5G и GaN:переход от LDMOS к GaN

В предыдущей статье этой серии мы рассмотрели технологии Massive MIMO, которые способствуют внедрению 5G по всей стране. Несмотря на то, что потенциал приложений с частотой миллиметрового диапазона в конечном итоге будет реализован, в следующие несколько лет услуга 5G будет определяться сигналами, передаваемыми в диапазонах суб-6 ГГц. Чтобы сделать это возможным, следующие поколения решений для базовых станций потребуют значительного улучшения характеристик внешнего интерфейса RF.

Инженерам предлагается разработать базовые станции, которые учитывали бы лучшую интеграцию RFFE, уменьшение размеров, более низкое энергопотребление, более высокую выходную мощность, более широкую полосу пропускания, улучшенную линейность и повышенную чувствительность приемника. Все это в дополнение к удовлетворению требований более тесной связи между приемопередатчиком, RFFE и антенной. Это очень сложная задача. Единственный способ удовлетворить эти потребности и успешно реализовать Massive MIMO - это использовать небольшие, высокоэффективные и экономичные усилители мощности, которые можно использовать в этих расширяющихся антенных решетках.

Поддержка Massive MIMO до 6-го уровня

Пространство радиочастотных усилителей мощности было определено устройствами на основе металлооксидных полупроводников с латеральной диффузией (LDMOS) с тех пор, как технология вышла на рынок в 1990-х годах, особенно на частотах ниже 2 ГГц из-за их низкой стоимости. Наибольшую конкуренцию ему составляли усилители на основе арсенида галлия (GaAs), которые лучше подходили для более высоких частот, но с более низким уровнем передачи мощности и более высокой стоимостью. Когда были развернуты цифровые мобильные сети 2G, LDMOS заняла доминирующее положение на рынке базовых радиочастотных станций, которое сохраняется до сих пор. Однако с появлением сетей 3G и 4G усилители мощности LDMOS не достигли того же уровня энергоэффективности, что и предыдущие поколения. Несмотря на повышение производительности за счет использования топологий Догерти и отслеживания огибающей, производители оборудования и операторы начали обращаться к нитриду галлия (GaN) в качестве полупроводника следующего поколения для ВЧ-приложений во время развертывания 4G LTE в Китае в 2014 году.

GaN - относительно новая технология по сравнению с другими полупроводниками, но она стала предпочтительной технологией для высокочастотных и энергоемких приложений, таких как те, которые требуются для передачи сигналов на большие расстояния или с высокими уровнями мощности, что делает ее идеальной для Sub -6 базовых станций 5G. Его высокая выходная мощность, линейность и энергоэффективность побудили сетевых OEM-производителей перейти от использования технологии LDMOS для PA к нитриду галлия. Технология LDMOS по-прежнему занимает наибольшую долю рынка базовых радиочастотных станций сегодня, но ожидается, что GaN продолжит вытеснять ее в развертываниях 5G Massive MIMO.

Преимущества производительности GaN

Основное преимущество GaN - более высокая плотность мощности. Это происходит из-за того, что ширина запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной выше, чем в технологиях LDMOS, что обеспечивает как высокие напряжения пробоя, так и плотности мощности. Это позволяет передавать сигнал с большей мощностью, что расширяет зону покрытия базовых станций. Высокая плотность мощности GaN PA также обеспечивает меньшие форм-факторы, которые требуют меньше места на печатной плате. В данной области разработчики систем могут производить больше энергии, чем с помощью других технологий. Или, для заданного уровня мощности, разработчики систем могут уменьшить размер RFFE и сократить расходы.

Эта более высокая плотность мощности также позволяет усилителям мощности на основе GaN работать при температурах до 250 градусов по Фаренгейту - уровня, недоступного для кремниевых технологий. Улучшенное рассеивание тепла GaN упрощает требования систем к радиатору и охлаждению, дополнительно уменьшая размер и стоимость. Учитывая огромные расходы на инфраструктуру, с которыми сталкиваются операторы мобильной связи, меньшее и менее дорогое оборудование будет иметь большое значение для обеспечения доступности 5G на национальном уровне.

