Leistungsverstärkermodule und ihre Rolle im 5G-Design

5G ist eine der wichtigsten und leistungsstärksten Technologien, die jemals im Bereich der drahtlosen Kommunikation auf den Markt gekommen sind. Im Vergleich zu 4G bietet 5G erhebliche Verbesserungen bei den Datenraten, Latenzzeiten und Kapazitäten und wird die Branche und die Welt nachhaltig verändern.

Diese radikalen Leistungsverbesserungen führen jedoch auch zu einer höheren Belastung und strengeren Anforderungen an die zugrundeliegende Hochfrequenz (HF)-Hardware. Einer der wichtigsten Elemente der HF-Hardware ist der Leistungsverstärker (PA), ein Gerät, dessen Bedeutung mit der Verbreitung von 5G nur noch zugenommen hat. Um die Herausforderungen bei der Entwicklung von HF-PAs für 5G zu erleichtern, haben sich Leistungsverstärkermodule (PAMs) in den letzten Jahren zu einem wichtigen Werkzeug entwickelt.

In diesem Beitrag sprechen wir über PAs, ihre Rolle in 5G und darüber, wie Qorvo PAMs einsetzt, um die 5G-Infrastruktur der Zukunft zu unterstützen.

Was ist ein Leistungsverstärker (PA)?

Bei der Arbeit mit HF-Signalen, insbesondere in den höheren Frequenzbändern von 5G, können die Spannungspegel extrem niedrig sein. Dies ist eine Herausforderung, da das elektromagnetische (EM) Signal bei niedrigeren Amplituden anfälliger für die Auswirkungen von Rauschen auf Systemebene wird (d. h. das Signal-Rausch-Verhältnis nimmt ab). Hinzu kommt, dass Signale mit niedrigeren Spannungen in der Regel nicht die nötige Stärke haben, um nachgeschaltete Schaltungen oder Antennen zu steuern.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, setzen Ingenieure PAs ein. Ein HF-PA ist ein Schaltungsblock, der dazu dient, die Amplitude, die Ausgangsleistung oder die Treiberkapazität eines HF-Signals zu erhöhen. In der Regel befinden sich HF-PAs in der Nähe der Systemantennen, um eine Sendeantenne mit einem leistungsstarken Signal zu versorgen. 

Bei einem PA besteht das Ziel darin, das Signal zu verstärken und gleichzeitig ein hohes Maß an Klangtreue vom Eingang bis zum Ausgang zu erhalten. Aus diesen Gründen sind Linearität, Effizienz und Ausgangsleistung wichtige Spezifikationen für einen PA.

PA-Design-Herausforderungen

In der Vergangenheit wurden PAs und die sie umgebenden Schaltungen mit diskreten Komponenten auf einem Board entwickelt. Obwohl dieser Ansatz der Industrie viele Jahre lang gute Dienste geleistet hat, wird seine Effektivität nun in Frage gestellt, da sich mittlerweile verschiedene komplexe Designprobleme ergeben.

Eine dieser Herausforderungen besteht darin, ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Fläche, Kosten, Leistung und Stromverbrauch zu finden. Im Allgemeinen stehen diese Spezifikationen in Konflikt miteinander, und die Entwickler müssen wissen, wie sie ihre Schaltungen optimieren können, um die Kompromisse für die jeweilige Anwendung optimal auszugleichen. Die Abwägung dieser Kompromisse wird bei der Verwendung diskreter Komponenten immer schwieriger, da Überlegungen wie die Auswahl von Teilen, die Interoperabilität von Komponenten und das Layout die Leistung beeinflussen.

Dies wird durch den Übergang zu 5G, wo die Systeme größere Bandbreiten und höhere Frequenzbereiche abdecken müssen, noch erschwert. Heutige Systeme benötigen eine durchschnittliche Momentanbandbreite von bis zu 400 MHz, während sie mit Frequenzen von bis zu 4 GHz arbeiten. Die Herausforderung besteht nun darin, die oben genannten Systemkompromisse beizubehalten und gleichzeitig die Leistung in diesem Frequenzband zu gewährleisten.

Lösungsansätze mit einem PAM

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, setzt Qorvo PAMs ein.

Ein PAM ist ein elektronisches Bauteil, das die diskreten Komponenten eines PA und die umgebenden Schaltkreise in eine einzige Paketlösung integriert. In der Anwendung einer 5G-Basisstation könnte ein PAM beispielsweise den Antriebsverstärker und den Endstufenverstärker in einem einzigen Gehäuse integrieren, anstatt sie als diskrete Schaltungsblöcke zu implementieren. Durch die Integration des gesamten PA-Systems in ein einziges Modul können wir viele wichtige Ergebnisse erzielen (Abbildung 1).

 Abbildung 1: Der Qorvo QPA4501 PAM verfügt über eine Doherty-Endstufe für hohe Leistung und Effizienz. (Quelle: Qorvo)

Erstens machen PAMs die Entwicklung von HF-Systemen, wie z. B. Basisstationen, wesentlich einfacher als die diskrete Option. Anstatt Komponenten auszuwählen und eine diskrete Schaltung zu entwerfen, können Designer stattdessen ein Modul auswählen, das ihren Anforderungen entspricht, und es in ihr System als Ganzes implementieren.

Darüber hinaus können PAMs im Vergleich zu Lösungen ohne Module eine bessere Leistung bei geringerem Platzbedarf bieten. Durch die Integration der Komponenten können Layout-Probleme, wie z. B. parasitäre Störungen, minimiert werden, was zu einer höheren Leistung und Effizienz führt. Die PAMs von Qorvo berücksichtigen auch Aspekte wie die Impedanzanpassung für den Entwickler, um sicherzustellen, dass die maximale Leistung erreicht werden kann.

Schließlich ermöglicht diese Integration im Durchschnitt kleinere Systeme und spart den Nutzern Gewicht und Fläche bei der endgültigen Systemkonzeption.

PAM-Kompetenz von Qorvo

Qorvo bietet das branchenweit größte und innovativste GaN-on-SiC-Portfolio an, um Anwendern zu helfen, eine höhere Effizienz und Betriebsbandbreite zu erzielen. Die GaN-on-SiC-Produkte bieten eine hohe Leistungsdichte, geringe Größe, hervorragende Verstärkung, hohe Zuverlässigkeit und Prozessreife. Qorvo ist sich der Bedeutung von PAMs für die Zukunft von 5G-Systemdesigns bewusst und arbeitet daran, branchenführende Lösungen auf den Markt zu bringen. Die PAMs von Qorvo zielen darauf ab, ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung, Effizienz, Größe und Kosten zu bieten und gleichzeitig das Design für die Benutzer so einfach wie möglich zu gestalten.