GaN將在5G大規(guī)模MIMO部署中逐漸取代 LDMOS

相比其它半導(dǎo)體，GaN 是一種相對較新的技術(shù)，但它已然成為某些高射頻、大功率應(yīng)用的技術(shù)之選。雖然 LDMOS 技術(shù)目前仍在射頻基站領(lǐng)域占有最大市場份額，但預(yù)計 GaN 將在 5G 大規(guī)模 MIMO 部署中逐漸取代 LDMOS。

在本系列的第一部分《5G 和 GaN 系列之一：全面了解 Sub-6Ghz 大規(guī)模 MIMO 基礎(chǔ)設(shè)施》中，我們回顧了在全國范圍內(nèi)推動 5G 實施的大規(guī)模 MIMO 技術(shù)。盡管毫米波頻率應(yīng)用的潛力最終會顯現(xiàn)，但在未來幾年，5G 服務(wù)將主要采用 6GHz 以下頻段傳輸。為實現(xiàn) 5G 服務(wù)目標(biāo)，接下來幾代基站設(shè)計都將要求顯著提高射頻前端的性能。

同時，工程師在設(shè)計基站時需要考慮更好地集成 RFFE 、縮小尺寸、降低功耗、提高輸出功率、增加帶寬、改進(jìn)線性度，以及提高接收器靈敏度。所有這些都是為了滿足收發(fā)器、RFFE 和天線之間更嚴(yán)格的耦合要求。這是一項艱巨的任務(wù)。滿足這些需求并成功實現(xiàn)大規(guī)模 MIMO 的唯一方法就是使用經(jīng)濟(jì)高效的小型功率放大器，將它們集成進(jìn)這些擴(kuò)展的天線陣列。

◆◆助力 Sub-6 大規(guī)模 MIMO發(fā)展◆◆

自 20 世紀(jì) 90 年代，橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 （LDMOS） 技術(shù)開始進(jìn)入射頻功率放大器領(lǐng)域，尤其是 2GHz 以下頻率應(yīng)用，因為其成本較低。其最大的競爭對手為砷化鎵（GaAs）放大器，后者非常適合更高頻率應(yīng)用，但其傳輸功率低且成本較高。

2G 數(shù)字移動網(wǎng)絡(luò)推出后，LDMOS 在射頻基站領(lǐng)域取得了市場主導(dǎo)地位，并且保持至今。然而，隨著 3G 和 4G 網(wǎng)絡(luò)的推出，LDMOS 功率放大器并未達(dá)到前幾代產(chǎn)品的功效水平。盡管使用 Doherty 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和包絡(luò)跟蹤可以提升性能，但 2014 年在中國部署 4G LTE 期間，設(shè)備制造商和運營商開始將氮化鎵 （GaN）用作射頻功率應(yīng)用的下一代半導(dǎo)體技術(shù)。

相比其它半導(dǎo)體，GaN 是一種相對較新的技術(shù)，但它已然成為某些高射頻、大功率應(yīng)用的技術(shù)之選，比如需要長距離或以高功率傳輸信號的應(yīng)用，因此非常適用于 6GHz 以下的 5G 基站。

高輸出功率、線性度和功率效率促使網(wǎng)絡(luò) OEM 廠商從基于 LDMOS 技術(shù)的 PA 轉(zhuǎn)向采用氮化鎵技術(shù)的 PA。雖然 LDMOS 技術(shù)目前仍在射頻基站領(lǐng)域占有最大市場份額，但預(yù)計 GaN 將在 5G 大規(guī)模 MIMO 部署中逐漸取代 LDMOS。

◆◆GaN 性能優(yōu)勢◆◆

更高功率密度是 GaN 的主要優(yōu)勢。由于 GaN 導(dǎo)帶和價帶之間的帶隙要比 LDMOS 技術(shù)更高，所以 GaN 具有較高的擊穿電壓和功率密度，它可讓信號以更高的功率水平傳輸，從而可擴(kuò)大基站的覆蓋范圍。

GaN PA 的高功率密度還使其能夠采用更小的尺寸，從而減少了 PCB 空間需求。在給定區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)計人員可以實現(xiàn)比其它技術(shù)更高的功率?；蛘撸瑢τ诮o定的功率級，系統(tǒng)設(shè)計人員可以縮小 RFFE 尺寸并降低成本。