Повышенная энергоэффективность GaN также способствует снижению затрат на работу базовых станций. Операторы стремятся свести к минимуму энергопотребление в сети и подталкивают OEM-производителей к разработке эффективных систем и общей экономии энергии. Чтобы удовлетворить эту потребность, инженеры все чаще обращаются к GaN. В конфигурациях Doherty PA GaN достигает среднего КПД до 60% при выходной мощности 100 Вт, что значительно снижает энергию, необходимую для работы энергоемких систем Massive MIMO.

Эффективность GaN на высоких частотах и ​​в широкой полосе пропускания также может помочь уменьшить объем систем Massive MIMO. Хотя улучшения характеристик усилителя LDMOS позволяют использовать диапазоны частот до 4 ГГц, усилители на основе GaN могут достигать частот до 100 ГГц при плотностях мощности до пяти раз выше. Более высокий КПД и выходное сопротивление, а также более низкая паразитная емкость упрощают широкополосное согласование и масштабирование устройств на основе GaN до очень высокой выходной мощности. Хотя приложения mmWave более очевидны, это может принести пользу несущим в Sub-6 за счет одновременной передачи в нескольких диапазонах. Операторам не понадобится несколько узкополосных радиомодулей, им просто понадобится одна широкополосная радиоплатформа, обслуживающая несколько диапазонов. GaN предлагает широкий диапазон и гибкость, чтобы сделать эти системы возможными, а также легко масштабируется для передачи высоких частот миллиметровых волн будущего.

Нельзя сказать, что GaN всегда является правильным выбором для любого приложения для ВЧ-мощности. LDMOS часто доступен по более низкой цене и обеспечивает очень конкурентоспособную линейность на определенных частотах. GaAs также имеет свои преимущества в эффективности в определенных рыночных нишах. Однако есть причина, по которой многие крупные игроки в LDMOS переходят на производство GaN:они осознают, насколько важен GaN для помощи операторам связи и OEM-производителям базовых станций в достижении их целей в отношении Massive MIMO до 6 ГГц.

Благодаря широкому применению GaN в базовых станциях, а также расширению применения в других отраслях, таких как оборонная и аэрокосмическая, объем производимого GaN растет из года в год. Больший объем означает большую экономию на масштабе, что делает GaN более доступным решением. И это без учета экономии, достигнутой за счет повышения энергоэффективности, меньших форм-факторов или многополосных приложений. Также улучшается линейность. Важно помнить, что GaN находится только во втором поколении предложений для базовых станций. Зрелые технологии, такие как LDMOS, находятся в 15-м поколении. В настоящее время это самая активная область исследований в области GaN, поэтому многие в отрасли ожидают лидирующей на рынке линейной эффективности в краткосрочной перспективе.

Поскольку ограничения, ограничивающие применение GaN в более широком масштабе, устранены, разработчикам систем становится критически важно понять, как применять полупроводник в своих собственных приложениях.

Что нужно знать разработчикам встраиваемых систем

GaN предлагает множество преимуществ в производительности для разработчиков встраиваемых систем, но, безусловно, существуют передовые методы проектирования, которые уникальны для данного материала. В следующей статье этой серии будет подробно рассказано, что нужно знать разработчикам встроенных систем, чтобы использовать весь потенциал GaN. Он исправит распространенные заблуждения, предложит конструктивные решения и изучит, что будет дальше с технологией GaN как в ВЧ-приложениях, так и за их пределами.

Связанное содержание:

• 5G и GaN:понимание инфраструктуры Massive MIMO менее 6 ГГц
• Самые большие проблемы 5G для провайдеров услуг связи
• Как O-RAN изменит взаимодействие в сетях 5G
• 10 ключевых тенденций в беспроводных технологиях
• Внедрение 5G:марафон, а не спринт

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.