5G时代的功率放大器（PA）：技术突破与发展趋势

在 5G 无线通信系统的演进过程中，功率放大器（PA）作为 transmitter 的核心部件，承担着将基带信号放大到足够功率以实现远距离传输的关键使命。随着 5G 技术对载波频率、信号带宽和通信容量的要求大幅提升，传统 PA 面临着效率与线性 ity 难以兼顾的严峻挑战。本文基于 Zoya Popovic 教授的研究成果，系统介绍 5G PA 的技术瓶颈、核心解决方案及未来发展方向。

一、5G PA 面临的核心挑战

5G 系统相较于 4G，在技术指标上实现了质的飞跃，这也给 PA 设计带来了多重难题：

频率与带宽的双重提升

• 5G 系统的载波频率从传统 S 波段、C 波段向 10GHz 以上的 X 波段乃至毫米波频段拓展，信号带宽也从几十兆赫兹跃升至数百兆赫兹甚至 2GHz。这使得 PA 需要在更宽的频率范围内保持稳定性能，对器件特性和电路设计提出了严苛要求。

高峰均比（PAR）信号的考验

• 5G 高容量通信采用的调制信号具有极高的峰均比，PA 需在放大这类信号时保持低失真。但高效 PA 往往存在非线性特性，而线性 PA 又难以兼顾效率，这种矛盾在宽频带场景下更为突出。

效率稳定性难题

PA 的效率并非随输出功率恒定不变，而是呈现非线性变化；同时，射频负载的波动会显著影响效率表现。在 5G 动态通信场景中，输出功率需根据通信距离、信道质量实时调整，如何在宽功率范围内维持高 efficiency 成为核心挑战。

二、核心解决方案：供电调制技术（Supply Modulation）

为应对上述挑战，供电调制技术（又称包络跟踪技术，ET）成为提升 5G PA 效率的关键手段。其核心原理是让 PA 的供电电压随信号包络的时变特性动态调整，使 PA 始终工作在效率较高的压缩区，从而大幅提升平均效率。

（一）技术原理与架构

包络跟踪 PA 的典型架构如图 1（a）所示，主要由数字基带处理单元、包络调制器和射频 PA 三部分组成。数字基带通过 FPGA 生成控制信号，包络调制器结合高效慢开关电源和快速线性放大器，实现对信号包络的精准跟踪，而射频 PA 则工作在吉赫兹级的载波频率下。图 1（b）显示，不同供电电压下 PA 的功率附加效率（PAE）曲线存在显著差异，动态供电通过跟踪 PAE 曲线峰值，可使平均效率大幅提升。

在实际应用中，供电调制技术已在 2GHz 以下的微波频段实现商业化，例如高通 QFE 1110 跟踪芯片已应用于多款 3G/4G 手机。而在 5G 高频场景中，基于氮化镓（GaN）材料的 PA 成为研究重点，其在高频、高功率下的高效特性的优势，为 10GHz 频段、数百兆赫兹带宽的 5G 应用提供了可能。

（二）关键技术突破

GaN 器件的应用

1. 相较于传统砷化镓（GaAs），GaN 具有更高的击穿电压、电子迁移率和热稳定性，适合制作高频、高效的大功率 PA。基于 Qorvo 150nm GaN-on-SiC 工艺的 X 波段 MMIC PA，在 20V 供电下可实现 20dB 饱和增益，通过供电调制技术，其 PAE 可从恒定供电时的 30% 提升至 75.9%。

多电平供电跟踪

1. 针对宽频带信号，连续跟踪包络会导致调制器效率下降，因此多电平离散供电方案应运而生。四电平、八电平供电调制器通过离散电压组合逼近信号包络，在保证跟踪精度的同时维持高效率。例如，八电平 GaN MMIC 供电调制器在跟踪 10GHz 载波的调幅雷达脉冲时，结合 PA 实现了 44% 的综合效率，且通过数字预失真（DPD）技术使旁瓣电平降至 - 52dB。

线性化技术集成

1. 供电调制 PA 存在非线性失真和时间对准误差等问题。通过数字预失真、反馈校准等技术，可有效校正幅度 - 幅度调制、幅度 - 相位调制等非线性失真；同时，闭环反馈系统能将包络信号与驱动信号的时间对准误差控制在 4ns 以内，确保信号完整性。

（三）与传统架构的协同优化

供电调制技术并非孤立存在，其与 Doherty 放大器、异相放大器（Outphasing Amplifier）等传统高效架构的结合，可进一步提升性能：

Doherty PA 的优化

• 在 Doherty 架构中，对载波放大器或同时对载波与峰值放大器进行供电调制，可显著提升回退功率下的效率。X 波段 GaN MMIC Doherty PA 在 10GHz 频率下，峰值 PAE 达 47%，6dB 和 10dB 回退时的 PAE 仍分别保持 41% 和 31%。

异相 PA 的改进

• 传统异相 PA 存在相位偏移角度大、高效输出功率范围窄的问题。引入供电调制后，可通过调整两个支路的供电电压减小相位偏移需求，提升效率稳定性。多电平异相架构（ML-CO）在宽输出功率范围内的效率表现优于传统 LINC 和 Chireix 架构。

三、5G PA 的未来发展方向

随着 5G 技术向毫米波、超宽带方向演进，PA 技术将呈现以下发展趋势：

全集成化设计

• 将 PA、包络调制器、线性化电路集成于单一 MMIC 芯片，可大幅减小体积、降低寄生参数影响。已实现的 10GHz 集成方案，将 10W PA、100MHz Buck 转换器和 UHF 共源共栅 PA 封装为 5×6cm 的电路，可高效跟踪 300MHz 以上带宽的信号。

宽频带跟踪技术升级

• 针对 250MHz 以上的超宽带信号，采用 "Buck 转换器 + UHF 放大器" 的混合架构，可实现低频频段与高频频段的高效覆盖。例如，GaN 共源共栅 PA 在 120MHz 以上频段效率超 80%，与 Buck 转换器结合后可跟踪 130MHz 正交频分复用信号。

多场景适配能力强化

• 面向 5G 基站、卫星通信、雷达等不同应用场景，PA 将向多模式、可重构方向发展。通过灵活调整供电轨迹和电路参数，实现对不同 PAR、不同带宽信号的高效适配，例如针对卫星通信 13dB PAR 的多载波信号，通过四电平跟踪可使效率提升 20 个百分点。

新材料与新工艺突破

• GaN-on-SiC 工艺将持续迭代，进一步提升器件的高频特性和热稳定性；同时，氮化铝镓（AlGaN）等新型材料的研发与应用，将为毫米波 PA 提供更高的性能上限。

四、结语

在 5G 通信技术不断突破的背景下，功率放大器的效率、线性 ity 和带宽性能成为决定系统通信质量与能耗水平的核心因素。供电调制技术与 GaN 器件的结合，为解决 5G PA 的核心矛盾提供了有效路径，而多电平跟踪、全集成设计和协同优化架构的发展，进一步推动了 PA 性能的迭代升级。未来，随着材料科学、电路设计和信号处理技术的深度融合，5G PA 将朝着更高效、更宽频、更灵活的方向演进，为 5G-Advanced 及 6G 技术的发展奠定坚实基础。

文章参考：Amping Up the PA for 5G，全文下载，请点击“阅读原文”