什么能解決5G通信高帶寬和大功率的射頻技術(shù)挑戰(zhàn)？

數(shù)據(jù)顯示，全球4G/5G基站市場規(guī)模將在2022年達到16億美元，其中用于Sub-6GHz頻段的M-MIMO PA器件年復合增長率將達到135%，用于5G毫米波頻段的射頻前端模塊年復合增長率將達到119%。高增長的背后是射頻市場的機遇，但同時也是挑戰(zhàn)。從2G到4G再到將來的5G，高速增長的數(shù)據(jù)流量使得調(diào)制解調(diào)難度不斷增加，需要的頻段越來越多，對射頻前端器件的性能要求也越來越高。

以5G為代表的Sub 6G通信射頻系統(tǒng)非常復雜，尤其是那些需要使用高載波頻率和寬頻帶的新技術(shù)，包括載波聚合、Massive MIMO等。為此，很多半導體公司在技術(shù)上全面開花希望利用先進的半導體工藝技術(shù)應對甚至引領新一代的通信技術(shù)需求。以ADI為例，該公司全面擁有GaN、GaAs和SiGe以及28納米CMOS等完整工藝，努力打造更具高集成度、低功耗和低成本的整合系統(tǒng)解決方案。然而，在下一步的5G系統(tǒng)部署以及高端測試應用和衛(wèi)星及航天應用中，無疑以高帶寬和大功率為優(yōu)勢的GaN是其中的佼佼者，正在進入許多應用領域。

GaN器件廣泛應用在基站和蜂窩基礎設施等電信應用，測試測量設備等儀器儀表，以及高溫油井井下應用、有線電視、衛(wèi)星通信和空間應用。

關鍵指標PK，GaN“一枝獨秀”

事實上，在射頻領一直是各大半導體企業(yè)激烈競爭名利場，各種技術(shù)堪稱百花齊放。就功率放大器的功率和頻率性能而言，了解各種商用工藝技術(shù)的優(yōu)劣是很有用的。右圖顯示了幾種技術(shù)支持的功率與頻率范圍。

GaAs是過去20年微波通信的主要技術(shù)。硅LDMOS在窄帶應用方面很有優(yōu)勢，但主要限于4GHz以下的頻率。GaN/Si對6GHz以下的應用很有吸引力，但高襯底損失限制了其最高工作頻率。但值得指出的是，GaN/SiC工藝技術(shù)在功率和頻率方面的市場覆蓋率最廣。

何時使用何種技術(shù)？ADI專家繪制的這個圖給出了很好的基本例子。

當然，不得不指出的是，每種工藝技術(shù)都有其優(yōu)點和缺點。何時使用何種PA技術(shù)取決于應用的頻率和輸出功率要求。L波段1-2 GHz和S波段2-4 GHz中的低頻應用可以使用預匹配FET。X波段8-12 GHz及更高頻率的應用，更多地依賴于MIMIC。

上圖是一個S波段雷達PA級聯(lián)的例子。對于1W以下的第一級驅(qū)動器，GaAs PA一般能提供足夠好的性能，所以通常使用這種PA。HMC409就是這種PA的一個很好的例子。對于10W的第二級驅(qū)動器，MIMIC多級PA是一個合適的選擇。HMC1114就是這種PA的一個很好的例子。對于500W的第三級輸出器件，可以使用預匹配FET。

射頻特性比較，GaN vs. GaAs

GaN和GaAs半導體器件之間有一些顯著的差異。這些差異使得GaN具有超過GaAs的一些關鍵性能優(yōu)勢：
? ? ? ? ——GaN的帶隙電壓高于GaAs。GaN為3.4 eV，GaAs為1.42 eV。結(jié)果是GaN器件具有更高的擊穿電壓，允許使用更高供電軌，以滿足更高的功率需求。
? ? ? ? ?——GaN的供電軌通常為28-50 V，GaAs為5-7 V。同等尺寸的器件，功率容量越高，則功率密度越高。這是一個對許多應用都很重要的品質(zhì)因數(shù)。
? ? ? ? ?——GaN的介電常數(shù)低于GaAs。——SiC上GaN的熱導率遠高于GaAs。這意味著器件中的功耗可以更容易地轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境中。
? ? ? ? ? ——百萬小時平均失效前時間的最高通道溫度更高。GaN的典型AMR為225°C，而GaAs為150°C或175°C。——GaN單芯片的功率可達到100W，而GaAs單芯片只能達到5-8W。

下表總結(jié)了GaN、GaAs和硅技術(shù)之間的一些差異。

與GaAs相比，GaN的優(yōu)點非常明顯，上面的列表還可以羅列很長。例如，更高的功率附加效率（PAE），IC尺寸更小，功率密度更高（可以達五倍），等等。

實物為證，舉幾個栗子

GaN的價值定位是它能同時提供高功率帶寬和PAE。

HMC1099LP5DE就是一個很好的例子，它是一款GaN 10 W功率放大器，覆蓋10 MHz到1100 MHz的頻率范圍，具有50Ω匹配RF輸入和RF輸出端口。當Psat大于10 W時，它提供約70%的PAE，它可以連續(xù)運行或脈沖式運行，適合大多數(shù)一般應用。

該價值定位的另一個很好的例子是HMC 8205 BF10，它基于GaN技術(shù)，具有高功率、高效率和寬帶寬。該產(chǎn)品的工作電源電壓為50 V，在35%的典型頻率下可提供35 W RF功率，帶20 dB左右的功率增益，覆蓋幾十種帶寬。這種情況下，相比類似的GaAs方案，只需要一個IC就能提供高出約10倍的功率。在過去數(shù)年，這可能需要復雜的GaAs芯片組合方案，并且無法實現(xiàn)相同的效率。

最后一個例子是HMC1114LP5DE，它是一款覆蓋2.7 GHz至3.8 GHz的GaN 10 W功率放大器，具有50 Ω匹配RF輸入和RF輸出端口。當Psat大于10 W時，它提供約54%的PAE。它可以連續(xù)運行或脈沖式運行，適合公共移動無線電、無線基礎設施、雷達、發(fā)射機以及測試測量應用。

本文總結(jié)

隨著越來越多電子設備支持更高頻率，對更高頻率電子戰(zhàn)系統(tǒng)的需求將會出現(xiàn)井噴。在電信行業(yè)，隨著5G走向市場，sub 6GHz基礎設施將大面積部署，并且隨著更高帶寬的需求增長而持續(xù)增加。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作頻率主要為C-波段至Ka-波段。因此，系統(tǒng)工程師需要努力嘗試設計一些能夠覆蓋整個頻率范圍的電子設備。GaN芯片技術(shù)的帶寬優(yōu)勢和功率密度優(yōu)勢幫助簡化設計、加速上市時間，減少要管理的器件庫存等方面發(fā)揮著積極的作用。