5G和GaN：从LDMOS转移到GaN

文章由：Roger Hall

在前一篇文章在本系列中，我们审查了驾驶全国各地5克实施的大规模MIMO技术。虽然最终将实现MMWAVE频率应用的潜力，但对于接下来的几年，5G服务将由Sub-6GHz频带传输的信号定义。为了使这一点成为可能，下一代基站解决方案将需要改进RF前端性能。

工程师们被要求开发具有更好的RFFE集成、减小尺寸、降低功耗、更高的输出功率、更宽的带宽、改进的线性度和更高的接收器灵敏度的基站。所有这些除了满足收发器、RFFE和天线之间更紧密的耦合要求之外。这是一个非常苛刻的要求。满足这些需求并成功实现大规模MIMO的唯一方法是使用可用于这些扩展天线阵列的小型、高效、经济有效的功率放大器。

供电Sub-6大量MIMO

自上世纪90年代横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术进入市场以来，射频功率放大器的空间一直被定义为横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件，特别是在频率低于2GHz的领域，因为其成本较低。它最大的竞争对手是砷化镓(GaAs)放大器，这种放大器更适合于更高的频率，但具有更低的功率传输水平和更高的成本。2G数字移动网络推出后，LDMOS在射频基站领域取得了市场主导地位。然而，随着3G和4G网络的引入，LDMOS功率放大器并没有达到与前几代相同的功率效率水平。尽管Doherty拓扑和包络跟踪技术提高了性能，但在2014年中国4G LTE部署期间，设备制造商和运营商开始将氮化镓(GaN)作为下一代射频功率半导体应用。

与其他半导体相比，GaN是一项相对较新的技术，但它已成为高射频、高功率应用的首选技术，如那些需要远距离或高端功率水平传输信号的应用，使其成为Sub-6 5G基站的理想技术。其高输出功率、线性度和功率效率促使网络oem从使用LDMOS技术生产PAs转向使用氮化镓。LDMOS技术目前仍在射频基站中占据最大的市场份额，但GaN预计将继续在5G大规模MIMO部署中取代LDMOS技术。

GaN性能优势

GaN的主要优点是其较高的功率密度。这是由于导通和价带之间的带隙，其高于LDMOS技术，它提供了高击穿电压和功率密度。它允许以更多的功率传输信号，该信号扩大基站的覆盖区域。GaN PAS的高功率密度也使得较小的形状因素需要较少的PCB空间。在给定的区域系统中，设计人员可以产生比另一种技术更大的功率。或者，对于给定的电力电平系统设计人员可以缩小RFFE的大小并降低成本。

这种更高的功率密度还允许GaN功率放大器在高达250华氏度的温度下工作，这是硅基技术无法达到的水平。氮化镓改进的散热简化了系统的散热器和冷却要求，进一步减小了尺寸和成本。考虑到移动运营商面临的巨额基础设施支出，要让5G在全国普及，更小、更便宜的设备将大有帮助。

氮化镓提高的功率效率也有助于降低运行基站的费用。运营商正寻求将网络能耗降至最低，并敦促oem在设计时注重系统效率和整体节能。为了满足这种需求，工程师们越来越多地转向GaN。在Doherty PA配置下，GaN的平均效率高达60%，输出功率为100 w，显著降低了运行耗电量大的大规模MIMO系统所需的能量。

GaN在高频和宽带宽度下的效率也可以帮助收缩巨大的MIMO系统。虽然LDMOS放大器特性的改进允许频率范围高达4 GHz，但GaN的放大器可以在功率密度高达100 GHz的频率高达五倍。较高的效率和输出阻抗以及较低的寄生电容，使GAN设备更容易宽带匹配和缩放到非常高的输出功率。虽然MMWAVE应用更明显，但这可以通过同时在多个频带上传输来利用SUB-6中的载波。运营商不需要多个窄带无线电，他们只需要一个提供多个频段的一个宽带无线电平台。GaN提供了使这些系统成为可能的范围和灵活性，同时还可以轻松扩展以提供未来MMWAVE传输的高频。

这并不是说GaN始终是每个RF电力应用的正确选择。LDMOS通常以较低的价格提供，并在某些频率下提供非常竞争的线性。GaAs还在某些市场利基拥有自己的效率优势。然而，有一个原因的是LDMOS中的许多主要球员转向GaN生产：他们认识到甘甘道如何为帮助运营商和基站OEM实现其对Sub-6 GHz大规模MIMO的目标。

由于GaN在基站的广泛应用，以及在国防和航空航天等其他行业的广泛应用，GaN的产量逐年增长。更多的产量等于更大的规模经济，使GaN成为一个更经济的解决方案。这还没有考虑到从提高能源效率、更小的形状因素或多波段应用中获得的节省。线性度也在提高。重要的是要记住，GaN只提供给基站的第二代产品。像LDMOS这样的成熟技术在第15代。这是目前GaN领域最活跃的研究领域，许多业内人士预计短期内线性效率将处于市场领先地位。

由于解决了从更广泛的应用程序限制GaN的限制，它现在对系统设计人员来说是至关重要的，了解如何将半导体应用于自己的应用程序。

嵌入式设计师需要知道什么

GaN为嵌入式设计人员提供了大量的性能优势，但肯定会设计最佳实践，这些实践是材料独有的。本系列的下一篇文章将详细介绍嵌入式系统设计人员需要知道甘甘甘蓝的全部潜力。它将纠正常见的误解，提供设计解决方案，并探索RF应用中和外部GAN技术的下一步。

- Roger Hall是Qorvo，Inc。的高性能解决方案总经理