波段（8 GHz至12 GHz）用于气象雷达和航空雷达，而C波段（4 GHz至8 GHz）用于5G和其他低于7 GHz的通信应用。5G毫米波提供最高的带宽和数据速率，工作在24 GHz及以上的频段。低地球轨道（LEO）和地球同步轨道卫星通信工作在K波段，频率范围为12 GHz至40 GHz。.

射频波束形成

这些射频应用中使用的不同类型的相位天线波束成形架构包括：
1> 模拟波束成形；
2> 数字波束成形；
3> 混合波束成形。

模拟波束成形

对于任何相控阵，理想的阵元间距是λ的一半。
框图展示了模拟波束成形：四个相控阵阵元彼此间隔λ的一半。对于30 GHz的信号，相控阵阵元之间的间距为5 mm。在模拟波束成形中，移相器通过改变波束的相位来塑造波束形状，从而产生相长干涉，将波束能量聚焦到特定方向，用于信号的接收和发射。所有这些操作都在射频频率下完成，因此对互连损耗更为敏感。来自移相器的信号随后经过合路器/功率分配器，再经过上变频器、下变频器和ADC/DAC，最终到达基带。在这种情况下，对于N个相控阵阵元，只需要一个数字前端。如图所示，对于4个相控阵阵元，也只需要一个由ADC/DAC组成的数字前端。这种架构的优势在于元件数量更少，功耗更低。然而，由于相移发生在射频频段，这种波束形成架构对互连损耗和相移的复杂性更为敏感。

数字波束成形

数字波束成形包括将频率上下变频至基带频率，然后进行数字相移。由于数字波束成形在基带内进行，因此该架构具有更高的精度。然而，每个相控阵单元都需要一个ADC/DAC，导致元件数量庞大且功耗较高。在这种情况下，对于N个相控阵单元，需要N个数字前端。如图所示，对于4个相控阵单元，需要4个由ADC/DAC组成的数字前端。.

混合波束成形：

混合波束成形技术结合了模拟波束成形和数字波束成形，使其成为大型相控阵的理想选择，它既能以更少的单元实现模拟波束成形的效率和更低的功耗，又能保证数字波束成形的精度。如图所示，对于一个四单元相控阵，它需要两个由ADC/DAC组成的数字前端。相比之下，模拟波束成形只有一个数字ADC/DAC前端，而数字波束成形则需要四个数字ADC/DAC前端。.

射频信号链

图示为射频信号链路的框图。在接收端，射频信号经天线进入，经过限流二极管和开关，并通过锯齿波滤波器选择所需的射频频率。然后，所需信号由一个噪声系数极低的低噪声放大器放大，以最大程度地降低接收信号信噪比的劣化。之后，信号经混频器下变频。本振（LO）信号由离散的锁相环（PLL）组件产生，该组件包括相位频率检测器、预分频器（用于将本振频率提供给混频器以转换为中频（IF）），以及用于信号处理的中频到基带转换。.

在发射端，基带信号被转换为中频信号，然后再转换为所需的射频频率。射频信号经功率放大器放大后进行发射。.

射频性能指标

该表显示了射频性能指标以及射频框图中使用的组件的优势。.

功率放大器 (PA) 要求：
功率放大器 (PA) 在射频发射机应用中扮演着至关重要的角色。PA 最重要的要求之一是能够在线性区工作，以最大限度地减少射频失真。使用高阶调制方案（例如 64/128/256 正交幅度调制 (QAM)）的卫星通信系统对非线性特性极其敏感。另一个挑战是实现令人满意的峰均功率比 (PAPR)，即 PA 产生的最大功率与其平均功率之比。PAPR 决定了可传输的数据量，并且与平均功率成正比。同时，给定格式所需的 PA 尺寸取决于峰值功率。美国联邦通信委员会 (FCC) 对 5G 毫米波有效全向辐射功率 (EIRP) 的要求包括：移动终端的发射功率为 43 dBm EIRP，基站的可传输功率为 55 dBm EIRP。只有采用氮化镓/碳化硅（GaN-on-SiC）功率放大器才能克服这些以及其他相互冲突的挑战，从而满足卫星通信、5G、航空航天和国防应用的需求。
氮化镓/碳化硅（GaN-on-SiC）功率放大器：
GaN-on-SiC 具有最高的功率密度，能够以高效率产生高线性输出功率。GaN-on-SiC 功率放大器可在 12 GHz 至 40 GHz 的 Ka 和 Ku 频段高频工作，适用于卫星通信和 5G 应用，并提供宽带宽、高增益和优异的热性能，满足射频应用的需求。Microchip 提供满足器件 SWaP-C 要求的 GaN-on-SiC 射频解决方案。ICP2840 是一款旗舰级器件，工作在 27.5-31 GHz 频段，可提供 9 瓦连续波（CW）输出功率和 10 瓦脉冲输出功率，增益为 22 dB，功率效率提升 22%。

 

 

 

Microchip K波段功率放大器

ICP2840 在 27.5-31 GHz Ka 频段（用于卫星通信上行频率）以及 28 GHz 5G 频段可产生 9 W 的连续波输出功率。

ICP2637 具有 23-30 GHz 的宽带宽，可产生 5 瓦的连续波输出功率，并提供 QFN 封装和芯片形式。

ICP1445 在 13-15.5 GHz 频段内产生 35 瓦的脉冲输出功率。

ICP1543 的 工作频率为 Ku 波段，范围为 12 至 18 GHz，可产生 20 瓦的连续波输出功率。

这些功率放大器 (PA) 采用 GaN-on-SiC 技术，具有高增益和更高的功率效率，满足 5G、卫星通信、航空航天和国防应用所需的 Ku/Ka 波段要求。GaN-on-SiC 具有更高的功率密度，为这些应用提供了理想的功率放大器解决方案。.

 

图 11：Microchip Technology 的 Ku-Ka 波段 GaN-on-SiC MMIC 功率放大器包括 ICP2840，它在 27.5-31 GHz Ka 波段上行链路中产生 9 W 的连续波输出功率。.

 

作者：巴尔吉特·钱德霍克（Baljit Chandhoke），Microchip Technology公司射频产品经理