芯耀
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对功率放大器（PA）进行恰当的开发、验证和特性分析十分重要，因为功率放大器通常在发射设备的功耗中占很大比例。
在大多数芯片组和组件中，硅已被证明是一种可靠、经济高效且易于制造的材料。然而，随着世界越来越朝着数字化、互联互通且以设备为主导的生态系统发展，对更高性能、更高吞吐量和更高效率的需求也在增加。
尽管硅仍有无穷无尽的应用场景，但它无法满足 5G 新空口（NR）所需的性能要求，5G 新空口需要更高的功率、更高的工作温度以及更高的效率。宽带隙半导体将有助于满足这一需求。在高功率射频应用方面，氮化镓（GaN）有望改变高功率射频功率放大器（PA）的格局。
根据应用场景的不同，高功率的定义可能会有所变化。就目前而言，一个高功率的功率放大器（PA）的 1dB 压缩点功率（P1dB）至少为 30 dBm，甚至可能高达 60 dbm。由于带隙较低，传统的功率放大器拓扑结构，比如砷化镓（GaAs）衬底上的异质结双极型晶体管（HBT）和赝高电子迁移率晶体管（pHEMT）放大器，并非是最佳选择。相反，高功率功率放大器的设计师们通常会选择碳化硅（SiC）衬底上的横向扩散金属氧化物半导体场效应晶体管（LDMOS FET），或者是在碳化硅衬底上构建一层氮化镓（GaN）层的高电子迁移率晶体管（HEMT）放大器。图 1 展示了半导体材料之间带隙的差异。
与传统半导体相比，氮化镓具有许多优势。作为一种宽带隙器件，这意味着与其他工艺相比，它在高频下具有更高的功率效率、能承受更高的工作温度、输出更高的功率，并且具有更好的功率密度。由于存在这些差异，你将需要调整测试策略。
尽管氮化镓（GaN）卓越的功率、温度、效率和频率特性在几十年前就已为人所知，但某些技术挑战限制了它在商业应用中的可行性。例如，氮化镓集成电路能够使用传统的硅半导体制造技术进行生产，这为更大规模地制造氮化镓功率放大器（PA）打开了大门。此外，如今人们对能够在各种频段工作、同时与 5G 新空口（NR）以及旧有的蜂窝网络标准兼容（见图 2）的更高功率和更高效组件的需求不断增加，这使得人们对氮化镓的兴趣大幅提升。
由于其宽带隙特性，氮化镓功率放大器非常适合解决在实施现代蜂窝通信基站基础设施时出现的许多问题。氮化镓功率放大器能够极大地推动无线基础设施的发展。其应用包括对更高功率效率的需求、在多个频段和频率上运行以同时适应新的和旧有的蜂窝网络标准，以及在宽带波形上实现高效运行。
一个传统的基站（见图 3）包含三个设备：位于塔基的基带单元（BBU）、位于塔顶的远端射频单元（RRU）以及一个天线。远端射频单元将包含用于分离上行链路和下行链路信号、放大信号、进行上 / 下变频以及信号调理的硬件设备。高功率功率放大器位于远端射频单元内的发射（TX）路径上。在基站中，氮化镓功率放大器具有诸多优势，包括能够适应多个频段，从而可以同时支持多种设备。
尽管氮化镓功率放大器（GaN PA）有诸多潜在优势，但由于其独特的特性，在测试中也带来了许多挑战。其中包括以下一些方面：
1、复杂的测试装置搭建
2、氮化镓的线性化处理
3、精确的功率测量
4、时域同步
5、全新的工艺与技术
复杂的测试装置搭建
一个高功率功率放大器（PA）通常是由多个较小的功率放大器组合而成。有时，多个放大级会串联级联成一个高增益的功率放大器。另一种常见的放大器架构称为多尔蒂（Doherty）放大器，在这种架构中，两个放大器并联连接，它们都接收信号的分流副本。其中一个放大器（称为载波功率放大器）经过调谐，能够精确放大信号的低功率部分，而另一个放大器（称为峰值功率放大器）则针对高功率部分进行调谐。然后将这些信号重新组合，从而在两个工作区域内都提高了信号保真度。
