Việc triển khai 5G trên toàn cầu đã làm gia tăng nhu cầu về bộ khuếch đại công suất RF có khả năng cung cấp công suất đầu ra cao, độ tuyến tính tuyệt vời và hiệu suất vượt trội trong các yếu tố hình thức ngày càng nhỏ gọn. Khi cơ sở hạ tầng viễn thông mở rộng—đặc biệt là ở Bắc Mỹ và Châu Á-Thái Bình Dương, nơi chi tiêu vốn cho việc triển khai 5G tiếp tục tăng—các kỹ sư phải đối mặt với áp lực ngày càng tăng trong việc lựa chọn bộ khuếch đại công suất đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về hiệu suất và nhiệt.
Đối với các nhà thiết kế xây dựng các trạm gốc massive MIMO, các cell nhỏ và hệ thống anten chủ động, việc lựa chọn bộ khuếch đại công suất RF không chỉ là quyết định ở cấp độ linh kiện. Nó ảnh hưởng đến khẩu độ mảng, kiến trúc làm mát và cuối cùng là tổng chi phí sở hữu cho các nhà khai thác mạng.
Tại sao GaN đang định hình lại các PA cơ sở hạ tầng
Công nghệ Gallium Nitride (GaN) đã trở thành lựa chọn chiếm ưu thế cho các bộ khuếch đại công suất cơ sở hạ tầng 5G, dần dần thay thế LDMOS trong các ứng dụng hiệu suất cao. Các thiết bị GaN cung cấp mật độ công suất cao hơn, băng thông rộng hơn và hiệu suất tốt hơn ở tần số cao, tất cả đều rất quan trọng đối với các hệ thống massive MIMO dưới 6 GHz phải đóng gói nhiều chuỗi truyền dẫn vào không gian chật hẹp.
Dữ liệu thị trường phản ánh sự thay đổi này. GaN được dự báo sẽ tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm gần 17% cho đến năm 2031, với thị phần của nó trong thị trường bộ khuếch đại công suất cơ sở hạ tầng truy cập vô tuyến dự kiến sẽ đạt một nửa vào cuối giai đoạn dự báo. Các sản phẩm mới ra mắt gần đây nhấn mạnh động lực này: các nhà cung cấp đã ra mắt các transistor Doherty GaN được đánh giá ở mức 70W cho dải tần 3,4–4,0 GHz và các thiết bị 55W cho dải tần 4,8–5,0 GHz, được chế tạo riêng cho các kiến trúc massive MIMO 5G.
Quản lý nhiệt và hiệu suất trong các mảng dày đặc
Một trong những thách thức định hình cơ sở hạ tầng 5G là mật độ nhiệt. Một mảng massive MIMO có thể chứa 64 hoặc 128 chuỗi truyền dẫn trong một vỏ không lớn hơn nhiều so với anten bảng điều khiển thông thường. Mỗi watt nhiệt sinh ra bởi bộ khuếch đại công suất phải được dẫn ra khỏi mối nối, qua vỏ và PCB, và vào vỏ hoặc môi trường xung quanh.
Độ dẫn nhiệt vượt trội của GaN so với GaAs giúp ích, nhưng thiết kế nhiệt không thể là suy nghĩ sau. Toàn bộ đường dẫn truyền nhiệt—từ mối nối đến vỏ, từ vỏ đến giao diện, từ giao diện đến bộ tản nhiệt—phải được đánh giá trong điều kiện môi trường và chu kỳ làm việc xấu nhất. Các mô-đun bộ khuếch đại RF được làm mát mặt trên đã được giới thiệu đặc biệt để giải quyết thách thức này, cho phép các radio nhỏ hơn, nhẹ hơn với hiệu suất nhiệt được cải thiện cho các trạm gốc 5G.
Hiệu suất ảnh hưởng trực tiếp đến tải nhiệt. PAE cao hơn có nghĩa là ít nhiệt lãng phí hơn và yêu cầu làm mát thấp hơn. Trong một trạm gốc macro với hàng nghìn đơn vị được triển khai, ngay cả những cải thiện hiệu suất khiêm tốn cũng tích lũy thành tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành đáng kể.
Độ tuyến tính và tuân thủ phổ
Các dạng sóng 5G New Radio rất khắt khe. Tỷ lệ công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) cao và băng thông điều chế rộng đẩy bộ khuếch đại công suất vào các vùng hoạt động phi tuyến, tạo ra các sản phẩm xen kẽ có thể vi phạm các yêu cầu về tỷ lệ rò rỉ kênh liền kề (ACLR). Sự biến dạng trước kỹ thuật số (DPD) được sử dụng rộng rãi để tuyến tính hóa PA, nhưng hiệu quả của nó phụ thuộc vào độ tuyến tính cố hữu và hiệu ứng bộ nhớ của bộ khuếch đại.
Khi chọn bộ khuếch đại công suất RF cho cơ sở hạ tầng 5G, hãy nhìn xa hơn P1dB và OIP3. Hãy xem xét hiệu suất của thiết bị trong các điều kiện điều chế và băng thông cụ thể mà hệ thống của bạn sẽ sử dụng, và đánh giá xem độ ổn định về độ lợi và pha của bộ khuếch đại có hỗ trợ kiến trúc DPD của bạn hay không. Một thiết bị hoạt động tốt trong thử nghiệm sóng liên tục có thể hoạt động khác dưới kích thích điều chế băng rộng.
Các cân nhắc về vòng đời và chuỗi cung ứng cho các chương trình cơ sở hạ tầng
Việc triển khai cơ sở hạ tầng có vòng đời sản xuất dài, thường kéo dài từ năm đến mười năm hoặc hơn. Do đó, khả năng phục hồi của chuỗi cung ứng là một cân nhắc thiết kế bậc nhất. Sự hợp nhất ngành gần đây—bao gồm cả việc ngừng hoạt động dòng sản phẩm Radio Power của NXP và các thời hạn mua cuối cùng (last-time-buy) do đó—đã chứng minh mức độ nhanh chóng mà bối cảnh nhà cung cấp có thể thay đổi.
Các nhóm thiết kế nên xác định sớm các nguồn thay thế đủ điều kiện, lý tưởng nhất là trước khi tăng tốc sản xuất. Trên thị trường GaN dưới 6 GHz, các nhà cung cấp bao gồm Sumitomo Electric Device Innovations, Qorvo, Ampleon, MACOM và RFHIC mỗi nhà cung cấp bao phủ các tổ hợp tần số, công suất, vỏ và ứng dụng khác nhau, và không có một nhóm thay thế duy nhất nào cho các bộ phận đã ngừng sản xuất. Một chiến lược đa nguồn từ giai đoạn thiết kế là cách hiệu quả nhất để giảm thiểu rủi ro vòng đời.
Kết luận
Việc lựa chọn bộ khuếch đại công suất RF cho cơ sở hạ tầng 5G và di động đòi hỏi phải điều hướng một tập hợp các đánh đổi phức tạp: công nghệ GaN cho mật độ công suất và hiệu suất, thiết kế nhiệt nghiêm ngặt cho các mảng dày đặc, độ tuyến tính hỗ trợ DPD nâng cao và khả năng phục hồi chuỗi cung ứng cho các chương trình sản xuất kéo dài nhiều năm. Khi 5G-Advanced và nghiên cứu 6G sớm tiến vào phổ tần mới gần 7 GHz, những cân nhắc này sẽ chỉ ngày càng trở nên quan trọng hơn.
https://www.signalpoweramplifier.com
