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

Allerdings führen diese drastischen Leistungsverbesserungen zu einer höheren Belastung und strengeren Anforderungen an die verwendete Hochfrequenz-Hardware (HF). Dabei ist der Leistungsverstärker (Power Amplifier, PA) einer der wichtigsten Bestandteile der HF-Hardware. Dieses Bauteil ist mit der zunehmenden Verbreitung von 5G noch wichtiger geworden. Bei der Bewältigung der Herausforderungen im Zusammenhang mit der Entwicklung von HF-Leistungsverstärkern für 5G haben sich Leistungsverstärkermodule (PAMs) in den letzten Jahren zu einem wichtigen Instrument entwickelt.

In diesem Beitrag erfahren Sie mehr über Leistungsverstärker, ihre Bedeutung für 5G und darüber, wie Qorvo Leistungsverstärkermodule einsetzt, um die 5G-Infrastruktur der Zukunft zu unterstützen.

Bei der Verarbeitung von HF-Signalen können die Spannungspegel extrem niedrig sein, insbesondere in den höheren Frequenzbändern von 5G. Dies ist eine Herausforderung, denn das elektromagnetische (EM) Signal wird bei kleineren Amplituden anfälliger für das Rauschen auf Systemebene (d. h. das Signal-Rausch-Verhältnis sinkt). Hinzu kommt, dass Signale mit geringerer Spannung im Allgemeinen nicht die nötige Stärke haben, um nachgelagerte Schaltkreise oder Antennen anzusteuern.

Um diese Probleme zu lösen, verwenden Ingenieure sogenannte Leistungsverstärker. Ein HF-Leistungsverstärker ist ein Schaltungsbaustein, mit dem sich die Amplitude, die Ausgangsleistung oder die Steuerungskapazität eines HF-Signals erhöhen lässt. In der Regel befinden sich HF-Leistungsverstärker in der Nähe der Systemantennen, um eine Sendeantenne mit einem Hochleistungssignal zu versorgen.

Mit einem Leistungsverstärker soll das Signal verstärkt werden, während gleichzeitig ein hohes Maß an Wiedergabetreue vom Eingang bis zum Ausgang erhalten bleibt. Daher sind Linearität, Effizienz und Ausgangsleistung wichtige Spezifikationen für einen Leistungsverstärker.

In der Vergangenheit wurden Leistungsverstärker und die dazugehörigen Schaltungen mit diskreten Bauelementen auf einer Leiterplatte entwickelt. Dieses Konzept hat der Industrie zwar viele Jahre lang gute Dienste geleistet, doch die Effizienz dieser Technik steht vor dem Hintergrund verschiedener, durchaus komplexer Designherausforderungen zunehmend in Frage.

Eine dieser Herausforderungen besteht darin, den optimalen Kompromiss zwischen Fläche, Kosten, Leistung und Stromverbrauch zu finden. Häufig stehen diese Spezifikationen im Widerspruch zueinander, und die Entwickler müssen wissen, wie sie ihre Schaltungen optimieren können, um die Kompromisse für die jeweilige Applikation bestmöglich in Einklang zu bringen. Doch bei der Verwendung von diskreten Komponenten werden diese Kompromisse immer schwieriger, da Überlegungen wie die Auswahl der Bauelemente, die Interoperabilität der Komponenten und das Layout die Leistung beeinflussen.

Dies wird durch den Umstieg auf 5G noch weiter erschwert, da die Systeme dann größere Bandbreiten und höhere Frequenzbereiche abdecken müssen. Heutige Systeme benötigen eine durchschnittliche Momentan-Bandbreite von bis zu 400 MHz und arbeiten mit Frequenzen von bis zu 4 GHz. Die Herausforderung besteht nun darin, die oben genannten Systemkompromisse zu berücksichtigen und gleichzeitig die Leistung in diesem Frequenzbereich zu gewährleisten.

Um diese Herausforderung zu bewältigen, nutzt Qorvo Leistungsverstärkermodule.

Ein Leistungsverstärkermodul ist ein elektronisches Bauelement, das die diskreten Komponenten eines Leistungsverstärkers und die zugehörigen Schaltkreise in einer einzigen Paketlösung integriert. Beim Einsatz in einer 5G-Basisstation könnte ein Leistungsverstärkermodul beispielsweise den Antriebsverstärker und den Endstufenverstärker in einem einzigen Gehäuse integrieren, anstatt sie als diskrete Schaltungsblöcke zu implementieren. Durch die Integration des gesamten Leistungsverstärkersystems in einem einzigen Modul lassen sich viele wichtige Vorteile erzielen (Abbildung 1).