即便采用了这些多级放大技术，放大器的输出功率往往仍不足以满足商业应用的需求。因此会使用一个驱动放大器在高功率功率放大器之前增强信号功率。驱动放大器通常针对高线性度和低噪声系数进行了优化，因为它的输入更接近本底噪声。
除了实际的测试装置搭建之外，氮化镓功率放大器的调试过程也可能比其他射频功率放大器更加复杂和繁琐。例如，在生成或采集任何射频波形之前，必须先对被测器件（DUT）施加直流偏置。
线性化处理
基站必须同时分析上行链路信号并在多个频段上生成下行链路信号。由于在一座塔上有多个天线和信号链处于激活状态，随着塔身变得愈发拥挤（物理层面）以及蜂窝网络流量的增加（频谱层面），拥堵情况可能会发生。这促使设计师们以多种方式对信号链进行优化。有些信号链需要针对多个频段进行优化，这意味着功率放大器必须能够同时在这些频段上工作。这就对带外频谱发射提出了严格的要求，因为附近的天线正在这些邻近的频率上进行发射和接收。
此外，与那些在较低功率下工作的传统硅基或砷化镓基功率放大器相比，氮化镓功率放大器的线性表现往往较差。正因如此，数字预失真（DPD）就成为了在信号保真度和纯净频谱之间维持微妙平衡的一种重要方法。
功率测量
在高功率水平下运行也会影响功率测量的准确性。精确的功率测量需要一个称为系统去嵌入或系统校准的过程，在这个过程中，测试系统会对信号发生器和分析仪的精度以及信号链中的损耗或放大情况进行补偿。
时域同步
高功率功率放大器的功耗促使设计师们致力于优化功率效率。对于任何基础设施硬件供应商来说，这都是一个关键指标，因为能源是基站运营的主要成本之一。设计师们应该对放大器的功率效率进行特性分析和优化。节能的一个重要策略是管理功率放大器的启用时间。有些功率放大器提供了一个可以切换的使能引脚，而另一些则要求电源在合适的时间启动和停止。无论哪种方式，基站都需要在被测器件、电源和信号发生器之间实现同步。这种同步对于时分双工（TDD）波形测试尤为重要，在这种测试中，传输过程中的某些时隙会被预留用于上行链路通信，同时禁用下行链路链。
全新的工艺与技术
制造氮化镓组件的工艺仍在不断发展，并且对性能有着重大影响。例如，氮化镓衬底中的杂质可能会导致电荷俘获，进而在某些信号情况下导致增益失效。对这类现象进行特性分析对于理解基于氮化镓组件的完整射频系统的性能至关重要。仅使用小信号的标准测试或宽带调制信号的邻道泄漏功率比（ACLR）测试是不够的。你需要更多关于实际信号相位影响的信息，以及在射频和直流测量之间实现非常精确的同步。
GAN功放在5G中应用的优势
补充说明：
高频与宽带宽性能：GaN功放能够处理50GHz或以上的毫米波频率，支持5G的高频通信需求。其宽带隙特性使得载波聚合技术成为可能，从而显著提升数据传输速率。
高功率密度与效率：GaN器件的功率密度是LDMOS的4倍左右，能够在更小体积内提供更高输出功率。同时，高效率特性有助于降低基站能耗，减少运营成本。
高温稳定性与可靠性：GaN材料的高温稳定性强，能够在高温环境下保持高性能，提高了设备的可靠性和寿命。这对于5G基站长时间高负荷运行至关重要。
小型化与集成化：GaN功放的封装尺寸仅为LDMOS的1/4-1/7，便于集成在紧凑的5G基站设计中。同时，支持多通道并行，提升了系统的灵活性和可扩展性。
市场应用与成本效益：随着5G基站建设的推进，GaN功放市场需求增长迅速。其成本逐渐下降，性价比提升，推动了大规模应用。国内多家企业已推出GaN功放芯片，打破了国外垄断，促进了产业链发展。
