為何要用GaN技術(shù)來實現(xiàn)5G通信？這些特性是關(guān)鍵

為何要用GaN技術(shù)來實現(xiàn)5G通信？這些特性是關(guān)鍵！在射頻和功率應(yīng)用中，氮化鎵（GaN）技術(shù)正日益盛行已成為行業(yè)共識。GaN器件分為射頻器件和電力電子器件，射頻器件產(chǎn)品包括PA、LNA、開關(guān)器、MMIC等，面向基站衛(wèi)星、雷達(dá)等市場；電力電子器件產(chǎn)品包括SBD、常關(guān)型FET、常開型FET、級聯(lián)FET等產(chǎn)品，面向無線充電、電源開關(guān)、包絡(luò)跟蹤、逆變器、變流器等市場。而按工藝分，GaN器件則分為HEMT、HBT射頻工藝和SBD、PowerFET電力電子器件工藝兩大類。目前，射頻市場主要有三種工藝：GaAs，基于Si的LDMOS，以及GaN工藝。GaAs器件的缺點是器件功率較低，通常低于50W。LDMOS器件的缺點是工作頻率存在極限，最高有效頻率在3GHz以下。GaN則彌補了GaAs和Si基LDMOS這兩種傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷，在體現(xiàn)GaAs高頻性能的同時，結(jié)合了Si基LDMOS的功率處理能力。在射頻PA市場，LDMOSPA帶寬會隨著頻率的增加而大幅減少，僅在不超過約3.5GHz的頻率范圍內(nèi)有效，采用0.25微米工藝的GaN器件頻率可以達(dá)到其4倍，帶寬可增加20%，功率密度可達(dá)6~8W/mm（LDMOS為1~2W/mm），且無故障工作時間可達(dá)100萬小時，更耐用，綜合性能優(yōu)勢明顯。5G帶動GaN崛起傳統(tǒng)上，LDMOS技術(shù)在無線基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，但這種情況是否正在發(fā)生變化？這個問題的答案是肯定的。由于5G需要大規(guī)模MIMO和Sub-6GHz部署，需要使用毫米波（mmWave）頻譜，而這將要面對一系列的挑戰(zhàn)。GaN技術(shù)可以在sub-6GHz5G應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，有助于實現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率等目標(biāo)。高輸出功率、線性度和功耗要求正在推動基站和網(wǎng)絡(luò)OEM部署的PA從使用LDMOS技術(shù)轉(zhuǎn)換到GaN，GaN為5Gsub-6GHz大規(guī)模MIMO基站應(yīng)用提供了多種優(yōu)勢：·GaN在3.5GHz及以上頻率下表現(xiàn)良好，而LDMOS在這些高頻下受到挑戰(zhàn)。

·GaN具有高擊穿電壓，高電流密度，高過渡頻率，低導(dǎo)通電阻和低寄生電容。這些特性可轉(zhuǎn)化為高輸出功率、寬帶寬和高效率。

·采用DohertyPA配置的GaN在100W輸出功率下的平均效率達(dá)到50％~60％，顯著降低了發(fā)射功耗。

·GaNPA的高功率密度可實現(xiàn)需要較少印刷電路板（PCB）空間的小尺寸。

·在DohertyPA配置中使用GaN允許使用四方扁平無引線（QFN）塑料封裝而不是昂貴的陶瓷封裝。

·GaN在高頻和寬帶寬下的效率意味著大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可以更緊湊。GaN可在較高的工作溫度下可靠運行，這意味著它可以使用更小的散熱器。這樣可以實現(xiàn)更緊湊的外形。構(gòu)建RF前端（RFFE）以支持這些新的sub-6GHz5G應(yīng)用將是一項挑戰(zhàn)。RFFE對系統(tǒng)的功率輸出、選擇性和功耗至關(guān)重要。復(fù)雜性和更高的頻率范圍推動了對RFFE集成、尺寸減小、更低功耗、高輸出功率、更寬帶寬、改善線性度和增加接收器靈敏度的需求。此外，收發(fā)器、RFFE和天線之間的耦合要求更嚴(yán)格。5Gsub-6GHzRFFE的一些目標(biāo)，以及GaNPA如何幫助實現(xiàn)這些目標(biāo)呢？具體包括如下：·更高的頻率和更高的帶寬：5G使用比4G更高的頻率，并且需要更寬的分量載波帶寬（高達(dá)100MHz）。GaN-on-Silicon-carbide（GaN-on-SiC）DohertyPA在這些頻率下實現(xiàn)比LDMOS更寬的帶寬和更高的功率附加效率（PAE）。GaN器件的更高效率，更高輸出阻抗和更低寄生電容允許更容易的寬帶匹配和擴展到非常高的輸出功率?！ぴ诟邤?shù)據(jù)速率下的高功率效率：GaN具有軟壓縮特性，使其更容易預(yù)失真和線性化。因此，它更容易用于數(shù)字預(yù)失真（DPD）高效應(yīng)用。GaN能夠在多個蜂窩頻段上運行，幫助網(wǎng)絡(luò)運營商部署載波聚合以增加頻譜并創(chuàng)建更大的數(shù)據(jù)管道以增加網(wǎng)絡(luò)容量。·最大限度地降低系統(tǒng)功耗：我們?nèi)绾螡M足5G的高數(shù)據(jù)率要求？我們需要更多基礎(chǔ)設(shè)施，例如數(shù)據(jù)中心，服務(wù)器和小型蜂窩。這意味著網(wǎng)絡(luò)功耗的整體增加，從而推動了對系統(tǒng)效率和整體功率節(jié)省的需求，這似乎很難。同樣，GaN可以通過提供高輸出功率以及提高基站效率來提供解決方案。以上內(nèi)容來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察翻譯自「Microwaves&RF」上圖顯示了一個示例性sub-6GHzRFFE的框圖，該RFFE使用了DohertyPA設(shè)計來實現(xiàn)高效率。新產(chǎn)品方面，2018年12月，Qorvo發(fā)布了行業(yè)首款28GHz的GaN前端模塊QPF4001，擴大了其5G業(yè)務(wù)范圍。在基站設(shè)備制造商涉足5G之后，這款新FEM可以幫助他們降低總體系統(tǒng)成本。28GHz頻段是早期基于5G的固定無線接入(FWA)部署的首選頻段，使運營商能夠滿足5G對速度、延遲、可靠性和容量的要求。QPF4001FEM在單個MMIC中集成了高線性度LNA、低損耗發(fā)射/接收開關(guān)和高增益、高效率多級PA。針對5G基站架構(gòu)中間隔28GHz的相控陣元件，對緊湊型5x4毫米氣腔層表貼封裝進(jìn)行了優(yōu)化。Qorvo的新款GaNFEM讓毫米波相控陣系統(tǒng)變得更小、功能更強大，也更加高效，能夠把信號引導(dǎo)到需要更多帶寬的區(qū)域。本應(yīng)用采用了Qorvo的高效率0.15微米GaN-on-SiC技術(shù)，讓用戶能夠更高效的達(dá)到更高的EIRP級別，同時最小化陣列尺寸和功耗，從而降低系統(tǒng)成本。QorvoIDP事業(yè)部總裁JamesKlein說：“Qorvo利用我們具有悠久歷史的毫米波技術(shù)，讓5G成為現(xiàn)實。三十年來，我們一直在解決點對點、衛(wèi)星通信和國防行業(yè)采用的集成電路所面臨的功率、尺寸和效率挑戰(zhàn)，