高頻/mMIMO掀起技術革命　模組化PA助力5G基地台設計(1)

2024-06-26

5G基地台設計正面臨重大變革，包括發射/接收頻道數量從4個增加至256個，頻率範圍也擴展至3~4GHz，並有望達到7GHz。面對基地台設計的全新要求，功率放大器(PA)也需要同步演進。

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電子系統工程師正在適應5G基地台設計領域的重大變革，包括發射/接收頻道數量從4個大幅增加至256個。同時，這些基地台的頻率範圍也有所提升，從原先的1GHz擴展到現在的3~4GHz，並有望達到7GHz。隨著更多頻道的引入(如上述256個收發頻道這樣的配置)，對高效且具備精確訊號能力的功率放大器(PA)的需求也愈發迫切。此外，推動構建更小型的蜂巢式網路還涉及整合大規模多輸入多輸出(mMIMO)波束成形、小型基地台和毫米波基地台等先進技術。

本文探討5G功率放大器設計進步所帶來的挑戰與機遇，並分享對當前趨勢的見解，提供實用建議，讓工程師能夠更有效地進行設計。

5G標準演進要求PA同步升級

首先，讓我們來快速回顧一下，5G蜂巢式市場顯而易見的趨勢與需求。

隨著5G mMIMO每一代的升級，5G FR1和FR2頻譜的利用範圍也持續發展，尤其是當頻率超過3GHz和4GHz的時候。對更多頻譜、更高頻率範圍的需求，代表設備需要不斷提升線性度(Linearity)和效率。此外，由於許多5G頻段從分頻雙工(FDD)轉向分時雙工(TDD)，也要求PA的射頻(RF)瞬態效能有所增強。我們也發現，全球範圍內出現新的5G頻譜分配，在6~20GHz範圍內，中國使用6~7GHz，歐洲則選擇更高的n104頻段6.425~7.125GHz。隨著6G逐漸成形，並預計於2030年實現商業化，業界普遍預期6~20GHz頻率範圍內會出現進一步分配(圖1)。

mMIMO是MIMO技術的延展，透過多次使用相同的頻譜，增加資料傳輸的容量與覆蓋範圍，進而達成更高的頻譜利用率。如圖1和圖2所示，向mMIMO的轉變使得通訊頻道數量從4個增加至16個、32個、64個、128個以上。mMIMO技術有助於減少訊號問題、加快連線速度、增強訊號強度、減少斷線次數以及實現更好的訊號指向。

為了滿足消費者的需求，蜂巢式基地台的發展已朝著先進的主動陣列天線設計方向邁進，如圖2所示。這一演進主要體現在mMIMO架構、3GHz C頻段頻率以及對超高容量的需求。隨著3GPP第18版(Release 18)標準將行動通訊帶入5G-Advanced階段，將可看到128個發射/接收(128T/128R)和256個發射/接收(256T/256R)的配置實作，為5G-Advanced微波網路提供前所未有的容量。

雖然mMIMO技術帶來諸多優勢，但也要求PA必須同時具備高效率和高線性度的特點，以滿足5G基地台的嚴苛要求，並持續以越來越小的設備尺寸來實現相同效能。

具有波束成形功能的主動陣列天線可以快速調整波束方向，並且同時支援多個獨立波束。此類天線外形小巧、效能可靠且無機械部件。透過眾多陣列元件協同作業，能夠有效對抗干擾並形成精確的輻射模式。波束成形是5G基地台設計的重要組成部分，藉由適當調整多天線陣列中各個天線訊號的幅度和相位，波束成形技術可利用多個天線來控制訊號波形的方向。這些5G-Advanced天線將在微波和毫米波頻率範圍內運作。在更高的頻率範圍，由於訊號波長非常短(圖3)，因此能夠在狹小區域內布置大量天線。