更高的功率密度使 GaN 功率放大器能夠在高達(dá) 250℉ 的溫度下運行，這是硅基技術(shù)無法實現(xiàn)的溫度水平。GaN 具有更高的散熱性能，可以簡化系統(tǒng)的散熱和冷卻要求，從而進(jìn)一步縮小尺寸，降低成本。大型電信運營商面臨巨額基礎(chǔ)設(shè)施支出壓力，因此尺寸更小、成本更低的設(shè)備對于在全國范圍內(nèi)普及 5G 將會大有幫助。

GaN 具有更高的能效，有助于降低基站運行成本。運營商開始尋找最大程度降低網(wǎng)絡(luò)功耗的方法，并促使 OEM 采用提高系統(tǒng)效率、節(jié)省總能耗的設(shè)計。為滿足需求，工程師開始轉(zhuǎn)而采用 GaN 技術(shù)。在 Doherty PA 配置中，GaN 的平均效率高達(dá) 60%，輸出功率為 100 W，顯著降低了運行大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)所需的電能。

GaN 在高頻率和高帶寬條件下的高效率還有助于縮小大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)的尺寸。盡管 LDMOS 放大器性能的改進(jìn)支持高達(dá) 4 GHz 頻率范圍，但 GaN 放大器可以高達(dá) 5 倍的功率密度實現(xiàn) 100 GHz 的頻率傳輸。

由于 GaN 器件具備更高效率、更高輸出阻抗和更低的寄生電容，因此更容易實現(xiàn)寬帶匹配并擴(kuò)展達(dá)到更高的輸出功率。雖然這在毫米波應(yīng)用中優(yōu)勢更為明顯，但運營商可利用 6 GHz 以下頻率同時在多個頻段范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸。

運營商將不需要多個窄帶無線頻帶，他們只需要一個適用于多個頻段的寬帶無線平臺。GaN 可提供實現(xiàn)這些系統(tǒng)所需的頻率范圍和靈活性，同時還可以輕松擴(kuò)展，以實現(xiàn)未來高頻毫米波傳輸。

這并不是說，GaN 始終都是每個射頻功放應(yīng)用的正確選擇。通常情況下，LDMOS 的定價更低，并且可以在某些頻率下提供極具競爭力的線性度。此外，GaAs 在某些細(xì)分市場具有其特有的效率優(yōu)勢。然而，許多 LDMOS 廠商開始轉(zhuǎn)向 GAN 是有原因的。他們意識到 GaN 在幫助運營商和基站 OEM 廠商實現(xiàn) Sub-6 GHz Massive MIMO 目標(biāo)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

因為 GaN 在基站中的采用，以及在國防和航空航天等其它行業(yè)的廣泛應(yīng)用，GaN 的產(chǎn)量逐年增長。產(chǎn)量提高意味著經(jīng)濟(jì)規(guī)模更大，從而使 GaN 成為更經(jīng)濟(jì)實惠的解決方案。這還沒有考慮更高能效、更小外形尺寸或多頻段應(yīng)用所帶來的成本降低效益。

此外，線性度也將會隨之提高。請記住，目前基站上使用的只是第二代 GaN 產(chǎn)品。LDMOS 之類的成熟技術(shù)已經(jīng)達(dá)到 15 代。這是目前 GaN 領(lǐng)域中最活躍的研究課題，許多業(yè)內(nèi)人士預(yù)計短期內(nèi)有望實現(xiàn)市場領(lǐng)先的線性效率。

隨著限制 GaN 廣泛應(yīng)用的約束因素逐漸消除，對于系統(tǒng)設(shè)計人員來說，了解如何將半導(dǎo)體器件應(yīng)用到自己的設(shè)計變得至關(guān)重要。

◆◆嵌入式設(shè)計人員需要了解什么？◆◆

GaN 為嵌入式設(shè)計人員帶來了許多性能優(yōu)勢，但毫無疑問也有一些這種材料獨有的設(shè)計考量因素。本系列的下一篇將詳細(xì)介紹嵌入式設(shè)計人員需要了解哪些內(nèi)容才能充分利用 GaN 的潛力。我將在下一篇中糾正一些常見的誤解，提供一些設(shè)計解決方案，并探討 GaN 技術(shù)在射頻應(yīng)用及其它方面的發(fā)展。

編輯：jq